Помимо ковалентных связей, благодаря которым атомы собираются в молекулы, все вещества – кристаллы, растворы и газы – пронизаны более слабыми, но ничуть не менее важными, нековалентными связями, которые вносят большой вклад в рост кристаллов и синтез молекул, особенно биологических. Эти межмолекулярные (супрамолекулярные) взаимодействия влияют на теплопроводность, электропроводность и магнитные свойства. Они также лежат в основе такого явления, как самосборка – способности молекул самостоятельно формировать сложную структуру, словно «повинуясь» закодированным в их структуре инструкциям.
Анион-анионные взаимодействия возникают между одинаково заряженными анионами. Тетраоксоанионы, которые изучали в ИФХЭ РАН, состоят из пяти атомов: четырех атомов кислорода в вершинах тетраэдра и одного атома металла (рения, технеция или марганца) в центре. Электронная плотность в анионе распределена неоднородно: в окрестностях атомов кислорода она больше, а вблизи атома металла – меньше. Поэтому атом металла, принадлежащий одному тетраоксоаниону, может связываться с атомом кислорода из другого тетраоксоаниона.
«Анион-анионные взаимодействия – короткие, поэтому они одни из самых сильных в кристалле. Но при этом очевидно, что чем больше связей образует центральный атом металла, тем слабее они будут», – отметил один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории анализа радиоактивных материалов ИФХЭ РАН Антон Новиков.
Для описания количества анион-анионных взаимодействий, в которых участвует анион или его центральный атом, исследователи использовали термин «дентантность» из химии координационных соединений. Теоретически дентантность тетраоксоаниона может доходить до 8, поскольку у тетраэдра четыре вершины, где электронная плотность повышена, и четыре грани, где она понижена. Учёные построили возможные модели анион-анионных связей для тетраэдрических анионов и классифицировали их по двум признакам: дентантность аниона (число связей) и дентантность его центрального атома (число координационных мест вокруг комплексообразователя).
«В этой работе мы проанализировали кристаллические структуры и межмолекулярные взаимодействия для соединений рения, технеция и марганца, а также для хлора, брома и иода. Наиболее интересные взаимодействия мы наблюдали у соединений рения, синтезированных в нашей лаборатории», – рассказал другой участник исследования, научный сотрудник лаборатории химии технеция ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Михаил Волков.
По словам учёных, представленная классификация позволяет предсказывать новые, пока не идентифицированные структуры и взаимодействия и целенаправленно их искать. Предложенная классификация не только упрощает и делает более ясным описание нековалентных взаимодействий, но также позволяет предсказывать физические свойства, включая уже установленные фазовые переходы и температуры плавления.
«Физико-химические свойства современных синтезируемых материалов в подавляющей степени определяются межмолекулярными взаимодействиями. Понимание нековалентных взаимодействий – путь к осознанному синтезу материалов, ключ к пониманию многих химических процессов, в том числе, возможно, к теории катализа. Мы надеемся, что предложенная классификация, позволяющая описать кристалл с единой позиции, докажет свою полезность», – подвел итог Михаил Волков.
Авторы планируют продолжить исследования и дополнить классификацию супрамолекулярными структурами с более сложной геометрией.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИФХЭ РАН по теме «Фундаментальные и прикладные аспекты химии радиоактивных элементов, радиохимии и химии высоких энергий» (проект № 125012200582-8).
По материалам: Anton P. Novikov, Mikhail A. Volkov. Non-covalent interactions of 7th group and tetrahedral anions. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, Volume 71, Issue 4, November 2025, 100687.
DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2025.100687
Источник: Лаборатория анализа радиоактивных материалов ИФХЭ РАН, Лаборатория химии технеция ИФХЭ РАН, Новости Минобрнауки России