Химики разочаровались в суперароматичности фуллерена C50

Структуры двух самых устойчивых изомеров C50. Верхняя обладает большей устойчивостью, чем нижняя, несмотря на шесть пар стыкующихся пятиугольников.

Изображение: Sanz Matías et al. / Phys. Chem. Chem. Phys., 2015,

Химики из Университета Лёвена (Бельгия) обнаружили, что фуллерен C50, несмотря на соответствие критерию суперароматичности, таковым не является. Однако авторы открыли другое свойство многогранного кластера углерода — в нем нарушается одно из эмпирических правил, гласящее, что чем меньше в структуре стыков между пятиугольными гранями, тем она устойчивее. К примеру, у его более известного родственника, фуллерена C60, нет ни одного такого стыка. Исследование опубликовано в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, кратко о нем рассказывает блог Королевского Химического общества.

Ароматичность — это особое электронное свойство некоторых органических (и не только) структур. Все электроны ароматичности в таких соединениях формируют общее кольцеобразное электронное облако, способное, например, экранировать фрагменты молекул от действия электромагнитных полей. Одним из важных проявлений ароматичности является высокая устойчивость таких соединений. Основные требования к структуре, чтобы назвать ее ароматичной, заключаются в следующем: она должна быть циклической, плоской, а количество π-электронов (лежащих выше и ниже кольца) должно быть равно (4N+2), где N - натуральное число.

В 2000 году были предложены аналогичные правила для суперароматических структур, представляющих собой сферические объекты. Согласно им, количество электронов в суперароматических структурах должно быть равно 2(N+1)2. Одним из проявлением суперароматичности может быть очень сильное экранирование атомов, помещенных внутрь таких решеток. 

Авторы новой работы с помощью компьютерных методов проанализировали электронное строение фуллеренов общей формулы C50 — каждый из атомов углерода в этой каркасной конструкции способен отдать по одному электрону в ароматическую структуру. Благодаря этому общее количество π-электронов соответствует правилу 2(N+1)2 — 50=2×(4+1)2. Однако вычисления показали, что в структурах наблюдается лишь частичная ароматичность.

Вместе с тем, даже такой частичной ароматичности достаточно, чтобы сделать устойчивыми структуры, противоречащие опыту химиков. Правило исключения примыкающих пятиугольников гласит, что среди всех возможных структур фуллеренов (для C50 их 271 штука) самыми устойчивыми будут те, в которых количество стыкующихся пятиугольников минимально. В ходе своей работы химики нашли первое исключение из этого правила — самым устойчивым оказался изомер, симметрия которого близка к симметрии треугольной призмы с усеченными вершинами, содержащий шесть «запрещенных» стыков, хотя возможно построение объектов и с пятью стыками. 

Химики отмечают, что суперароматичность остается пока неуловимым свойством, однако высказывают уверенность в том, что она существует. «Химики должны продолжать искать другие типы трехмерных каркасов, способных стать примером идеальной ароматичности» заключает Арнаут Кулеманс, соавтор работы.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.