Příprava He@C60 a He2@C60 pomocí exploze

Článek byl publikován i na serveru vedator.net

Čínští vědci publikovali zajímavou metody přípravy endohedrálních fullerenů pomocí exploze jejíž energie je přeměněna na kinetickou energii plynu. Tato technika byla použita na přípravu dvou derivátů He@C₆₀ a He₂@C₆₀, ale pravděpodobně ji bude možné použít i pro přípravu derivátů s Ne, Ar, Kr a Xe.

Fullereny a deriváty fullerenů

Fullereny jsou alotropy uhlíku, tvořené molekulami ve tvaru koulí, trubic, elipsopidů nebo mohou být i rovinné. Poprvé byly připraveny v roce 1985 pyrolýzou grafitu. Od té doby byly metody přípravy čistých fullerenů vylepšeny, ale i tak je jejich masová výroba stále obtížná. Největším problémem je separace připravených fullerenů.

Chemie fullerenů je poměrně složitá. Rozlišujeme dva typy derivátů: endohedrální, které obsahují atomy, ionty nebo klastry uzavřené uvnitř molekuly a exohedrální obsahující substituenty navázané na molekulu z vnější strany.

První endohedrální derivát byl syntetizován v roce 1985, jednalo se o La@C₆₀. Symbol @ říká, že se jedná o malou částici uzavřenou v kleci. Dnes známe deriváty obsahující alkalické kovy, kovy alkalických zemin i přechodné kovy (např. uran, zirkonium a hafnium). Mimo kovů je možné do molekuly fullerenu uzavřít i atomy vzácných plynů a dusíku.

Příprava endohedrálních derivátů fullerenů He@C₆₀ a He₂@C₆₀

Všechny metody přípravy nekovových endohedrálních derivátů fullerenů jsou založeny na možnosti protlačení částice povrchem fullerenové klece. Tento průnik je možný jen buď dodáním dostatečné energie pro překonání energetické bariéry povrchu nebo vytvořením vhodného otvoru v molekule fullerenu. Energie potřebná pro penetraci povrchu fullerenu je velmi vysoká v porovnání s běžnými chemickými reakcemi, to se odráží ve velmi nízkých výtěžcích těchto procesů. Např. derivát He@C₆₀ lze připravit působením plyného helia o teplotě 600 °C a tlaku 2500 atmosfér po dobu pěti hodin. Výtěžek tohoto procesu je pouhých 0,1 %. Jednou z možností, jak dodat potřebnou energii je využití explozí, které generují vysokou energii ve velmi malém časovém intervalu.

V experimentu byla použita ocelová aparatura, v které byl umístěn vzorek fullerenu C₆₀ (150 mg) a plynné helium (6 atmosfér). Aparatura byla uzavřena pohyblivým víkem, s výbušninou. Po explozi došlo k prudkému stlačení víka a tím i k prudkému zrychlení pohybu helia. Nárazy atomů helia s vysokou energií zničily více jak polovinu molekul fullerenu, ale zároveň došlo i ke vzniku dvou derivátů He@C₆₀ a He₂@C₆₀.

Výtěžek experimentu byl 0,4 % He₂@C₆₀ a 6 % He@C₆₀, více jak 40 % původního fullerenu se podařilo recyklovat rozpuštěním v toluenu a přečištěním pomocí HPLC. Tato metoda přípravy endohedrálních fullerenů se jeví jako velmi výhodná. Ve srovnání s jinými postupy jde o jednduchý, levný a bezpečný proces. Snadno lze tento postup upravit i pro přípravu Ne@C₆₀, N@C₆₀ a Ar@C₆₀.

Literatura

• Peng R.F., Chu S.J., Huang Y.M., Huang Y.M., Yu H.J., Wang T.S., Jin B., Fu Y.B. Wang Ch.R.; J. Mater. Chem. 2009, 19, 3602-3605
• http://en.wikipedia.org/wiki/Fullerenes
• http://en.wikipedia.org/wiki/Endohedral_fullerenes
• Derivát fullerenu H2O@C60