¿Cuáles son los peligros del químico C60?

En los últimos años, los científicos han descubierto que además del diamante y el grafito, existen algunas formas nuevas de carbono. La molécula C60 se descubrió anteriormente en su modelo molecular C60 y se han logrado importantes avances en la investigación. La molécula C60 es una molécula compuesta por 60 átomos de carbono. Parece una pelota de fútbol, ​​por eso también se le llama futboleno. C60 es una molécula estable formada por átomos de carbono unidos entre sí. Tiene 60 vértices y 32 caras, 12 de las cuales son pentágonos regulares y 20 son hexágonos regulares. Su masa molecular relativa es de aproximadamente 720. Los átomos de carbono en el vértice y los átomos de carbono en los vértices adyacentes se superponen para formar enlaces σ a través de orbitales híbridos sp2. Los tres enlaces σ de cada átomo de carbono son un pentágono y dos hexágonos respectivamente. Los tres enlaces σ de los átomos de carbono no son planos y los ángulos de enlace son aproximadamente 108 o 120, por lo que toda la molécula es esférica. Cada átomo de carbono se superpone con los orbitales p restantes para formar una estructura electrónica de capa cerrada que contiene 60 electrones π, por lo que la nube de electrones π está rodeada por dentro y por fuera de una jaula aproximadamente esférica. Los cálculos de orbitales moleculares muestran que el futboleno tiene una gran energía de deslocalización.

[Editar este párrafo] 2. Composición y estructura

El modelo a escala del club modelo C60 es un grupo de átomos de carbono. Tiene una composición definida, con 60 átomos de carbono que forman un edro de 32 como una pelota de fútbol, ​​incluidos 20 hexágonos y 12 pentágonos. Porque esta estructura fue propuesta por el arquitecto Buckminster Fuller. Fuller una vez diseñó estructuras arquitectónicas esféricas de capa delgada compuestas de hexágonos y pentágonos. Por lo tanto, los científicos llaman futboleno C60, también conocido como fullereno, porque el átomo de carbono en cada vértice del edro 32 está adyacente a otros tres átomos de carbono. Al igual que cada átomo de carbono en el anillo de benceno tiene hibridación sp2. Así como los orbitales P forman enlaces π en la parte superior e inferior del anillo, los átomos de carbono en cada vértice del alqueno del fútbol también cumplen con los requisitos para la hibridación sp2 (similar a los dos átomos de carbono sin átomos de hidrógeno en el anillo de naftaleno), y los orbitales P restantes forman enlaces π en la periferia y la cavidad interna de la molécula C60. Entonces C60 es un alqueno. Debido a que el C60 es un alótropo del grafito y el diamante, algunos científicos han pensado en utilizar grafito barato como materia prima para sintetizar C60. Otros piensan que contiene una estructura unitaria de anillo de benceno, y tal vez el benceno pueda usarse como materia prima para sintetizar C60. Estas ideas finalmente se hicieron realidad. Ahora puede utilizar 1000 g de benceno para preparar una mezcla de 3 g de C70 y C60 (la proporción entre los dos es 0,26 ~ 5,7). Debido a una inteligente coincidencia de la naturaleza, cuando estos 60 átomos de C están dispuestos en el espacio, forman la disposición espacial más estable de enlaces químicos, que coincide con la disposición de la red en la superficie del balón de fútbol.

[Editar este párrafo] 3. Descubrimiento e investigación

El descubrimiento de C540C60 se originó a partir de investigaciones en el campo de la astronomía. Al principio, los científicos se interesaron por el polvo de carbono, que se encuentra ampliamente distribuido en las estrellas. Los estudiosos han descubierto que las nubes negras de polvo de carbono interestelar contienen moléculas compuestas de átomos de cadena corta. Algunos estudiosos creen que dichas nubes son producidas por gigantes rojas de estrellas de carbono. Los astrónomos teóricos especulan que estos suelos polvorientos contienen partículas de carbono negro. Posteriormente, para aclarar la estructura molecular del carbono producido por las estrellas gigantes rojas, el británico Kruto confirmó que el polvo interestelar contiene varias moléculas de carbono. Hoffmann en Estados Unidos y Krach Moe en Alemania también crearon polvo similar en el universo. Lo compararon con el material negro que queda después de quemar carbón y descubrieron que el material vaporizado dejaba un rastro claro en experimentos de absorción ultravioleta, llamado "espectro de joroba". Posteriormente, Cole y Smalley de Estados Unidos y Cluto del Reino Unido explicaron las razones de este fenómeno y ganaron el Premio Nobel de Química. El C60 fue fabricado oficialmente en 1985 por Smalley de la Universidad Rice en Houston y Croteau del Reino Unido. Bombardearon grafito con un rayo láser de alta potencia para vaporizarlo y utilizaron gas helio con una presión de 1 MPa para generar ondas ultrasónicas. Los átomos de carbono vaporizados por el rayo láser se expandieron en el vacío a través de una pequeña boquilla y se enfriaron rápidamente para formar nuevos. moléculas de carbono, obteniendo así C60. La composición y estructura del C60 han sido confirmadas mediante espectrometría de masas, análisis de rayos X y otros experimentos. Además, también se han descubierto muchas moléculas similares al C60, como el C70. Además de C60, puede haber C28, C32, C50, C70, C84...C240, C540, etc. , llamados colectivamente fullerenos. Matemáticamente, la estructura del fullereno es un poliedro convexo compuesto de superficies pentagonales y hexagonales.

El fullereno más pequeño es el C20, que tiene una estructura dodecaédrica regular. Fullereno sin 22 vértices. Luego están C2n, n = 12, 13, 14 fullerenos. En algunos fullerenos pequeños existen estructuras pentagonales adyacentes. C60 es el primer fullereno sin pentágonos adyacentes, seguido por C70. Grupos de investigación de los departamentos de química y física de la Universidad de Pekín también desarrollaron moléculas C60. En la actualidad, la comprensión de la gente sobre la estructura y reacción de las moléculas de C60 se está profundizando y sus aplicaciones en ciencia de materiales, superconductores, etc. están en progreso.

[Editar este párrafo] ①Color y carácter:

A temperatura ambiente, el C60 es un cristal molecular sólido de color rojo púrpura con fluorescencia débil.

[Editar este párrafo] ②Tamaño molecular:

El diámetro de la molécula de C60 es de aproximadamente 7,1 Angstroms (1 Angstrom = 10 menos diez metros);

[ Editar este párrafo] ③Densidad:

¿La densidad del C60 es 1,68 g/cm? ;

[Editar este párrafo] ④Solubilidad:

El C60 es insoluble en disolventes altamente polares como el agua, pero soluble en n-hexano, benceno, disulfuro de carbono, tetracloruro de carbono y otros no -disolventes polares.

[Editar este párrafo] ⑤Conductividad:

C60 no conduce electricidad en circunstancias normales. Debido a que el C60 es lo suficientemente grande como para colocar otros átomos en él y afectar sus propiedades físicas, no conduce electricidad. Además, dado que el C60 tiene una gran cantidad de electrones libres, si en su interior quedan atrapados elementos radiactivos que pueden descomponerse en beta, su vida media puede verse afectada.

[Editar este párrafo] ⑥Propiedades químicas

1. Reacción redox: en condiciones de luz, el C60 reacciona con el O2 para formar un epóxido, C60O, pero este compuesto epoxi es inestable y puede reducirse a C60 cuando se separa con bauxita 2. Reacción de adición: se puede agregar hidrógeno o halógeno a C60. Hidrogenarlo completamente para obtener un pompón con la fórmula química C60H60 (los átomos de hidrógeno añadidos pueden ser C60 en la jaula o fuera de C60). Alkyl R puede reaccionar con C60 para formar un aducto RC60, y RC60 puede formar un enlace directo C60 y un dímero RC60-C60R en forma de mancuerna. Reacción con el metal: La reacción entre el C60 y el metal se puede dividir en dos situaciones: una es que el metal se coloca dentro de la jaula de carbono C60 y la otra es que el metal se encuentra fuera de la jaula de carbono C60: 1) C60) El complejo en el; Reacción de formación del compuesto de jaula de carbono C60. La jaula de carbono C60 es una estructura poliédrica hueca cerrada con un diámetro de cavidad interior de 7,1 angstroms, en la que se pueden incrustar átomos, iones o moléculas pequeñas para formar nuevos grupos de moléculas C60 AC60(A). Smalley y otros descubrieron que los metales que pueden reaccionar con C60 para formar C60(A) son: K, Na, Cs, La, Ba, Sr, U, Y, Ce, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, th, etc. Además de los metales, en la jaula de C60 también se pueden desplazar gases inertes como He y Ne y moléculas polares como LiF, LiCl y NaCl. 2) Reacción de enlace externo de la jaula de carbono C60. Ohno et al. descubrieron que los metales que pueden combinarse con C60 incluyen V, Fe, Co, Ni, Rh, Cu, La, Yb, Ag, etc.

[Editar este párrafo] ⑦Superconductividad:

En 1991, Hebard et al propusieron por primera vez que el C60 dopado con K tiene superconductividad y su temperatura de inicio superconductor es de 18 K. 12,8 K para el superconductor orgánico (Et)2Cu[N(CN)2]Cl. Pronto se preparó el superconductor Rb3C60, con una temperatura superconductora inicial de 29K. Los superconductores dopados con C60 han entrado en las filas de los superconductores de alta temperatura. Las investigaciones muestran que este tipo de material conduce corriente a través de agujeros en la red cristalina (similar a los semiconductores tipo P). Si se agregan otras moléculas (como el bromoformo) para alargar el espaciado de la red, su temperatura de transición de fase superconductora se puede aumentar de manera efectiva. 117K. Nuestro país también ha logrado grandes logros en este campo. La Universidad de Pekín y el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China colaboraron para sintetizar con éxito los superconductores K3C60 y Rb3C60, con temperaturas iniciales de 8K y 28K respectivamente. Algunos científicos predicen que si se dopan C240 ​​​​y C540, será posible sintetizar superconductores con una temperatura de inicio de superconducción más alta.

[Editar este párrafo] 8 Magnetismo:

Allemand et al. agregaron un exceso de tetrakis(dimetilamino)etileno (TDAE) orgánico donador de electrones a la solución de tolueno de C60 para obtener C60 Se ha demostrado mediante estudios magnéticos que el precipitado microcristalino negro de (TDAE)C0.86 es un material ferromagnético blando sin metales. La temperatura de Curie es de 16,1 K, que es más alta que la de otros ferromagnetos moleculares orgánicos informados hasta ahora. Dado que los ferroimanes orgánicos tienen un importante valor de aplicación en materiales con memoria magnética, es de gran importancia investigar y desarrollar ferroimanes orgánicos C60, especialmente imanes que utilizan materiales de carbono baratos para reemplazar los costosos imanes metálicos.

[Editar este párrafo] 9 Otras propiedades y usos:

1. Se utiliza para fortalecer metales: La resistencia de los materiales metálicos se puede mejorar mediante aleaciones, deformación plástica y tratamiento térmico. Una de las formas de fortalecimiento es mediante interacción geométrica. Por ejemplo, el carbono del coque se dispersa en el metal. El carbono y el metal intercambian posiciones en la red cristalina, lo que puede provocar la deformación plástica del metal y formar partículas de carburo. Puede fortalecer el metal. En términos de materiales metálicos de refuerzo, el C60 desempeñará un mejor papel que el carbono en el coque porque las partículas de C60 son más pequeñas y más activas que el carbono. El tamaño de partícula de la dispersión de carburo producida por la interacción entre C60 y metal es de 0,7 nm, mientras que el tamaño de partícula de la dispersión de carburo producida por la interacción entre carbono y metal es de 2 micras a 5 micras, lo cual es bastante diferente entre los metales reforzados. 2: Después del descubrimiento del C60 como nuevo catalizador, los químicos comenzaron a explorar la posibilidad de utilizar el C60 como catalizador. C60 tiene la estructura electrónica de un alqueno y puede formar una serie de complejos con metales de transición (como los metales del grupo del platino y el níquel). Por ejemplo, el C60 se puede combinar con platino y osmio para formar compuestos de coordinación, como {[(C2H5)3P]2Pt}C60 y C60OsO4 (tetraterc-butilpiridina), que pueden convertirse en catalizadores eficaces. Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Toyohashi en Japón sintetizaron un compuesto altamente catalítico de paladio y C60, C60Pd6. Investigadores de la Universidad de Wuhan en China sintetizaron Pt(PPh3)2C60 (PPh3 es trifenilfosfina), que tiene una alta actividad catalítica para reacciones de hidrosililación. En tercer lugar, para el almacenamiento de gas: el C60 utiliza su estructura molecular única para servir como un nuevo material absorbente de hidrógeno que es más eficaz que los metales y sus aleaciones. Hay 30 dobles enlaces carbono-carbono en cada molécula de C60, por lo que el hidrógeno se puede absorber abriendo los dobles enlaces en la molécula de C60. Los hidruros C60 estables actuales incluyen C60H24, C60H36 y C60H48. En condiciones controladas de temperatura y presión, el hidruro de C60 puede prepararse simplemente a partir de C60 e hidrógeno y es muy estable a temperatura ambiente. A 80°C ~ 215°C, el hidruro C60 libera hidrógeno, dejando C60 puro, que puede reciclarse 100 veces y usarse nuevamente para preparar hidruro C60. En comparación con los materiales de almacenamiento de hidrógeno de metales o sus aleaciones, la ventaja de utilizar C60 para el almacenamiento de hidrógeno es que el precio es más bajo y el C60 es más liviano que los metales y sus aleaciones. Por tanto, para la misma masa de material, el C60 almacena más hidrógeno que los metales o sus aleaciones. El C60 puede almacenar no sólo hidrógeno, sino también oxígeno. En comparación con el cilindro de alta presión, la presión del cilindro de alta presión es 3,9 × 106 Pa, que es un método de almacenamiento de oxígeno a alta presión, mientras que la presión de almacenamiento de oxígeno C60 es solo 2,3 × 105 Pa, que es un método de baja presión. método de almacenamiento de oxígeno. El uso de C60 para almacenar grandes cantidades de oxígeno a baja presión tendrá muchos usos en el sector médico, el sector militar e incluso el sector comercial. 4. Utilizado en la fabricación de materiales ópticos: debido a la estructura tridimensional del yugo de electrones altamente no localizado, las moléculas de C60 tienen buenas propiedades ópticas y no lineales. Debido a su confinamiento óptico, se puede utilizar como limitador óptico en aplicaciones prácticas. C60 también tiene las características de un gran coeficiente óptico no lineal y alta estabilidad, lo que lo hace de gran valor para la investigación como un nuevo tipo de material óptico no lineal y se espera que se aplique en computación óptica, almacenamiento óptico, procesamiento y control de señales ópticas, etc. Otros han estudiado la respuesta de duplicación de frecuencia y el fenómeno de fluorescencia de los compuestos C60, y se han desarrollado con éxito interruptores fotoeléctricos y vidrios ópticos basados ​​en las propiedades de fotoconductividad del C60. La película LB multicapa de ácido araquídico C60 preparada mezclando C60 y ácido araquídico tiene efectos de acumulación y grabación de luz. La limitación de la luz también tiene implicaciones importantes para la protección ocular: el C60 reduce las propiedades de transmisión de los materiales ópticos al aumentar la intensidad de la luz incidente.

Basándose en las limitaciones ópticas del C60, se puede desarrollar un producto limitador de luz que solo permita el paso de luz por debajo del umbral de sensibilización (es decir, por debajo del umbral de peligro para los ojos), protegiendo así al ojo humano de daños causados ​​por luz fuerte. 5. Se utiliza para fabricar materiales poliméricos: debido a la estructura especial de la jaula y la función del C60, el C60 se introduce en el sistema polimérico como un nuevo grupo funcional para obtener un nuevo material polimérico funcional con excelente conductividad y propiedades ópticas. En principio, el C60 puede ser atraído por la cadena principal o las cadenas laterales de los polímeros, o mezclado con otros polímeros. Nagashima et al. informaron sobre el primer polímero orgánico C60, C60Pdn, y estudiaron teórica y experimentalmente su rendimiento catalítico para la hidrogenación de difenilacetileno. Y. Wany informó sobre la infiltración de mezclas C60/C70 en el material polimérico emisor de luz polivinilcarbazol (PVK) para obtener un nuevo fotoconductor polimérico con propiedades fotoconductoras comparables a algunos de los mejores. Este material fotoconductor se utiliza ampliamente en xerografía, imágenes electrostáticas y detección de luz. Se espera que el C60 dopado con polimetilmetacrilato (PMMA) se convierta en un material limitante óptico. Además, también se ha informado del comportamiento óptico biestable del poliestireno dopado con C60. 6. Aplicaciones biológicas y médicas: 1) Se utiliza para fabricar materiales bioactivos: Nelson et al. informaron que el C60 tiene una posible toxicidad tumoral en la epidermis de los ratones de campo. Bayer et al. creen que existe una interacción entre el C60 y el anión superóxido. 1993 Friedman et al predijeron teóricamente que ciertos derivados de C60 tendrían el efecto de inhibir la actividad de la proteasa de inmunodeficiencia humana del VIH. La clave para la investigación del SIDA es inhibir eficazmente la actividad del VIH. Científicos japoneses han informado que un derivado carboxílico C60 soluble en agua tiene las propiedades de inhibir el crecimiento de células tóxicas y escindir el ADN bajo irradiación de luz visible, lo que abre amplias perspectivas para la aplicación de derivados C60 en terapia fotodinámica. Toniolo et al. informaron en 1994 sobre un derivado del polipéptido C60 soluble en agua que puede tener aplicaciones potenciales en la quimiotaxis de monocitos humanos y la inhibición de la proteasa del VIH-1. Huang Wendong y otros prepararon liposomas C60 solubles en agua y descubrieron que tiene un fuerte efecto letal sobre las células cancerosas. Científicos de la provincia china de Taiwán informaron que el fullereno, derivado del polihidroxi C60, tiene el efecto de fagocitosis de los radicales libres del anión superóxido producidos por la xantina oxidasa, y también tiene excelentes efectos eliminadores de los radicales libres de hidroxilo extremadamente destructivos. Utilizando las propiedades antirradiación de las moléculas C60, la inyección de elementos radiactivos en partes cancerosas de la jaula de carbono puede mejorar la eficacia de la radioterapia y reducir los efectos secundarios. 2) Efecto letal sobre las células cancerosas: el C60 produce un alto nivel de oxígeno singlete después de ser estimulado por la luz. El oxígeno singlete tiene una relación importante con las funciones fisiológicas y bioquímicas, el daño tisular, los tumores y la tecnología de fototerapia. Cuando la intensidad del láser C60 alcanza 4000lx, casi el 100% de las células cancerosas morirán bajo la acción del oxígeno singlete. Por lo tanto, estructuras importantes de las células cancerosas, como la membrana plasmática, el retículo endoplásmico mitocondrial y la membrana nuclear, pueden destruirse eficazmente, provocando daños. a las células cancerosas e incluso morir. Otro estudio señaló que los anticuerpos de las células tumorales se pueden unir a las moléculas C60 y luego las moléculas C60 con anticuerpos se pueden introducir en los tumores, lo que también puede lograr el propósito de matar las células tumorales. 3) Otros efectos médicos: los derivados de C60 tienen el efecto de inhibir la actividad de la proteasa de inmunodeficiencia humana. La proteasa de inmunodeficiencia humana es el virus que causa el SIDA. Por lo tanto, los derivados del C60 pueden desempeñar un papel en la investigación sobre la prevención y el tratamiento del SIDA. C60 también es adecuado como eliminador de radicales libres y antioxidante soluble en agua en sistemas biológicos. Los radicales libres son sustancias nocivas que pueden provocar algunas enfermedades e incluso tumores. Se espera que el C60 reduzca la concentración de radicales libres en la sangre de los pacientes e inhiba el crecimiento de células deformadas y enfermas. Otros usos: C60F60 es un derivado de C60, comúnmente conocido como politetrafluoroetileno. Puede usarse como "bola molecular" y "lubricante molecular" y desempeña un papel importante en el desarrollo de alta tecnología. Incrustar átomos de litio en jaulas de carbono podría dar lugar a baterías de litio de alto rendimiento. Se espera que el europio, elemento humano de tierras raras incrustado en una jaula de carbono, se convierta en un nuevo material luminiscente de tierras raras. Se espera que los derivados C60 solubles en agua del gadolinio se conviertan en un nuevo agente de contraste para resonancia magnética. El C60 se puede convertir en diamante bajo alta presión, abriendo una nueva fuente de diamante. El C60 y sus derivados pueden convertirse en nuevos catalizadores y nuevos cables moleculares a nanoescala, pajitas moleculares y materiales compuestos reforzados con bigotes.

Los complejos huésped-huésped solubles en agua formados por C60, ciclodextrina e hidrocarburos aromáticos policíclicos desempeñarán un papel importante en la química supramolecular y la química biomimética. Dado que la película C60 se puede utilizar como material base para fabricar condensadores combinados con forma de diente, los sensores químicos fabricados con película C60 tienen las ventajas de un tamaño más pequeño, simplicidad, reproducibilidad y precio más bajo que los sensores tradicionales, y pueden convertirse en un candidato atractivo para sensores. . producto. Los fullerenos también tienen propiedades de memoria y pueden usarse como materiales de memoria.

[Editar este párrafo]Participa] ⑩La denominación del C60

Klosso y otros lograron delinear la estructura molecular del C60, y la inspiración del fullereno jugó un papel clave. Por ello, recomendaron por unanimidad añadir un sufijo -eno antes del nombre de Buckminster Fuller para nombrar al C60 y su serie de grupos de carbono, llamados Buckminsterfullereno, o denominado fullereno. ¿Por qué añadir el sufijo -ene después de Fuller? Esto se debe a que las moléculas de C60, como el benceno y sus derivados, tienen una estructura aromática y son insaturadas. En inglés, los nombres de los compuestos insaturados suelen tener el sufijo -eno, de ahí nació el nombre de fullereno. En la traducción china, los compuestos con el sufijo -ene a menudo se traducen como ene, por lo que la traducción china de fullereno es fullereno. Debido a que la forma y estructura de la molécula C60 es similar a la del fútbol británico, también se le llama Soccerene (también con el sufijo -ene), y la traducción china es "Soccerene". Otros lo llamaron Buckyball usando el prefijo Buck (Buckminster) del nombre de Fuller, que se traduce como "Buck Ball" en chino. Llamar alquenos al C60 y su serie de grupos de carbono es controvertido en el campo de la química, porque según los principios de denominación de los sistemas de química orgánica, los alquenos representan hidrocarburos con dobles enlaces, mientras que el C60 y su serie de grupos de carbono son un elemento compuesto enteramente de carbono. átomos, no un compuesto, y ciertamente no un alqueno. Por lo tanto, algunos químicos no están de acuerdo con el uso del nombre fullereno. Sin embargo, siempre ha existido la costumbre de respetar las convenciones al nombrar. Quizás el nombre fullereno no sea razonable y pueda discutirse en detalle, pero debido a la convención, el nombre fullereno todavía se usa en libros y literatura. Algunas personas han sugerido que el C60 y su serie de grupos de carbono se denominen "carbono esférico" porque son moléculas esféricas compuestas de elementos de carbono. Algunas personas sugieren llamarlos “carbonos de jaula” porque son moléculas de jaula huecas, también sugieren combinar “fullereno”, “carbono de jaula” y “completo” en uno solo, llamado “fullereno”, “carbono de jaula de fullereno”. En resumen, la denominación del C60 y su serie de clusters de carbono es realmente un tema de debate entre cien escuelas de pensamiento, pero hasta el momento no existe un nombre que satisfaga a todos.