Фуллерен

редактировать

Модель фуллерена C 60 (бакминстерфуллерена). Модель фуллерена C 20. Модель углеродной нанотрубки. Фуллерит C 60 (твердое тело C 60).

Фуллерен является аллотроп углерода молекула которого состоит из углеродных атомов, соединенных одинарных и двойных связей так, чтобы образовать замкнутую или частично закрытую сетку с конденсированными кольцами от пяти до семи атомов. Молекула может быть полой сферой, эллипсоидом, трубкой или иметь множество других форм и размеров. Графен (изолированные атомные слои графита ), представляющий собой плоскую сетку правильных шестиугольных колец, можно рассматривать как крайнего члена этого семейства.

Фуллерены с топологией закрытой сетки неформально обозначаются их эмпирической формулой C n, часто обозначаемой как C n, где n - количество атомов углерода. Однако при некоторых значениях n может быть более одного изомера.

Семейство названо в честь бакминстерфуллерена (C 60), самого известного представителя, который, в свою очередь, назван в честь Бакминстера Фуллера. Закрытые фуллерено, особенно С 60, также неофициально называют фуллерены их сходство со стандартным мячом в футболе ( «футбол»). Вложенные закрытые фуллерены получили название баки-лука. Цилиндрические фуллерены также называют углеродными нанотрубками или бакитрубками. Объемная твердая форма чистых или смешанных фуллеренов называется фуллеритом.

Фуллерены были предсказаны в течение некоторого времени, но только после их случайного синтеза в 1985 году они были обнаружены в природе и космосе. Открытие фуллеренов значительно расширило число известных аллотропов углерода, которые ранее ограничивались графитом, алмазом и аморфным углеродом, таким как сажа и древесный уголь. Они были предметом интенсивных исследований, как в области химии, так и в области технологических приложений, особенно в материаловедении, электронике и нанотехнологиях.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
    • 1.1 Прогнозы и ограниченные наблюдения
    • 1.2 Открытие C60
    • 1.3 Дальнейшие разработки
  • 2 Типы
    • 2.1 Бакиболлы
      • 2.1.1 Бакминстерфуллерен
      • 2.1.2 Другие фуллерены
    • 2.2 Углеродные нанотрубки
  • 3 Производные
  • 4 Гетерофуллерены и неуглеродные фуллерены
    • 4.1 Кремний
    • 4.2 Бор
    • 4.3 Другие элементы
  • 5 Основные фуллерены
  • 6 Недвижимость
    • 6.1 Топология
    • 6.2 Склеивание
    • 6.3 Инкапсуляция
    • 6.4 Исследования
    • 6.5 Ароматичность
  • 7 Реакция
    • 7.1 Полимеризация
    • 7.2 Химия
    • 7.3 Растворимость
    • 7.4 Квантовая механика
    • 7.5 Сверхпроводимость
    • 7.6 Хиральность
    • 7.7 Стабильность
  • 8 Систематическое именование
  • 9 Производство
  • 10 приложений
    • 10.1 Медицинские исследования
    • 10.2 Исследование опухолей
  • 11 Безопасность и токсичность
  • 12 Популярная культура
  • 13 См. Также
  • 14 Ссылки
  • 15 Внешние ссылки

История

Икосаэдрическая фуллерена С 540, еще один член семейства фуллеренов

Прогнозы и ограниченные наблюдения

Икосаэдр C 60ЧАС 60клетка упоминалась в 1965 г. как возможная топологическая структура. Эйдзи Осава предсказал существование C 60в 1970 году. Он заметил, что структура молекулы кораннулена представляет собой подмножество формы футбольного мяча, и предположил, что полная форма мяча также может существовать. Японские научные журналы сообщили о его идее, но ни она, ни какие-либо ее переводы не достигли Европы или Америки.

Также в 1970 году Р. У. Хенсон (тогда из Исследовательского центра по атомной энергии Великобритании ) предложил C 60конструкции и сделал ее макет. К сожалению, в то время доказательства этой новой формы углерода были очень слабыми, поэтому предложение было встречено скептически и так и не было опубликовано. Это было признано только в 1999 году.

В 1973 году независимо от Хенсона группа ученых из СССР провела квантово-химический анализ стабильности C 60и рассчитал его электронную структуру. Статья была опубликована в 1973 году, но научное сообщество не придало большого значения этому теоретическому предсказанию.

Примерно в 1980 году Сумио Иидзима идентифицировал молекулу C 60из изображения сажи, полученного с помощью электронного микроскопа, где она образовала ядро ​​частицы со структурой «луковицы бакки».

Открытие C 60

В 1985 году Гарольд Крото из Университета Сассекса, работая с Джеймсом Р. Хитом, Шоном О'Брайеном, Робертом Керлом и Ричардом Смолли из Университета Райса, обнаружил фуллерены в сажистых остатках, образовавшихся при испарении углерода в атмосфере гелия. В масс-спектре продукта появились дискретные пики, соответствующие молекулам с точной массой шестьдесят, семьдесят или более атомов углерода, а именно C 60и C 70. Команда определила их структуру как уже знакомые «бакиболлы».

Название «бакминстерфуллерен» было в конечном итоге выбрано для C 60первооткрывателями как дань уважения американскому архитектору Бакминстеру Фуллеру за смутное сходство структуры с геодезическими куполами, которые он популяризировал; которые, если бы они были расширены до полной сферы, также имели бы группу симметрии икосаэдра. Окончание «ен» было выбрано, чтобы указать, что атомы углерода ненасыщены и связаны только с тремя другими атомами вместо обычных четырех. Сокращенное название «фуллерен» со временем стало применяться ко всей семье.

Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года за их роль в открытии этого класса молекул.

Дальнейшее развитие

Крото и команда Райса уже открыли другие фуллерены, помимо C 60, и в последующие годы их список был значительно расширен. Углеродные нанотрубки были впервые обнаружены и синтезированы в 1991 году.

После их открытия было обнаружено, что незначительные количества фуллеренов производятся в копоти пламени и в результате разрядов молний в атмосфере. В 1992 году фуллерены были обнаружены в семействе минералоидов, известных как шунгиты, в Карелии, Россия.

Технологии производства были усовершенствованы многими учеными, включая Дональда Хаффмана, Вольфганга Кретчмера, Лоуэлла Д. Лэмба и Константиноса Фостиропулоса. Благодаря их усилиям к 1990 году было относительно легко производить образцы порошка фуллерена размером в один грамм. Очистка фуллерена остается проблемой для химиков и в значительной степени определяет цены на фуллерен.

В 2010 году спектральные сигнатуры C 60 и C 70 были обнаружены инфракрасным телескопом НАСА Spitzer в облаке космической пыли, окружающем звезду на расстоянии 6500 световых лет. Крото прокомментировал: «Этот самый захватывающий прорыв дает убедительные доказательства того, что бакибол, как я давно подозревал, существовал с незапамятных времен в темных уголках нашей галактики». По словам астронома Летиции Стангеллини, «вполне возможно, что бакиболлы из космоса дали семена жизни на Земле». В 2019 году ионизированные молекулы C 60 были обнаружены космическим телескопом Хаббла в пространстве между этими звездами.

Типы

Существует два основных семейства фуллеренов с довольно разными свойствами и применениями: закрытые бакиболы и цилиндрические углеродные нанотрубки с открытым концом. Однако между этими двумя классами существуют гибридные структуры, такие как углеродные нанопучки - нанотрубки, покрытые полусферическими сетками, или более крупные «буки-бутоны».

Buckyballs

C 60с изоповерхностью плотности электронов в основном состоянии, рассчитанной с помощью DFT Вращающийся вид C 60, один вид фуллерена

Бакминстерфуллерен

Основная статья: Бакминстерфуллерен

Бакминстерфуллерен - это самая маленькая молекула фуллерена, содержащая пентагональные и гексагональные кольца, в которых нет двух пятиугольников, имеющих общий край (что может дестабилизировать, как в пенталене ). Это также наиболее распространено с точки зрения естественного происхождения, так как его часто можно найти в сажи.

Эмпирическая формула бакминстерфуллерена: C 60и его структура представляет собой усеченный икосаэдр, который напоминает футбольный мяч ассоциации, состоящий из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников, с атомом углерода в вершинах каждого многоугольника и связью вдоль каждого края многоугольника.

Ван - дер - Ваальса диаметр молекулы бакминстерфуллерен составляет около 1,1 нанометров (нм). Диаметр ядра к ядру молекулы бакминстерфуллерена составляет около 0,71 нм.

Молекула бакминстерфуллерена имеет две длины связи. Кольцевые связи 6: 6 (между двумя шестиугольниками) можно рассматривать как « двойные связи » и они короче, чем связи 6: 5 (между шестиугольником и пятиугольником). Его средняя длина связи составляет 1,4 Å.

Другие фуллерены

Другой довольно распространенный фуллерен имеет эмпирическую формулу C 70, но обычно получают фуллерены с 72, 76, 84 и даже до 100 атомов углерода.

Наименьший возможный фуллерен - додекаэдрический C 20. Фуллеренов с 22 вершинами не существует. Число различных фуллеренов C 2n растет с увеличением n  = 12, 13, 14,..., примерно пропорционально n 9 (последовательность A007894 в OEIS ). Например, существует 1812 неизоморфных фуллеренов C 60. Обратите внимание, что только одна форма C 60, бакминстерфуллерен, не имеет пары смежных пятиугольников (самый маленький такой фуллерен). Чтобы дополнительно проиллюстрировать рост, существует 214,127,713 неизоморфных фуллеренов C 200, 15 655 672 из которых не имеют смежных пятиугольников. Оптимизированные структуры многих изомеров фуллеренов опубликованы и перечислены в Интернете.

Гетерофуллерены имеют гетероатомы, замещающие атомы углерода в каркасных или трубчатых структурах. Они были открыты в 1993 году и значительно расширяют общий класс соединений фуллеренов и могут иметь оборванные связи на своей поверхности. Известные примеры включают производные бора, азота ( азафуллерена ), кислорода и фосфора.

Углеродные наноматериалы Trimetasphere были обнаружены исследователями из Virginia Tech и лицензированы исключительно Luna Innovations. Этот класс новых молекул содержит 80 атомов углерода ( C 80), образуя сферу, которая включает в себя комплекс из трех атомов металла и одного атома азота. Эти фуллерены инкапсулируют металлы, что помещает их в подмножество металлофуллеренов. Триметасферы имеют потенциал для использования в диагностике (как безопасные средства визуализации), в терапии и в органических солнечных элементах.

Углеродные нанотрубки

Эта вращающаяся модель углеродной нанотрубки демонстрирует ее трехмерную структуру.

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические фуллерены. Эти углеродные трубки обычно имеют ширину всего несколько нанометров, но могут иметь длину от менее микрометра до нескольких миллиметров. Они часто имеют закрытые концы, но могут быть и открытыми. Бывают также случаи, когда труба уменьшается в диаметре перед закрытием. Их уникальная молекулярная структура приводит к необычным макроскопическим свойствам, включая высокую прочность на разрыв, высокую электропроводность, высокую пластичность, высокую теплопроводность и относительную химическую неактивность (поскольку она цилиндрическая и «плоская», то есть не имеет «открытых» атомов. которые можно легко переместить). Одно из предлагаемых вариантов использования углеродных нанотрубок - в бумажных батареях, разработанных в 2007 году исследователями из Политехнического института Ренсселера. Еще одно весьма спекулятивное использование в области космических технологий - производство высокопрочных углеродных кабелей, необходимых для космических лифтов.

Производные

Бакиболлы и углеродные нанотрубки использовались в качестве строительных блоков для большого количества производных и более крупных структур, таких как

  • Вложенные бакиболлы («углеродные нано-луковицы» или «букионионы»), предлагаемые для смазочных материалов;
  • Вложенные углеродные нанотрубки («углеродные мегатрубки»)
  • Связанные димеры типа "шарик и цепь" (два бакибола, соединенные углеродной цепью)
  • Кольца из бакиболов соединены вместе.

Гетерофуллерены и неуглеродные фуллерены

После открытия C60 было синтезировано (или изучено теоретически с помощью методов молекулярного моделирования ) многие фуллерены, в которых некоторые или все атомы углерода заменены другими элементами. В частности, большое внимание привлекли неорганические нанотрубки.

Кремний

Кремниевые бакиболлы были созданы вокруг ионов металлов.

Бор

Тип Buckyball, который использует бора атомов, вместо обычного углерода, был предсказан и описан в 2007 году B 80По прогнозам, структура, в которой каждый атом образует 5 или 6 связей, будет более стабильной, чем C 60бакибол. Одна из причин этого, названная исследователями, заключается в том, что B 80на самом деле больше похожа на оригинальную структуру геодезического купола, популяризированную Бакминстером Фуллером, в которой используются треугольники, а не шестиугольники. Однако эта работа подверглась большой критике со стороны квантовых химиков, поскольку был сделан вывод, что предсказанная симметричная структура I h была колебательно нестабильной, и полученная клетка подвергается спонтанному нарушению симметрии, давая сморщенную клетку с редкой симметрией T h (симметрия волейбол ). Число шестичленных колец в этой молекуле равно 20, а число пятичленных колец - 12. В центре каждого шестичленного кольца есть дополнительный атом, связанный с каждым окружающим его атомом. Используя алгоритм систематического глобального поиска, позже было обнаружено, что ранее предложенный фуллерен B80 не является глобальным максимумом для 80-атомных кластеров бора и, следовательно, не может быть найден в природе. В той же статье Сандипа Де и др. Был сделан вывод, что энергетический ландшафт бора значительно отличается от других фуллеренов, уже обнаруженных в природе, следовательно, чистые борные фуллерены вряд ли могут существовать в природе.

Прочие элементы

Неорганическая (безуглеродный) структура фуллерена типа была построена с ди сульфидами из молибдена (MoS 2), давно используют в качестве графита типа смазочного материала, вольфрама (WS 2), титан (TiS 2) и ниобия (NBS 2). Было обнаружено, что эти материалы обладают стабильностью по крайней мере до 350 т / см 2 (34,3 ГПа ).

Основные фуллерены

Ниже представлена ​​таблица основных синтезированных и охарактеризованных фуллеренов с закрытым углеродом с указанием их номеров CAS, если они известны. Фуллерены с менее чем 60 атомами углерода были названы «низшими фуллеренами», а фуллерены с более чем 70 атомами - «высшими фуллеренами».

Формула Num. Изом. [1] Мол. Symm. Cryst. Symm. Космическая группа Нет Символ Пирсона а (нм) b (нм) c (нм) β ° Z ρ (г / см 3)
C 20 1 Я ч
C 60 1 Я ч
C 70 1 Д 5ч
C 72 1 Д 6ч
C 74 1 Д 3ч
C 76 2 D 2 * Моноклиника P2 1 4 mP2 1,102 1,108 1,768 108,10 2 1,48
Кубический FM 3 м 225 cF4 1,5475 1,5475 1,5475 90 4 1,64
C 78 5 D 2v
C 80 7
C 82 9 C 2, C 2v, C 3v Моноклиника P2 1 4 mP2 1.141 1,1355 1,8355 108,07 2
C 84 24 Д 2 *, Д 2д Кубический FM 3 м 1,5817 1,5817 1,5817 90
C 86 19
C 88 35 год
C 90 46
C 3996

В таблице «Num.Isom». - это количество возможных изомеров в рамках «правила изолированных пятиугольников», согласно которому два пятиугольника в фуллерене не должны иметь общих ребер. "Мол.Симм". симметрия молекулы, тогда как "Cryst.Symm." это кристаллический каркас в твердом состоянии. Оба указаны для наиболее экспериментально распространенных форм. Звездочкой * отмечены симметрии с более чем одной хиральной формой.

Когда C 76или C 82кристаллы выращены из раствора толуола, они имеют моноклинную симметрию. Кристаллическая структура содержит молекулы толуола, упакованные между сферами фуллерена. Однако испарение растворителя из C 76превращает его в гранецентрированную кубическую форму. Как моноклинная, так и гранецентрированная кубическая (ГЦК) фазы известны лучше охарактеризованными C 60 и C 70фуллерены.

Характеристики

Топология

Диаграммы Шлегеля часто используются для пояснения трехмерной структуры фуллеренов с закрытой оболочкой, поскольку двумерные проекции часто не идеальны в этом смысле.

С математической точки зрения комбинаторная топология (то есть атомы углерода и связи между ними, игнорируя их положения и расстояния) фуллерена с замкнутой оболочкой с простой сферической средней поверхностью ( ориентируемой, род ноль) может быть представлена ​​как выпуклый многогранник ; точнее, его одномерный каркас, состоящий из его вершин и ребер. Диаграмма Шлегеля - это проекция этого скелета на одну из граней многогранника через точку сразу за этой гранью; так что все остальные вершины выступают внутрь этой грани.

  • Диаграммы Шлегеля некоторых фуллеренов
  • C20 (додекаэдр)

  • C26

  • C60 (усеченный икосаэдр)

  • C70

Шлегель схема замкнутой фуллерена представляет собой график, который является плоским и 3-регулярным (или «кубический», это означает, что все вершины имеют степень 3).

Замкнутый фуллерен со сферической оболочкой должен иметь хотя бы несколько циклов, которые являются пятиугольниками или семиугольниками. Более точно, если все грани имеют 5 или 6 сторон, то из многогранника формулы Эйлера, V - Е + F = 2 (где V, Е, F представляют собой числа вершин, ребер и граней), что V должна быть даже, и что должно быть ровно 12 пятиугольников и V / 2−10 шестиугольников. Подобные ограничения существуют, если фуллерен имеет семиугольные (семиатомные) циклы.

Открытые фуллерены, как углеродные нанотрубки и графен, могут полностью состоять из гексагональных колец. Теоретически длинная нанотрубка с концами, соединенными в замкнутый торообразный лист, также может полностью состоять из шестиугольников.

Склеивание

Поскольку каждый атом углерода связан только с тремя соседями вместо обычных четырех, эти связи принято описывать как смесь одинарных и двойных ковалентных связей. Сообщалось, что гибридизация углерода в C 60 имеет sp 2,01. Состояние связывания можно проанализировать с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, ИК-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Инкапсуляция

Так называемые эндоэдральные фуллерены содержат ионы или небольшие молекулы, встроенные в атомы клетки.

Исследовать

В начале 2000-х химические и физические свойства фуллеренов были горячей темой в области исследований и разработок. Popular Science обсудил возможное использование фуллеренов (графена) в броне.

В области нанотехнологий, термостойкость и сверхпроводимость некоторые из наиболее сильно изученных свойств.

Есть много расчетов, которые были выполнены с использованием неэмпирических квантовых методов, примененных к фуллеренам. По ДПФ и TD-DFT методов можно получить ИК, Рамана и УФ - спектров. Результаты таких расчетов можно сравнить с экспериментальными результатами.

Фуллерен - необычный реагент во многих органических реакциях, таких как реакция Бингеля, открытая в 1993 году.

Ароматичность

Исследователи смогли увеличить реакционную способность фуллеренов, прикрепив активные группы к их поверхности. Бакминстерфуллерен не проявляет « сверхроматичности »: то есть электроны в гексагональных кольцах не делокализуются по всей молекуле.

Сферический фуллерен из n атомов углерода имеет n электронов с пи-связью, которые могут делокализоваться. Они должны попытаться делокализовать всю молекулу. Квантовая механика такого устройства должна быть похожа на одну оболочку хорошо известной квантово-механической структуры одиночного атома со стабильной заполненной оболочкой для n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, и т. д. (т.е. удвоенное число полного квадрата ), но этот ряд не включает 60. Это правило 2 ( N  + 1) 2 (с целым числом N) для сферической ароматичности является трехмерным аналогом правила Хюккеля. Катион 10+ удовлетворяет этому правилу и должен быть ароматическим. Это было показано с помощью квантово-химического моделирования, которое показало наличие сильных токов диамагнитных сфер в катионе.

В результате C 60в воде имеет тенденцию собирать еще два электрона и превращаться в анион. П С 60описанное ниже может быть результатом C 60пытаясь образовать рыхлую металлическую связь.

Реакции

Полимеризация

Под высоким давлением и температурой букиболы схлопываются, образуя различные одно-, двух- или трехмерные углеродные каркасы. Однонитевые полимеры образуются с использованием метода радикальной аддитивной полимеризации с переносом атома (ATRAP).

«Сверхтвердый фуллерит» - это придуманный термин, часто используемый для описания материала, полученного путем обработки фуллерита при высоком давлении и высокой температуре (HPHT). Такая обработка превращает фуллерит в нанокристаллическую форму алмаза, который, как сообщается, проявляет замечательные механические свойства.

Фуллерит ( изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа )

Химия

Основная статья: химия фуллерена

Фуллерены стабильны, но не полностью инертны. Sp 2 -гибридизованные атомы углерода, энергия которых минимальна в плоском графите, должны быть изогнуты, чтобы сформировать замкнутую сферу или трубку, которая создает угловую деформацию. Характерной реакцией фуллеренов является электрофильное присоединение по 6,6-двойным связям, которое снижает угловую деформацию за счет замены sp 2 -гибридизованных атомов углерода на sp 3 -гибридизированные. Изменение гибридизированных орбиталей вызывает уменьшение валентных углов с примерно 120 ° на орбиталях sp 2 до примерно 109,5 ° на орбиталях sp 3. Это уменьшение валентных углов позволяет связям меньше изгибаться при закрытии сферы или трубки, и, таким образом, молекула становится более стабильной.

Другие атомы могут быть захвачены внутри фуллеренов с образованием соединений включения, известных как эндоэдральные фуллерены. Необычный пример - яйцевидный фуллерен Tb 3 N @ C 84, что нарушает правило изолированного пятиугольника. Недавние доказательства падения метеора в конце пермского периода были получены путем анализа сохранившихся благородных газов. Инокуляты на основе металлофуллерена с использованием процесса рондитовой стали начинают производство как одно из первых коммерчески жизнеспособных применений букиболов.

Растворимость

Основная статья: Растворимость фуллерена C 60 в растворе C 60в оливковом масле первого холодного отжима, демонстрируя характерный пурпурный цвет чистого C 60 решения

Фуллерены растворимы во многих органических растворителях, таких как толуол, хлорбензол и 1,2,3-трихлорпропан. Растворимость обычно довольно низкая, например 8 г / л для C 60 в сероуглероде. Тем не менее фуллерены - единственный известный аллотроп углерода, который может растворяться в обычных растворителях при комнатной температуре. Среди лучших растворителей - 1-хлорнафталин, который растворяет 51 г / л C 60.

Растворы чистого бакминстерфуллерена имеют темно-фиолетовый цвет. Решения C 70красновато-коричневые. Выше, фуллерены С 76в C 84 иметь разнообразную окраску.

Кристаллы C миллиметрового размера 60и C 70, как чистый, так и сольватированный, можно выращивать из бензольного раствора. Кристаллизация C 60из бензольного раствора ниже 30 ° C (когда растворимость максимальна) дает триклинный твердый сольват C 60 4 К 6ЧАС 6. Выше 30 ° C получается сольвата свободный ГЦК С 60.

Квантовая механика

В 1999 году исследователи из Венского университета продемонстрировали, что дуальность волна-частица применима к таким молекулам, как фуллерен.

Сверхпроводимость

Основная статья: Бакминстерфуллерен

Фуллерены обычно являются электрическими изоляторами, но при кристаллизации щелочными металлами образующееся соединение может быть проводящим или даже сверхпроводящим.

Хиральность

Некоторые фуллерены (например, C 76, С 78, С 80, а C 84) по своей природе хиральны, потому что они D 2 -симметричны и были успешно разрешены. Продолжаются исследования по разработке специальных сенсоров для их энантиомеров.

Стабильность

Были предложены две теории для описания молекулярных механизмов образования фуллеренов. Более старая теория «снизу вверх» предполагает, что они строятся атом за атомом. Альтернативный подход «сверху вниз» утверждает, что фуллерены образуются, когда гораздо более крупные структуры распадаются на составные части.

В 2013 году исследователи обнаружили, что асимметричные фуллерены, образованные из более крупных структур, превращаются в стабильные фуллерены. Синтезированное вещество представляло собой особый металлофуллерен, состоящий из 84 атомов углерода с двумя дополнительными атомами углерода и двумя атомами иттрия внутри клетки. В результате получено около 100 микрограммов.

Однако они обнаружили, что асимметричная молекула теоретически может схлопнуться с образованием почти всех известных фуллеренов и металлофуллеренов. Незначительные возмущения, связанные с разрывом нескольких молекулярных связей, приводят к тому, что клетка становится высокосимметричной и стабильной. Это понимание подтверждает теорию о том, что фуллерены могут быть образованы из графена при разрыве соответствующих молекулярных связей.

Систематическое именование

Согласно IUPAC, чтобы назвать фуллерен, необходимо указать количество атомов-членов для колец, которые составляют фуллерен, его точечную группу симметрии в обозначениях Шенфлиса и общее количество атомов. Например, бакминстерфуллерен C 60 систематически называется ( C 60- I з) [5,6] фуллерен. Имя точечной группы должно быть сохранено в любом производном от указанного фуллерена, даже если эта симметрия теряется в результате производного.

Чтобы указать положение замещенных или присоединенных элементов, атомы фуллерена обычно пронумерованы по спиральной траектории, обычно начинающейся с кольца на одной из главных осей. Если структура фуллерена не допускает такой нумерации, был выбран другой начальный атом, чтобы все же получить последовательность спирального пути.

Последнее верно для C 70, то есть ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен в нотации IUPAC. Симметрия D 5h (6) означает, что это изомер, в котором ось C 5 проходит через пятиугольник, окруженный шестиугольниками, а не пятиугольниками.

  • ( C 60- I h) [5,6] фуллерен Нумерация по углероду.

  • ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен Нумерация углерода.

  • ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен Неэквивалентные связи показаны разными цветами.

  • 3 ' H- Циклопропа [1,2] ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен.

  • 3 ' H- Циклопропа [2,12] ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен.

  • C 71-PCBM, [1,2] -изомер. Название ИЮПАК - метил-4- (3'-фенил-3'H-циклопропа [1,2] ( C 70- D 5h (6)) [5,6] фуллерен-3'-ил) бутират.

В номенклатуре ИЮПАК полностью насыщенные аналоги фуллеренов называются фуллеренами. Если сетка имеет другой элемент (ы), замещенный одним или несколькими атомами углерода, соединение называют гетерофуллереном. Если двойная связь заменена метиленовым мостиком -CH 2-, полученная структура представляет собой гомофуллерен. Если атом полностью удален и отсутствуют валентности, насыщенные атомами водорода, это норфуллерен. Когда связи удаляются (как сигма, так и пи), соединение становится секофуллереном ; если некоторые новые связи добавляются в нетрадиционном порядке, это циклофуллерен.

Производство

Производство фуллерена обычно начинается с производства сажи, богатой фуллереном. Первоначальный (и все еще актуальный) метод заключался в пропускании большого электрического тока между двумя соседними графитовыми электродами в инертной атмосфере. В результате чего электрическая дуга испаряет углерод в плазму, который затем охлаждает во закопченном остаток. В качестве альтернативы, сажу получают путем лазерной абляции графита или пиролиза из ароматических углеводородов. Сжигание - наиболее эффективный процесс, разработанный в Массачусетском технологическом институте.

Эти процессы дают смесь различных фуллеренов и других форм углерода. Затем фуллерены экстрагируют из сажи с помощью подходящих органических растворителей и разделяют хроматографией. Можно получить миллиграммы фуллеренов с 80 атомами и более. C 76, C 78 и C 84 имеются в продаже.

Приложения

Фуллерены широко используются в нескольких биомедицинских приложениях, включая создание высокоэффективных контрастных агентов для МРТ, контрастных агентов для рентгеновских изображений, фотодинамической терапии и доставки лекарств и генов, обобщенных в нескольких всеобъемлющих обзорах.

Медицинские исследования

В апреле 2003 года фуллерены изучались на предмет потенциального использования в медицине : связывание специфических антибиотиков со структурой для нацеливания на резистентные бактерии и даже на определенные раковые клетки, такие как меланома. В октябрьском номере журнала Chemistry amp; Biology за 2005 г. была опубликована статья, описывающая использование фуллеренов в качестве активируемых светом антимикробных агентов.

Опухолевые исследования

В то время как прошлые исследования рака включали лучевую терапию, фотодинамическая терапия важна для изучения, потому что прорыв в лечении опухолевых клеток предоставит больше возможностей пациентам с различными состояниями. Недавние эксперименты с использованием клеток HeLa в исследованиях рака включают разработку новых фотосенсибилизаторов с повышенной способностью абсорбироваться раковыми клетками и по-прежнему вызывать гибель клеток. Также важно, чтобы новый фотосенсибилизатор не оставался в организме надолго, чтобы предотвратить нежелательное повреждение клеток.

Фуллерены могут быть поглощены клетками HeLa. C 60производные могут быть доставлены в клетки с использованием, среди прочего, функциональных групп L-фенилаланина, фолиевой кислоты и L-аргинина.

Функционализация фуллеренов направлена ​​на повышение растворимости молекулы в раковых клетках. Раковые клетки поглощают эти молекулы с повышенной скоростью из-за активации переносчиков в раковой клетке, в этом случае переносчики аминокислот будут вводить функциональные группы L-аргинина и L-фенилаланина фуллеренов.

После поглощения клетками C 60производные реагируют на световое излучение, превращая молекулярный кислород в реактивный кислород, который запускает апоптоз в клетках HeLa и других раковых клетках, которые могут поглощать молекулу фуллерена. Это исследование показывает, что реактивное вещество может поражать раковые клетки, а затем запускаться световым излучением, сводя к минимуму повреждение окружающих тканей во время лечения.

При поглощении раковыми клетками и воздействии светового излучения реакция, которая создает реактивный кислород, повреждает ДНК, белки и липиды, из которых состоит раковая клетка. Это клеточное повреждение заставляет раковые клетки пройти апоптоз, что может привести к уменьшению размера опухоли. По окончании лечения световым излучением фуллерен реабсорбирует свободные радикалы, чтобы предотвратить повреждение других тканей. Поскольку это лечение направлено на раковые клетки, это хороший вариант для пациентов, раковые клетки которых находятся в пределах досягаемости светового излучения. По мере продолжения исследований препарат может глубже проникать в организм и более эффективно поглощаться раковыми клетками.

Безопасность и токсичность

Основные статьи: Опасности для здоровья и безопасности наноматериалов и токсикология углеродных наноматериалов

Lalwani et al. опубликовали всесторонний обзор токсичности фуллеренов в 2013 году. Эти авторы проводят обзор работ по токсичности фуллеренов, начиная с начала 1990-х годов по настоящее время, и приходят к выводу, что очень мало данных, собранных с момента открытия фуллеренов, указывает на то, что C 60токсичен. Токсичность этих углеродных наночастиц зависит не только от дозы и времени, но также от ряда других факторов, таких как:

  • тип (например: C 60, С 70, M @ C 60, M @ C 82
  • функциональные группы, используемые для солюбилизации этих наночастиц в воде (например: OH, COOH)
  • способ введения (например: внутривенный, внутрибрюшинный)

Поэтому авторы рекомендуют оценивать фармакологию каждого нового комплекса на основе фуллерена или металлофуллерена индивидуально как отдельного соединения.

Популярная культура

Примеры фуллеренов часто появляются в массовой культуре. Фуллерены появились в художественной литературе задолго до того, как ученые проявили к ним серьезный интерес. В юмористический спекулятивной 1966 колонке New Scientist, Дэвид Джонс предложил рассмотреть возможность создания гигантских полые молекул углерода, искажая плоскую гексагональную сетку с добавлением примесных атомов.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-20 09:58:39
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте