铁和氧在人体内的许多重要过程中相互作用。最著名的例子是血红蛋白，其中铁与二氧分子结合，即两个氧原子相连，从而使氧能够通过血液循环运输。铁还形成被称为铁氧化物的高反应性化合物。这些化合物参与其他生物功能的反应，包括肝酶进行的反应，帮助分解药物。超越铁的氧化学 莱斯大学的化学家Raúl Hernández Sánchez想知道氧是否可以与周期表底部不同组的金属形成类似的化合物。这些金属被称为f区金属。镧系元素占据上排，而锕系元素则出现在其下方。Hernández Sánchez提出，如果镧系元素能够以正确的方式结合氧，它们可能会产生高反应性的镧系氧化物。这些分子可能作为铁氧化物的合成替代品，并为小分子化学家在研究与生物相关的反应中提供新的工具。面临着一个重大障碍，f区金属，特别是镧系元素，被认为不通过π相互作用与小分子如氧相互作用。这些相互作用在许多生物材料中很重要，包括蛋白质。在《美国化学学会志》上发表的一项研究中，Hernández Sánchez及其同事报告了一种方法，该方法使二氧分子能够与镧系金属钕形成π相互作用。这一过程使得创造镧系氧化物成为可能。 钕的分子篮 “我们有一个几年前开发的配体平台，”化学助理教授Hernández Sánchez说。“你可以把它想象成一个篮子，可以捕捉金属并以特定的方式将其定位，以促进特定类型的结合。”每个分子篮都足够大，可以容纳一个f区金属原子。研究人员将两个这样的篮子相对放置。在它们之间，他们排列了六个原子，包括一个二氧分子，连接了两个钕原子。这种排列形成了一个八配位配体环境，为科学家提供了一种微调金属位置的方法。“一旦我们将镧系元素放入配体篮中，我们开始探索其对小分子底物的反应性，直到找到前所未有的条件来发现二氧分子，”博士后研究员、论文首位作者Hong-Lei Xu说。 解锁一种新的氧结合 在适当的条件下，钕和二氧分子形成了先前被认为不太可能的π相互作用。该反应产生了一种镧系氧化物分子。研究人员现在可以研究这些高反应性化合物是否可以在合成化学中替代铁氧化物。他们还可以测试镧系氧化物是否提供铁基化合物所没有的能力。虽然研究只关注钕，但Hernández Sánchez和他的团队相信，相同的配体支架可以支持与大多数镧系元素以及很可能的锕系元素的类似反应。“将二氧分子与f区金属结合并切断两个氧原子之间的键的能力，使我们有可能揭示高度反应性的镧系氧化物，并形成高附加值的化学品。我们可以开辟镧系元素化学的新篇章，”Hernández Sánchez说。这项研究得到了莱斯大学、罗伯特·A·韦尔奇基金会和韦尔奇基金会资助（C-2142-20230405）的启动资金支持。