Впервые в мире доказано существование полиоксорената

В лабораториях химии технеция и анализа радиоактивных материалов Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН впервые в мире получен и описан методами РФА, РСА и спектрофотометрии полиоксометаллат рения (VII). Статься о получении нового вещества опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Заряд полиоксоаниона [Re₄O₁₅] — (-2). Рений в нем имеет высшую степень окисления +7. Полиоксоренат содержит четыре атома рения, соединенных через кислородные мостики. Его удалось синтезировать в среде с pН=2.5 в присутствии буферного агента — пиразола.

Молекула полиоксоаниона ассиметрична. Три атома рения в ней находятся в тетраэдрическом кислородном окружении, а четвертый — в октаэдрическом. Это интересная особенность, потому что октаэдрическое кислородное окружение нетипично для соединений рения и технеция в высших степенях окисления.

Кислородные тетраэдры расположены по отношению к октаэдру несимметрично, с одной стороны, т. е. полиоксоренат образует cis-изомер. Теоретическое моделирование методами теории функционала плотности показало, что существование транс-изомера маловероятно. Возможно, асимметричное расположение тетраэдров связано со стабилизирующими невалентными взаимодействиями Re-O…Re-O. При таких взаимодействиях атомы одной структурной единицы, не образуя химической связи с атомами другой, «чувствуют» их и соответственно ориентируются в кристаллах и растворах. Межмолекулярные невалентные взаимодействия Re-O…Re-O — между рением, принадлежащим одной молекуле, и кислородом, принадлежащим другой- были описаны сравнительно недавно. В данном исследовании впервые обнаружены внутримолекулярные взаимодействия такого типа.

«Исследования показывают, — рассказывает научный сотрудник лаборатории химии технеция, кандидат химических наук Михаил Волков, — что образование полиоксометаллатов переходных металлов — рН-зависимый процесс, а формирование октаэдрического кислородного окружения происходит преимущественно в кислой среде. Например, первый полиоксометаллат с технецием, имеющий схожее строение и открытый в нашей лаборатории, был получен из концентрированного раствора сильной кислоты. В 2021 году мы дали ответ на загадку, которую ученые всего мира не могли разгадать в течение 70 лет, расшифровав тот очень интересный полианион с зарядом (-4), состоящий из 20 атомов технеция и 68 атомов кислорода. Но, в отличие от полученного нами полиоксорената, технеций в полианионе имеет переменную валентность».

По аналогии с выделением полиоксотехнетата, была произведена попытка выделить полиоксометаллат рения из кислой среды. Были испробованы более 30 различных буферных сред. Успеха удалось добиться в присутствии пиразола как буфера (pH=2.5). Поскольку семивалентный рений устойчивее, чем семивалентный технеций, восстановления рения при таких условиях не произошло, и он остался в степени окисления +7. Был синтезирован новый тип легчайшего полиоксометаллата — сильно асимметричный полианион Re₄O₁₅ с рением в степени окисления +7. Это первый зарегистрированный полиоксаметаллический кластер химического элемента из подгруппы марганца, в котором металл находится только в высшей степени окисления +7. Ранее рений удавалось внедрить в состав полиоксометаллатов, но в восстановленных степенях окисления или в качестве гетероатома (атома-примеси).

«Структура полиоксотехнетата Tc₂₀O₆₈ — «квадратное кольцо» из четырех атомов технеция в степени окисления +5 в октаэдрическом кислородном окружении, к которым через кислородные мостики присоединены 16 атомов технеция в степени окисления +7 в тетраэдрическом кислородном окружении, — продолжает Михаил Волков. — По структуре полученный новый полиоксоренат — это четвертая часть такого полианиона». По результатам масс-спектроскопии можно предположить, что рений будет образовывать и более сложные полианионы с массой до 2500 a.m.u.

«Структура полиоксорената была доказана кристаллографическими и спектрофотометрическими методами. Однако вырастить кристалл, пригодный для такого исследования, оказывается непросто. Кристаллы полученного соединения часто образуют двойники; тогда по данным дифрактометрии очень сложно расшифровать структуру. При гидротермальном синтезе в процессе роста кристалл может захватить молекулу растворителя, которая потом на воздухе покинет кристалл, и он разрушится, — раскрывает технологию Михаил Волков — Чтобы этого не происходило, приходится подбирать условия синтеза, например, менять pH среды, выбирать регуляторы кислотности или растворители, работать с сухими аргоновыми боксами».

Рений — 75-й элемент, находящийся в VII группе (ниже марганца и технеция) периодической таблицы Менделеева. Судя по его положению в таблице, свойства рения должны быть похожи на свойства технеция, элемента, который образуется в котлах атомных станций и очень сильно влияет на процесс выделения плутония из продуктов распада урана.

«Получение полиоксорената дает ключи к пониманию механизмов образования полиметаллических комплексов не только для рения, но и для технеция. Мы обнаружили, что результаты масс-спектрометрического исследования технециевого оксометаллата очень похожи на результаты масс-спектрометрии нового рениевого соединения. Например, у них обоих при лазерной ионизации наблюдаются сходные процессы олигомеризации, — подводит итог Михаил Волков. — Возможно, в будущем в промышленности появятся методы выделения технеция из растворов переработанного ядерного топлива, основанные на наших знаниях о полиоксометаллатах».