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.
Endohedral hydrogen fullerene (H2@C60) is an endohedral fullerene containing molecular hydrogen. This chemical compound has a potential application in molecular electronics and was synthesized in 2005 at Kyoto University by the group of Koichi Komatsu. Ordinarily the payload of endohedral fullerenes are inserted at the time of the synthesis of the fullerene itself or is introduced to the fullerene at very low yields at high temperatures and high pressure. This particular fullerene was synthesised in an unusual way in three steps starting from pristine C60 fullerene: cracking open the carbon framework, insert hydrogen gas and zipping up by organic synthesis methods.
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.