Бакминстерфуллерен — это тип фуллерена с формулой C60 . Он имеет структуру из сплавленных колец, напоминающую клетку ( усеченный икосаэдр ), состоящую из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников , и напоминает футбольный мяч . Каждый из его 60 атомов углерода связан со своими тремя соседями.
Бакминстерфуллерен — это черное твердое вещество, которое растворяется в углеводородных растворителях , образуя фиолетовый раствор. Вещество было открыто в 1985 году и подверглось интенсивному изучению, хотя было найдено мало реальных применений.
Молекулы бакминстерфуллерена (или фуллеренов в целом) обычно называют бакиболами . [3] [4]
Бакминстерфуллерен — наиболее распространенный природный фуллерен. Небольшие количества его можно найти в саже . [5] [6]
Он также существует в космосе . Нейтральный C 60 наблюдался в планетарных туманностях [7] и нескольких типах звезд . [8] Ионизированная форма, C 60 + , была обнаружена в межзвездной среде , [9] где она является причиной нескольких особенностей поглощения, известных как диффузные межзвездные полосы в ближнем инфракрасном диапазоне. [10]
Теоретические предсказания молекул бакминстерфуллерена появились в конце 1960-х и начале 1970-х годов. [11] [12] [13] [14] Впервые он был получен в 1984 году Эриком Ролфингом, Дональдом Коксом и Эндрю Калдором [14] [15] с использованием лазера для испарения углерода в сверхзвуковом гелиевом пучке, хотя группа не осознавала, что был получен бакминстерфуллерен. В 1985 году их работу повторили Гарольд Крото , Джеймс Р. Хит , Шон К. О'Брайен, Роберт Керл и Ричард Смолли из Университета Райса , которые распознали структуру C 60 как бакминстерфуллерен. [16]
Параллельно с работой Крото-Смолли, но не будучи связанными с ней, астрофизики работали со спектроскопистами над изучением инфракрасного излучения гигантских красных углеродных звезд. [17] [18] [19] Смолли и его команда смогли использовать метод лазерного испарения для создания углеродных кластеров, которые потенциально могли бы излучать инфракрасное излучение на той же длине волны, что и красная углеродная звезда. [17] [20] Таким образом, у Смолли и его команды возникло вдохновение использовать лазерную технику на графите для получения фуллеренов.
Используя лазерное испарение графита , команда Смолли обнаружила кластеры C n (где n > 20 и четное), из которых наиболее распространенными были C 60 и C 70 . Твердый вращающийся графитовый диск использовался в качестве поверхности, с которой углерод испарялся с помощью лазерного луча, создающего горячую плазму, которая затем пропускалась через поток высокоплотного газообразного гелия. [21] Углеродные виды впоследствии охлаждались и ионизировались, что приводило к образованию кластеров. Кластеры различались по молекулярным массам, но Крото и Смолли обнаружили преобладание в кластере C 60 , которое можно было бы еще больше усилить, если бы плазма реагировала дольше. Они также обнаружили, что C 60 представляет собой молекулу, похожую на клетку, правильный усеченный икосаэдр . [17] [21]
Экспериментальные данные, сильный пик при 720 атомных единицах массы , показали, что формировалась молекула углерода с 60 атомами углерода, но не предоставили никакой структурной информации. Исследовательская группа пришла к выводу после экспериментов по реактивности, что наиболее вероятной структурой была сфероидальная молекула. Идея была быстро рационализирована как основа икосаэдрической симметрии закрытой клеточной структуры. [11]
Крото, Кёрл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года за их роль в открытии бакминстерфуллерена и родственного класса молекул — фуллеренов . [11]
В 1989 году физики Вольфганг Кречмер , Константинос Фостиропулос и Дональд Р. Хаффман наблюдали необычные оптические поглощения в тонких пленках углеродной пыли (сажи). Сажа была получена в результате дугового процесса между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия, где материал электрода испаряется и конденсируется, образуя сажу в закалочной атмосфере. Среди других особенностей ИК-спектры сажи показали четыре дискретные полосы, близкие к тем, которые предложены для C 60 . [22] [23]
Другая статья по характеристике и проверке молекулярной структуры последовала в том же году (1990) из их экспериментов с тонкими пленками, и также подробно описала извлечение испаряемого, а также растворимого в бензоле материала из сажи, полученной в результате дугового разряда. Этот экстракт имел анализ ТЭМ и рентгеновских кристаллов, согласующийся с массивами сферических молекул C 60 , приблизительно 1,0 нм в диаметре Ван-дер-Ваальса [24] , а также ожидаемую молекулярную массу 720 Да для C 60 (и 840 Да для C 70 ) в их масс-спектрах . [25] Метод был простым и эффективным для приготовления материала в граммовых количествах в день (1990), что стимулировало исследования фуллеренов и даже сегодня применяется для коммерческого производства фуллеренов.
Открытие практических путей получения C60 привело к исследованию новой области химии, связанной с изучением фуллеренов.
Первооткрыватели аллотропа назвали новую молекулу в честь американского архитектора Р. Бакминстера Фуллера , который спроектировал множество геодезических купольных структур, похожих на C 60 , и который умер в 1983 году, за год до открытия. [11] Другое распространенное название для бакминстерфуллерена — «бакиболлы». [26] [27]
Сажа производится путем лазерной абляции графита или пиролиза ароматических углеводородов . Фуллерены извлекаются из сажи органическими растворителями с использованием экстрактора Сокслета . [28] На этом этапе получается раствор, содержащий до 75% C 60 , а также другие фуллерены. Эти фракции разделяются с помощью хроматографии . [29] Обычно фуллерены растворяются в углеводороде или галогенированном углеводороде и разделяются с использованием колонок с оксидом алюминия. [30]
Бакминстерфуллерен — 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 ребер являются общими между 6-членными и 6-членными кольцами), с атомом углерода в вершинах каждого многоугольника и связью вдоль каждого ребра многоугольника. Диаметр Ван-дер-Ваальса C
60Молекула составляет около 1,01 нанометра (нм). Диаметр ядра к ядру C
60Молекула составляет около 0,71 нм. С
60Молекула имеет две длины связей. Кольцевые связи 6:6 (между двумя шестиугольниками) можно считать « двойными связями », они короче, чем связи 6:5 (между шестиугольником и пятиугольником). Средняя длина связи составляет 0,14 нм. Каждый атом углерода в структуре связан ковалентно с 3 другими. [31] Атом углерода в C
60может быть заменен атомом азота или бора, давая C
59N или C 59 B соответственно. [32]
Некоторое время бакминстерфуллерен был самой большой известной молекулой, демонстрирующей корпускулярно-волновой дуализм . [33] В 2020 году молекула красителя фталоцианин продемонстрировала дуализм, который, как известно, приписывается свету, электронам и другим малым частицам и молекулам. [34]
Фуллерены плохо растворимы в ароматических растворителях и сероуглероде , но нерастворимы в воде. Растворы чистого C 60 имеют глубокий фиолетовый цвет, который оставляет коричневый осадок при испарении. Причиной такого изменения цвета является относительно узкая ширина энергии полосы молекулярных уровней, ответственных за поглощение зеленого света отдельными молекулами C 60. Таким образом, отдельные молекулы пропускают немного синего и красного света, что приводит к фиолетовому цвету. После высыхания межмолекулярное взаимодействие приводит к перекрытию и расширению энергетических полос, тем самым устраняя пропускание синего света и вызывая изменение цвета с фиолетового на коричневый. [17]
С
60кристаллизуется с некоторыми растворителями в решетке («сольваты»). Например, кристаллизация C 60 из раствора бензола дает триклинные кристаллы с формулой C 60 ·4C 6 H 6 . Как и другие сольваты, этот легко высвобождает бензол, давая обычную гранецентрированную кубическую C 60 . Кристаллы C 60 и C
70можно выращивать из раствора как сольваты, так и чистые фуллерены. [38] [39]
В твердом бакминстерфуллерене молекулы C 60 принимают мотив ГЦК ( гранецентрированная кубическая структура ). 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 с 1,411 до 1,4154 нм. [40]
С
60твердое тело такое же мягкое, как графит , но при сжатии менее чем до 70% его объема оно превращается в сверхтвердую форму алмаза (см. агрегированный алмазный наностержень ). C
60Пленки и растворы обладают ярко выраженными нелинейными оптическими свойствами; в частности, их оптическое поглощение увеличивается с интенсивностью света (насыщающееся поглощение).
С
60образует коричневатое твердое вещество с порогом оптического поглощения при ≈1,6 эВ. [41] Это полупроводник n-типа с низкой энергией активации 0,1–0,3 эВ; эта проводимость объясняется собственными или связанными с кислородом дефектами. [42] ГЦК C 60 содержит пустоты в своих октаэдрических и тетраэдрических узлах, которые достаточно велики (0,6 и 0,2 нм соответственно) для размещения примесных атомов. Когда щелочные металлы легируются в эти пустоты, C 60 превращается из полупроводника в проводник или даже сверхпроводник. [40] [43]
С
60претерпевает шесть обратимых одноэлектронных восстановлений, в конечном итоге образуя C6−
60. Его окисление необратимо. Первое восстановление происходит при ≈-1,0 В ( Fc / Fc+
), показывая, что C 60 является неохотным акцептором электронов. C
60стремится избегать двойных связей в пятиугольных кольцах, что затрудняет делокализацию электронов и приводит к образованию C
60не будучи " суперароматическим ". C 60 ведет себя как электронодефицитный алкен . Например, он реагирует с некоторыми нуклеофилами. [24] [44]
C 60 проявляет небольшую степень ароматического характера, но он все еще отражает локализованные двойные и одинарные связи C–C. Поэтому C 60 может подвергаться присоединению с водородом с образованием полигидрофуллеренов. C 60 также подвергается восстановлению 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. Эта смесь полигидрофуллеренов может быть повторно окислена 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохиноном с образованием снова C 60 .
Существует метод селективного гидрирования. Реакция C 60 с 9,9′,10,10′-дигидроантраценом в тех же условиях, в зависимости от времени реакции, дает C 60 H 32 и C 60 H 18 соответственно и селективно. [45]
Присоединение фтора , хлора и брома происходит для C 60 . Атомы фтора достаточно малы для 1,2-присоединения, в то время 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. При различных условиях может быть получено огромное количество галогенированных производных C 60 , некоторые с необычайной селективностью по одному или двум изомерам по сравнению с другими возможными. Добавление фтора и хлора обычно приводит к уплощению каркаса C 60 в молекулу в форме барабана. [45]
Растворы C 60 могут быть оксигенированы до эпоксида C 60 O. Озонирование C 60 в 1,2-ксилоле при 257 К дает промежуточный озонид C 60 O 3 , который может быть разложен на 2 формы C 60 O. Разложение C 60 O 3 при 296 К дает эпоксид, но фотолиз дает продукт, в котором атом O соединяет 5,6-ребро. [45]
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 быть связаны посредством [2+2] циклоприсоединения , давая гантелеобразное соединение C 120 . Связь достигается путем высокоскоростного вибрационного измельчения C 60 с каталитическим количеством KCN . Реакция обратима, поскольку C 120 диссоциирует обратно на две молекулы C 60 при нагревании до 450 К (177 °C; 350 °F). Под высоким давлением и температурой повторное [2+2] циклоприсоединение между C 60 приводит к полимеризованным фуллереновым цепям и сетям. Эти полимеры остаются стабильными при давлении и температуре окружающей среды после образования и обладают удивительно интересными электронными и магнитными свойствами, такими как ферромагнитность выше комнатной температуры. [45]
Легко происходят реакции C 60 со свободными радикалами . Когда C 60 смешивается с дисульфидом RSSR, радикал C 60 SR• образуется спонтанно при облучении смеси.
Стабильность радикальных видов C 60 Y • во многом зависит от стерических факторов Y. Когда трет -бутилгалогенид фотолизуется и реагирует с C 60 , образуется обратимая межклеточная связь C–C: [45]
Циклопропанирование ( реакция Бингеля ) является еще одним распространенным методом функционализации C 60. Циклопропанирование C 60 в основном происходит на стыке двух шестиугольников из-за стерических факторов.
Первое циклопропанирование было проведено путем обработки β-броммалоната с C 60 в присутствии основания. Циклопропанирование также легко происходит с диазометанами . Например, дифенилдиазометан легко реагирует с C 60 с образованием соединения C 61 Ph 2 . [45] Производное метилового эфира фенил-C 61 -масляной кислоты , полученное путем циклопропанирования, было изучено для использования в органических солнечных батареях .
LUMO в C 60 трижды вырождена, причем разделение HOMO – LUMO относительно мало. Этот небольшой зазор предполагает, что восстановление C 60 должно происходить при умеренных потенциалах, приводящих к анионам фуллерида, [C 60 ] n − ( n = 1–6). Средние потенциалы 1-электронного восстановления бакминстерфуллерена и его анионов приведены в таблице ниже:
C 60 образует различные комплексы с переносом заряда , например, с тетракис(диметиламино)этиленом :
Эта соль проявляет ферромагнетизм при 16 К.
C 60 окисляется с трудом. Три обратимых процесса окисления были обнаружены с помощью циклической вольтамперометрии с ультрасухим метиленхлоридом и поддерживающим электролитом с чрезвычайно высокой стойкостью к окислению и низкой нуклеофильностью, таким как [ n Bu 4 N] [AsF 6 ]. [44]
C 60 образует комплексы, родственные более распространенным алкенам. Сообщалось о комплексах с молибденом , вольфрамом , платиной , палладием , иридием и титаном . Пентакарбонильные виды получаются в результате фотохимических реакций .
В случае платинового комплекса лабильный этиленовый лиганд является уходящей группой в термической реакции:
Также были зарегистрированы титаноценовые комплексы:
Координационно ненасыщенные предшественники, такие как комплекс Васки , для аддуктов с C 60 :
Был получен один такой комплекс иридия, [Ir( η 2 -C 60 )(CO)Cl(Ph 2 CH 2 C 6 H 4 OCH 2 Ph) 2 ], в котором металлический центр проецирует два богатых электронами «рука», которые охватывают гостя C 60. [46]
Атомы металлов или некоторые небольшие молекулы, такие как H 2 и благородный газ, могут быть инкапсулированы 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 в атомы или молекулы и закрытие отверстия с помощью определенных органических реакций . Этот метод, однако, все еще незрелый, и только несколько видов были синтезированы таким образом. [47]
Эндоэдральные фуллерены демонстрируют особые и интригующие химические свойства, которые могут полностью отличаться от инкапсулированного атома или молекулы, а также от самого фуллерена. Было показано, что инкапсулированные атомы совершают круговые движения внутри клетки C 60 , и их движение отслеживалось с помощью ЯМР-спектроскопии . [46]
Оптические свойства поглощения C 60 соответствуют солнечному спектру таким образом, что это говорит о том, что пленки на основе C 60 могут быть полезны для фотоэлектрических приложений. Благодаря своему высокому электронному сродству [48] он является одним из наиболее распространенных акцепторов электронов, используемых в солнечных элементах на основе донора/акцептора. Эффективность преобразования до 5,7% была зарегистрирована в элементах на основе полимера C 60. [49]
C 60 чувствителен к свету, [50] поэтому, если оставить C 60 под воздействием света, он начнет разлагаться и станет опасным. Прием внутрь растворов C 60 , которые подверглись воздействию света, может привести к развитию рака (опухолей). [51] [52] Поэтому обращение с продуктами C 60 , предназначенными для приема внутрь человеком, требует принятия мер предосторожности [52], таких как: разработка в очень темных условиях, упаковка в бутылки с большой непрозрачностью и хранение в темных местах, а также другие меры, такие как потребление в условиях слабого освещения и использование этикеток, предупреждающих о проблемах со светом.
Растворы C 60, растворенные в оливковом масле или воде, при условии их защиты от света, оказались нетоксичными для грызунов. [53]
В противном случае исследование показало, что C 60 остается в организме дольше обычного, особенно в печени, где он имеет тенденцию накапливаться, и поэтому может оказывать вредное воздействие на здоровье. [54]
В ходе эксперимента 2011–2012 годов крысам вводили раствор C 60 в оливковом масле, что значительно продлило их жизнь. [53] С тех пор многие масла с C 60 продавались как антиоксидантные продукты, но это не решает проблему их чувствительности к свету, что может сделать их токсичными. Более позднее исследование подтвердило, что воздействие света ухудшает растворы C 60 в масле, делая его токсичным и приводя к «значительному» увеличению риска развития рака (опухолей) после его потребления. [51] [52]
Чтобы избежать деградации под воздействием света, масла C 60 должны производиться в очень темных условиях, помещаться в бутылки с высокой степенью непрозрачности и храниться в темноте, потребляться при слабом освещении и сопровождаться этикетками, предупреждающими об опасности света для C 60. [ 52] [50]
Некоторые производители смогли растворить 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]