В KAIST разработана молекулярная платформа для управления путями реакции кислорода

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством профессора Хван Сын Джуна (Seung Jun Hwang) с химического факультета Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработала новую молекулярную систему, способную избирательно переключать пути переноса электронов в процессе активации кислорода, что может заложить основу для создания катализаторов нового поколения и технологий преобразования энергии.

Объединив германий с молекулярной структурой, способной накапливать и переносить электроны, команда разработала принцип конструирования, позволяющий избирательно переключать активацию кислорода между двух- и четырёхэлектронными путями. Традиционно катализаторы, контролирующие реакции кислорода, разрабатывались в основном на основе переходных металлов, таких как железо, кобальт и никель; германий, как элемент главной подгруппы, принадлежащий к той же группе периодической таблицы, что и кремний, обычно считался непригодным для реакций, требующих согласованного переноса нескольких электронов. Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа объединила германий с редокс-активным лигандом (redox-active ligand), который служит резервуаром для электронов, работая в тандеме с центром германия, что позволяет всей молекулярной структуре участвовать в многоэлектронных реакциях.

При реакции кислорода продукты и результаты зависят от того, переносятся ли два или четыре электрона. Двухэлектронное восстановление кислорода даёт пероксид водорода, а четырёхэлектронное — воду; избирательное управление этими путями является важной задачей при разработке батарей, топливных элементов и более экологичных химических катализаторов. Данное исследование демонстрирует редкий пример молекулярной системы на основе элементов главных подгрупп, способной избирательно реализовывать как двух-, так и четырёхэлектронную реакционную способность в рамках одной и той же молекулярной структуры, расширяя круг элементов, которые можно рассматривать при проектировании катализаторов.

Исследовательской группе удалось выделить и проанализировать соединение германия, представляющее стадию двухэлектронной реакции, стабилизировав его путём присоединения метильной группы к комплексу германия. Атом германия в этом соединении способен как отдавать, так и принимать электроны, что даёт важные подсказки для систематического управления различными реакционными путями. Исследовательская группа также подтвердила практический потенциал новой системы в мягких условиях без освещения: комплекс германия удалял атомы галогенов, такие как бром и хлор, из органических соединений, регенерируя алкены (органические соединения, содержащие углерод-углеродные двойные связи), которые широко используются в качестве сырья для химических продуктов, таких как лекарства и пластмассы. Профессор Хван Сын Джун отметил, что эти открытия предоставят информацию для разработки катализаторов нового поколения для преобразования энергии и помогут добиться более селективных и эффективных химических процессов.

Исследование было выполнено совместно постдокторантами Ким Сон Гю (Sung Gyu Kim) и О Джин Роком (Jinrok Oh) с химического факультета KAIST, а также аспирантом по программе магистратуры-докторантуры Чхве Дэ Ыем (Dae Eui Choi) с химического факультета Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH). Результаты исследования были опубликованы в онлайн-версии международного журнала «Chem» 6 июля. Название статьи: «Синергия лиганда и германия в окислительно-восстановительных процессах: ключ к амфифильности и переключаемому двух- и четырёхэлектронному переносу» (DOI: 10.1016/j.chempr.2026.103127).