Исследователи из Китая получили новый экзотический класс фуллеренов, в которых друг с другом последовательно конденсировано три пятиугольника, состоящих из атомов углерода.

В отличие от классических бакминстерфуллеренов (C₆₀), похожих на футбольный мяч, новые соединения характеризуются необычной яйцеобразной формой. Исследователи надеются, что новые структуры помогут выяснить некоторые до настоящего неизвестные особенности строения каркасных производных углерода.

Cтроение производного C₆₆Cl₆

В структуре фуллеренов, каркасных производных углерода, обычно можно выделить двенадцать пятиугольников и различное количество шестиугольников. Ранее было известно, что для стабильного состояния каждый пятиугольник фуллерена должен быть окружен шестиугольниками – эта закономерность известна как «правило изолированных пятиугольников» [«isolated pentagon rule» (IPR)].

Патрик Фаулер (Patrick Fowler), специалист по фуллеренам из Университета Шеффилда (University of Sheffield) отмечает, что правило изолированных пятиугольников является важным способом оценки устойчивости нейтральных фуллеренов – каждая пара соседних пятиугольников понижает стабильность фуллерена на 100 кДж/моль. Тем не менее, он отмечает, что правило не абсолютно – введение в структуру фуллерена ионов металлов или функционализация атомов углерода меняет общее количество электронов в единой ароматической системе фуллерена, способствуя возможности формирования структур нового типа.

Именно модификация атомов углерода хлором и позволила исследователям понизить энергию дестабилизации, вызванной соседством пятиугольников. Химики из Университета Сяньмынь испаряли графит в дуговом электрическом разряде в присутствии тетрахлорметана (CCl₄), ежечасно получая около 3 грамм сажи с высоким содержанием фуллеренов. Полученную смесь тщательно очищали и разделяли в несколько этапов с помощью жидкостной хроматографии.

Исследователям удалось идентифицировать четыре новых типа фуллеренов: C₅₄Cl₈, содержащего два набора трех последовательно конденсированных пятиугольников; C₅₆Cl₁₂, содержащего один набор трех последовательно конденсированных пятиугольников и два набора и два набора двойных конденсированных пятиугольника, а также двух фуллеренов большей молекулярной массы – C₆₆Cl₆ и C₆₆Cl₁₀, каждый из которых содержит по одному набору трех последовательно конденсированных пятиугольников. Химики из Сянмыня отмечают, что хотя возможность существование трех последовательно конденсированных пятиугольников в структуре фуллерена предсказывалось ранее, но до настоящего времени не было экспериментально подтверждено.

Комментируя работу коллег из Шанхая, Фаулер отмечает, что она является наглядной демонстрацией того, как изменение свойств π-системы фуллеренов можно получить каркасные структуры, существование в которых соседствующих пятиугольников даже увеличивает стабильность полученных фуллеренов. По словам Фаулера, особенно замечательно то, что новые структуры можно получить в количествах, достаточных для изучения.

Исследователи надеются, что их открытие позволит глубже понять неизвестный пока механизм, в соответствии с которым фуллерены образуются при испарении графита. Одним из ключей к его пониманию может являться особенность взаимодействия атомов хлора со специфическими атомами углерода на поверхности фуллеренового «шарика», причем не всегда с теми, с которыми этого взаимодействия можно было ожидать.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Chemistry.