Хімія фулеренів

Гілемханов Д.

Структура вуглецю. Хімія фулеренів. основні поняття, застосування. нові технології хімії фулеренів

За своїй структурі фулерени можуть розглядатися як тривимірні аналоги ароматичних з'єднань, що дозволяє сподіватися на виникнення в найближчому майбутньому нового напряму в органічної хімії.

Як ми вже відзначали, фулерени відрізняються високою хімічною інертністю по відношенню до процесу мономолекулярного розпаду. Так, молекула С60 зберігає свою термічну стабільність аж до 1700К, а константа швидкості мономолекулярного розпаду в температурному діапазоні 1720-1970К вимірюється в межах 10-300 сек-1, що відповідає значенню енергії активації розпаду 4.0 ± 0.3 еВ. Однак у присутності кисню, окислення цієї форми вуглецю до СО та СО2 спостерігається вже при істотно більш низьких температурах - порядку 500К. Процес, що триває кілька годин призводить до утворення аморфної структури, в якій на одну молекулу С60 доводиться дванадцять атомів кисню, при цьому молекула фулерену практично повністю втрачає свою форму. Подальше підвищення температури до 700К призводить до інтенсивного утворення СО і СО2 і призводить до остаточного руйнування упорядкованої структури фулеренів. Як випливає з експериментальних даних, енергія приєднання атома кисню до молекули С60 становить приблизно 90 ккал моль-1, що приблизно вдвічі перевищує відповідні значення для графіту.

При кімнатній температурі окислення С60 відбувається тільки за умови опромінення фотонами з енергією в діапазоні 0.5-1200 еВ, що пояснюється необхідністю освіти іонів О2-, що володіють підвищеною реакційноздатні.

Оскільки молекули фулеренів володіють спорідненістю до електрона, в хімічних процесах вони можуть проявляти себе як слабкі окислювачі. Дана властивість фулеренів виявилося вже в одному з перших експериментів з їх хімічного перетворення, де була здійснена гідрогенізації С60. Продуктом цієї реакції стала молекула С60Н36. Такий результат є досить дивним, тому що молекула С60 володіє 30 подвійними зв'язками, кожна з яких могла б приєднувати два атоми водню. Мабуть деякі з подвійних зв'язків у структурі фулерену залишаються нереакціоноспособнимі. Передбачається, що між двома зв'язками, приєднавшись водень, є одна не прореагував.

Слід зазначити, що проблема гідрогенізації фулерену має принципове значення, тому що це пов'язано з перспективою використання фулеренів як ефективного сховища молекулярного водню та створення акумуляторних батарей на цій основі.

Особливо слід відзначити здатність холодних фулеренів поглинати 17 атомів водню на одну молекулу С60 при обробці воднем під тиском близько 70 атм. Це відкриває перспективи в майбутньому на перехід на абсолютно екологічно чисте і саме енергонасичені пальне - водень.

Інший перспективною проблемою хімії фулеренів є синтез водо-розчинних з'єднань фулеренів. Вирішення цієї проблеми дозволить створити новий клас біологічно активних речовин для фармокологіі. Так, в даний час вже отримано з'єднання з великою кількістю (близько 26) гідроксильних груп. За суті справи ця молекула є багатоатомних фуллереновим спиртом. Синтез цього з'єднання був виконаний у водному розчині NaOH з використанням тетрабутіламмонія як каталізатор.

Іншим перспективним напрямком є синтез фторовмісних з'єднань фулеренів, які можуть стати перспективною твердої мастилом, яка повинна володіти високими характеристиками при скільки завгодно низьких температурах.

Однак в даний час це питання не знайшов свого підтвердження. Так, було синтезовано підключення C60F60, однак він виявився нестабільним, і до того ж ще й легко вступає в реакцію з водою з утворенням HF. Ця реакція супроводжується руйнуванням структури фуллеренового кістяка.

Менш фторування з'єднання типу C60F36 і C60F44 виявилися істотно більш стабільними і за попередніми даними їх уже можна використовувати як твердої мастила.

В результаті хлорування утворюється з'єднання, що містить або 12, або 24 атома хлору. Привабливою особливістю хлорвмісних фулеренів є те, що атоми хлору можуть замінятись на інші органічні заступники, що має розширити клас фулерен містять сполук. Втім, ця особливість, але в істотно меншою мірою проявляється і для фторовмісних фулеренів. Нагрівання хлорвмісних фулеренів призводить до відновлення вихідної молекули С60. З'єднання, що утворюється при реакції С60 з бромом містить до 28 атомів цього елемента.

Вже перші роботи по синтезу органічних сполук за участю фулеренів показали їх надзвичайно широке розмаїття. Серед таких "фуллероідов" можна відзначити продукти приєднання радикалів водню, фосфору, галогенів, металів та їх оксидів, одинарні та подвійні бензольних кілець і їх похідних. Слід зазначити отримання низки дивовижних сполук типу C60 (OsO4) (C5H5N) 2. Подальші роботи тільки підтвердили припущення про багатих перспективи розвитку металоорганічні хімії фулеренів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.statya.ru/