Фулеренава - какво е това? Свойства и приложения на фулерени

Молекулно алотропна форма на въглерод или негова модификация, фулерен, - дълга линия С _{п (п>} 20) атомни клъстери, които са затворени изпъкнал polyhedra изграден от въглеродни атоми и има петоъгълна или шестоъгълни лица (тук има много редки изключения). Въглеродни атома в незаместени фулерените са склонни да бъдат SP ² -Hybrid състояние с координация брой 3. По този начин се образува ненаситен система сферична конюгат съгласно теория валентна връзка.

общо описание

Най-термодинамично стабилна при нормални условия формата на въглерод - графит, който прилича на купчина едва свързани един с друг графенови листи: плоска решетка, състояща се от шестоъгълни клетки, когато върховете - въглеродни атома. Всеки от тях е свързан с три съседни атоми, и четвъртата валентност електрон образува пи-система. Така че, фулереново - това именно е молекулярната форма, т.е. картина SP ² -Hybrid състояние е очевидно. Ако въведем в графена лист геометрични дефекти неизбежно образува затворена структура. Например, такива дефекти са пет-членни пръстени (петоъгълни лица), точно същото, заедно с общия въглерод шестоъгълна химия.

Теорема на Ойлер се посочва, че производството на затворен полихедронов с върхове trohkoordinirovannymi възможно, ако ние се въведе дванадесет петоъгълници, независимо от броя на шестоъгълни лица. Следователно, минималния размер на фулерен - формално С ₂₀ додекаедър. Въпреки кривина подобни структури, с малък брой въглеродни атоми е висока, и следователно да SP ² -Hybrid състояние не е много благоприятно, тъй като въглеродът предпочита координация планарна. Ето защо най-малката в чист вид, получен фулереново - е C _60, със структура на пресечена икосаедър. В него шестоъгълни лица са разделени един от друг всички петоъгълна. Фулеренава химия призовава този факт изолираната правилото петоъгълник, и то е обект на много достъпни фулерен.

формула

Gidrantirovanny означен С ₆₀ фулерен (С ₆₀ HyFn). Това траен хидрофилен супрамолекулярни комплекс, който се състои от една молекула на фулерен C ₆₀ в първия кран обвивка и двадесет и четири водни молекули. Това е фулерен чиято формула - С ₆₀ (Н _{2О) 24.} Тя се състои от двадесет и шестоъгълници и дванадесет петоъгълници, външно прилича на футболна топка. Освен това, редица фулерен С ₇₀ добавки като междинни структури, които ще бъдат всички пентагоните са изолирани, не съществува. Тъй С ₇₈ фулерен структура позволява да се наблюдава няколко стабилни изомери на всеки въглероден скелет. Теоретично е възможно да има фулерени с въглеродните атоми на всеки четен брой, "по-високи" фулерени.

Получаването на фулерени от дъга се появява по-често или метод електронен лъч и чрез лазерно изпарение на графит в атмосфера от хелий. Сажди, което се кондензира върху повърхността на реактора, се обработва в кипящ бензол, толуол, ксилол или други органични разтворители. Разтворът се изпарява, като се образува черна кондензат, десет до петнадесет процента, състояща се от С ₇₀ и С ₆₀ фулерени, както и много малки количества по-високи фулерени.

Съотношението между различните furellenami може да варира, в зависимост от параметрите на синтез, но обикновено ₆₀ ° С предимство, е няколко пъти по-голяма. Сред най-високата С _78, С ₇₆ и С _84. В общата картина е налице спад в дела на фулерен синтез на всички продукти. Това се дължи най-вероятно с ниска вероятност за сглобяване на големи структури на малки групи първоначално се изпаряват.

Вода, съдържаща фулерени

Най-често срещаните и широко изследван е С _60, където една молекула на веществото действително има двадесет и четири водни молекули. Това фулеренова молекула има висока симетрия, където всички атоми са еквивалентни. Неговата сферична форма е разстоянието от центъра на атомните ядра до около 0.36 пМ и радиус от около 0.5 пМ. Образува молекулно кристал в които молекули са лице центрирана кубична решетка, трислойна плътната сферична опаковка. При висока температура, ₆₀ ° С сублимира без образуване на течна фаза. Снимка на всичко това се разтваря в ароматни вещества от типа на въглероден дисулфид разтворители и полярни - много по-лошо. Един удължена елипсовидна форма ₇₀ ° С, както и по-високи фулерени има физически свойства подобни на С _60.

И в областта на химията, те са много по-щедри и да даде всяка възможност, за да им различните класове деривати: Metallofullerenes, heterofullerene. Семейството на продукти богати всички ekzoendralnogo (outer-) свързване, защото всеки въглероден атом - достъпно място реакция. Това са свойствата на фулерени. Те са свързани чрез създаване на нови продукти, халогенни атоми и водород, органични радикали, принадлежност могат да настъпят дори цикли. Така получен полимерни материали, съдържащи фулерени Multigrade съединение. ₆₀ K С присъединява към четиридесет и осем заместители без унищожаване на въглероден скелет. Така, например, получени чрез С ₆₀ F _48, както и много такива съединения са използвани, където основата са фулерени.

приложение

Почти фулерени се интересуват от съвсем различни области. С оглед на техните електронни свойства могат да бъдат тях и техните производни като полупроводници счита. Фулерените лесно абсорбират UV радиация, те имат висока способност електрон-оттегляне. Всички тези качества правят възможно да ги прилага в фотоволтаичната, фотоелектрически сензори, захранвани със слънчева енергия устройства с различни молекулни електроника. Фулерени се използват в медицината като антивирусни и антимикробни агенти, като агенти при фотодинамична терапия и т. П.

Съвременните технологии позволяват сравнително бързо да се увеличи броя на телата, за да получите повече фулерени също са по-добри и по-ефективни методи на работа за тяхното лечение. Ето защо цената на, например, C ₆₀ е намалял значително през последното десетилетие и половина (с десет хиляди да десет до петнадесет долара на грам). Сега сме изправени пред ситуация, в която за истински индустриални приложения и фулерени е на лицето. Използването им расте и расте с всеки ден.

За информация за отваряне

Фулерените носи името на известния архитект и инженер Richarda Bakminstera Fullera, който въз основа на тяхната структура е изобретил геодезически структура. На първо място, този клас съединения е ограничено до структура, която включва само шест-и петоъгълни лица. Ако съставът на молекулата фулерен в допълнение към въглеродните атоми са налични различни химични елементи, и те са разположени в рамките на въглеродния скелет, тези наречени endohedral фулерени. Ако атоми на други елементи са разположени извън фулерените са получени exohedrally. Техните имена, това молекулярна форма не беше много отдавна - през 1985 г., когато група изследователи направи неочакваното откритие на фулерен. Малки, Kroto, Curl и други химици изследвани графитни двойки, които са получени чрез лазерна аблация (облъчване) твърдо вещество. пикове бяха открити който има максимална амплитуда, съответстващ на клъстери на шестдесет и седемдесет въглеродни атоми.

Така че ние изчислява молекулата С ₆₀ и С _70, както и на хипотезата, че първата молекула е построен във формата на пресечена icosahedron. Това е най-честата С ₆₀ на име bakminsterfullerenom и останалата част от молекулата - само на фулерени.

Учени-химици са добре запознати с архитектурата и запомнени Фулър, който е построил купола на сградите така - пентагона, шестоъгълници разцепено, че е в основата на структурата на молекулярни скелетите на абсолютно всички фулерени. Все пак, това е - една завладяваща история, и не без интересна история. За възможността за съществуването на такива молекули, малко по-рано той е бил написан в Япония (1971), както и теоретичната основа е получен и публикуван в СССР (1973). Въпреки това Kroto, Curl и Малък получи Нобелова награда за химия.

Природата и техниката

Получаване на чист фулерен е възможно от изкуствен синтез. Тези съединения продължават интензивно изследвани в различни страни, създаване на условия, при които настъпва образуването им, и се счита за фулерен структура и техните свойства. Все по-растящо приложение. Беше установено, че значително количество фулерени, съдържащи се в саждите, която се образува на графитни електроди в разряд дъга. По-рано този факт просто никога не е виждал отново.

Когато фулерените са произведени в лабораторни условия, въглеродни молекули и започва да се открива в природата. В Карелия, ние ги намери в shungites проби, Индия и Съединените щати - в furulgitah. Също така много често и въглеродни молекули в метеорити и утайките на дъното, което е не по-малко от шестдесет и пет милиона години. На Земята чисти фулерени могат да се образуват от мълния и изгарянето на природен газ. Въздушни проби, взети през Средиземно море, са били изследвани през 2011 г., и е установено, че се вземат всички проби - от Истанбул до Барселона - има фулерен. Физични свойства на веществото предизвикват спонтанно образуване. Също огромни количества от него са открити в пространството - и в газообразно състояние, и в твърда форма.

синтез

Първите опити за изолиране на фулерени настъпили през кондензирани изпарения от графит, който се получава чрез облъчване на лазерно излъчване на проби твърди графит. Сайтът се поддържа, за да получите само следи от фулерени. Само през 1990 г. от химици Хъфман, агнешко и Кречмер разработили нов метод за производство на фулерени в няколко грама. Той се състои в изгаряне на графитни електроди с електрическа дъга в атмосфера от хелий и под ниско налягане. Има ерозия на анода и стените на камерата изглежда сажди, съдържащи фулерени.

Освен това, сажди се разтваря в толуен или бензен, и полученият разтвор се изправи грам чисти молекули C ₇₀ и ₆₀ ° _С. Съотношение - 1: 3. Освен това едно състои от тежки и две на сто по-висока фулерени ред. Сега беше лесно: изберете оптималните параметри за изпаряване - съставът на атмосферата, напрежението, диаметър електрод, ток и т.н., за да се постигне максимален добив на фулерени. Те бяха до около дванадесет процента от действителната анод материал. Ето защо толкова скъпи фулерени са.

производство

Всички опити да се експериментални учени в първата са били напразни: най-продуктивни и по-евтини методи за производство на фулерени са. Нито горящ огън на въглеводороди или химически синтез бяха неуспешни. метод електрическа дъга е най-продуктивните, ви позволява да получавате около един грам фулерени на час. Фирмата Mitsubishi е разработен метод за производство на изгарянето на въглеводороди, но те не са чисти фулерени - те съдържат кислородни молекули. И досега не е ясно механизма на образуване на това вещество, тъй като процесите на дъгата са изключително нестабилни от термодинамична гледна точка, и то е много силно инхибира разглеждане на теорията. Само неоспорими доказателства, че събира индивидуален фулерен въглеродни атома, т.е., С ₂ фрагменти. Въпреки това, не е сформирана на ясна представа за формирането на това вещество.

Високата цена на фулерен се определя не само ниски добиви при изгаряне. Изолиране, пречистване, отделяне на фулерени с различни маси от сажди - всички тези процеси са доста сложни. Особено се отнася до разделяне на сместа на отделни молекулни фракции, които се провеждат чрез колонна хроматография течност и високо налягане. В последния етап на остатъчния разтворител се отстранява от вече твърд фулерен. За тази проба се съхранява при динамичен вакуум при температура до двеста и петдесет градуса. Но предимството е, че по време на развитието на фулерен C ₆₀ и да го получите в макроскопски количества вече органична химия е нараснал независим клон - химията на фулерени, която е станала изключително популярна.

облага

Фулеренови производни се използват в различни области на техниката. Фолиа и фулерен кристали - полупроводници като photoconductivity под оптичен облъчване. Кристали С _60, ако легирани атоми на алкални метали, преход към състояние на свръхпроводимост. фулерен решения имат нелинейни оптични свойства и следователно могат да бъдат използвани като основа на оптични капаци, които са необходими за защита от интензивна радиация. Също фулерен използва като катализатор за синтез диамант. Фулерени са широко използвани в биологията и медицината. Той използва три свойства на тези молекули: определящи membranotropnyh липофилност, elektronodefitsit като способността взаимодействие със свободни радикали, но също така и способността за прехвърляне на кислород молекула конвенционален собствената си възбудено състояние и за обръщане на синглетен кислород.

Такива реактивни вещества атакуват биомолекули: нуклеинови киселини, протеини, липиди. Реактивни кислородни видове се използват при фотодинамична терапия за лечение на рак. кръвта на пациента се въвежда фотосенсибилизатори, които генерират реактивни кислородни - всъщност фулерени или техни производни. Кръвният поток в тумора е по-слаба, отколкото в здрави тъкани и поради фотосенсибилизатори натрупват в него, и след посоката на облъчване на молекулата се възбужда чрез генериране на реактивни кислородни видове. ракови клетки изпитват апоптоза, и туморът е унищожен. В допълнение към това - фулерени имат антиоксидантни свойства и улавяне на реактивни кислородни видове.

Фулеренава понижава ХИВ интегразните дейност, протеин, който е отговорен за интеграцията на вируса в ДНК, като взаимодейства с нея чрез промяна на структурата и го лишава от разчистване на основната функция. Някои от фулерен производни взаимодействат директно с ДНК и инхибират restiktaz действие.

Повече за медицина

През 2007 г. на водоразтворими фулерени започнаха да се използва за да ги яде като антиалергични средства. Изследванията бяха проведени на човешка кръв и клетки, които са били изложени фулерен производни - C60 (нето) х и С60 (ОН) х. В експерименти върху живи организми - мишки - резултатите са положителни.

Вече вещество се използва като вектор за доставяне на лекарство, защото водата, съдържаща фулерени (изземване хидрофобност С ₆₀₎ прониква през клетъчната мембрана е много лесно. Така например, еритропоетин - бъбрек хормон влезе директно в кръвния поток, се разгражда в значително количество, а ако се използва заедно с фулерени, концентрация се увеличи повече от два пъти, тъй като попадне в клетката.