Fulerena - šta je ovo? Osobine i primena fulerena

Molekularna alotropskih oblik ugljen ili njegovih modifikacija, fulerena, - dugom nizu C _{n (n>} 20) atomske klastera, koji su zatvoreni konveksno poliedri izgrađen od atoma ugljika i imaju petougaona ili heksagonalne lica (ovdje postoje vrlo rijetke iznimke). Atoma ugljika u nesupstituisani fulereni imaju tendenciju da budu sp ² -Hybrid država s brojnim koordinaciju 3. Tako se formira sferne konjugovano nezasićenih sistema prema teoriji valentne veze.

opći opis

Najviše termodinamički stabilan pod normalnim uvjetima oblik ugljika - grafit, koji izgleda kao ris jedva međusobno povezani grafen listova: stan rešetke, koji se sastoji od heksagonalne ćelije, gdje čvorova - ugljikovih atoma. Svaki od njih je povezana sa tri susjedne atoma, a četvrti valentnog elektrona formira pi-sistem. Dakle, fulerena - to je upravo ta molekularna obliku, odnosno slika sp ² -Hybrid država je očigledan. Ako uvodimo u grafen list geometrijskih nedostataka neminovno formira zatvorenu strukturu. Na primjer, kao što su defekti petočlani prstenova (petougaona lica), isti, zajedno sa zajedničkim šesterokutna ugljen hemije.

Eulerov teorem navodi da je proizvodnja zatvorenog poliedra sa vrhova trohkoordinirovannymi moguće ako uvodimo dvanaest petouglova, bez obzira na broj heksagonalne lica. Stoga, minimalna veličina fulerena - formalno C ₂₀ dodekahedron. Međutim zakrivljenosti slične strukture, koji ima mali broj atoma ugljika je visok, a samim tim i na sp ² -Hybrid država nije vrlo povoljan, jer je ugljen preferira koordinaciju planarne. Zato je najmanja u svom čistom obliku dobiti fulerena - je C _60, koji imaju strukturu skraćeni redovne ikosaedar. U njemu šesterokutna lica su odvojeni jedni od drugih sve petougaona. Fulerena Chemistry naziva ovu činjenicu izolovanog pravilo pentagon, i to je predmet stvarno pristupačan fuleren.

formula

Gidrantirovanny označen C ₆₀ fulerena (C ₆₀ HyFn). Ovaj izdržljivi hidrofilni supramolekulskih kompleks, koji se sastoji od jednog molekula fulerena C ₆₀ u prva granata hidrant i dvadeset i četiri molekule vode. Ovo je fulerena čija konfiguracija - C ₆₀ (H ₂ O) _24. Sastoji se od dvadeset heksagona i dvanaest petouglova, spolja nalik nogometne lopte. Osim toga, veliki broj fulerena C ₇₀ dodataka kao srednji strukture, što bi sve petouglova izolovani, ne postoji. Od C ₇₈ fulerena struktura omogućava da poštuju nekoliko stabilnih izomera svakog ugljen skeleta. Teoretski je moguće da postoje fulereni sa atoma ugljika bilo čak i broj, "viši fulerena".

Pripremu fulerena ARC javlja češće ili metodom elektron-zraka i laserom isparavanje grafita u helijum atmosferi. Čađ, koja se kondenzuje na površini reaktora, tretira se u refluksa benzen, toluen, ksilen ili drugim organskim otapalima. Rješenje je isparila, formirajući crna kondenzata, deset do petnaest posto koja se sastoji od C ₇₀ i C ₆₀ fulereni kao i vrlo male količine viših fulerena.

Odnos između različitih furellenami može se razlikovati, ovisno o sinteze parametara, ali obično ₆₀ ° C prevladava, to je nekoliko puta veći. Među najvećim C _78, C ₇₆ i C _84. U opšta slika je pad u proporciji fulerena sinteze svih proizvoda. To je zbog, najvjerojatnije, sa niskim vjerojatnost sklapanja velikih struktura malih klastera u početku je isparila.

sa vodom fulerena

Najčešći i intenzivno proučavao je C _60, gdje je jedan molekul supstance zapravo imaju dvadeset i četiri molekule vode. Ovaj fulerena molekula ima visok simetrija, gdje su ekvivalentne svi atomi. Njegova sferični oblik je udaljenost od centra atomskih jezgara oko 0.36 nm i radijus od oko 0,5 nm. Formira molekularni kristal u kojoj molekuli lice centrirana kubična rešetke, troslojni najgušći sferični pakovanje. Na visokoj temperaturi, ₆₀ C sublimira bez formiranja tečnost fazi. Najbolje od svega je što se rastvara u sredstvima za aromatizaciju tipa ugljen disulfid otapala, i polarni - mnogo gore. Izduženog elipsoidnog oblika ₇₀ C, kao i veća fulereni ima fizička svojstva vrlo slična C _60.

A u oblasti hemije oni su mnogo više velikodušan i dati svaku priliku da dobiju različite klase derivata: Metallofullerenes, heterofullerene. Obitelji proizvoda bogatiji sve ekzoendralnogo (outer-) vezu, jer svaki atom ugljenika - dostupna reakcija stranice. To su osobine fulerena. Njima su se pridružili su stvaranjem novih proizvoda, atoma halogena i vodika, organskim radikalima, pripadnosti može doći do čak ciklusa. Tako dobiveni polimernih materijala koji sadrže fulereni Multigradno spoj. ₆₀ K C pridružuje do četrdeset osam supstituenata bez uništavanja ugljen kostur. Tako je, na primjer, dobiveni C ₆₀ F _48, a mnogi takvi spojevi se koriste, pri čemu je temelj su fulerena.

aplikacija

Gotovo fulereni su zainteresovani za potpuno različitim područjima. S obzirom na svoje elektronske svojstva se njih i njihovih derivata, kao poluvodiča može uzeti u obzir. Fulereni lako apsorbiraju UV zračenja, oni imaju visoke sposobnosti elektron-povlačenje. Sve ove osobine čine ga moguće za njihovu primjenu u fotonaponskim, Optički senzori, solarni pogon uređaja različitih molekularnih elektronike. Fulereni se koriste u medicini kao antivirusno i antimikrobna sredstva, kao agenti u fotodinamska terapije i m. P.

Moderne tehnologije omogućile su relativno brzo povećanje ukupnog broja jedinica da biste dobili više fulereni su bolji i efikasniji rad metoda za njihovo liječenje. To je razlog zašto je trošak, na primjer, C ₆₀ je znatno opao u proteklih deset godina i pol (sa deset hiljadu da se deset do petnaest dolara po gramu). Sada smo suočeni sa situacijom u kojoj za prave industrijske aplikacije i fulereni padaju na lice. Njihova upotreba raste i raste svaki dan.

Za informacije o otvaranju

Fulereni nazvana po čuvenom arhitekta i inženjera Richarda Bakminstera Fullera, koji je na temelju njihove strukture izmislio geodetske strukture. Na prvi, ove klase spojeva je ograničena na strukturu, koja je uključivala samo šest-i petougaoni lica. Ako je sastav fulerena molekula pored atoma ugljenika su prisutni razni hemijski elementi, a oni se nalaze u okviru ugljen kostur, te pozvao endohedralni fulerena. Ako su atomi drugih elemenata se nalazi izvan fulereni dobijaju exohedrally. Njihova imena, ovaj molekularni oblik nije bilo tako davno - 1985. godine, kada je grupa istraživača napravio neočekivano otkriće fulerena. Mali, Kroto, Curl i drugi kemičari studirao grafit parova koji su dobijeni laserske ablacije (zračenje) solidan. vrhovi nije pronađeno koja je imala maksimalne amplitude odgovara klastera šezdeset i sedamdeset atoma ugljika.

Tako da smo izračunali molekula C ₆₀ i C _70, kao i hipoteza da je prva molekula je izgrađen u obliku zarubljene ikosaedar. To je najčešći C ₆₀ pod nazivom bakminsterfullerenom i ostatak molekula - samo fulerena.

Naučnici-kemičara su dobro upućen u arhitekturi i sjetio Fuller, koji je izgradio kupole na zgradama tako - pentagona, heksagona razdeljeni, to je temelj strukture molekularne skeleta apsolutno sve fulerena. Međutim, ovo je - fascinantan priču, a ne bez zanimljivu istoriju. O mogućnosti postojanja takvih molekula nešto ranije pisalo je u Japanu (1971), kao i teorijske osnove dobijen je i objavljen u SSSR-u (1973). Ipak, Kroto, Curl i male dobio Nobelovu nagradu iz hemije.

Prirode i tehnologije

Priprema čistog fulerena moguće je umjetni sinteze. Ovi spojevi i dalje intenzivno proučavao u raznim zemljama, postavljajući uvjete pod kojima se javlja njihovog formiranja, i smatra se fulerena struktura i njihova svojstva. Sve raste području primjene. Utvrđeno je da je značajan iznos fulerena sadržanih u čađi, koji se formira na grafit elektrode u pražnjenja luk. Ranije ove stvari jednostavno nikad viđeni.

Kada su fulereni proizvedeni u laboratorijskim uvjetima, ugljen molekula i počeo da se otkrivene u prirodi. U Karelia ih pronašli smo u shungites uzorcima, Indiji i SAD - u furulgitah. Također mnoge i česte ugljen molekula u meteoritima i sedimenata na dnu, što je ne manje od 65.000.000 godina. Na Zemlji čista fulereni može biti formirana od udara groma i sagorijevanja prirodnog gasa. Uzorci zraka preuzela Mediterana, proučavani su u 2011. godini, a utvrđeno je da su svi uzorci uzeti - od Istanbula do Barcelona - postoji fuleren. Fizička svojstva supstance dovesti do spontanog stvaranja. Također ogromne količine se nalaze u prostoru - i na plinovitom stanju, i u čvrstom obliku.

sinteza

Prvi eksperimenti izolacije fulerena dogodila kroz kondenzirana para grafita, koji je dobijen zračenjem laserskog zračenja čvrstih uzoraka grafita. Uspio samo tragovi fulerena. Samo u 1990. kemičari Huffman, Lamb i Kretschmer razvili novi način proizvodnje fulerena u količinama gram. On se sastojao u plamenu grafitnim elektrodama od električnog luka u atmosferi helija i pod niskim pritiskom. Je erozija anode i pojavio komore zidova čađi sadrže fulerena.

Nadalje, čađi se rastvara u toluen ili benzen, a kao rezultat rješenja stajao grama čistog molekula C ₇₀ i C _60. Odnos - 1: 3. Osim toga, rješenje se sastoji od teške i dva posto veći fulerena reda. Sada je bilo lako: izabrati optimalni parametri za isparavanje - sastav atmosfere, pritisak, Promjer elektrode, struja i tako dalje, da se postigne maksimalni prinos fulerena. Bili su do oko dvanaest posto stvarnog anoda. To je razlog zašto tako skupo fulerena su.

proizvodnja

Svi pokušaji da se eksperimentalni naučnici prvi su uzalud: proizvodne i jeftiniji način stvaranja fulerena su. Ni gori plamen ugljikovodika ili kemijski sinteza nisu bili uspješni. metoda električnog luka je bio najproduktivniji, omogućava vam da primi oko jedan gram fulerena na sat. Kompanija Mitsubishi je razvio metodu za proizvodnju za sagorijevanje ugljikovodika, ali oni nisu čisti fulereni - sadrže molekule kisika. I za sada ostaje nejasno mehanizam stvaranja ove supstance, jer su procesi luk su izuzetno nestabilni iz termodinamički aspekta, a to je vrlo snažno inhibira razmatranje teorije. Samo nepobitne dokaze da prikuplja atoma ugljika pojedinačnih fulerena, i.e. C ₂ fragmenata. Međutim, još nije formirana jasnu sliku o formiranju ove supstance.

Visoki troškovi fulerena se određuje ne samo niski prinosi kada spaljena. Izolacije, pročišćavanje, odvajanje fulerena različitih masa čađi - svi ovi procesi su prilično složena. Posebno se odnosi odvojiti mješavina u odvojene molekularne frakcije, koje se održavaju tečnom hromatografijom koloni i visokog pritiska. Na posljednjoj fazi otapala ostaci su uklonjeni iz već čvrste fulerena. Za ovaj uzorak se drži pod dinamičkim vakuumu na temperaturi do dvije stotine pedeset stepeni. Ali prednost je da je tokom razvoja fulerena C ₆₀ i primaju ga u makroskopskom količinama već organske kemije je narasla nezavisna grana - hemije fulerena, koja je postala izuzetno popularna.

korist

Fulerena derivati se koriste u raznim oblastima tehnologije. Folija i fulerena kristala - poluvodiča koji imaju photoconductivity pod optičkih zračenja. Kristali C _60, ako dopirani atoma alkalnih metala, tranzicija u stanje supravodljivosti. fulerena rješenja imaju nelinearnih optičkih svojstava, i stoga se može koristiti kao osnova optičkih grilje koje su neophodne za zaštitu od intenzivnog zračenja. Također fulerena koristi kao katalizator za sintezu dijamant. Fulereni su naširoko koristi u biologiji i medicini. Zapošljava tri svojstva ovih molekula: utvrđivanje membranotropnyh lipofilnost, elektronodefitsit dajući interakcija sposobnost sa slobodnim radikalima, ali i sposobnost da prenesu molekula kisika konvencionalnih vlastite pobuđenom stanju i da biste uključili singlet kisika.

Takve supstance napadaju biomolekula: nukleinskih kiselina, proteina, lipida. Reaktivnih vrsta kisika se koriste u fotodinamska terapiju za liječenje raka. krv pacijenta je uveden photosensitizers, stvarajući reaktivne vrste kisika - zapravo fulereni ili njihove derivate. Protok krvi u tumor je slabiji nego kod zdravih tkiva i zato photosensitizers akumulira u njemu, a nakon ozračivanja pravcu molekula su uzbuđeni stvaranjem reaktivnih vrsta kisika. ćelije raka doživljava apoptoze, a tumor je uništen. Osim toga - fulereni imaju antioksidativna svojstva i zamka reaktivnih vrsta kisika.

Fulerena smanjuje HIV integraze aktivnosti, protein koji je odgovoran za integraciju virusa u DNK kroz interakciju s njom promjenom konformacije i lišavajući ga da uništava glavna funkcija. Neki od fulerena derivata direktno komuniciraju sa DNK i inhibiraju akciju restiktaz.

Više o medicini

U 2007. godini, fulerena topiv u vodi je počeo da se koristi za njih jede kao antialergijski agenti. Istraživanja su sprovedena na ljudsku krv i ćelije koje su izložene fulerena derivata - C60 (neto) x i C60 (OH) x. U eksperimentima na žive organizme - miševi - rezultati su bili pozitivni.

Već, supstance koja se koristi kao vektor isporuke droge, jer voda koja sadrži fulereni (opoziv hidrofobnosti C ₆₀₎ prodire u stanične membrane je vrlo jednostavan. Na primjer, eritropoetin - hormon bubrega ulazi direktno u krvotok, je degradiran u značajnom iznosu, a ako se koristi zajedno sa fulereni, koncentracija se povećava na više nego dvostruko, jer ulazi u ćeliju.