Учёные создали «невозможную» молекулу с 20 электронами, бросая вызов столетнему правилу химии

Молекулярная структура нового 20-электронного производного ферроцена, с выделением атомов азота (синий), железа (оранжевый), водорода (зелёный) и углерода (серый). Источник: Изменённый рисунок 2c из статьи Takebayashi, S., Ariai, J., Kartashov, S.V. и др. в Nature Communications (2025). Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0).

Более века в области металлоорганической химии господствовало известное «правило 18 электронов». Однако исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) совершили прорыв, синтезировав стабильное производное ферроцена с 20 электронами, что бросает вызов этому устоявшемуся принципу.

«Для многих комплексов переходных металлов наибольшая стабильность достигается при наличии 18 формальных валентных электронов. Это эмпирическое правило лежит в основе ключевых открытий в катализе и материаловедении», — пояснил доктор Сатоси Такэбаяси, ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications.

Ферроцен, железосодержащий металлоорганический комплекс, долгое время считался классическим примером, подтверждающим это правило. Однако теперь учёные впервые продемонстрировали, что можно создать его стабильный 20-электронный аналог.

Это открытие углубляет понимание структуры и устойчивости металлоценов — класса соединений с характерной «сэндвичевой» структурой, где атом металла зажат между двумя органическими кольцами.

Переосмысление химических основ

Ферроцен, впервые синтезированный в 1951 году, произвёл революцию в химии своей неожиданной стабильностью и уникальным строением, что в итоге принесло его первооткрывателям Нобелевскую премию по химии в 1973 году. Это соединение заложило основы современной металлоорганической химии.

Новое исследование развивает эти идеи. Разработав инновационную систему лигандов, команда стабилизировала 20-электронный ферроцен, что ранее считалось невозможным. Как отметил доктор Такэбаяси, дополнительные электроны придали соединению необычные окислительно-восстановительные свойства, открывающие перспективы для практического применения.

Традиционно ферроцен используется в реакциях с переносом электронов (редокс-реакциях), но в ограниченном диапазоне степеней окисления. Новое производное, благодаря образованию связи Fe–N, расширяет эти возможности, что может повысить его ценность как катализатора или функционального материала в энергетике, химической промышленности и других областях.

Потенциал для инноваций

Производные ферроцена уже нашли применение в солнечных элементах, фармацевтике, медицинских устройствах и катализаторах. Это открытие предоставляет химикам новые инструменты для создания материалов с заданными свойствами, что может ускорить развитие «зелёной» химии и передовых технологий.

Исследование поддержано Японским обществом содействия науке (JSPS), программой JSPS по формированию ведущих исследовательских университетов Японии и Окинавским институтом науки и технологий.