Метан в фуллерене

Исследователи из Саутгемптонского университета впервые получили фуллерен C₆₀, в полость которого заключена молекула метана. Так метан стал первой органической молекулой, которую удалось замуровать в самом известном фуллерене C₆₀ («Angew. Chem.», Int. Ed. 2019, 58, 15, 5038-5043; doi: 10.1002/anie.201900983, полный текст).

После открытия фуллерена C₆₀ в 1985 году стало ясно, что его практически идеально сферическая внутренняя полость диаметром 3,7 Å позволяет изолировать отдельные атомы. С той поры соединения включения (эндоэдральные фуллерены), в которых молекулы или атомы находятся в клетке фуллерена, стали объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. Их формулу принято записывать как A@C₆₀, где А — частица, заключенная в полости полимера.

Исследователи уже получили такие эндоэдральные фуллерены, как Н₂@C₆₀ и Н₂О@C₆₀: они сформировали в фуллерене отверстие, ввели через него молекулы водорода и воды, а потом закрыли «вход». Чем больше молекула, тем большее отверстие для нее нужно.

Руководитель исследования Ричард Уитби отмечает, что в принципе несложно сделать дыры в фуллерене и поместить внутрь него нужные молекулы. Самое сложное — закрыть отверстие и не дать молекуле покинуть полость. Команда Уитби решила эту задачу. Сначала исследователи из группы Уитби получили клетку фуллерена C60 с относительно большим входным отверстием — это семнадцатичленный цикл с серой. В такие фуллерены с открытой дверью с помощью большого давления вогнали молекулы метана, а затем дверь закрыли, в несколько стадий превратив семнадцатичленный цикл в обычный цикл фуллерена С₆₀. На ключевой стадии исследователи применили фотохимическую реакцию, протекающую с выделением оксида серы. Полученный таким образом эндоэдральный фуллерен уже не содержал в структуре иных атомов, кроме атома углерода.

В сравнении с пустым фуллереном клетка нового соединения включения искажена, и его внутренняя полость уже не близка к идеальной сфере. Вероятно, такое искажение вызвано хаотическим движением молекулы метана и его ударами о стенки фуллерена. Данные фотоэлектронной спектроскопии показывают, что заточённая молекула метана ведет себя почти столь же свободно, как и метан в газовой фазе. Это подтверждает тот факт, что между метаном и клеткой фуллерена не формируются ни химические, ни прочные межмолекулярные взаимодействия.

Синтез CH₄@C₆₀ открывает эру новых эндофуллеренов с большими по размеру гостями. В перспективе группа Уитби планирует получить эндофуллерены, в полостях которых будут заключены молекулы аммиака и кислорода.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 5/2019) на с. 18.