Кіріспе
Фуллерин молекуласы өз ішінде қосымша атомдар, иондар немесе кластерлер қамтылған. Эндогедралды фуллериндер, сондай-ақ эндофуллериндер деп аталады, олардың ішкі шарларында қосымша атомдар, иондар немесе кластерлер болады. Алғашқы лантан C60 кешені 1985 жылы синтезделді. Атауындағы @ (эт) белгісі қабықшаның ішінде тұтқындалған кішкентай молекула туралы ұғымды көрсетеді. Эндогедралды кешендердің екі түрі бар: эндогедралды металлфуллерендер және металл емес қоспалы фуллерендер.
Endohedral fullerenes, also called endofullerenes, are fullerenes that have additional atoms, ions, or clusters enclosed within their inner spheres. The first lanthanum C60 complex called La@C60 was synthesized in 1985. The @ (at sign) in the name reflects the notion of a small molecule trapped inside a shell. Two types of endohedral complexes exist: endohedral metallofullerenes and non metal doped fullerenes.
Нөмірлік
Дәстүрлі химиялық формула белгісінде букминстерфуллерин (C60) атомы (M) фуллериннің ішінде немесе сыртында болатынына қарамастан, жай ғана MC60 ретінде бейнеленген. Ақпаратты барынша аз жоғалтумен егжей-тегжейлі талқылауға мүмкіндік беру үшін 1991 жылы дәлірек белгілеу ұсынылды. Эндогедралды металлфуллерендер электрондардың металл атомынан фуллерен торына ауысуымен және металл атомының тордың ортасынан ығысқан орналасуымен сипатталады. Зарядтың ауысу мөлшерін анықтау әрқашан оңай емес. Көп жағдайда ол 2 мен 3 заряд бірлігі арасында болады, бірақ La2@C80 жағдайында ол тіпті 6 электронға жете алады, мысалы Sc3N@C80 жағдайында, ол [Sc3N]+6@[C80]−6 деп сипатталады. Бұл анионды фуллерен қаптары өте тұрақты молекулалар болып табылады және қарапайым бос фуллерендерге тән реакциялық қабілетке ие емес. Олар ауада өте жоғары температурада (600-850 °C) тұрақты. Дильс-Алдер реакцияларында реакциялық қабілеттің болмауы, әр түрлі өлшемдегі бос және ішінара толтырылған фуллерендердің күрделі қоспасынан [C80]−6 қосылыстарын тазарту әдісінде пайдаланылады. C80 Ih-дегі барлық алты мүшелі сақиналар тең болғандықтан, бұл 13C ЯМР спектрінде тек екі сигналдың болуымен расталады. Металл атомдарын экваторда тоқтатуға болады, егер фуллерен электрондарды донорлық силил тобымен экзаэдрлік функционалдауға ұшыраса, мысалы Ce2@C80-нің 1,1,2,2-тетракис(2,4,6-триметилфенил)-1,2-дисилиранмен реакциясында. Gd@C82(OH)22, эндогедралды металлофлуоренол, YAP1 онкогеніндегі WW доменінің белсендірілуін бәсекеге қабілетті түрде тежеуге болады. Ол бастапқыда МРТ контрасттық зат ретінде әзірленген.
Endohedral metallofullerenes are characterised by the fact that electrons will transfer from the metal atom to the fullerene cage and that the metal atom takes a position off center in the cage. The size of the charge transfer is not always simple to determine. In most cases it is between 2 and 3 charge units, in the case of the La2@C80 however it can be even about 6 electrons such as in Sc3N@C80 which is better described as [Sc3N]+6@[C80]−6. These anionic fullerene cages are very stable molecules and do not have the reactivity associated with ordinary empty fullerenes. They are stable in air up to very high temperatures (600 to 850 °C). The lack of reactivity in Diels Alder reactions is utilised in a method to purify [C80]−6 compounds from a complex mixture of empty and partly filled fullerenes of different cage size. Since all the six membered rings in C80 Ih are equal This is evidenced by the presence of only two signals in the 13C NMR spectrum. It is possible to force the metal atoms to a standstill at the equator as shown by x ray crystallography when the fullerene is exahedrally functionalized by an electron donation silyl group in a reaction of Ce2@C80 with 1,1,2,2 tetrakis(2,4,6 trimethylphenyl) 1,2 disilirane. Gd@C82(OH)22, an endohedral metallofluorenol, can competitively inhibit the WW domain in the oncogene YAP1 from activating. It was originally developed as an MRI contrast agent.
Металл емес допингтелген фуллерендер
Эндогедралды кешендер He@C60 және Ne@C60 C60-тың шамамен 3 бар қысымда асыл газ атмосферасында қысылуы арқылы дайындалады. Осы жағдайда, әрбір 650 000 C60 қабықшасының біреуіне гелий атомы енгізіледі. Гелий, неон, аргон, криптон және ксенонмен эндогедралды кешендердің, сондай-ақ He@C60 қосылысының көптеген аддукттарының пайда болуы 3 кбар қысымда және асыл газдардың 0,1%-ға дейін қосылуымен көрсетілді. Асыл газдар химиялық тұрғыдан өте инертті және көбінесе жеке атомдар түрінде болады, бірақ азот пен фосфор үшін жағдай басқаша, сондықтан N@C60, N@C70 және P@C60 эндогедралды кешендерінің пайда болуы көбірек таңғастырады. Азот атомы өзінің бастапқы электрондық күйінде (4S3/2) болады және жоғары реакциялық қабілетке ие. Дегенмен, N@C60 жеткілікті тұрақты, сондықтан малоновая қышқылы этил эфирінің моно- және гекса-аддукттарына дейін экзогедралды туындылануы мүмкін. Бұл қосылыстарда орталықтағы азот атомының заряды қақпақтың көміртек атомдарына ауыспайды. Сондықтан, эндогедралды металлофуллерендерде өте оңай байқалатын 13C байланыстары, N@C60 үшін жоғары ажыратымды спектрде ғана орталық сызықтың иықтары ретінде байқалады. Бұл эндогедралды кешендердегі орталық атом қақпақтың ортасында орналасқан. Басқа атомдық тұзақтарға күрделі жабдықтар қажет болса, мысалы, лазерлік салқындату немесе магниттік тұзақтар, эндогедралды фуллерендер бөлме температурасында және кез келген уақыт аралығында тұрақты атомдық тұзақ болып табылады. Атомдық немесе иондық тұзақтар үлкен қызығушылық тудырады, себебі бөлшектер өз ортасымен (маңызды) өзара әрекеттесуден бос болады, бұл бірегей кванттық механикалық құбылыстарды зерттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, қақпақтағы жиналудың салдарынан атомдық толқын функциясының сығылуын ENDOR спектроскопиясымен байқауға болады. Азот атомын оның қоршаған ортасының электрондық құрылымындағы ең кішкентай өзгерістерді анықтау үшін зонд ретінде пайдалануға болады. Металлоэндогедралды қосылыстардан айырмашылығы, бұл кешендерді доға арқылы өндіруге болмайды. Атомдар фуллереннің бастапқы материалына газды шығару (азот және фосфор кешендері) немесе тікелей иондық имплантация арқылы енгізіледі. Сонымен қатар, эндогедралды сутекті фуллерендерді органикалық химия әдістерімен фуллеренді ашу және жабу арқылы да алуға болады. Эндогедралды фуллерендердің соңғы мысалы – C60-қа капсулаланған судың бір молекуласы. Асыл газ эндофуллерендерінің ерекше поляризациялану қабілетіне ие болуы күтіледі. Осылайша, Ng@C60 орташа поляризациялануының есептелген мәндері фуллерен қабығының және тұтқынға алынған атомның поляризациялануларының қосындысына тең емес, яғни поляризацияланудың күшеюі байқалады. Δα поляризацияланудың күшею белгісі фуллерен молекуласындағы атомдар санына байланысты: кіші фуллерендер үшін ол оң, ал үлкендер үшін теріс (поляризацияланудың төмендеуі). Δα-ның n-ға тәуелділігін сипаттайтын келесі формула ұсынылды: Δα = αNg(2e−0.06(n – 20)−1). Бұл формула Ng@C60 эндофуллерендерінің DFT есептеулерімен алынған орташа поляризациялануын жеткілікті дәлдікпен сипаттайды. Есептелген деректер C60 фуллеренін Фарадей клеткасы ретінде пайдалануға мүмкіндік береді, ол капсулаланған атомды сыртқы электр өрісінен оқшаулайды. Аталған қатынастар күрделі эндогедралды құрылымдар үшін де тән болуы керек (мысалы, C60@C240 және "пияз" құрылымы бар алып фуллерендер).
Молекулалық эндофуллерендер
Кіші молекулаларды капсулалап тұратын жабық фуллерендер синтезделген. Мысал ретінде дигидроген эндофуллерены H2@C60, су эндофуллерены H2O@C60, фторсутегі эндофуллерены HF@C60 және метан эндофуллерены CH4@C60 синтезі келтіріледі. Капсулаланған молекулалар ерекше физикалық қасиеттерді көрсетеді, олар әр түрлі физикалық әдістермен зерттелді. Теориялық тұрғыдан көрсетілгендей, молекулалық эндофуллерендерді (мысалы, H2@C60) қысу капсулаланған молекулалардың ыдырауына және олардың фрагменттерінің фуллерен қуысының ішкі беттерімен реакцияға түсуіне алып келуі мүмкін. Мұндай реакциялар эндогедралды фуллерен адуктарын құруы керек, олар қазірге дейін белгілі емес.