Химики разочаровались в суперароматичности фуллерена C50

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.