Введение

Эндогедральный фуллерен, содержащий молекулярный водород. Эндогедральный водородный фуллерен (H2@C60) — это эндогедральный фуллерен, содержащий молекулярный водород. Это химическое соединение обладает потенциальным применением в молекулярной электронике и было синтезировано в 2005 году в Киотском университете группой Коити Коматсу. Как правило, внедрение веществ в эндогедральные фуллерены происходит либо во время синтеза самого фуллерена, либо вносится в фуллерен с очень низким выходом при высоких температурах и давлении. Этот конкретный фуллерен был синтезирован необычным способом в три этапа, начиная с исходного фуллерена C60: раскрытие углеродного каркаса, введение газообразного водорода и замыкание структуры методами органического синтеза.

Органический синтез

На схеме 1 представлен обзор первого этапа – создания 13-членного кольцевого отверстия на поверхности фуллерена. 1,2,4-триазин 2 снабжен двумя фенильными группами и пиридиновой группой для обеспечения растворимости и взаимодействует в 1,2-дихлорбензоле с исходным фуллереном C60 2 в реакции Дильса-Альдера при высокой температуре и в течение продолжительного времени. В ходе этой реакции выделяется азот и формируется восьмичленное кольцо (3). Это отверстие далее расширяется в результате реакции с синглетным кислородом в тетрахлорметане, что приводит к окислению одной из алкеновых групп кольца до кетона. Кольцо из 12 атомов расширяется до кольца из 13 атомов в результате реакции с элементарной серой в присутствии тетракис(диметиламино)этилена. Предлагаемый механизм реакции схематично изображен на плоской поверхности на схеме 2. На первом этапе триазин реагирует с фуллереном в реакции Дильса-Альдера. На втором этапе азот отщепляется от аддукта Дильса-Альдера 2, что приводит к образованию конденсированного азациклогексадиена, за которым следует [4+4]-циклоприсоединение к промежуточному соединению 4 с двумя циклопропановыми кольцами. Это промежуточное соединение быстро перестраивается посредством ретро-[2+2+2]-циклоприсоединения в 8-членное кольцевое производное 5. In silico расчеты показывают, что электроны в HOMO локализованы главным образом в двойных связях бутадиенового фрагмента кольца, и, действительно, синглетный кислород реагирует в этих положениях через диоксатановый интермедиат 6, вызывая расщепление алкена с образованием дикетона 7 (показан только один изомер). Элементарная сера S8 внедряется в одинарную связь диеновой группы, что приводит к расширению кольца до 13 атомов (структуры 8 и 9 идентичны). Тетракис(диметиламино)этилен активирует эту связь для электрофильного присоединения серы либо путем одноэлектронного восстановления, либо путем комплексообразования. Рентгеноструктурный анализ показал, что форма отверстия в серосодержащем соединении приблизительно круглая. Введение водорода в это соединение – простой этап, протекающий со 100% эффективностью. Замыкание отверстия представляет собой обращение этапов, необходимых для открытия клетки. Необходимо следить за тем, чтобы условия реакции не превышали 160 °C, чтобы предотвратить потерю водорода. m-CPBA окисляет серу до сульфоксида, который затем может быть удален из кольца посредством фотохимической реакции под действием видимого света в толуоле. Две кетоновые группы вновь соединяются в реакции Мак-Мерри с использованием тетрахлорида титана и элементарного цинка. Обратные циклоприсоединения происходят при 340 °C в вакууме с расщеплением 2-цианопиридина и дифенилацетилена, что приводит к образованию H2@C60 с химическим выходом 40%, начиная с исходного фуллерена.

Свойства

H2@C60 является стабильной молекулой. Он сохраняется в течение 10 минут при 500 °C и демонстрирует ту же химическую реактивность, что и пустой C60. Электронные свойства также практически не изменяются. Процесс введения и высвобождения водорода может быть облегчен увеличением размера отверстия. Этого можно достичь заменой серы селеном (тиолатом натрия, Se8), используя большую длину связи C-Se. Наполнение раскрытых фуллеренов теперь занимает 8 часов при 190 °C и давлении 760 атмосфер (77 МПа) водорода, а высвобождение в диапазоне от 150 °C до 180 °C происходит в три раза быстрее, чем у серосодержащего аналога. Энергия активации высвобождения снижается на 0,7 ккал/моль до 28,2 ккал/моль (2,9–118 кДж/моль). Имеются данные, свидетельствующие о том, что водород внутри фуллереновой клетки не полностью экранирован от внешней среды, поскольку одно исследование показало, что H2@C60 более эффективно гасит синглетный кислород, чем пустой C60.