פולרן - מה זה? מאפיינים ויישומים של פולרנים

טופס allotropic מולקולרי של פחמן או השינוי שלה, פולרן, - _{ת ק} ארוך קו _(n> 20) אשכול אטומיות, אשר סגורות פאונים קמורים הבנויים מאטומי פחמן ויש להם פרצופים המחומשת או משושה (כאן יש יוצאים מן כלל נדיר מאוד). אטומי הפחמן פולרנים unsubstituted נוטים להיות sp ² מדינת -Hybrid עם מספר תיאום 3. לפיכך נוצר מערכת בלתי רוויה כדורי המצומד פי תאוריית קשר ערכי.

תיאור כללי

הכי תרמודינמית יציבה תחת טופס התנאים נורמלי של פחמן - גרפיט, אשר נראה כמו ערימה בקושי מחוברים אחד עם יריעות גרפן אחרות: סריג שטוח, מורכב תאי משושים, שבו קודקודים - אטום פחמן. כל אחד מהם קשור לשלושה אטומי שכנים, ואת אלקטרון הערכיות הרביעי יוצר מערכת pi. אז, פולרן - דווקא צורה מולקולרית זה, כלומר את התמונה sp ² -Hybrid המדינה ברורה. אם נכניס את הפגמים הגיאומטריים גיליון גרפן בהכרח יוצר מבנה סגור. לדוגמא, פגמים כאלה טבעות חמש membered (פרצופים מחומשים), בדיוק אותו הדבר, יחד עם כימית פחמן משושה משותפת.

משפט אוילר קובע כי הייצור של פאון סגור עם קודקודי trohkoordinirovannymi אפשרי אם אנחנו מציגים עשרה מחומשים, ללא קשר למספר של פרצופי משושה. לפיכך, את הגודל המינימלי של פולרן - הוא רשמית C ₂₀ דודקהדרון. עם זאת עקמומיות מבנים דומים, שיש מספר קטן של אטומי פחמן גבוה, ולכן כדי SP ² המדינה -Hybrid היא לא נוחה מאוד, שכן פחמן מעדיף תיאום מישוריים. זו הסיבה הקטנה פולרן שהושג בצורתה הטהורה - הוא _{60 C,} בעל המבנה של איקוסהדרון קטועה. בשינה אותו פרצופי משושה מופרדים זה מזה כל המחומשת. פולרן לכימיה ממכנת את העובדה הזו כלל הפנטגון המבודד, והיא כפופה פולרן באמת נגיש.

הנוסחה

Gidrantirovanny מסומן C ₆₀ פולרן (C ₆₀ HyFn). מורכבות מולקולריות הידרופילי עמידות זה, אשר מורכב של מולקולה אחת של C פולרן ₆₀ ב ברז הפגז הראשון ועשרים ארבעה מולקולות מים. זהו פולרן נוסחה אשר - C ₆₀ (H ₂ O) _24. הוא מורכב מעשרים משושים ושנים עשר מחומשים, כלפי חוץ הדומה כדורגל. יתר על כן, מספר פולרן C ₇₀ תוספים כמבני ביניים, אשר יהיו כל המחומשים הם מבודדים, אינו קיים. מאז C ₇₈ מבנה פולרן מאפשר להתבונן בכמה איזומרים יציבים של כל שלד פחמן. תיאורטית זה אפשרי כי יש פולרנים עם אטומי פחמן של כל מספר זוגי, "פולרנים גבוה".

הכנת פולרנים ידי קשת מתרחשת בתדירות גבוהה יותר או שיטת אלומת אלקטרונים ועל ידי אידוי בלייזר של גרפיט באווירה הליום. פיח, אשר מתעבה על פני השטח של הכור, הוא טיפל ב refluxing בנזן, טולואן, קסילן או בממסים אורגניים אחרים. הפתרון הוא התאדה, ויצר מעובה שחור, עשר עד חמש עשרה אחוזים בהיקף של ₇₀ C ו פולרנים ₆₀ C כמו גם כמויות קטנות מאוד של פולרנים גבוה.

היחס בין furellenami השונה עשוי להשתנות, בהתאם לפרמטרי הסינתזה, אבל בדרך כלל ₆₀ C שורר, הוא גדול פי כמה. בין C הגבוה ביותר _78, ג ₇₆ ו C _84. בתמונה הכללית קיימת ירידה בשיעור של סינתזת פולרן של כל המוצרים. הדבר נובע, ככל הנראה, עם סבירות נמוכה להרכבת מבנים גדולים של אשכולות קטנים בתחילה התאדו.

פולרנים מים המכילים

הנפוץ ביותר בהרחבה למדו הוא C _60, שבו מולקולה אחת של החומר יש בעצם עשרים וארבעה מולקולות מים. יש מולקולת פולרן זו סימטריה גבוהה, שבו כל האטומים שקולים. הטופס הכדורי שלה הוא המרחק מהמרכז של גרעין האטום לכ 0.36 ננומטר ו ברדיוס של כ 0.5 ננומטר. זה הופך לגביש מולקולרי שבו מולקולות הן סריג מעוקב מרוכז פנים, תלת שכבתי הצפופים אריזה כדורית. בטמפרטורה גבוהה, ₆₀ C sublimes בלי להרכיב שלב נוזלי. והכי חשוב זה מומס חומרים ארומטיים של סוג ממסים דיסולפיד הפחמן, ועל קוטב - הרבה יותר גרוע. C ₇₀ צורה אליפסואידי מוארך, כמו גם פולרנים גבוהים יש מאפיינים פיסיים דומים מאוד _{60 ג.}

ובכל בתחום הכימיה הם הרבה יותר נדיב ולתת כל הזדמנות כדי לקבל סוגים שונים שלהם נגזרים: Metallofullerenes, heterofullerene. משפחה של מוצרים עשירים כל ekzoendralnogo (קולטת מהסביבה) חיבור, כי כל אטום פחמן - אתר התגובה זמין. אלו הם המאפיינים של פולרנים. הם מצטרפים ביצירת מוצרים חדשים, אטומי הלוגן ומימן, רדיקלים אורגניים, השתייכות אפילו מחזורים יכולים להתרחש. לפיכך השיג חומרים פולימריים המכילים תרכובת רבה דרגו פולרנים. ₆₀ K C מצטרף לארבעים ושמונה מתמירים מבלי להרוס את שלד פחמן. לכן, למשל, מתקבל על ידי C ₆₀ F _48, ותרכובות רבות כאלה מנוצלות, שבה הבסיס הם פולרנים.

יישום

כמעט פולרנים מעוניינים בתחומים שונים לחלוטין. לאור המאפיינים האלקטרוניים שלהם יכול להיחשב אותם ונגזרותיהם כמו מוליכים למחצה. פולרנים בקלות לספוג קרינה UV, יש להם יכולת אלקטרון-למשיכת גבוהה. כל המאפיינים הללו מאפשרים ליישם אותם פוטוולטאית, סנסורים אופטיים, מכשירים סולארית של אלקטרוניקה מולקולרית שונה. פולרנים מנוצלים ברפואה כסוכנים אנטי מיקרוביאלית, כסוכנים בטיפול פוטודינמי מ. פ

טכנולוגיות מודרניות אפשרו במהירות יחסית להגדיל את המספר הכולל של יחידות כדי לקבל יותר פולרנים הם גם טובים יותר ויעילים יותר שיטות עבודה לטיפול שלהם. לכן העלות, למשל, C ₆₀ ירד באופן משמעותי במהלך העשור וחצי האחרון (עם עשרה אלף עד עשרה חמש עשרה דולר לגרם). עכשיו אנחנו מתמודדים עם מצב שבו עבור יישומים תעשייתיים פולרנים אמיתיים לנפול אל האדם. השימוש שלהם גדל וגדל מדי יום.

לקבלת מידע אודות פתיחה

פולרנים על שמו של האדריכל המפורסם ומהנדס Richarda Bakminstera Fullera, אשר על בסיס המבנה שלהם המציא את המבנה הגיאודזית. בהתחלה, זו של חומרים היא מוגבלת למבנה, שכלל את פניהם של השש ו המחומשת בלבד. אם רכב מולקולת פולרן בנוסף אטום פחמן נמצאים יסודות כימיים שונים, והם ממוקמים בתוך שלד פחמן, פולרנים endohedral בשם אלה. אם האטומים של אלמנטים אחרים ממוקמים מחוץ פולרנים מתקבלים exohedrally. שמותיהם, צורה מולקולרית זה לא הייתה מאוד מזמן - ב 1985, כאשר קבוצה חוקרת את התגלית של פולרן בלתי צפויה. קטן, קרוטו, קורל וכימאים אחרים למדו זוגות גרפיט אשר התקבלו על ידי אבלציה ליזר (הקרנה) מוצקה. פסגות נמצאו אשר היו משרעת מקסימלית מתאימה האשכולות של אטומי פחמן שישים ושבעות.

אז חשבנו את המולקולה C ₆₀ ו- C _70, כמו גם את ההשערה כי המולקולה הראשונה בנויה בצורה ואיקוסהדרון קטועה. זהו bakminsterfullerenom C ₆₀ בשם הנפוץ ביותר ואת שאר המולקולה - רק פולרנים.

מדענים-כימאים גם בקיאים אדריכלות ונזכרו פולר, שבנה את הכיפה על הבניינים כך - המחומשים, משושי הפרסה, כי היא הבסיס של מבנה השלד המולקולרי של ממש כל פולרנים. עם זאת, זהו - סיפור מרתק, ולא בלי היסטוריה מעניינת. על האפשרות לקיומו של מולקולות כאלה מעט קודם לכן נכתב ביפן (1971), ואת הבסיס התיאורטי הושג ופורסם בברית המועצות (1973). אף על פי כן, זה קרוטו, קורל קטן קבלו את פרס נובל בכימיה.

טבע וטכנולוגיה

הכנת פולרן טהור אפשרית ידי סינתזה מלאכותית. תרכובות אלה ממשיכים למד באופן אינטנסיבי במדינות שונות, הגדרת התנאים שבהם היווצרותם מתרחשת, ונחשב מבנה פולרן ותכונותיהם. שדה ויותר גובר של יישום. נמצא כי כמות משמעותית של פולרנים כלול הפיח, אשר נוצר על אלקטרודות גרפיט בתוך פרשות קשת. מוקדם יותר את העובדה הזו פשוט לא ראתה שוב.

כאשר פולרנים יוצרו בתנאי מעבדה, מולקולות פחמן והחלו להתגלות בטבע. בשנת קרליה, ומצאנו אותם דגימות שונגיטים, הודו וארצות הברית - ב furulgitah. כמו כן מולקולות פחמן רבות ותכופות במטאוריטים ומשקע בתחתית, וזה לא פחות שישים וחמישה מ'שנים. On Earth פולרנים טהור יכול להיווצר כתוצאה מברקים ואת בעירה של גז טבעי. דגימות אוויר השתלטו על הים התיכון, נחקרו ב 2011, וכן נמצא כי כל הדגימות שנלקחו - מאיסטנבול לברצלונה - ישן פולרן. תכונות פיסיקליות של החומר לגרום ההיווצרות הספונטנית. כמו כן כמויות עצומות של זה נמצאות בחלל - וב במצב הגזים, ובצורה מוצקה.

סינתזה

הניסויים הראשונים של בידוד של פולרנים התרחשו באמצעות אדים מרוכזים של גרפיט, אשר הושג על ידי הקרנה של הקרנת ליזר של דגימות גרפיט מוצקות. הצליח לגרור את העקבות רק של פולרנים. רק ב 1990 על ידי הכימאים האפמן, כבש קרצ'מר פיתחו שיטה חדשה של ייצור של פולרנים בכמויות גרם. זה התבטא בשריפת אלקטרודות גרפיט ידי קשת חשמלית באווירה של הליום בלחץ נמוך. האם שחיקת האנודה ואת קירות החדר נראה פיח פולרנים המכיל.

בהמשך, פיח מומס טולואן או בנזין, ואת הפתרון שהתקבל עמד גרם מולקולות טהורות ₇₀ C ו- C _60. רציו - 1: 3. יתר על כן, פתרון מורכב כבד ושני פולרנים מסדר גבוה אחוז. עכשיו זה היה קל: לבחור את הפרמטרים האופטימליים עבור מתאדים - רכב האטמוספרה, הלחץ, קוטר אלקטרודה, הנוכחית וכן הלאה, כדי להשיג את התשואה המקסימלית של פולרנים. הם היו עד כשתים עשרה אחוז של החומר האנודה בפועל. זו הסיבה שכל כך פולרנים יקרים הם.

ייצור

כל ניסיונות מדענים ניסיוניים בהתחלה היו לשווא: השיטות פרודוקטיבי יותר וזולות של פולרנים הפקה הם. גם את הלהבה הבוערת של פחמימנים או סינתזה כימית לא צלחה. שיטת קשת חשמלית כבר פרודוקטיבי ביותר, מאפשרת לך לקבל על גרם אחד של פולרנים לשעה. החברה מיצובישי פיתחה שיטה של ייצור מבעירה של פחמימנים, אבל הם לא פולרנים טהור - הם מכילים מולקולות חמצן. ועד כה לא ברור המנגנון של היווצרות של חומר זה, כי התהליכים קשת אינם יציבים מאוד מנקודת התרמודינמית של נוף, וזה מאוד מאוד מעכב שיקול של התאוריה. רק ראיות חותכות שאוסף אטום פחמן פולרן הפרט, למשל C ₂ שברים. עם זאת, התמונה הברורה של ההיווצרות של חומר זה טרם התגבש.

העלות הגבוהה של פולרן נקבעת לא רק בתשואות נמוכות כאשר שרפו. בידוד, טיהור, הפרדה של פולרנים של מסות שונות של פיח - כל התהליכים האלה הם מורכבים למדי. במיוחד שזה נוגע להפריד את התערובת לתוך שברים מולקולריים נפרדים, אשר מוחזקים על ידי כרומטוגרפיה בעמודה נוזלי בלחץ גבוה. בשלב האחרון של שאריות ממסות יוסרו פולרן כבר המוצק. עבור מדגם זה נשמר תחת ואקום דינמי בטמפרטורה של עד מאתיים וחמישים מעלות. אבל היתרון הוא כי במהלך הפיתוח של פולרן C ₆₀ ולקבל אותו בכמויות מקרוסקופית כבר כימיה אורגנית גדלה סניף עצמאי - הכימיה של פולרנים, אשר הפך פופולרי מאוד.

יתרון

נגזר פולרן משמשים בתחומים שונים של טכנולוגיה. שקפים וקריסטלים פולרן - photoconductivity שיש מוליכים למחצה תחת קרינה אופטית. קריסטלים C _60, אם אטומים מסוממים של מתכות אלקליות, המעבר למצב של על-מוליכות. יש פולרן פתרונות תכונות אופטיות לא לינאריות, ולכן יכולים לשמש כבסיס תריסים אופטיים הדרושים להגנה מפני הקרינה החזקה. כמו כן פולרן משמש כזרז סינתזת יהלום. פולרנים נמצאים בשימוש נרחב בביולוגיה וברפואה. היא מעסיקה שלושה מאפיינים של מולקולות אלה: קביעת lipophilicity membranotropnyh, elektronodefitsit נותן אינטראקצית יכולת עם רדיקלים חופשיים, אלא גם היכולת להעביר מולקולת חמצן קונבנציונלית מתרגשת המדינה שלהם כדי להפוך את גופיית החמצן.

חומרים תגובתי כזה לתקוף biomolecules: חומצות גרעין, חלבונים, שומנים. מיני חמצן תגובתי משמשים בטיפול פוטודינמי לטיפול בסרטן. הדם של החולה הוא הציג הפוטוסנסיטייזרים, יצירת מינים חמצן תגובתי - למעשה פולרנים או נגזרים ממנו. תזרים הדם בתוך הגידול חלש יותר ברקמות בריאות, ובגלל הפוטוסנסיטייזרים לצבור בו, ואחרי בכיוון ההקרנה של המולקולה שמחה על יצירת מיני חמצן תגובתי. תאי סרטן חווים אפופטוזיס, ואת הגידול נהרס. בנוסף לכך - יש פולרנים תכונות נוגדות חמצון מיני חמצן תגובתי מלכודת.

פולרן גורם לירידה בפעילות אינטגראז HIV, חלבון כי הוא אחראי על האינטגרציה של הנגיף אל תוך הדנ"א על ידי אינטראקציה עם זה על ידי שינוי קונפורמציה מונעת ממנו הורס את הפונקציה העיקרית. חלק נגזרי פולרן אינטראקציה ישירות עם DNA ומעכב את restiktaz הפעולה.

נוסף על רפואה

בשנת 2007, פולרנים מסיסים במים והחלו לשמש אכילתם סוכנים נגד אלרגיות כמו. מחקרים שנערכו על דם ותאי שנחשפו נגזרים פולרן - C60 (נטו) x ו- C60 (OH) x. בניסויים על אורגניזמים חיים - עכברים - התוצאות היו חיוביות.

כבר, חומר המשמש כווקטור משלוח סמים, כי מים המכילים פולרנים (כזכור הידרופוביות C ₆₀₎ חודר את קרום התא הוא מאוד קל. לדוגמא, אריתרופואטין - הורמון הכליות נכנס ישירות לתוך זרם הדם, נפגע כמות משמעותית, ואם הוא משמש יחד עם פולרנים, שעולה הריכוז ליותר מכפול, משום שהוא מקבל לתוך התא.