Учёные создали несимметричные молекулы-кольца, открывающие новые возможности в фотохимии

Три типа гетеро[8]циркуленов, синтезированных на сегодняшний день. Автор: Университет Осаки

Жизнь, какой мы её знаем, основана на органических молекулах. В этих молекулах атомы углерода и водорода связаны в удивительное множество структур, таких как цепи или кольца. Особый класс органических молекул, гетеро[8]циркулены, может вести себя интересным образом благодаря своему кольцу из восьми атомов и имеет множество применений, включая электронные устройства, отвечающие за управление и обнаружение света.

Однако создание этих молекул с помощью запланированных химических реакций, или синтетического пути, затруднено. Это связано с ресурсами, необходимыми для формирования этого класса молекул, такими как время и материалы.

В результате на сегодняшний день создано всего три типа гетеро[8]циркуленов. Эти три типа молекул симметричны, то есть если провести линию через каждую молекулу, обе половины являются зеркальными отображениями друг друга, или если повернуть каждую молекулу, она выглядит одинаково.

Однако процесс создания, возможно, стал немного проще благодаря работе исследователей из Университета Осаки.

Получившаяся публикация «Электрохимический каскадный доступ к гетеро[8]циркуленам как мощным органофотокатализаторам для разнообразных образований связи C–X» в Nature Communications освещает новый экзотический дизайн кольца — диоксаза[8]циркулен — как путь к новому классу структур. Эти выводы расширяют границы симметрии внутри гетеро[8]циркуленов.

Команда использовала электрический ток для проведения электрохимического синтеза, или реакции, чтобы одновременно сформировать шесть связей между атомами. Это создало структуру из пяти шестиугольников и трёх пятиугольников, причём эта новая структура представляет собой несимметричный гетеро[8]циркулен, диоксаза[8]циркулен.

Электролитический домино-синтез нового (тип IV) гетеро[8]циркулена. Автор: Университет Осаки

«Снятие ограничения симметрии позволило нам открыть новый класс материалов, — говорит ведущий автор Мохамед С. Х. Салем. — Новый метод, который мы разработали для достижения этого, от нашего несимметричного гетеро[8]циркулена, имеет всего два шага и прост в использовании».

Преимущества нового экологически чистого метода заключаются в том, что он генерирует только воду в качестве побочного продукта, а материалы, необходимые для реакции, не являются специализированными и могут быть куплены в коммерческих целях. В целом метод эффективен, поскольку производит диоксаза[8]циркулен с выходом до 83%, то есть 83% от количества, которое может быть произведено в принципе.

Новая молекула диоксаза[8]циркулена — это не просто странная молекула без цели, поскольку она обладает уникальными свойствами, которые делают её практически полезной.

«Специальные тесты показали нам, что в структуре диоксаза[8]циркулена то, как движутся электроны, и то, как молекула реагирует на свет и электричество, необычны, — объясняет Синобу Такидзава, старший автор. — В результате диоксаза[8]циркулен может действовать как органический фотокатализатор».

Реакция кросс-сочетания без переходных металлов, стимулируемая фотокатализатором гетеро[8]циркуленом. Автор: Университет Осаки

Фотокатализатор может ускорить любую химическую реакцию, вызванную светом, что является устойчивым и недорогим процессом для создания материала. Диоксаза[8]циркулен был признан достаточно мощным фотокатализатором, что означает, что он обладает потенциалом помочь в создании соединений, содержащих связи между углеродом и другими атомами (углеродом, бором, серой и фосфором) с выходом 97%, без необходимости использования переходных металлов.

Таким образом, создав новую несимметричную структуру гетеро[8]циркулена, исследователи открыли новый путь для изготовления других материалов безопасным и простым способом, особенно учитывая необычные, но захватывающие свойства диоксаза[8]циркулена.

Больше информации: Ahmed S. Gabr et al, Electrochemical cascade access to hetero[8]circulenes as potent organophotocatalysts for diverse C–X bond formations, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60889-w

Источник: University of Osaka