Fulereno - o que é iso? Propiedades e aplicacións dos fulerenos

A forma molecular de modificacións de carbono ou allotrope de fulereno - é unha longa serie de agrupacións atómicos C _{n (n>} 20), os cales son pechados poliedros convexa formada por átomos de carbono e tendo un caras pentagonais ou hexagonais (hai moi raras excepcións). átomos de carbono nos fulerenos n substituos tenden a ser ^SP2 estado -Hybrid cun número de coordinación de 3. Así, está formado un sistema insaturado, conxugado esférico segundo a conexión de Valencia.

descrición xeral

As condicións de forma máis termodinamicamente estable en condicións normais de carbono - de grafito, que se parece unha pila de mal relacionados uns cos outros grafeno: Estrutura plana, que consta de células hexagonais, onde os cumes - átomos de carbono. Cada un deles está asociado a tres átomos veciños, eo cuarto de electróns de valencia forma un sistema-pi. Entón, fulereno - é precisamente esta forma molecular, é dicir, a imaxe sp ² -Hybrid estado é obvia. Se introducirmos nos defectos xeométricos folla grafeno inevitablemente forma unha estrutura pechada. Por exemplo, tales defectos son aneis de cinco membros (faces pentagonais), exactamente do mesmo, xunto coa química de carbono hexagonal común.

Teorema de Euler afirma que a produción dun poliedro pechado con vértices trohkoordinirovannymi posible se introducirmos doce pentágonos, independentemente do número de caras hexagonais. Así, o tamaño mínimo dun fulereno - é formalmente C ₂₀ dodecaedro. Con todo curvatura estruturas semellantes, tendo un pequeno número de átomos de carbono é alta, e, polo tanto, a SP ² -Hybrid Estado non é moi favorable, xa que a coordinación de carbono prefire planar. É por iso que o menor na súa forma pura fulereno obtido - é C _60, tendo a estrutura dun icosaedro truncado. En que as faces hexagonais están separados uns dos outros a toda pentagonal. Fulereno Química chama iso de feito o illado regra Pentágono, e é suxeito a un fulereno realmente accesible.

fórmula

Gidrantirovanny denotado C ₆₀ fulereno (C ₆₀ HyFn). Este duradeiro complexo supramolecular hidrófilo, que consta de unha molécula de fulereno C ₆₀ na primeira boca de cuncha e vinte e catro moléculas de auga. Este é o fulereno cuxa fórmula - C _{60 (H2O) 24.} Formada por vinte hexágonos e doce pentágonos, exteriormente semellante a unha bola de fútbol. Ademais, unha serie de fulereno C ₇₀ Suplemento como intermediario estruturas, o que sería toda a pentágonos son illados, non existe. Como C ₇₈ estrutura de fulereno permite observar varios isómeros estables de cada un esqueleto de carbono. Teoricamente, é posible que existan fulerenos con átomos de carbono de calquera número par, "fulerenos máis elevados."

A preparación dos fulerenos por arco ocorre máis a miúdo ou método de feixe de electróns e por evaporación do láser de grafito nunha atmosfera de helio. Tisne, que condensa sobre a superficie do reactor, é tratado ao refluxo en benceno, tolueno, xileno ou outros disolventes orgánicos. A solución é evaporada, formando un condensado de negro, de dez ou quince por cento consistindo fulereno C ₇₀ e C _60, así como cantidades moi pequenas de fulerenos máis elevadas.

A relación entre furellenami diferentes poden variar en función dos parámetros de síntese, pero polo xeral ₆₀ C prevalece, é varias veces máis grande. Entre a parte superior máis C _78, C ₇₆ e C _84. No marco xeral hai un descenso na proporción de síntese fulereno de todos os produtos. Isto é debido, probablemente, pouco probable para construír grandes estruturas de pequenos aglomerados inicialmente evaporado.

Auga que conteñen fulerenos

O máis común e extensivamente estudada é C _60, en que unha molécula da sustancia realmente ten vintecatro moléculas de auga. Esta molécula de fulereno ten unha elevada simetría, onde todos os átomos son equivalentes. A súa forma esférica é a distancia desde o centro dos núcleos atómicos a uns 0,36 nm e un radio de preto de 0,5 nm. El forma un cristal molecular en que as moléculas son rede cúbica, de tres capas máis denso empaquetamento esférico cara centrada. A alta temperatura, sublima ₆₀ C, sen a formación dunha fase líquida. O mellor de todo o que é disolto nas substancias aromáticas do tipo de disolventes de dissulfureto de carbono, e polar - moito peor. Un alongado elipsoidal forma ₇₀ C, así como fulerenos máis elevadas ten propiedades físicas moi similares a C _60.

E no campo da química son moito máis xenerosos e dar todas as oportunidades para as súas distintas categorías de derivados: Metallofullerenes, heterofullerene. Familia de produtos ricos todos ekzoendralnogo de conexión (outer-), xa que cada átomo de carbono - lugar de reacción dispoñibles. Estas son as propiedades fulerenos. Son unidos a través da creación de novos produtos, átomos de halóxeno e hidróxeno, radicais orgánicos, afiliación mesmo ciclos pode ocorrer. Así, un material de polímero que contén fulerenos, conexión multigrao. ₆₀ K C xúntase a corenta e oito substituintes sen destruír o esqueleto de carbono. Así, por exemplo, obtido por C ₆₀ F _48, e moitos destes compostos son utilizados, en que as bases son fulerenos.

aplicación

Case fulerenos están interesados en áreas completamente diferentes. En vista das súas propiedades electrónicas pode ser considerada a eles e os seus derivados como semicondutores. Fulerenos pronto absorben a radiación ultravioleta, que teñen unha elevada capacidade de eliminación de electróns. Todas estas propiedades fan posible aplicala los na fotovoltaica, sensores fotoeléctricos, dispositivos de enerxía solar de varios electrónica molecular. Fulerenos son utilizados en medicina como axentes anti-virais e anti-microbianas, como axentes na terapia fotodinâmica, e así por diante. N.

As tecnoloxías modernas permitiron de forma relativamente rápida para aumentar o número total de unidades para obter máis fulerenos tamén son mellores e máis eficientes métodos de traballo para o seu tratamento. Por iso, o custo de, por exemplo, C ₆₀ diminuíu substancialmente ao longo da última década e unha metade (con 10000-10 a quince dólares por gramo). Agora somos confrontados con unha situación onde a aplicacións industriais reais e fulerenos caer para a persoa. O seu uso está crecendo e crecendo cada día.

Para obter información sobre apertura

Fulerenos nomeado despois do famoso arquitecto e enxeñeiro Richard Bakminstera Fullera, que con base na súa estrutura inventou a estrutura xeodésica. En primeiro lugar, esta clase de compostos limítase á estrutura, o que incluíu os únicos seis-pentagonais e caras. A composición da molécula de fulereno, en adición aos átomos de carbono están presentes varios elementos químicos, e que están situados dentro do esqueleto de carbono, os chamados fulerenos endohedral. Os átomos doutros elementos están situados fóra dos fulerenos son obtidos exohedrally. Os seus nomes, esta forma molecular non foi moi moito tempo - en 1985, cando un grupo de investigadores fixeron o descubrimento inesperado de fulereno. Pequena, Kroto, onda e outros químicos estudaron pares de grafito, que foron obtidos por ablação láser (irradiación) sólido. picos se atoparon que tiña unha amplitude máxima correspondente aos clusters dos átomos de carbono sesenta e setenta.

Polo tanto calculouse a molécula de C ₆₀ e C _70, así como a posibilidade de que a primeira molécula está construída en forma de icosaedro truncado. É o máis común C ₆₀ chamado bakminsterfullerenom eo resto da molécula - só fulerenos.

Científicos-químicos son ben versos en arquitectura e lembrar Fuller, que construíu a cúpula sobre os edificios SO - pentágonos, hexágonos fendido, que é a base da estrutura dos esqueletos moleculares de absolutamente todo fulerenos. Sen embargo, este é - unha historia fascinante, e non sen unha historia interesante. Sobre a posibilidade da existencia de tales moléculas un pouco máis cedo que foi escrito en Xapón (1971), ea base teórica foi obtida e publicada na URSS (1973). Con todo, Kroto, Curl e Pequenas recibiu o Premio Nobel de Química.

Natureza e tecnoloxía

Preparación de fulereno puro é posible por síntese artificial. Estes compostos continuar intensamente estudados en diferentes países, as condicións baixo as cales se produce a formación de axuste, e é considerado estrutura de fulereno e as súas propiedades. Un campo cada vez máis crecente de aplicación. Verificouse que unha cantidade significativa de fulerenos contido na tisne, que está formada sobre electrodos de grafito nunha descarga de arco. A principios deste feito simplemente nunca máis foi visto.

Cando os fulerenos producíronse en condicións de laboratorio, moléculas de carbono e comezaron a ser detectados en natureza. Na Carelia, eles atoparon en mostras shungites, India e Estados Unidos - en furulgitah. Tamén moitos e frecuentes moléculas de carbono en meteoritos e sedimentos no fondo, que é nada menos que sesenta e cinco millóns de anos. Na Terra, fulerenos limpas pode ser formado por raio ea combustión de gas natural. mostras de aire recollidas sobre o Mediterráneo, foron estudadas en 2011, e verificouse que todas as mostras tomadas - de Istambul para Barcelona - hai un fulereno. As propiedades físicas da substancia causar a formación espontánea. Tamén enormes cantidades de que se atopan no espazo - e no estado gasoso, e dunha forma sólida.

síntese

As primeiras experiencias de illamento de fulerenos ocorreu a través de vapores condensados de grafito, o cal foi obtido por irradiación de irradiación con láser de mostras de grafito sólidos. Conseguiu obter só trazos de fulerenos. Só en 1990 por químicos Huffman, cordeiro e Kretschmer desenvolvido un novo método de produción de fulerenos en cantidades de gramos. Ela consistía queimar os electrodos de grafito por un arco eléctrico nunha atmosfera de helio e baixo baixa presión. A erosión do ánodo, e nas paredes da cámara de apareceu tisne contén fulerenos.

Ademais, tisne é disolto en tolueno ou benceno, ea solución resultante quedou gramos moléculas puras C ₇₀ e C _60. Ratio - 1: 3. Ademais, unha solución formada por pesado e dous por cento de orde superior fulerenos. Agora foi fácil: escoller as opcións óptimas para a evaporación - a composición da atmosfera, a presión, o diámetro dos electrodos, a cadea etc., para acadar o rendemento máximo dos fulerenos. Eran uns doce por cento do material real do ánodo. É por iso que fulerenos tan caros son.

produción

Todos os intentos para científicos experimentais no primeiro foron en balde: os métodos de produción e máis baratas de fulerenos son produtoras. Ningunha queima nas chamas de hidrocarburos ou de síntese química foron infrutíferas. método de arco eléctrico foi o máis produtivo, permite recibir preto dun gramo de fulerenos por hora. A empresa Mitsubishi desenvolveu un método de fabricación da combustión de hidrocarburos, pero eles non son fulerenos puros - que conteñen as moléculas de osíxeno. E ata agora aínda non está claro o mecanismo de formación desta sustancia, xa que os procesos de arco son moi inestables do punto de vista termodinámico, e é moi fortemente inhibe a consideración da teoría. Só probas irrefutáveis de que recolle átomos de carbono fulereno individuo, é dicir, C ₂ fragmentos. Con todo, a imaxe clara da formación desta sustancia non foi formado.

O elevado custo dos fulerenos determínase non só ingresos baixos cando queimada. O illamento, purificación, separación dos fulerenos de diferentes masas de tisne - todos estes procesos son bastante complexas. Especialmente refírese a separar a mestura fraces moleculares distintas, que son realizadas por cromatografía líquida en columna ea alta presión. Na última fase de residuos de disolventes son eliminados do fulereno xa sólido. Para esta mostra é mantida baixo baleiro dinámico a unha temperatura de ata douscentos cincuenta graos. Pero a vantaxe é que, durante o desenvolvemento de fulereno C ₆₀ e recibe-lo en cantidades macroscópicas xa química orgánica creceu rama independente - a química dos fulerenos, que se fixo incrible popular.

beneficio

derivados de fulerenos son usados en varios campos da tecnoloxía. Láminas e cristais de fulereno - semicondutor posuíndo fotocondutividade baixo irradiación óptica. Cristais C _60, se dopado átomos alcalinos metais, a transición cara a un estado de supercondutividade. solucións de fulereno ter propiedades ópticas non lineais, e, polo tanto, pode ser usado como unha base de obturador ópticos, que son necesarias para a protección contra a radiación intensa. Tamén fulereno usados como un catalizador para a síntese de diamante. Fulerenos son amplamente utilizados en bioloxía e medicina. Ela emprega tres propiedades destas moléculas: determinantes membranotropnyh lipofilicidade, elektronodefitsit dando interacción capacidade con radicais libres, pero tamén a capacidade de transferir molécula de osíxeno convencional seu propio estado animado e para virar o osíxeno singuleto.

Tales substancias reactivas atacar biomoléculas: ácidos nucleicos, proteínas, lípidos. especies de osíxeno reactivas son utilizados en terapia fotodinâmica para o tratamento de cancro. O sangue do paciente é introducido fotossensibilizadores, xerando especies de osíxeno reactivas - en realidade fulerenos ou os seus derivados. O fluxo de sangue no tumor é máis débil do que en tecidos sans, e porque se acumulan en fotossensibilizadores-lo, e despois a dirección de irradiación da molécula son excitados por medio da xeración de especies reactivas de osíxeno. células cancerosas experimentando a apoptose, eo tumor é destruído. Ademais de que - fulerenos teñen propiedades antioxidantes e trampa especies reactivas de osíxeno.

Fulereno reduce a actividade da integrase do VIH, unha proteína que é responsable da integración do virus no ADN a través da interacción con el, cambiando a conformación e privando-o de destruír a función principal. Algúns dos derivados de fulereno interactuar directamente con ADN e inhiben a acción restiktaz.

Máis sobre medicina

En 2007, os fulerenos solubles en auga comezou a ser usado para comelos como axentes antialérgicos. Os estudos foron realizados en células e sangue humano, que foron expostas a derivados de fulereno - C60 (net) xe C60 (OH) x. En experimentos con organismos vivos - ratos - os resultados foron positivos.

Xa, unha sustancia utilizada como un vector de entrega de drogas, xa que a auga que contén fulerenos (recordo hidrofobicidade C ₆₀₎ penetra a membrana celular é moi fácil. Por exemplo, eritropoietina - hormona ril introducido directamente na corrente sanguínea, é degradada nunha cantidade significativa, e de ser usado en conxunto con fulerenos, a concentración aumenta a máis do dobre, porque queda dentro da célula.