Бакминстерфуллерен — это разновидность фуллерена с формулой C 60 . Он имеет решетчатую структуру из сросшихся колец ( усеченный икосаэдр ), состоящую из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников , и напоминает футбольный мяч . Каждый из его 60 атомов углерода связан с тремя соседями.
Бакминстерфуллерен представляет собой черное твердое вещество, которое растворяется в углеводородных растворителях с образованием фиолетового раствора. Соединение было обнаружено в 1985 году и подверглось интенсивному изучению, хотя практического применения было найдено мало.
Распространенное прозвище бакминстерфуллерена — бакиболлы . [3]
Бакминстерфуллерен — наиболее распространенный природный фуллерен. Небольшие количества его можно найти в саже . [4] [5]
Он также существует в космосе . Нейтральный C 60 наблюдался в планетарных туманностях [6] и нескольких типах звезд . [7] Ионизированная форма C 60 + была идентифицирована в межзвездной среде , [8] где она является причиной нескольких особенностей поглощения, известных как диффузные межзвездные полосы в ближнем инфракрасном диапазоне. [9]
Теоретические предсказания молекул бакминстерфуллерена появились в конце 1960-х — начале 1970-х годов. [10] [11] [12] [13] Впервые он был создан в 1984 году Эриком Рольфингом, Дональдом Коксом и Эндрю Калдором [13] [14] с использованием лазера для испарения углерода в сверхзвуковом гелиевом луче, хотя группа и сделала это. не осознавал, что был произведен бакминстерфуллерен. В 1985 году их работу повторили Гарольд Крото , Джеймс Р. Хит , Шон С. О'Брайен, Роберт Керл и Ричард Смолли из Университета Райса , которые признали структуру C 60 как бакминстерфуллерена. [15]
Одновременно с работой Крото-Смэлли, но не связанной с ней, астрофизики работали со спектроскопистами над изучением инфракрасного излучения гигантских красных углеродных звезд. [16] [17] [18] Смолли и его команда смогли использовать технику лазерного испарения для создания углеродных кластеров, которые потенциально могли излучать инфракрасное излучение на той же длине волны, что и красная углеродная звезда. [16] [19] Таким образом, к Смолли и его команде пришло вдохновение использовать лазерную технику на графите для генерации фуллеренов.
Используя лазерное испарение графита , команда Смолли обнаружила кластеры C n (где n > 20 и даже), из которых наиболее распространенными были C 60 и C 70 . Твердый вращающийся графитовый диск использовался в качестве поверхности, с которой испарялся углерод с помощью лазерного луча, создавая горячую плазму, которая затем пропускалась через поток газообразного гелия высокой плотности. [20] Впоследствии частицы углерода были охлаждены и ионизированы, что привело к образованию кластеров. Кластеры различались по молекулярной массе, но Крото и Смолли обнаружили преобладание кластера C 60 , который можно было еще больше усилить, позволив плазме реагировать дольше. Они также обнаружили, что C 60 представляет собой молекулу, похожую на клетку, правильный усеченный икосаэдр . [16] [20]
Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года за вклад в открытие бакминстерфуллерена и родственного ему класса молекул — фуллеренов . [10]
Экспериментальные данные, сильный пик при 720 атомных единицах массы , указывали на то, что формируется молекула углерода с 60 атомами углерода, но не предоставили никакой структурной информации. После экспериментов по реакционной способности исследовательская группа пришла к выводу, что наиболее вероятной структурой является сфероидальная молекула. Идея была быстро рационализирована как основа структуры закрытой клетки икосаэдрической симметрии . Крото упомянул структуры геодезических куполов известного футуриста и изобретателя Бакминстера Фуллера , которые повлияли на название этого конкретного вещества как бакминстерфуллерен. [10]
В 1989 году физики Вольфганг Кречмер , Константинос Фостиропулос и Дональд Р. Хаффман наблюдали необычное оптическое поглощение в тонких пленках углеродной пыли (сажи). Сажа образовалась в результате дугового процесса между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия, при котором материал электрода испаряется и конденсируется, образуя сажу в закалочной атмосфере. Среди других особенностей ИК-спектры сажи показали четыре дискретные полосы, близко соответствующие предполагаемым для C 60 . [21] [22]
Другая статья по характеристике и проверке молекулярной структуры последовала в том же году (1990) на основе их экспериментов с тонкими пленками и подробно описала экстракцию испаряющегося, а также растворимого в бензоле материала из сажи, генерируемой дугой. По данным ПЭМ и рентгеноструктурного анализа этот экстракт соответствовал массивам сферических молекул C 60 , диаметром Ван-дер-Ваальса примерно 1,0 нм [23] , а также ожидаемой молекулярной массой 720 Да для C 60 (и 840 Да для C 70) . ) в их масс-спектрах . [24] Метод был простым и эффективным для приготовления материала в граммах в день (1990), что стимулировало исследования фуллеренов и даже сегодня применяется для коммерческого производства фуллеренов.
Открытие практических путей к C 60 привело к исследованию новой области химии, связанной с изучением фуллеренов.
Первооткрыватели аллотропа назвали новооткрытую молекулу в честь Р. Бакминстера Фуллера , который спроектировал множество геодезических куполообразных структур, похожих на C 60 , и который умер в 1983 году, за год до открытия. Однако это немного вводит в заблуждение, поскольку геодезические купола Фуллера строятся только путем дальнейшего разделения шестиугольников или пятиугольников на треугольники, которые затем деформируются путем перемещения вершин радиально наружу, чтобы они соответствовали поверхности сферы. [25] С геометрической точки зрения бакминстерфуллерен является естественным примером многогранника Гольдберга . Распространенное сокращенное название бакминстерфуллерена — бакиболлы. [26]
Сажу получают путем лазерной абляции графита или пиролиза ароматических углеводородов . Фуллерены экстрагируют из сажи органическими растворителями с помощью экстрактора Сокслета . [27] На этом этапе получается раствор, содержащий до 75% C 60 , а также другие фуллерены. Эти фракции разделяют с помощью хроматографии . [28] Обычно фуллерены растворяют в углеводороде или галогенированном углеводороде и разделяют с помощью колонок с оксидом алюминия. [29]
Бакминстерфуллерен представляет собой усеченный икосаэдр с 60 вершинами , 32 гранями (20 шестиугольников и 12 пятиугольников, где ни один пятиугольник не имеет общей вершины) и 90 ребрами (60 ребер между 5-членными и 6-членными кольцами и 30 ребрами являются общими для 6-членных и 6-членных колец). 6-членные кольца), с атомом углерода в вершинах каждого многоугольника и связью вдоль каждого края многоугольника. Диаметр Ван -дер - Ваальса C
60Размер молекулы составляет около 1,01 нанометра (нм). Диаметр ядра к ядру C
60Молекула составляет около 0,71 нм. С
60Молекула имеет две длины связи. Кольцевые связи 6:6 (между двумя шестиугольниками) можно считать « двойными связями », они короче, чем связи 6:5 (между шестиугольником и пятиугольником). Средняя длина его связи составляет 0,14 нм. Каждый атом углерода в структуре ковалентно связан с тремя другими. [30] Атом углерода в C
60может быть замещен атомом азота или бора с образованием C
59N или C 59 B соответственно. [31]
Какое-то время бакминстерфуллерен был самой крупной из известных молекул, проявляющих корпускулярно-волновой дуализм ; теоретически каждый объект демонстрирует такое поведение. [32] В 2020 году молекула красителя фталоцианин продемонстрировала двойственность, которую чаще всего приписывают свету, электронам и другим мелким частицам и молекулам. [33]
Фуллерены умеренно растворимы в ароматических растворителях и сероуглероде , но нерастворимы в воде. Растворы чистого С 60 имеют темно-фиолетовый цвет, при испарении оставляют коричневый осадок. Причиной такого изменения цвета является относительно узкая энергетическая ширина полосы молекулярных уровней, ответственных за поглощение зеленого света отдельными молекулами С 60 . Таким образом, отдельные молекулы пропускают некоторое количество синего и красного света, что приводит к фиолетовому цвету. При высыхании межмолекулярное взаимодействие приводит к перекрытию и расширению энергетических полос, тем самым устраняя пропускание синего света и вызывая изменение цвета от фиолетового к коричневому. [16]
С
60кристаллизуется с некоторыми растворителями в решетке («сольваты»). Например, кристаллизация C 60 из бензольного раствора дает триклинные кристаллы с формулой C 60 ·4C 6 H 6 . Как и другие сольваты, этот легко выделяет бензол с образованием обычного кубического гранецентрированного C 60 . Кристаллы С 60 и С миллиметрового размера.
70можно выращивать из раствора как сольваты, так и чистые фуллерены. [37] [38]
В твердом бакминстерфуллерене молекулы C 60 принимают ГЦК ( гранецентрированный кубический ) мотив. Они начинают вращаться примерно при −20 °C. Это изменение связано с фазовым переходом первого рода в ГЦК-структуру и небольшим, но резким увеличением постоянной решетки от 1,411 до 1,4154 нм. [39]
С
60твердое вещество столь же мягкое, как графит , но при сжатии менее чем до 70% его объема превращается в сверхтвердую форму алмаза (см. агрегированный алмазный наностержень ). С
60пленки и растворы обладают сильными нелинейными оптическими свойствами; в частности, их оптическое поглощение увеличивается с увеличением интенсивности света (насыщающееся поглощение).
С
60образует коричневатое твердое вещество с порогом оптического поглощения ≈1,6 эВ. [40] Это полупроводник n-типа с низкой энергией активации 0,1–0,3 эВ; эта проводимость объясняется собственными дефектами или дефектами, связанными с кислородом. [41] Fcc C 60 содержит пустоты в октаэдрических и тетраэдрических узлах, которые достаточно велики (0,6 и 0,2 нм соответственно) для размещения атомов примесей. Когда в эти пустоты легируют щелочные металлы , C 60 превращается из полупроводника в проводник или даже сверхпроводник. [39] [42]
С
60подвергается шести обратимым одноэлектронным восстановлениям, в конечном итоге образуя C6−
60. Его окисление необратимо. Первое снижение происходит при ≈-1,0 В ( Fc / Fc+
), показывая, что C 60 является упорным акцептором электронов. С
60имеет тенденцию избегать наличия двойных связей в пятиугольных кольцах, что затрудняет делокализацию электронов и приводит к образованию C
60не являющийся « суперароматическим ». C 60 ведет себя как алкен с дефицитом электронов . Например, он реагирует с некоторыми нуклеофилами. [23] [43]
C 60 демонстрирует небольшую степень ароматического характера, но все же отражает характер локализованных двойных и одинарных связей C–C. Следовательно, C 60 может присоединяться с водородом с образованием полигидрофуллеренов. C 60 также подвергается редукции по Берчу . Например, C 60 реагирует с литием в жидком аммиаке, а затем с трет -бутанолом с образованием смеси полигидрофуллеренов, таких как C 60 H 18 , C 60 H 32 , C 60 H 36 , причем C 60 H 32 является доминирующим продуктом. Эту смесь полигидрофуллеренов можно повторно окислить 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохиноном с образованием снова C 60 .
Существует метод селективного гидрирования. Реакция С 60 с 9,9',10,10'-дигидроантраценом в тех же условиях, в зависимости от времени реакции, дает С 60 Н 32 и С 60 Н 18 соответственно и селективно. [44]
C 60 можно гидрировать, [45] предполагая, что модифицированный бакминстерфуллерен, называемый металлоорганическими бакиболами (OBB), может стать средством для «хранения водорода при высокой плотности, комнатной температуре и атмосферном давлении». Эти OBB создаются путем связывания атомов переходного металла (TM) с C 60 или C 48 B 12 , а затем связывания многих атомов водорода с этим атомом TM, равномерно распределяя их внутри металлоорганического шара. Исследование показало, что теоретическое количество H 2 , которое может быть извлечено из OBB при атмосферном давлении, приближается к 9 вес.% , массовой доле, которая была определена Министерством энергетики США как оптимальная для водородного топлива . [ нужна цитата ]
Присоединение фтора , хлора и брома происходит для С 60 . Атомы фтора достаточно малы для 1,2-присоединения, тогда как Cl 2 и Br 2 присоединяются к удаленным атомам C из-за стерических факторов . Например, в C 60 Br 8 и C 60 Br 24 атомы Br находятся в 1,3- или 1,4-положениях по отношению друг к другу. В различных условиях можно получить огромное количество галогенпроизводных С 60 , некоторые из которых обладают чрезвычайной селективностью по одному или двум изомерам по сравнению с другими возможными. Добавление фтора и хлора обычно приводит к уплощению каркаса C 60 до молекулы барабанной формы. [44]
Растворы С 60 могут быть окислены до эпоксида С 60 О. Озонирование С 60 в 1,2-ксилоле при 257 К дает промежуточный озонид С 60 О 3 , который может разлагаться на 2 формы С 60 О. Разложение С 60 О. 60 O 3 при 296 К дает эпоксид, но фотолиз дает продукт, в котором атом О замыкает 5,6-край. [44]
Реакция Дильса-Альдера обычно используется для функционализации C 60 . Реакция C 60 с соответствующим замещенным диеном дает соответствующий аддукт.
Реакция Дильса-Альдера между C 60 и 3,6-диарил-1,2,4,5-тетразинами дает C 62 . C 62 имеет структуру, в которой четырехчленное кольцо окружено четырьмя шестичленными кольцами.
Молекулы C 60 также могут соединяться посредством [2+2] -циклоприсоединения , образуя соединение C 120 в форме гантели . Соединение достигается высокоскоростным вибрационным измельчением C 60 с каталитическим количеством KCN . Реакция обратима: C 120 снова диссоциирует на две молекулы C 60 при нагревании до 450 К (177 ° C; 350 ° F). Под высоким давлением и температурой повторяющееся [2+2] циклоприсоединение между C 60 приводит к полимеризации фуллереновых цепей и сеток. Эти полимеры остаются стабильными при давлении и температуре окружающей среды после образования и обладают удивительно интересными электронными и магнитными свойствами, например, ферромагнитностью при температуре выше комнатной. [44]
Легко протекают реакции C 60 со свободными радикалами . При смешивании C 60 с дисульфидом RSSR при облучении смеси самопроизвольно образуется радикал C 60 SR•.
Стабильность радикалов C 60 Y • во многом зависит от стерических факторов Y. Когда трет -бутилгалогенид фотолизуется и вступает в реакцию с C 60 , образуется обратимая межклеточная связь C–C: [44]
Циклопропанирование ( реакция Бингеля ) — еще один распространенный метод функционализации C 60 . Циклоппропанирование С 60 преимущественно происходит на стыке двух шестиугольников за счет стерических факторов.
Первое циклопропанирование проводили обработкой β-бромомалоната С 60 в присутствии основания. Циклоппропанирование также легко происходит с диазометанами . Например, дифенилдиазометан легко реагирует с C 60 с образованием соединения C 61 Ph 2 . [44] Производное метилового эфира фенил-C 61 -масляной кислоты, полученное путем циклопропанирования, было изучено для использования в органических солнечных элементах .
НСМО в C 60 трижды вырождена, при этом расстояние между ВЗМО и НСМО относительно невелико. Этот небольшой разрыв предполагает, что восстановление C 60 должно происходить при слабых потенциалах, ведущих к фуллерид-анионам, [C 60 ] n - ( n = 1–6). Потенциалы средней точки одноэлектронного восстановления бакминстерфуллерена и его анионов приведены в таблице ниже:
C 60 образует множество комплексов с переносом заряда , например с тетракис(диметиламино)этиленом :
Эта соль проявляет ферромагнетизм при 16 К.
С 60 окисляется с трудом. Три обратимых процесса окисления наблюдались с помощью циклической вольтамперометрии с ультрасухим хлористым метиленом и фоновым электролитом с чрезвычайно высокой стойкостью к окислению и низкой нуклеофильностью, таким как [ n Bu 4 N] [AsF 6 ]. [43]
C 60 образует комплексы, сходные с более распространенными алкенами. Сообщалось о комплексах молибдена , вольфрама , платины , палладия , иридия и титана . Пентакарбонильные виды образуются в результате фотохимических реакций .
В случае комплекса платины лабильным этиленовым лигандом является уходящая группа в термической реакции:
Также сообщалось о титаноценовых комплексах:
Координационно-ненасыщенные предшественники, такие как комплекс Васки , для аддуктов с С 60 :
Один из таких иридиевых комплексов, [Ir( η 2 -C 60 )(CO)Cl(Ph 2 CH 2 C 6 H 4 OCH 2 Ph) 2 ], был получен, в котором металлический центр выбрасывает два богатых электронами «рукава», которые охватывают гость C 60 . [46]
Атомы металлов или некоторые небольшие молекулы, такие как H 2 и благородный газ, могут быть заключены внутри клетки C 60 . Эти эндоэдральные фуллерены обычно синтезируются путем легирования атомов металла в дуговом реакторе или путем лазерного испарения. Эти методы дают низкие выходы эндоэдральных фуллеренов, а лучший метод включает открытие клетки, упаковку атомов или молекул и закрытие отверстия с помощью определенных органических реакций . Однако этот метод все еще несовершенен, и таким способом удалось синтезировать лишь несколько видов. [47]
Эндоэдральные фуллерены демонстрируют особые и интригующие химические свойства, которые могут полностью отличаться от свойств инкапсулированного атома или молекулы, а также самого фуллерена. Было показано, что инкапсулированные атомы совершают круговые движения внутри клетки C 60 , и их движение отслеживалось с помощью ЯМР-спектроскопии . [46]
Свойства оптического поглощения C 60 соответствуют солнечному спектру, что позволяет предположить, что пленки на основе C 60 могут быть полезны для фотоэлектрических применений. Из-за своего высокого электронного сродства [48] он является одним из наиболее распространенных акцепторов электронов , используемых в солнечных элементах на основе доноров/акцепторов. Сообщалось, что в полимерных ячейках C 60 эффективность преобразования достигает 5,7% . [49]
C 60 чувствителен к свету, [50] поэтому оставление C 60 под воздействием света приводит к его разложению, что становится опасным. Проглатывание растворов C 60 , подвергшихся воздействию света, может привести к развитию рака (опухолей). [51] [52] Таким образом, обращение с продуктами C 60 , предназначенными для употребления в пищу человеком, требует предупредительных мер [52], таких как: обработка в очень темных условиях, упаковка в бутылки с высокой непрозрачностью и хранение в темных местах, а также другие, такие как потребление при низкой температуре. условия освещенности и использование этикеток для предупреждения о проблемах со светом.
Было обнаружено, что растворы C 60 , растворенные в оливковом масле или воде, при условии, что они защищены от света, нетоксичны для грызунов. [53]
В то же время исследование показало, что C 60 остается в организме дольше, чем обычно, особенно в печени, где он имеет тенденцию накапливаться и, следовательно, может оказывать вредное воздействие на здоровье. [54]
В ходе эксперимента 2011–2012 годов крысам вводили раствор C 60 в оливковом масле, что позволило значительно продлить их продолжительность жизни. [53] С тех пор многие масла с C 60 продаются как антиоксидантные продукты, но это не решает проблемы их чувствительности к свету, что может сделать их токсичными. Более поздние исследования подтвердили, что воздействие света разлагает растворы C 60 в масле, делая его токсичным и приводя к «массовому» увеличению риска развития рака (опухолей) после его употребления. [51] [52]
Чтобы избежать разложения под действием света, масла C 60 должны производиться в очень темных условиях, заключаться в непрозрачные бутылки и храниться в темноте, потребляться в условиях низкой освещенности и сопровождаться этикетками, предупреждающими об опасности света для C. 60 . [52] [50]
Некоторые производители растворяют C 60 в воде, чтобы избежать возможных проблем с маслами, но это не защитит C 60 от света, поэтому необходимы те же меры предосторожности. [50]