07.02.2017 Залізо – четвертий за розповсюдженістю хімічний елемент у земній корі і найбільш поширений метал у Всесвіті. Залізо нечасто трапляється на Землі у вигляді чистої речовини – металу (метеоритне залізо), зустрічаючись переважно у вигляді хімічних сполук, у яких атом заліза віддає свої 2 чи 3 електрони іншим елементам, відповідно набуваючи ступеня окиснення +2 чи +3 (сполук дво- і тривалентного, або низьковалентного заліза). Саме з таких сполук людина й отримує чистий метал. Наразі відомі сотні природних і десятки тисяч синтетичних сполук заліза у ступенях окиснення +2 і +3.

Сполуки так званого високовалентного заліза (у ступенях окиснення +4, +5, +6) за звичних умов не утворюються у зовнішньому середовищі (тобто, за наявності атмосферного кисню та води), а тому не зустрічаються у мінеральному світі. Вважається, що вони можуть виникати лише як частинки з високою реакційною здатністю і дуже коротким часом життя (частки секунди) під час функціонування деяких залізовмісних ферментів (таких як, наприклад, пероксидази або цитохроми Р450) або з’являтися внаслідок деяких промислових каталітичних процесів.

Певна кількість сполук високовалентного заліза, які до цього часу вдалося синтезувати в лабораторних умовах з використанням сильних окисників, виявились досить нестійкими, особливо при розчиненні у воді, і швидко (протягом кількох годин) розкладаються до звичайних форм.

Нарешті міжнародному творчому колективу дослідників з України, Польщі, Німеччини і Данії (серед яких два нещодавні випускники аспірантури хімічного факультету Сергій Шилін і Стефанія Томин, а також два українці, які наразі працюють за кордоном) під керівництвом завідувача кафедри фізичної хімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка професора Ігоря Фрицького, вдалося синтезувати принципово нові комплексні сполуки заліза у ступені окиснення +4. Ці сполуки високовалентного заліза не лише самочинно утворюються у водному розчині завдяки окисненню на повітрі, але й залишаються стабільними (!) –необмежено довго існують за звичайних умов як у твердому стані, так і у розчинах. Це відкриття напевне змусить вчених переглянути загальновідомі істини щодо властивостей заліза і «класичного» перебігу процесів окиснення (за наявності кисню повітря) розчинених солей двовалентного заліза (+2) до тривалентного заліза (+3), адже до цього часу тривалентне залізо ніколи самочинно не окиснювалося до чотиривалентного.

Яким чином науковцям вдалося стабілізувати зазвичай досить нестійку валентність заліза? Простота і геніальність цього задуму полягає в тому, що дослідники фактично «упакували» атом заліза у нанокапсулу (тзв. клатрохелат), яка за формою нагадує м’яч для гри у регбі. У цій оригінальній упаковці атом заліза ефективно захищений, екранований від різноманітних факторів зовнішнього середовища, зокрема від дії молекул розчинників, відновників тощо. Таким чином, молекули реагентів, з якими зазвичай легко взаємодіють достатньо реакційноздатні сполуки високовалентного заліза, ніяк не можуть наблизитися до атома заліза, дістатися до якого їм тепер так само важко, як до жовтка нерозбитого яйця. Надійно «зашити» залізо у нанокапсулу вдалося шляхом застосування методології темплатного синтезу, а закривання капсули з обох верхівок забезпечив «зшиваючий» агент, функції якого виконав звичайний формалін (37% розчин формальдегіду).

Рисунок: «Нанокапсула» комплексу чотирьохвалентного заліза (дві різні проекції: «збоку» і «зверху»). Атом заліза – кольору маджента – ледь помітний у глибині капсули на першій проекції.

Результати досліджень опубліковані 19 січня цього року в одному з найпрестижніших інтердисциплінарних наукових журналів – Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms14099). Вже через три доби інформацію про цю статтю було розміщено у стрічці новин авторитетного журналу Chemistry Views, який висвітлює топові наукові і технологічні досягнення, кожного дня публікуючи лише одну новину в галузі хімії. Таким чином, робота групи дослідників під керівництвом професора І. Фрицького потрапила до тридцяти найважливіших подій місяця в галузі хімії, обраних серед тисяч інших публікацій.

Наразі дещо передчасно говорити про усі можливості практичного застосування одержаних металокомплексів (адже відкриття має фундаментальний характер). Імовірно, синтезовані сполуки 4-валентного заліза можуть знайти використання як каталізатори а реакціях окиснення різноманітних біологічних молекул, як сенсори на антиоксиданти, а також як конструкційні блоки, «наноцеглинки» для створення різноманітних функціональних матеріалів з незвичайними оптичними, магнітними та електрохімічними властивостями.

Інформаційне повідомлення підготовлене НДЧ КНУ імені Тараса Шевченка за матеріалами, наданими заступником декана хімічного факультету з наукової роботи Н. Куцевол і професором  І. Фрицьким.