Строение молекул эндоэдрального металлофуллерена M@C82

Атом или несколько атомов металла, внедренные внутрь фуллереновой молекулы, приводят к образованию новых стабильных изомеров углеродного каркаса, не наблюдаемых у пустых фуллеренов [2]. Как показывают результаты экспериментальных исследований, структура и свойства ЭМФ отличаются большим разнообразием. Анализируя структуру ЭМФ, можно выделить два основных вопроса, относящихся к этой проблеме. Первый касается структурных особенностей фуллереновой клетки, заключающей в себе один или несколько атомов какого-либо элемента. Второй вопрос связан с особенностью размещения атомов металла внутри фуллереновой оболочки.

Основной источник информации о строении углеродного каркаса молекулы ЭМФ – это ядерный магнитный резонанс (ЯМР) на ядрах 13С. Для молекулы С82 теоретически возможно существование 9 различных изомеров (C3V (a), C3V (b), C2V, C2 (a), C2 (b), C2 (c), Cs (a), Cs (b) и Cs (c)), удовлетворяющих правилу изолированных пятиугольников [5]. Исследование фуллерена С82 методом 13С ЯМР показало, что в синтезе образуется только один изомер С2 (a) [6]. По данным квантово-химических расчетов, выполненных методом функционала плотности [7], молекулы ЭМФ M@C82 (M= Y, La), в отличие от С82, могут существовать в виде трех стабильных изомеров (C2V, C3V (b), Cs (c)). Методом 13С ЯМР установлена структура двух основных изомеров La@C82 и Y@C82 [7, 8]. Изомер A и B имеют симметрию C2V и CS соответственно. Таким образом, в случае эндоэдрального комплекса происходит стабилизация углеродного каркаса за счет внедрения атома металла внутрь фуллереновой клетки и образуются новые молекулы, имеющие строение, отличное от фуллерена С82-С2.

В ЭМФ размер инкапсулированного атома значительно меньше внутреннего размера фуллереновой оболочки. Отсюда возникает вопрос о размещении 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 [1, 9].

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 [10], дипольный момент молекулы Y@C82 составляет 2,5 D. Значение дипольного момента молекулы La@C82 оценивается 3¸4 D [11].

Эндоэдральная молекула может быть получена двумя способами. Первый способ состоит в получении ЭМФ из простых веществ, т.е. из графита и металла, который мы хотим внести в фуллереновую оболочку, путем электродугового или лазерного испарения композитных графитовых электродов. Второй способ состоит во внедрении атома металла в уже готовую молекулу фуллерена - газовый метод синтеза, ионная имплантация.

Основным методом синтеза в макроскопических количествах в настоящее время служит электродуговой метод, разработанный В. Кретчмером и Д. Хаффманом [12]. В результате термического испарения материала графитового электрода в электрической дуге, в атмосфере Не, образуется сажа, содержащая до 25% фуллеренов, главным образом С60 и С70. Добавление в электрическую дугу небольшого количества паров металла приводит к образованию ЭМФ, содержание которых может достигать 1% от веса экстракта [2]. Наиболее простой способ введения паров металла – это использование композитных электродов содержащие металла или его соединениями. Содержание металла в электроде обычно не превышает нескольких атомных процентов. Наиболее эффективен этот метод для получения ЭМФ тех металлов, которые образуют карбиды или ацетилениды, т.е. металлов подгруппы кальция и подгруппы скандия. При этом установлено, что выход ЭМФ растет при введении в электрод карбидов металлов [13], а также, если богатый карбидами катодный осадок, образующийся при процессе дугового испарения композитного графитового стержня, периодически "дожигается" в результате смены полярности электродов.

ЭМФ могут быть выделены из сажи как сублимацией, так как и экстракцией, причем последняя процедура является на данный момент наиболее разработанной и вследствие чего и более продуктивной. Процесс экстракции основан на том, что ЭМФ растворимы в большинстве органических растворителей: толуол, бензол, о-ксилол, сероуглерод и др. Однако, поскольку процесс растворения очень медленный, целесообразно организовать непрерывный проток растворителя через сажу. Для этого экстракцию ЭМФ проводят с использованием аппарата Сокслета. Полученные экстракты затем разделяют на отдельные фракции методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [1, 9].

Процесс получения эндоэдрального фуллерена Cd@C82 включает в себя четыре важных этапа:

1) приготовление композитных графитовых электродов с гадолинием;

2) электродуговое испарение композитных графитовых электродов и получение сажи, содержащей фуллерены и ЭМФ;