科学:化学家预测“天然”富勒烯的结构

 作者:倪齑踺     |      日期:2017-09-07 05:02:12
作者:JIM BAGGOTT自从发现了含有60个碳原子的足球形分子巴克敏斯特富勒烯以来,化学家们一直在竞相制造更大的“富勒烯”然而,一旦发现新的富勒烯,确定其结构是困难的由自然界选择的独特“空心笼”形式可以是数千种不同可能结构中的一种现在,两位英国化学家已经制定了简单的规则来预测含有60多个碳原子的富勒烯的结构他们的预测允许其他化学家在实验室中制作出更全面的新成员英国埃克塞特大学的帕特里克·福勒和诺丁汉大学的David马诺洛波洛斯已经用简单的化学原理设计出一套规则来预测最稳定的,因此最有可能的,结构的任何数量的碳原子第一个要求是当碳原子键合在一起形成稳定的分子时,碳原子必须耗尽它们最外面的四个电子在富勒烯中,来自每个碳原子的三个电子用于与相邻原子的键合剩余的电子位于“轨道”中,该轨道垂直于笼状结构的表面轨道可以在所谓的pi分子轨道中重叠,其中电子在整个笼子上“离域”在20世纪30年代,理论家埃里希·哈克尔(Erich Huckel)开发了一种计算这类轨道相对能量的简单方法对Buckminsterfullerene或C60的Huckel计算证实,足球结构是1760种不同方式中最稳定的,其中60个碳原子可以组合形成单个笼形分子利用哈克尔理论作为指导,福勒发现大于C60的富勒烯可以分成三个“幻数”系列在第一个系列中,原子的数目,N,在其式为Cn笼状分子,由n = 60 + 6K,其中k可以是零或1除外福勒任何整数给出已配成这些“跨越”结构,因为有可能从含有三分之一碳原子的较小笼子中找出每一个结构必须使用几何结构,它在中间结构上“跳跃”(见图)另外两个系列对应于碳'圆柱',其中n = 70 + 30k且n = 84 + 36k,其中k为零或正整数福勒将这些简单的规则应用于84个碳原子的封闭笼中虽然它可能有超过3万个可能的结构,但他能够将这个数字减少到只有3个一种结构是碳柱(84 + 36k,k = 0),而另外两种是基于28原子笼的两种可能结构的蛙跳结构其中,一个对化学家特别感兴趣,因为它是“手性的”,这意味着它以不同的左手和右手形式存在,这些形式是彼此的镜像这些分子可用作“手性催化剂”,能够区分其他分子的左手和右手形式最近,加利福尼亚的化学家成功地分离出少量的C84他们的研究表明,自然界可能更喜欢手性结构,尽管也可能存在蛙跳结构他们正在进行进一步的实验以澄清图片然而,C78的情况更加清晰在22 822种不同的可能结构中,Fowler和Manolopoulos发现只有一种结构符合要求这是一个基于C26的蛙跳式结构化学家们希望实验家很快就​​会证实他们的预测虽然福勒的规则可以应用于适合神奇数字序列的富勒烯,但有一些,例如C76,却没有对于这种分子,有必要搜索所有可能的结构,以找出哪种是最稳定的 Manolopoulos开发了一个计算机程序来做到这一点该程序将每个可能的结构“打开”成五边形和六边形的螺旋形条带然后,使用哈克尔的理论,它计算其π分子轨道的相对能量 Manolopoulos通过排除任何具有相邻五边形的结构简化了任务其原因在于具有相邻五边形的笼状分子中的应变非常大以至于不能稳定 Manolopoulos将他的程序应用于C76,发现只有两个带有孤立五边形的结构是可能的他预测一个人是独一无二的这种结构也恰好是手性的它的存在最近得到了实验者的证实(New Scientist,Science,9月14日)化学家的成功让他们相信,他们的简单规则可以用来解开这些激动人心的新分子的几何奥秘他们现在正在研究更大的富勒烯的结构,