有机(DCA)分子与金原子(Au)在银表面(Ag)结合。
黄金可能是解开一种难以捉摸但却非常理想的反应途径的关键。
澳大利亚领导的一项新研究发现，金原子可能是解锁有机反应的关键。
有机分子是我们每天使用的材料的基石——从我们的衣服和咖啡杯到我们的手机屏幕显示器。控制这些有机分子的反应是设计具有功能特性的材料的关键。
扫描隧道显微镜(a)和非接触原子力显微镜(b)在莫纳什大学结合的DCA分子和金原子可以直接观察共价C-Au键的化学结构。比例尺:0.5 nm。
由于几乎所有有机分子都含有碳-氢键，针对碳-氢键的反应长期以来一直受到科学的关注。由莫纳什大学FLEET领导的一项新研究(本周发表在《柳叶刀》杂志上)美国化学学会杂志)的研究发现，单个金原子可能为针对特定C-H键的反应提供了低能量路径。
化学反应的“圣杯”
通讯作者A/ Agustin Schiffrin教授说:“FLEET的目标之一是开发电子特性可用于低能耗技术的材料。”
如果分子之间的反应可以在原子尺度上控制，有机分子可以作为这些材料的可调谐结构的有用的构建块。
第一作者FLEET博士候选人Benjamin Lowe(莫纳什物理与天文学院)
碳氢键是有机分子中最常见的键之一。正因为如此，在化学反应中靶向特定C-H键的能力被一些研究人员描述为“圣杯”。不幸的是，C-H激活反应面临着两大挑战:
- 难以仅针对一个特定的键进行反应(选择性差)。
- 打破这些键需要大量的能量(高活化能)。
所有闪光的东西?
莫纳什大学的研究人员发现单金原子可能提供了C-H激活的途径。
研究人员将少量单个金原子与有机9,10-二氰蒽(DCA)分子结合在银(Ag(111)的原子平面上。
金原子提供了一种低能的反应途径，允许C-H键在室温下断裂，并形成共价键DCA-Au-DCA结构。灰色:C，白色:H，蓝色:N，黑色:Ag(表面)，黄色:Au。
“我们使用原子尺度的实验技术——扫描隧道显微镜和原子力显微镜——对样品进行成像和表征，”主要作者本杰明·洛解释说，他是莫纳什大学舰队的博士生。“这些技术揭示了DCA分子的碳原子和金原子之间不寻常的共价键。”
这种共价键的形成表明特定的C-H键必须先断裂。研究人员与捷克科学院的理论合作者合作，发现了一种反应途径，这表明由单个金原子与DCA分子对形成的金属有机中间态可以帮助这种反应进行。
值得注意的是，所揭示的反应途径只能解释一个特定的C-H键的C-H断裂。研究人员发现，打破这种特定的C-H键所需的能量急剧下降(激活的障碍)，使反应在室温下进行。
通讯作者FLEET CI A/ Agustin Schiffrin教授(莫纳什物理与天文学院)
FLEET首席研究员Agustin Schiffrin解释说:“这项研究直接解决了两个最大的挑战——即低选择性和高激活屏障——这限制了有机分子中C-H键的特异性解离。”“我们的方法可能会为合成新型有机和金属有机纳米材料打开大门，这些材料的性质对电子、光电子、传感、催化等都很有用。”
接下来是什么?
鉴于有机分子反应在各个领域的广泛兴趣，这种有前途的反应有许多潜在的应用，如聚合物制造和药品的改性。
在FLEET，研究人员希望利用这种选择性和高效的反应来生产具有理想电子性能的原子薄材料。
这项研究
报纸"单金原子催化芳香族C-H键在室温下的选择性活化发表于美国化学学会杂志(DOI: 10.1021/jacs.2c10154)。
这项研究由莫纳什大学物理与天文学院领导，来自捷克共和国科学院物理研究所和捷克共和国Palacký大学的共同作者。
以及来自澳大利亚研究理事会(卓越中心和未来奖学金计划)，作者感谢来自捷克科学院而且捷克科学基金会(Praemium Academie)，从捷克共和国教育、青年和体育部(e-Infrastruktura CZ)。
FLEET的有机和金属有机材料
本杰明·洛在莫纳什大学Agustin Schiffrin教授的小组中进行了这项研究，该小组在原子尺度上研究了有机和金属有机材料的电子特性。
利用莫纳什大学最先进的纳米材料合成和扫描探针显微镜技术，该小组致力于合成可用于超低能量电子设备的新材料。
莫纳什大学Schiffrin小组的原子尺度显微镜工作属于FLEET的范畴研究主题1．
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