Fuleren - kaj je to? Lastnosti in aplikacije fulerenov

Molekularna alotropska oblika oglja ali njeno spremembo, fulerena, - je _Cn dolge proge _(n> 20) atomskimi grozdi, ki se zapirajo konveksni poliedri, zgrajeno iz atomov ogljika in ima peterokotna ali šestkotno obliko ploskve (tukaj so zelo redke izjeme). Atomov ogljika v danem fulerenov ponavadi ^sp2 -Hybrid stanje s številnimi koordinacijske 3. Tako se tvori sferično konjugat nenasičen sistem po teoriji valenčna vez.

splošen opis

Najbolj termodinamično stabilen pod normalnimi pogoji oblika oglja - grafit, ki izgleda odvodnik komaj seboj povezana Graphene listih: ravno rešetke, ki sestoji iz šesterokotne celice, kjer tocke - atomi ogljika. Vsak od njih je povezana s tremi sosednjimi atomi, in četrti valenca elektronov tvori PI-sistem. Torej, fuleren - prav ta molekularna oblika, to je slika sp ² -Hybrid stanje očitno. Če bomo v Graphene stanja geometrijskih napak z uvedbo neizogibno tvori zaprto strukturo. Na primer, take napake so pet-členski obroči (peterokotne obrazov), popolnoma enako, skupaj s skupnim heksagonalno ogljika kemije.

Eulerjev teorem pravi, da trohkoordinirovannymi proizvodnja zaprtega polieder z vozlišči mogoče, če bomo uvedli dvanajst pentagons, ne glede na število šestkotnih obrazov. Zato je najmanjša velikost fulerena - formalno C ₂₀ dodekaeder. Vendar krivin podobne strukture, ki imajo majhno število ogljikovih atomov, je visoka, zato da ^sp2 -Hybrid stanje ni zelo ugodno, saj ogljik raje usklajevanje ravninski. Zato je najmanjši v svoji čisti obliki pridobljenih fulerena - C _60, ki ima strukturo okrnjene Ikozaeder. V njej so heksagonalne ploskvi med seboj ločene vse Peterokotnem. Fulerena kemija poziva to dejstvo izoliranega pravilo Pentagon, in je predmet res dostopen fulerena.

Formula

Gidrantirovanny označena C ₆₀ fuleren (C ₆₀ HyFn). Ta vzdržljiv hidrofilni supramolekularna kompleks, ki je sestavljen iz ene molekule fuleren C ₆₀ v prvi lupini hidrantu in štiriindvajset vodnih molekul. To je fuleren katerega s formulo - C _{60 (H2O) 24.} Sestavljen je iz dvajsetih šestkotnikov in dvanajst pentagons, navzven spominja na nogometno žogo. Nadalje, številni fulerena C ₇₀ dopolnila posredniških struktur, ki bi bili vsi peterokotnika izoliramo, ne obstaja. Ker C ₇₈ fulerenom struktura omogoča opazovanje več stabilne izomere vsake ogljikovega skeleta. Teoretično je možno, da obstaja fulerenov z ogljikovimi atomi od katere koli celo število, "višjih fulerenov".

Priprava fulerenov z lokom se pogosteje ali metode z elektronskim žarkom in lasersko evaporacijo grafita v helij atmosferi. Saje, ki se kondenzira na površini reaktorja, obdelamo v refluktiranjem benzen, toluen, ksilen ali druga organska topila. Raztopino uparimo, tvori črno kondenzata, deset do petnajst odstotkov sestoji iz C ₇₀ in C ₆₀ fulerenov kot tudi zelo majhnih količinah višjih fulerenov.

Razmerje med različnimi furellenami se lahko razlikuje glede na parametre sinteze, vendar je običajno ₆₀ ° C prevladuje, je nekajkrat večja. Med najbolj maksimalna C ₇₈ C ₇₆ in C _84. V splošni sliki je upad deleža fulerena sintezo vseh izdelkov. Razlog za to je, najverjetneje z majhno verjetnostjo montaža velikih struktur malih grozdov najprej uparimo.

Voda, ki vsebuje fulereni

Najpogostejši in obširno proučevali C _60, kjer je ena molekula snovi dejansko štiriindvajset molekule vode. Ta fulerenom molekula ima visoko simetrijo, kjer so vsi atomi enakovredni. Njegova okrogle oblike je razdalja od središča atomskih jeder do približno 0,36 nm in polmerom okoli 0,5 nm. Tvori molekulsko kristal, v katerem so molekule ploskovno centrirane kubične rešetke, troslojna najgostejše sferični pakiranje. Pri visoki temperaturi, ₆₀ ° C sublimira brez tvori tekočo fazo. Najboljše pa se raztopi v aromatičnih snovi tipa ogljikovega disulfida topil in polar - precej slabše. Podolgovat elipsoida ₇₀ ° C, kot tudi višje fulereni ima fizikalne lastnosti so zelo podobni C _60.

In na področju kemije so veliko bolj radodaren in daje vsako priložnost, da bi dobili njihove različne razrede izvedenih finančnih instrumentov: Metallofullerenes, heterofullerene. Družina izdelkov bogatejših vse ekzoendralnogo (outer-) povezave, ker vsak atom ogljika - na voljo reakcijsko mesto. To so lastnosti fulerenov. Ti združena z ustvarjanjem novih produktov, atomov halogenov in vodik, organske ostanke, pripadnosti lahko pojavi celo ciklov. Tako pridobljen polimerni materiali, ki vsebujejo fulerenov večnamensko spojino. ₆₀ K C spaja z oseminštirideset substituenti ne da bi uničili skelet ogljika. Tako, na primer, pridobljen s C ₆₀ F _48, in mnoge take spojine so v uporabi, pri čemer sta temelj fulereni.

aplikacija

Skoraj fulereni zanima povsem različnih področjih. Glede na njihove elektronske lastnosti, se lahko z njimi in njihovi derivati so polprevodniki šteje. Fulereni hitro absorbirajo UV-sevanje, imajo visoko sposobnost odvzema elektrone. Vse te lastnosti omogočajo, da jih uporabljajo v fotovoltaika, optični senzorji, sončni pogon naprave različnih molekularnih elektronike. Fulereni se uporabljajo v medicini kot protivirusna in protimikrobna sredstva, kot posrednikov v fotodinamični terapiji in m. P.

Sodobne tehnologije so omogočile relativno hitro povečati skupno število enot, da bi dobili več fulerene so tudi boljše in učinkovitejše delovne metode za njihovo zdravljenje. To je razlog, zakaj so stroški, na primer, je C ₆₀ znatno zmanjšala v zadnjem desetletju in pol (z deset tisoč do deset do petnajst dolarjev na gram). Zdaj se soočamo s situacijo, v kateri se pravi industrijske aplikacije in fulerenov pade na osebo. Njihova uporaba raste in raste vsak dan.

Za več informacij o odpiranju

Fulereni poimenovali po znameniti arhitekt in inženir Richarda Bakminstera Fullera, ki je na podlagi njihove strukture izumil geodetske strukturo. Sprva je ta razred spojin omejena na strukture, ki so vključevale le šest-in pentagonal obraze. Če sestavek molekule fulerena poleg ogljikovih atomov prisotnih različni kemični elementi in se nahaja v skelet ogljika, navedene imenovane endohedral fulerenov. Če so atomi drugih elementov nahaja izven fulerenov dobimo exohedrally. Njihova imena, to molekularna oblika ni bilo zelo dolgo nazaj - leta 1985, ko je skupina raziskovalcev je nepričakovano odkritje fulerena. Majhna, Kroto, Curl in druge kemiki preučevali grafitne parov, ki so bili pridobljeni z lasersko ablacijo (obsevanje) trdne snovi. vrhovi bile ugotovljene maksimalno amplitudo, ki ustreza skupin šestdesetih in sedemdesetih atomi ogljika.

Tako smo izračunali molekulo C ₆₀ in C _70, kot tudi hipotezo, da je prva molekula zgrajen v obliki prisekanega ikozaeder. To je najbolj pogosta C ₆₀ z imenom bakminsterfullerenom in preostali del molekule - samo fulerenov.

Znanstveniki-kemiki so dobro seznanjeni v arhitekturi in spomnil Fullerja, ki je zgrajena kupola na stavbah tako - pentagons, šestkotnikov parkljarjev, da je temelj strukture molekularnih okostja absolutno vse fulerenov. Vendar, to je - zanimivo zgodbo, in ne brez zanimivo zgodovino. Na možnost obstoja teh molekul nekoliko prej, je bilo napisanih na Japonskem (1971), ter teoretičnih osnov je bila pridobljena in objavljen v Sovjetski zvezi (1973). Kljub temu, da Kroto, Curl in mala prejel Nobelovo nagrado za kemijo.

Narava in tehnologija

Priprava čistega fulerena je mogoče z umetno sintezo. Te spojine naprej intenzivno raziskovali v različnih državah, določanje pogojev, pod katerimi pride do njihovega oblikovanja in velja fulerenom strukture in njihovih lastnosti. Vse bolj narašča tudi na področju uporabe. Ugotovljeno je bilo, da se znatna količina fulerenov vsebuje saje, ki se oblikuje na grafitnih elektrod v praznjenja loka. V začetku tega dejstva preprosto ne bo nikoli več videl.

Ko so bili fulerene proizvedeni v laboratorijskih pogojih, ogljikovih molekul in začel, da se odkrijejo v naravi. V Kareliji, smo jih našli v shungites vzorcev, Indiji in ZDA - v furulgitah. Tudi številne in pogoste ogljikove molekule v meteoritov in sedimentih na dnu, ki ni manjša od petinšestdeset milijonov let. Na Zemlji se čisti fulerene lahko nastala iz strele in izgorevanju zemeljskega plina. Vzorci Air prevzela Sredozemlju, so preučevali v letu 2011, je bilo ugotovljeno, da so vsi vzorci vzeti - Istanbul Barcelona - obstaja fuleren. Fizikalne lastnosti snovi povzroči spontano tvorbo. Prav tako so ogromne količine njej najdemo v vesolju - in v plinastem stanju, in v trdni obliki.

sinteza

Prvi poskusi izolacije fulerenov pojavila hrbet zgoščenih hlape grafita, ki je bil pridobljen z obsevanjem laserskega sevanja trdnih vzorcev grafita. Uspelo dobiti le sledove fulerenov. Samo v 1990 kemiki Huffman, Lamb in Kretschmer razvili novo metodo za proizvodnjo fulerenov v gramskih količinah. Sestavljena je iz gorenja grafitnih elektrod s pomočjo električnega obloka v atmosferi helija in pod nizkim tlakom. Je erozija anode in komorne stene je zdelo, da saje vsebujejo fulerenov.

Nadalje se saje raztopimo v toluenu ali benzenu, in dobljeno raztopino stala gramov čista molekulami C ₇₀ in C _60. Razmerje - 1: 3. Poleg tega raztopina sestavljena iz težke in dva odstotka višjega reda fulerenov. Zdaj je bilo enostavno: izbrati optimalne parametre za izparevanje - sestavo atmosfere, tlak, premer elektrode, tekoče in tako naprej, da bi dosegli največjo donos fulerenov. Bili so do okoli dvanajst odstotkov dejanske anodnega materiala. To je razlog, zakaj so tako drage fulerene.

proizvodnja

Vsi poskusi za poskusne znanstveniki v prvi so bili zaman: produktivne in cenejše metode za proizvodnjo fulerenov so. Niti gorenja plamena ogljikovodikov ali kemično sintezo, so bili neuspešni. Metoda električni lok je bil najbolj produktiven, vam omogoča, da prejmejo približno en gram fulerenov na uro. Podjetje Mitsubishi je razvil metodo za proizvodnjo zgorevanja ogljikovodikov, vendar niso čisto fulerene - vsebujejo kisikove molekule. In doslej še vedno ni jasno mehanizem nastanka te snovi, saj so procesi arc zelo nestabilen iz termodinamično vidika, in to je zelo močno zavira obravnavo teorije. Le neizpodbitno dokazano, da zbira posameznik fulerenom atomi ogljika, t.j. C ₂ fragmente. Vendar pa ni bila oblikovana jasna slika o nastanku te snovi.

Visoki stroški fulerena se določi ne le nizke donose pri izgorevanju. Izolacija, čiščenje, ločevanje fulerenov različnih mas saje - vsi ti procesi so zelo kompleksni. Zlasti gre za ločevanje zmesi v ločenih molekularnih frakcij, ki jih imajo s kolonsko kromatografijo tekočine in visokim tlakom. V zadnji fazi ostanki topil odstranimo iz že trdnega fulerena. Za ta vzorec se hrani v skladu z dinamičnim vakuumu pri temperaturi do dvesto petdeset stopinj. Toda prednost je, da med razvojem fulerena C ₆₀ in jo prejmete v makroskopskih količin že organska kemija zrasla neodvisno vejo - kemijo fulerenov, ki je postala zelo priljubljena.

koristi

Fulerena derivati se uporabljajo na različnih področjih tehnologije. Folije in fulerena kristali - polprevodniški ob photoconductivity pod optičnim obsevanjem. Kristali C _60, če dopirani atomi alkalnih kovin, prehod v stanje superprevodnosti. fulerena rešitve imajo nelinearne optične lastnosti, zato se lahko uporablja kot osnova optičnih preklopnikov, ki so potrebni za zaščito pred intenzivno sevanje. Tudi fulerenom uporablja kot katalizator za sintezo diamanta. Fulereni se pogosto uporabljajo v biologiji in medicini. Zaposluje tri lastnosti teh molekul: določajo membranotropnyh lipofilijo, elektronodefitsit daje interakcijo sposobnosti s prostimi radikali, ampak tudi možnost prenosa molekula kisika običajne svojo vzbujeno stanje in obrniti singlet kisika.

Te reaktivne snovi napadati biomolekule: nukleinske kisline, proteine, lipide. Reaktivnih kisikovih spojin se uporabljajo pri fotodinamični terapiji za zdravljenje raka. Pacientova kri uvede fotosen, tvorjenje reaktivne kisikove spojine - pravzaprav fulerenov ali njihove derivate. Pretok krvi v tumorju je šibkejša kot v zdravem tkivu, vendar zaradi fotosen kopičijo v njem, po smeri obsevanja molekule se vzbuja z generiranjem reaktivnih kisikovih vrst. rakave celice doživlja apoptozo, in tumor uniči. Poleg tega - še fulereni antioksidativnimi ter pasti reaktivnih kisikovih vrst.

Fulerenom znižuje integrazni HIV aktivnost, protein, ki je odgovorna za vključevanje virusa v DNK interakciji z njim s spremembo konformacije in mu ni uničil glavno funkcijo. Nekatere fulerenom derivatov neposredno interakcijo z DNK inhibirajo delovanje restiktaz.

Več o zdravilu

V letu 2007 so vodotopni fulerene začel uporabljati za jih jedo kot alergiji sredstva. Raziskave so bile izvedene na človeške krvi in celic, ki so bile izpostavljene fulerenom derivati - C60 (neto) x in C60 (OH) x. V poskusih na živih organizmov - miši - rezultati so bili pozitivni.

Že snov uporablja kot vektor za razdeljevanje zdravil, saj voda vsebuje fulerenov (odpoklic hidrofobnosti C ₆₀₎ prodre celična membrana je zelo enostavno. Na primer, eritropoetin - ledvični hormon, ki so neposredno v krvni obtok, se razgradi v znatni količini, in če se uporablja skupaj z fulerenov, koncentracijska poveča za več kot dvakrat, ker pride v celico.