Реферат на тему: Методы синтеза эндометаллофуллеренов. Лазерное распыление. Электродуговой метод

Введение

Одним из наиболее замечательных достижений науки прошедшего века является открытие фуллеренов, удостоенное Нобелевской премии по химии за 1996 год, которую получили Гарольд Крото (Великобритания), Роберт Керл и Ричард Смолли (США). Фуллерены - это новая аллотропная форма углерода. Свое название они получили в честь архитектора Бакминстера Фуллера, создавшего геодезические дома-куполы из пяти- и шестиугольников. Фуллерен представляет собой полую внутри высоко симметричную структуру, замкнутая поверхность которой образована правильными многоугольниками из атомов углерода.

В начале семидесятых годов независимо друг от друга в теоретических работах советских химиков Д. Бочвара и Е. Гальперн и японского физика Е. Осава обсуждалась возможность существования полиэдрических кластеров углерода, и прогнозировались некоторые их свойства [1]. В 1985 году эти предположения были экспериментально подтверждены Р. Керлом, Г. Крото и Р. Смолли [2]. При исследовании масс-спектров паров графита, полученных при лазерном облучении твердого образца, авторы обнаружили пики, соответствующие массам 720 и 840. Они предположили, что данные пики отвечают индивидуальным молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усеченного икосаэдра симметрии Ih, а С70 - более вытянутую структуру эллипсоидного типа симметрии D5h. Вслед за этим немедленно появилось сообщение [3], в котором на основании наблюдения в масс-спектрах паров графита, допированного атомами Lа, пика m/l=859=(720+139), был сделан вывод о возможности внедрения во внутреннюю полость сфероидной молекулы С60 атома лантана с образованием эндоэдрального комплекса Lа@C60. Оба эти предположения в дальнейшем блестяще подтвердились. В 1990 году В. Кречмером и Д. Хаффманом был предложен способ получения фуллеренов в макроскопических количествах. С этого момента начался "фуллереновый бум", а поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос.

Эндоэдральные углеродные кластеры (эндометаллофуллерены М@C2n), содержащие атомы металла внутри фуллереновой молекулы, являются производными фуллеренов и в настоящее время выделились в отдельную область научных исследований и представляют особый интерес. Образование подобных соединений наиболее характерно для молекулы фуллерена C82 с металлами 3-й группы (Sс, Y, Lа) и лантаноидами. Известны также эндометаллофуллерены и с другими углеродными кластерами: C60, C70, C76, C78, C80, C84 и др. [4-9]. Эндометаллофуллерены представляют собой совершенно новый тип углеродных кластеров, существенно отличающихся от полых фуллеренов. Атом металла, внедренный внутрь фуллереновой молекулы, значительно изменяет ее электронные свойства. В случае Lа@C82 три электрона от металла переходят на фуллерен, образуя комплекс Lа 3+@C82 3- (рис. 1) [10].

Рис. 1. Эндометаллофуллерен Lа@C82 (15 атомов углерода из 82-х убраны для наглядности).

В отличие от полых фуллеренов, которые обладают выраженными акцепторными свойствами, для эндометаллофуллеренов помимо акцепторных свойств характерны и донорные. Эндометаллофуллерены могут содержать один или несколько атомов металлов внутри фуллеренового каркаса и быть парамагнитными или диамагнитными соединениями. Уникальная структура эндометаллофуллеренов и разнообразие их свойств в зависимости от внедренного металла и фуллерена вызывают большой интерес к ним в плане изучения их химических и физических свойств. Исследования эндометаллофуллеренов и их производных в последние годы значительно расширили горизонты наших надежд на новые технологии, в том числе и в лечении такой страшной болезни как СПИД. Самый сенсационный результат - возможность применения производных эндометаллофуллеренов для лечения вирусных заболеваний, вызываемых ВИЧ-инфекцией. Уже есть экспериментальные результаты о воздействии их на вирус ВИЧа при нетоксичности и хорошей переносимости в больших дозах животными [11]. Можно ожидать, что эндометаллофуллерены послужат основой для создания новых материалов с особыми свойствами: сверхпроводники, органические ферромагнетики, лазерные и сегнетоэлектрические материалы, фармацевтические и радиофармацевтические препараты и т.п. Однако эндометаллофуллерены до сих пор мало изучены. В литературе практически отсутствуют данные о их химических и физических. Главной причиной такого положения является ограниченная доступность эндометаллофуллеренов, что связано с проблемами их синтеза и выделения в значительных количествах.

Молекулы фуллеренов, в клетку которых заключены один или несколько атомных частиц (атомов или молекул), получили название эндоэдральных соединений (или эндоэдралов). Для обозначения таких молекул используется формула Мm@Сn где М - инкапсулированный атом или молекула, а нижние индексы m и n указывают на число таких атомов и атомов углерода в молекуле фуллерена соответственно [12]. Рекомендуемое IUPAC название для Lа@C82 звучит следующим образом "[82] fullerene-incar-lanthanum" и записывается в виде iLaC82 [13].

Оглавление

- Введение3

- Методы синтеза эндометаллофуллеренов

- Лазерное распыление

- Электродуговой метод

- Другие методы синтеза эндоэдральных фуллеренов

- Выделение и разделение эндометаллофуллеренов

- Экстракция из эндофуллеренсодержащей сажи

- Сублимация из эндофуллеренсодержащей сажи

- Разделение эндометаллофуллеренов

- Свойства эндометаллофуллеренов

- Заключение..22

- Список литературы.23

Заключение

Подводя итоги рассмотренной проблемы, относящихся к синтезу, выделению и исследованию свойств эндометаллофуллеренов, следует констатировать, что этот круг проблем за короткий период времени сформировался в новое быстро развивающееся направление химической физики. Интерес к этому направлению со стороны многих исследовательских групп в первую очередь фундаментальный и связан с возможностью искусственного вмешательства в структуру молекул, а также с возможностью изучений последствий такого вмешательства.

Состояние атомных частиц, заключенных в фуллереновую оболочку, уникально и не может быть воспроизведено каким-либо другим способом. Так, атомы металла передают, частично или полностью, свои валентные электроны на внешнюю часть фуллереновой оболочки, практически теряя свою химическую индивидуальность. Это определяет смещенное относительно центра молекулы положение атома внутри углеродного каркаса и придает эндоэдральной молекуле постоянный дипольный момент. Исследование свойств таких частиц существенно расширяет наши представление о поведении квантовых объектов в необычных условиях.

Возможность непосредственного практического применения эндоэдральных структур в технологии и технике физического эксперимента в настоящее время довольно ограничено, что связано в первую очередь с чрезвычайно высокой стоимостью их производства.

Таким образом, эндоэдральные структуры представляют собой новый класс объектов нанометровых размеров, которые обладают уникальными физико-химическими свойствами и чрезвычайно перспективны для практического использования. Несомненно. в ближайшем будущем можно ожидать открытия новых интересных особенностей в поведении этих объектов, а также реализации потенциальных возможностей их практического применения.

Список литературы

1. Соколов В.И., Станкевич И.В., Успехи химии 62(5) (1993) 455-472.

2. Kroto Н.W., Heath J.R., О'Brien S.С, Curl R.F., Smalley R.Е., Nature 318 (1985) 162-163.

3. Heath J.R., О'Brien S.С., Zhang Q., Lui Y., Curl R.F., Kroto Н.W., Smalley R.Е., J. Аm. Chem. Soc. 107 (1985) 7779-7782.

4. Bethune D.S., Johnson R.D., Salem J.R., dе Veles М.S., Yannoni С.S., Nature 336 (1993) 123-128.

5. Xiao J.,. Savina М.R., Marin G.В., Francis А.Н., Meyerhoff М.Е., J. Аm. Chem. Soc. 116 (1994) 9341-9342.

6. Nagase S., Kobayashi К., Acasaka Т., Bull. Chem. Soc. Jpn. 69 (1996) 2131-2142.

7. Tucuta М., Umeda В., Nishibori Е., Sucuta М., Saito Y., Ohno М., Shinohara Н.,Nature 377 (1995) 46-49.

8. Sueki К., Kikuchi К., Akiyama К., Sawa Т., Katada М., Ambe S., Ambe F., Nakahara Н., Chem Phys. Lett. 300 (1999) 140-144.

9. Xu Z., Nakane Т., Shinohara Н., J. Аm. Chem. Soc.118 (1996) 11309-11310.

10. Shinohara Н., Kagaku 47(4) (1992) 248-252.

11. Schinazi R.F., Chiang L.Y., Wilson L.J., Cagle D.W., Hill С.L., Fullerenes, edited by Kadish К.М. and Ruoff R.S. (The Electrochemical Society, Pennington, N14, 1997) 357-360.

12. Елецкий А.В., Успехи физических наук 170(2) (2000) 113-142.

13. Shinohara Н., Rep. Prog. Phys. 63 (2000) 843-292.

14. Chai Y., Guo Т., Jin С., Haufler R.Е., Chibante Р.F., Fure J., Wang L., Alford J.М., Smalley R.Е., J. Phys. Chem. 95 (1991) 7564-7568.

15. Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos К., Huffman D.R., Nature (London) 347 (1990) 354-358.

16. Lian Y., Shi Z., Zhou X., Не X., Gu Z., Carbon 38 (2000) 2117-2121.

17. Бубнов В.П., Краинский И.С., Лаухина Е.Э., Ягубский Э.Б., Изв. Академии наук. Сер. Хим. 5 (1994) 805-809.

18. Huang Н., Yang S., Chem. Mater. 12 (2000) 2715-2720.

19. Sun D., Liu Z., Guo X., Xu W., Liu S., J. Phys. Chem. В 101 (1997) 3927-3930.

20. Saunders М., Science 253 (1991) 330-331.

21. Pietzak В., Waiblinger М., Murphy Т.А, Weidinger А., Dietel Е., Carbon 36 (1998) 613-615.

22. Murphy Т.А., Pawlik Тh., Weidinger А., Alcala R., Spaeth J.М., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 1075-1078.

23. Ohtsuki Т, Masumoto К., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3522-3524.

24. Бубнов В.П., Кольтовер В.К., Лаухина Е.Э., Эстрин Я.И., Ягубский Э.Б., Известия Академии наук. Серия химическая 2 (1997) 254-258.

26. Kubozono Y., Maeda Н., Takabayashi Y., Hiraoka К., Nakai Т., Kashino S., Emura S., Ukita S., Sogabe Т., J. Аm. Chem. Soc. 118 (1996) 6998-6999.

27. Cagle D.W., Alford J.М., Tien J., Wilson L.J., Fullerenes, edited by Kadish К.М. and Ruoff R.S. (The Electrochemical Society, Pennington, N14, 1997) 361-368.

28. Thrash Т.Р., Cagle D.W., Alford J.М., Ehrhardt G.J., Lattimer J.С., Wilson L.J., Fullerenes, edited by Kadish К.М. and Ruoff R.S. (The Electrochemical Society, Pennington, N14, 1997) 349-356.

29. Kikuchi К. Nakao Y., Suzuki S., Achiba Y., Chem. Phys. Lett. 216 (1993) 67-71.

30. Fowler Р.W., Manolopoulos D.Е. "Аn Atlas оf Fullerenes" Oxford: Clarendon Press, 1995.

31. Yamamoto Е., Tansho М., Tomiyama Т., Shinohara Н., Kawahara Н., Kobayashi Y., J. Аm. Chem. Soc. 118 (1996) 2293-2294.

32. Shinohara Н., Yamaguchi Н., Hayashi N., Sato Н., Ohkohchi М., Ando Y. And Saito Y 1993 J. Phys. Chem. 97 4259.

34. Lebedkin S., Renker В., Heid R., Schober Н., Rietschel Н., Appl. Phys. А 66 (1998) 273-280.

35. Lin N., Huang Н., Yang S., Cue N., J. Phys. Chem. А 102 (1998) 4411-4413.

36. Nagase S., Kobayashi К., Akasaka Т., Bull. Chem. Soc. Jpn. 69 (1996) 2131-2142.

37. Heiney Р.А., Fisher J.Е., McGhie А.R., Phys. Rev. Lett. 66(22) (1991) 2911-2914.

38. Sato W., Sueki К., Kikuchi К., Suzuki S., Achiba Y, Nakahara Н., Phys. Rev. В 58 (1998) 10850-10856.