Эндометаллофуллерены

| Категория реферата: Рефераты по химии
| Теги реферата: курсовики скачать бесплатно, женщины реферат
| Добавил(а) на сайт: Ангела.

В работе [25] для более эффективного выделения Ce@C82 было предложено использовать N,N-диметилформамид (ДМФА) в одноступенчатой экстракции.
Содержание эндометаллофуллеренов в полученном экстракте составило по данным
ВЭЖХ ~15 %, а выход М@C2n не превышал 0,1 % от веса сажи.

Для повышения производительности в работе [18] предлагается использовать ультразвуковую Сокслет экстракцию (УЗСЭ). На рисунке 7 показана зависимость количества выделяемого Er@C82 от времени для обычной экстракции в аппарате Сокслета (СЭ) и с применением ультразвуковой активации процесса.

Рис. 7. Зависимость количества выделяемого Er@C82 от времени экстракции.

Количество Er@C82 выделяемого за 10 часов в УЗСЭ много больше чем в
СЭ. За 30 часов экстракции в УЗСЭ выделяется до 90 % металлофуллеренов, а в
СЭ только 50 %. Схематически процесс экстракции с применением ультразвука можно представить, как разрушение сажевых агрегатов и сольватация ДМФА фуллеренов и эндофуллеренов. Результатом применения ультразвука является ускорение процесса экстракции, но получаемые экстракты по данным ВЭЖХ остаются низко обогащенными Er@C82.

Расширение круга растворителей, используемых для экстракции эндоэдральных соединений из фуллеренсодержащей сажи, приводит к увеличению списка синтезируемых соединений. Так, применение для этой цели анилина [26] позволило выделить целую группу эндоэдральных соединений, куда вошли Y@C60,
Ba@C60, La@C60, Ce@C60, Pr@C60, Nd@C60 и Gd@C60 при относительно низких температурах. При этом даже не понадобилось обеспечение анаэробных условий.
Растворитель (анилин) прокачивался через сажу в течение 3 - 5 часов при температуре 273-278 К. Полученный экстракт исследовался в масс-спектрометре с лазерной десорбцией. Масс-спектр экстракта, полученного из сажи с помощью анилина, содержал пики указанных выше эндоэдральных соединений (рис. 8), причем интенсивность пиков, как правило, была соизмерима с интенсивностью пиков полых фуллеренов С60 и С70.

Рис. 8. Масс-спектр анилинового экстракта эндофуллеренсодержащей сажи, полученный методом лазерной десорбции на время пролетном масс-спектрометре

Как видно из обзора работ несовершенные методы выделения не позволяют получать экстракты без примесей полых фуллеренов и включают для дальнейшего разделения эндометаллофуллеренов трудоемкую операцию ВЭЖХ

Сублимация из эндофуллеренсодержащей сажи

Сублимационные методы выделения эндометаллофуллеренов из сажи в настоящее время практически не разработаны и очень редко используются по сравнению с методами экстракции. Применение данного подхода к выделению эндофуллеренов описано лишь в небольшом количестве работ.

В работе [27] для получения эндометаллофуллерена Gd@C82 был применен новый подход, основанный на последовательном использовании двух методов: сублимации и ВЭЖХ. На первом этапе сублимации при температуре 475 0С в течение 1 часа в вакууме из сажи были выделены полые фуллерены. На втором этапе сублимации температура была увеличена до 750 0С. В течение 8 часов в вакууме получен продукт, обогащенный эндометаллофуллеренами. Сублимат был растворен в о-ксилоле с использованием ультразвуковой ванны. Из полученного раствора смеси фуллеренов и эндофуллеренов методом ВЭЖХ был выделения
Gd@C82. По данным ВЭЖХ и MALDI двух стадийная сублимация не позволяет отделить полые фуллерены от эндометаллофуллеренов.

Метод сублимации был использован так же в работе [28] для выделения
Ho@C82. Как и в работе [27] на первом этапе полые фуллерены возгонялись при температуре 475 0С. На втором этапе сублимации температура была увеличена до 850 0С. Однако и в этой работе так же, не удалось разделить фуллерены и эндометаллофуллерены с помощью сублимации. Лишь использование ВЭЖХ позволило получить Ho@C82.

Разделение эндометаллофуллеренов

Полученная в результате экстракции смесь фуллеренов с эндометаллофуллеренами различного сорта разделяется на отдельные фракции методом жидкостной хроматографии. Основная трудность, возникающая на пути решения этой проблемы, связана с чрезвычайно низким содержанием эндоэдральных фуллеренов в растворимом сажевом экстракте. Для преодоления этой трудности требуется многократное повторение хроматографической процедуры, а также подходящее сочетание различных типов сорбентов и растворителей на каждой стадии.

Еще сложнее в техническом отношении процедура разделения различных изомеров, относящихся к одному и тому же эндоэдральному соединению фуллерена. Такие молекулы обладают одинаковой массой, но различной пространственной структурой, поэтому соответствующие время задержки при их хроматографическом разделении различаются незначительно. Кроме того, пики отдельных изомеров эндоэдральных соединений могут оказаться в тесном соседстве с соответствующими пиками полых фуллеренов, что также затрудняет выделение изомеров в чистом виде. Однако при использовании многоступенчатой хроматографической процедуры эта задача может быть успешно решена.

Одна из первых работ по выделению определенного структурного изомера эндоэдральной молекулы в чистом виде была выполнена еще в 1993 году [29].
Она посвящена изоляции основного изомера La@C82 методом двухступенчатой жидкосной хроматографии. Усилия исследователей по выделению изомеров эндоэдральных молекул стали более целенаправленными после публикации атласа фуллеренов [30], в котором введена систематическая классификация изомеров фуллеренов. В основу этой классификации положены свойства симметрии молекул фуллеренов, определяющие их поведение в условиях спектроскопических, ЯМР - или ЭПР - исследований. Однако наряду с классификацией, основанной на использование свойств симметрии молекул, широко применяется так называемая хроматографическая классификация [31]. Согласно этой классификации различным изомерам присваиваются номера I, II, III, … в соответствии с последовательностью появления пиков на хроматограмме.
На рисунке 9 показаны типичные хроматограммы, которые наблюдаются при последовательном выделении эндоэдрального соединения Sc@С82(I) [32]. На первой стадии ВЭЖХ раствор экстракта эндометаллофуллеренов в толуоле разделяют, используя колонку Trident-Tri-DNP (Buckyclutcher I, 21 mm ( 500 mm: Regis Chemical) или колонку 5-PBB(pentabromobenzyl) (20 mm ( 250 mm,
Nacalai Tesque) в качестве элюента используется CS2. На этой стадии отделяют фракцию, содержащую Sc@C2n от фракции С60, С70 и высших фуллеренов
(С76-С110). Разделение и очистка скандий содержащих эндофуллеренов осуществляется на второй стадии ВЭЖХ с использованием колонки Cosmosil
Buckyprep (20 mm ( 250 mm, Nacalai Tesque), элюент толуол. Как видно, последовательное использование на различных стадиях очистки колонок, отличающихся сортом сорбента, позволяет освободить раствор от фракций, для которых время задержки близко к соответствующему значению для целевого продукта. В таблице 1 приведены эндометаллофуллерены выделенные методом
ВЭЖХ [33].

Рис. 9. Хроматограммы, иллюстрирующие последовательное хроматографическое разделением и очистку эндоэдрального соединения Sc@С82: (а) хроматограмма раствора обогащенного относительно Sc@С82; (б) хроматограмма раствора чистого Sc@С82(I).

Таблица 1.
Выделенные и очищенные эндометаллофуллерены.

|M | Mm@C2n |
| |Sc2@C84(I), Sc2@C84(II), Sc2@C84(III), Sc2@C74, |
|3 основная группа |Sc3@C82, Sc@C82(I), Sc2@C82(I), Sc2@C82(II), |
| |Sc2@C86(I), Sc2@C86(II), Sc2@C76, Y@C82, La2@C80,|
| |La@C82(I), La@C82(II) |
| |Ce@C82, Ce2@C80, Pr@C82, Pr2@C80, Nd@C82, |
|Лантаноиды |Sm@C82(I), Sm@C82(II), Sm@C82(III), Sm@C74, |
| |Sm@C84, Eu@C74, Gd@C82, Dy@C82, Ho2@C82, Er2@C82,|
| |Er@C82, Tm@C82(I), Tm@C82(II), Tm@C82(III), |
| |Yb@C82(I), Yb@C82(II), Yb@C82(III). |
| |Ca@C82(I), Ca@C82(II), Ca@C82(II), Ca@C82(IV), |
|2 основная группа |Ca@C72, Ca@C74, Ca@C84(I), Ca@C84(II), Ca@C80, |
| |Sr@C82, Sr@C84, Sr@C80, Ba@C84, Ba@C80. |

Применяя адекватные комбинации растворителей, колонок и элюэнтов на первой и второй стадиях процесса можно получить образцы эндоэдральных металлофуллеренов чистотой ~95 % в количестве до 1(2 мг в день. Однако процедура выделения эндоэдральных фуллеренов в чистом виде в макроскопическом количестве остается весьма трудоемкой. Так, в работе [34] указывается, что для получения 10 мг Y@С82 необходимо выполнить 40 - 50 хроматографических загрузок в течение 25 - 35 ч, при этом требуется 30 -40 л толуола.

Свойства эндометаллофуллеренов

Особенность электронной структуры эндоэдральных металлофуллеренов, связанная с передачей валентных электронов металла фуллереновой оболочке, фундаментальным образом отражается на свойствах этих соединений. Так, эндоэдральные фуллерены, содержащие атомы металлов второй группы, имеют диамагнитные свойства, поскольку инкапсулированный двухзарядный ион металла содержит только полностью заполненные электронные оболочки, а спиновые моменты валентных электронов, находящихся на внешних орбиталях фуллереновой оболочки, полностью скомпенсированы. Это объясняет отсутствие какого-либо сигнала в спектрах ЭПР. Напротив, эндоэдральные фуллерены, содержащие атомы металлов третьей группы, обладают парамагнитными свойствами, поскольку инкапсулированный трехзарядный ион металла передает три электрона на фуллереновую оболочку.

В эндометаллофуллеренах газокинетический размер инкапсулированного атома значительно меньше внутреннего размера фуллереновой оболочки. Отсюда возникает вопрос о положении атома внутри углеродного кластера.
Исследования показали, что смещение металла относительно геометрического центра молекулы, связано с передачей валентных электронов от инкапсулированного атома на внешнюю поверхность фуллереновой оболочки и возникающим сильным электростатическим взаимодействием образующегося при этом положительного иона с отрицательно заряженной оболочкой.

Смещение равновесного положения инкапсулированного атома относительно геометрического центра фуллереновой оболочки определяет наличие у таких молекул довольно значительного постоянного дипольного момента. Так, согласно оценке, выполненной авторами работы [13], дипольный момент молекулы Y@C82 составляет 2,5 D. Значение дипольного момента молекулы
La@C82 оценивается 3(4 D [35]. Наличие у эндоэдральных металлофуллеренов постоянного дипольного момента придает материалам на основе этих соединений особые свойства, связанные с возможной ориентацией молекул в кристалле и возникновением постоянной поляризуемости. Такие кристаллы должны обладать сегнетоэлектрическими свойствами и могут найти интересные применения в электронных устройствах.

Перестройка электронной структуры эндоэдральных металлофуллеренов, связанная с переходом валентных электронов металла на внешнюю по отношению к оболочке область, отражается на таких электронных характеристиках молекулы фуллерена, как ее потенциал ионизации и сродство к электрону. Это можно проиллюстрировать результатами квантово-химических расчетов [36], представленными в таблице 2. Как видно, инкапсулирование атома металла в молекулу фуллерена, с одной стороны, приводит к снижению потенциала ионизации, с другой стороны, энергия сродства эндоэдралов заметно выше, чем пустых фуллеренов.

Таблица 2.
Потенциал ионизации IP, сродство к электрону EA эндоэдральных и полых фуллеренов.
| | | |Заряд на атоме металла |
|Фуллерен|IP, |EA, | |
| |эВ |эВ | |
| | | |нейтральной |катионе |Анионе |
| | | |молекуле | | |
| Sc@C82 |6,45 |3,08 |2,16 |2,18 |2,18 |
| |6,22 |3,20 |2,59 |2,61 |2,60 |
|Y@C82 |6,19 |3,22 |2,92 |2,97 |2,90 |
|La@C82 |7,78 |2,57 | | | |
|C60 |7,64 |2,69 | | | |
|C70 |6,96 |3,37 | | | |
|C82 | | | | | |