Fullerene - ce este asta? Proprietățile și aplicarea fullerenelor

Forma moleculară a carbonului sau modificarea sa alotropică, fullerenul, este o serie lungă de clustere atomice C_n

Descrierea generală

Cel mai stabil termodinamic în condiții normale condiții sub formă de carbon - grafit, care arată ca un teanc greu conectat cu fiecare alte foi de grafen: un grilaj plat, care constă din celule hexagonale, unde nodurile - atomi de carbon. Fiecare dintre ele este conectat cu trei atomi învecinați, iar cel de-al patrulea valență formează un sistem pi. Prin urmare, fullerenul este doar o formă moleculară, adică modelul sp² -Starea hibridă este evidentă. Dacă introducem defecte geometrice în foaia de grafen, se formează inevitabil o structură închisă. De exemplu, astfel de defecte sunt cicluri cu cinci membri (fețe pentagonale), la fel de comune împreună cu ciclurile hexagonale din chimia carbonului.

Teorema lui Euler afirmă că producerea unui poliedru închis cu vârfuri trohkoordinirovannymi posibil dacă vom introduce douăsprezece pentagoane, indiferent de numărul de fețe hexagonale. Prin urmare, dimensiunea minimă a unui fulleren este în mod oficial un dodecaedru C₂₀. Cu toate acestea, curbura unor astfel de structuri având un număr mic de atomi de carbon este ridicată și, prin urmare, pentru sp²-Starea hibrid nu este foarte benefică, deoarece carbonul preferă o coordonare plană. Acesta este motivul pentru cel mai mic în forma pură fullerenul rezultat este C₆₀, având structura unui icosaedron obișnuit trunchiat. În ea, fețele hexagonale sunt separate una de alta de toate fețele pentagonale. Chimia fullerenelor numește acest fapt regula pentagonilor izolați și fiecare fulleren adevărat o ascultă.

formulă

Fullerenul hidratat este notat cu C₆₀ (C₆₀HyFn). Acesta este un complex hidrofil complex supramolecular, care constă dintr-o moleculă fulleren C₆₀ în prima coajă de hidranți și douăzeci și patru de molecule de apă. Acesta este fullerenul, al cărui formulă este C₆₀(H₂O)₂₄. Se compune din douăzeci de hexagoane și douăsprezece pentagoane, care seamănă în mod exterior cu o minge de fotbal. Mai mult, un număr de fullerene completează C₇₀, deoarece nu există structuri intermediare în care toate pentagoanele ar fi izolate. Începând cu C₇₈ structura fullerenă permite observarea mai multor izomeri stabili în fiecare schelet de carbon. Teoretic, este destul de posibil să existe fullerene cu atomi de carbon de orice număr par, "fullerene mai mari".

Producerea fullerenelor apare cel mai adesea prin metoda cu arc electric sau cu fascicul de electroni, precum și prin pulverizarea cu laser a grafitului într-o atmosferă de heliu. Negrul de fum, care se condensează pe suprafața reactorului, este tratat în benzină, toluen, xilen sau alți solvenți organici. Soluția este evaporată, formând un condensat negru, de la zece la cincisprezece la sută constând din fullerene C₇₀ și C₆₀, precum și un număr foarte mic de fullereni mai mari.

Raportul dintre diferiții fureliani poate varia, depinde de parametrii de sinteză, dar de obicei C₆₀ predomină, este mai mult de câteva ori. Printre cele mai înalte este C₇₈, C₇₆ și C₈₄. În aceeași imagine, se observă o scădere a proporției de fulleren în toate produsele de sinteză. Acest lucru se datorează cel mai probabil probabilității scăzute a asamblării structurilor mari din grupurile mici evaporate inițial.

Apă cu fullerene

Cea mai comună și mai mult studiată este C₆₀, unde există douăzeci și patru de molecule de apă pe moleculă de materie proprie. Această moleculă fullerenă are o simetrie înaltă, toți atomii fiind echivalenți. Forma sa sferică este formată de distanța de la nucleul atomilor la centru la aproximativ 0,36 nm și o rază de aproximativ 0,5 nm. Se formează un cristal molecular, în care moleculele formează o latură cubică orientată pe față, o împachetare sferică densă cu trei straturi. La temperaturi înalte C₆₀ sublime, care nu formează o fază lichidă. Cel mai bine, se dizolvă în substanțe aromatice cu solvenți cum ar fi sulfura de carbon, iar în polar - mult mai rău. Extrudat elipsoidal C₇₀, la fel ca fullerenele mai mari, proprietățile fizice sunt foarte apropiate de C₆₀.

Și în domeniul chimiei, toți sunt mult mai generoși și oferă fiecare ocazie pentru a obține diferite clase de derivate: metalofullerenes, heterofullerenes. Familia de produse de acces exoendral (exterior-exterior) este mai bogată decât toți, deoarece fiecare atom de carbon este un centru de reacție accesibil. Acestea sunt proprietățile fullerenelor. Acestea sunt unite, creând noi produse, atomi de halogeni și hidrogen, radicali organici, chiar și adăugarea de cicluri poate să apară. Astfel, se obțin materiale polimerice conținând fullerene și compuși multi-sferici. La C₆₀ unește până la patruzeci și opt de substituenți fără a distruge scheletul de carbon. De exemplu, obținem C₆₀F₄₈, și multă stăpânire a acestor compuși, unde baza este fullerenele.

cerere

Aproape fullerenele sunt interesante în domenii complet diferite. Având în vedere proprietățile lor electronice, le putem considera ele însele și derivatele lor ca semiconductori. Fullerenes absorb radiațiile ultraviolete bine, au o abilitate ridicată de a se elibera de electroni. Toate aceste proprietăți le permit să le folosim în fotovoltaice, fotosenzori, baterii solare, dispozitive cu diferite electronice moleculare. Fulerenele din medicină sunt folosite ca agenți antivirați și antimicrobieni, ca agenți în terapia fotodinamică etc.

Tehnologiile actuale au permis creșterea relativ rapidă a numărului total de instalații, pentru a obține mai multe fullerene, iar metodele de purificare a acestora sunt, de asemenea, utilizate mai bine și mai eficient. De aceea, costul, de exemplu, C₆₀ a scăzut semnificativ în ultimii cincisprezece ani (de la zece mii la zece sau cincisprezece dolari pe gram). Acum ne confruntăm cu situația în care fullerenele cad pentru o utilizare industrială reală. Aplicația lor crește și se răspândește zi de zi.

Informații despre deschidere

Fullerene numit după celebrul arhitect și inginer Buckminster Fuller, care pe baza structurii lor a inventat structura geodezica. La început această clasă de compuși a fost limitată la structuri care au inclus numai fațete de șase și pentagonale. Dacă compoziția moleculei fullerene, în plus față de atomii de carbon sunt prezente diferite elemente chimice, iar acestea sunt situate în scheletul de carbon, cele numite fullerene endohedral. Dacă atomii altor elemente sunt situați în afara, atunci fullerenele sunt exoedice. Numele lor această formă moleculară a fost primit nu cu mult timp în urmă - în 1985, când un grup de cercetători a făcut în mod neașteptat descoperirea fullerenului. Mici, Kroto, Curle și alți chimici au studiat perechi de grafit, care au fost obținute prin ablația laser (iradiere) a unui solid. Au fost detectate vârfuri care au o amplitudine maximă corespunzătoare clusterelor de șaizeci și șaptezeci de atomi de carbon.

Astfel, moleculele C₆₀ și C₇₀, și, de asemenea, a prezentat ipoteza că prima moleculă este construită sub forma unui icosaedru trunchiat. Este cel mai comun C₆₀ numit bakminsterfullerenom, și moleculele rămase - doar fullerenes.

Oamenii de stiinta-chimiști sunt bine versat în arhitectură și amintit Fuller, care a construit turla de pe clădiri astfel - pentagoane, hexagoane despicată, care este fundamentul structurii moleculare schelete de absolut toate fullerene. Cu toate acestea, aceasta este o poveste fascinantă și, fără o preistorică interesantă, nu a făcut-o. Cu privire la posibilitatea existenței unor astfel de molecule oarecum mai devreme a fost scris în Japonia (1971), iar baza teoretică a fost obținută și publicată în URSS (1973). Cu toate acestea, a fost Kroto, Curle și Small care au primit Premiul Nobel pentru Chimie.

Natura și tehnologie

Prepararea fullerenelor în formă pură este posibilă prin sinteză artificială. Acești compuși continuă să fie studiați intens în diferite țări, stabilind condițiile în care se produce formarea acestora, precum și structura fullerenelor și proprietățile acestora. Sfera aplicării lor se răspândește tot mai mult. Sa constatat că o cantitate semnificativă de fullerenă este conținută în funinginea, care se formează pe electrozi de grafit într-o descărcare de arc. Anterior acest fapt nu a fost pur și simplu văzut.

Când fullerenurile au fost obținute în condiții de laborator, moleculele de carbon au început să se găsească în natură. În Karelia, au fost găsite în eșantioane de schungiți, în India și în SUA - în furulgite. Multe și adesea există molecule de carbon în meteoriți și sedimente de pe fundul lor, care nu mai sunt de șaizeci și cinci de milioane de ani vechi. Pe Pământ se pot forma fullerenuri pure în timpul descărcării fulgerului și arderii gazului natural. Emisiile de aer, preluate din Marea Mediterană, au fost studiate în 2011 și sa dovedit că fullerenul este prezent în toate probele prelevate - de la Istanbul la Barcelona. Proprietățile fizice ale acestei substanțe cauzează formarea spontană. De asemenea, cantitățile sale uriașe se găsesc în spațiu - atât în ​​stare gazoasă, cât și în stare solidă.

sinteză

Primele experimente privind izolarea fullerenelor au avut loc prin vapori de grafit condensat, care au fost obținuți prin iradierea cu laser a probelor de grafit solid. A fost posibil să se obțină numai urme de fullerene. Doar în 1990, chimiștii Huffman, Lamb și Kretchmer au dezvoltat o nouă metodă de producere a fullerenelor în cantități gram. Aceasta a constat în arderea electrozilor de grafit cu un arc electric într-o atmosferă de heliu și la presiune scăzută. A existat o eroziune a anodului, iar pe pereții camerei au apărut funingine care conține fullerene.

Apoi funinginea a fost dizolvată în toluen sau benzen și în soluția rezultată s-au izolat grame în formă pură de C₇₀ și C₆₀. Raportul este de 1: 3. În plus, soluția conținea două procente de fullerenuri grele de ordin superior. Acum a fost ușor: alege parametrii optimi pentru evaporarea - compoziția atmosferei, presiunea, diametrul electrodului, curent și așa mai departe, pentru a obține randamentul maxim de fullerene. Ele s-au ridicat la aproximativ douăsprezece procente din materialul anodic real. De aceea costul fullerenelor este atât de mare.

producere

Toate încercările oamenilor de știință experimentali la început au fost în zadar: metode productive și ieftine de obținere a fullerenelor nu au fost. Nici arderea în flacără a hidrocarburilor, nici sinteza chimică nu au dus la succes. Metoda arcului electric a rămas cea mai productivă, permițându-i să obțină aproximativ un gram de fullereni pe oră. Compania Mitsubishi a stabilit producția industrială prin arderea hidrocarburilor, dar fullerenele lor nu sunt curate - ele conțin molecule de oxigen. Și până în prezent este încă neclar mecanismul de formare a acestei substanțe, deoarece procesele de arc sunt extrem de instabile din punct de vedere termodinamic, și este foarte puternic inhiba luarea în considerare a teoriei. Este incontestabil numai faptul că fullerenul colectează atomi de carbon individuali, adică fragmente din C₂. Cu toate acestea, o imagine vizuală a formării acestei substanțe nu a fost formată.

Costul ridicat al fullerenelor este determinat nu numai de randamentul scăzut în timpul arderii. Izolarea, purificarea, separarea fullerenelor de mase diferite de funingine - toate aceste procese sunt destul de complicate. Se referă în special la separarea amestecului în fracțiuni moleculare separate, care se efectuează prin cromatografie lichidă pe coloane și cu presiune ridicată. În ultima etapă, solventul rămâne eliminat din fullerenul deja solid. În acest scop, proba este menținută în condiții de vid dinamic la o temperatură de până la două sute cincizeci de grade. Dar plusul este că în timpul dezvoltării fullerenului C₆₀ si obtinerea-l la cantitățile deja macroscopice ale chimiei organice a crescut de ramură independentă - chimia fullerene, care a devenit incredibil de popular.

beneficiu

Derivații de fullereni sunt utilizați în diverse domenii ale ingineriei. Filmele și cristalele fullerene sunt semiconductori care posedă fotoconductivitate în condiții de iradiere optică. Cristale C₆₀, dacă sunt dopate cu atomi de metale alcaline, ele devin superconductoare. soluții fullerene au proprietăți optice neliniare, și, prin urmare, pot fi folosite ca baza obloane optice care sunt necesare pentru protecția împotriva radiațiilor intense. De asemenea, fullerenul este utilizat ca catalizator pentru sinteza diamantelor. Utilizarea fullerenelor pe scară largă în biologie și medicină. Acesta are trei proprietăți ale acestor molecule: determinarea lipofilicitate membranotropnyh, elektronodefitsit dând interacțiune abilitatea cu radicalii liberi, dar, de asemenea, capacitatea de a transfera molecula de oxigen conventionale starea lor proprii excitat și să transforme oxigenul singlet.

Astfel de forme active de biomolecule atacă substanțele: acizi nucleici, proteine, lipide. Formele active de oxigen sunt utilizate în terapia fotodinamică pentru tratamentul cancerului. În sânul pacientului, se injectează fotosensibilizatori, generând forme active de oxigen - de fapt fullerenele sau derivații lor. Fluxul sanguin in tumora este mai slabă decât în ​​țesuturile sănătoase și pentru că photosensitizers se acumulează în ea, și după direcția de iradiere a moleculei sunt excitate prin generarea de specii reactive de oxigen. Celulele canceroase suferă apoptoză, iar tumora este distrusă. În plus, fullerenii au proprietăți antioxidante și captează forme active de oxigen.

Fullerene scade activitatea integrazei HIV, o proteina care este responsabilă pentru integrarea virusului in ADN-ul prin interactiunea cu ea prin schimbarea conformației și lipsindu-l demoleze funcția principală. Unii dintre derivații fullerenului interacționează direct cu ADN-ul și interferează cu acțiunea restiazului.

Mai multe despre medicină

În 2007, fullerenii solubili în apă au început să fie utilizați ca agenți antialergici. Studiile au fost efectuate pe celule umane și sânge, care au fost expuse la derivați de fullerenă - C60 (NEt) x și C60 (OH) x. În experimentele efectuate pe organisme vii - șoareci - rezultatele au fost pozitive.

Deja, această substanță este utilizată ca vector de eliberare a medicamentului, deoarece apa cu fullerenă (amintiți-vă de hidrofobicitatea lui C₆₀) penetrează foarte ușor membrana celulară. De exemplu, eritropoietina - hormon de rinichi au intrat direct în fluxul sanguin, este degradat într-o cantitate semnificativă, iar în cazul în care este utilizat împreună cu fullerene, concentrația crește la mai mult de dublu, deoarece intră în celulă.