Fulleren

C60.jpg | fussball.jpg Mit Fulleren (Pl.: Fullerene) wird ein sphärisches Molekül aus Kohlenstoffatomen ( $C_{2n}$ ) bezeichnet, das die dritte Element-Modifikation des Kohlenstoffs (neben Diamant und Graphit) darstellen. Die erste Veröffentlichung zu Fullerenen erfolgte am 14. November 1985 in der Zeitschrift Nature. (HW Kroto, JR Heath, SC O’Brien, RF Curl, RE Smalley, Nature 318, 162 - 163 (14 November 1985); Dafür bekamen Robert F. Curl jr. (USA), Sir Harold W. Kroto (England) und Richard E. Smalley (USA) 1996 den Nobelpreis für Chemie. Die bekanntesten und stabilsten Vertreter haben die Summenformeln $C_{60}$ , $C_{70}$ , $C_{76}$ , $C_{80}$ , $C_{82}$ , $C_{84}$ , $C_{86}$ , $C_{90}$ , $C_{94}$ . Das mit Abstand am besten erforschte ist $C_{60}$ , das zu Ehren des Architekten Buckminster Fuller Buckminster-Fulleren genannt wurde, da es den von ihm konstruierten geodätischen Kuppeln ähnelt. Es besteht aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken, die zusammen ein abgestumpftes Ikosaeder (Archimedischer Körper) bilden. Da ein Fußball die gleiche Struktur hat, wird es auch Fußballmolekül (oder auf Englisch Bucky Ball) genannt.

Herstellung

Graphit wird unter reduziertem Druck in Schutzgasatmosphäre mit einer Widerstandsheizung oder am Lichtbogen verdampft. Dabei entstehen Kohlenstoffcluster wie

C_2

C_4

und

C_6

die bei Abkühlung wieder zu größeren Einheiten zusammentreten. Dabei ist C₆₀ die am häufigsten auftretende Form, daneben findet man auch C₇₀und höhere Fullerene. Im Ruß, der nach Abkühlung zurückbleibt, werden die Fullerene, aber auch Kohlenstoff-Nanoröhren gefunden. Durch Chromatographie können die Bestandteile des Rußes aufgetrennt und die Fullerene isoliert werden.

Eigenschaften

Die Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in organischen Lösungsmitteln unter charakteristischer Färbung. An der Luft zersetzen sich die Fullerene langsam unter Bildung von Graphit. Fullerene sublimieren bei ca. 400°C. C60-Fulleren-kristallin.JPG

Struktur und Stabilität

Fullerengitter_einfach.png

Alle bekannten Fullerene bestehen aus 12 Fünfecken, die von einer unterschiedlichen Anzahl an Sechsecken umgeben sind. Durch die Unmöglichkeit, eine Ebene mit Fünfecken vollständig zu bedecken, ergibt sich die sphärische Wölbung (Bild 3).

$C_{60}$ hat Ikosaeder-Symmetrie. Die Fullerene mit mehr als 60 C-Atomen weichen zwangsläufig von der Kugelform ab, $C_{70}$ etwa ist ein Ellipsoid.

Die Stabilität eines Fullerens ist dann am größten,

wenn die Fünfecke nicht aneinander grenzen, sondern nur von Sechsecken umgeben sind (Fünfeckregel),
wenn der aromatische Charakter ausgeprägt ist (siehe Aromatizität),
und/oder (?) wenn es eine magische Zahl (60,70,76 usw.) an C-Atomen besitzt

Reaktionen von $C_{60}$

Fullerene bieten drei Ansatzpunkte für chemische Modifikationen. Durch Additionsreaktionen an die ungesättigten Valenzen erhält man exohedrale Addukte. Das Ersetzen von Kohlenstoffatomen aus der Käfighülle durch z.B. Stickstoffatome zum

C_{59}N

bezeichnet man als substitutionelles Doping. Schließlich bieten Käfigstrukturen noch die Möglichkeit, Atome oder Verbindungen in den Hohlraum einzubringen. Verbindungen dieser Art bezeichnet man als endohedrale Komplexe. Zur Kennzeichnung endohedraler Komplexe hat sich in der Literatur die Schreibweise X@

C_{n}

durchgesetzt, bei der sich ein Atom oder Cluster X im Inneren eines Fullerenkäfig aus

n

-Kohlenstoffatomen befindet.

$C_{60}$ besitzt einen Hohlraum mit einem Durchmesser von 700 pm, in den Metall- und Nichtmetallatome eingelagert werden können. Ein Beispiel ist die Einlagerungsverbindung des Heliums, die mit der Notation He@ $C_{60}$ korrekt bezeichnet wird. He@ $C_{60}$ wird erhalten, wenn Graphit in einer Helium-Atmosphäre verdampft wird.

Weiterhin kann $C_{60}$ die für Aromaten aber auch Alkene typischen Reaktionen wie Hydrierung, Halogenierung, Ozonolyse und Birch-Reduktion eingehen. Jedoch findet in der Regel keine vollständige Umsetzung aller Doppelbindungen statt; nur mit Fluor kann die Zusammensetzung $C_{60}F_{60}$ erreicht werden.

Weitere interessante Verbindungen sind die ionischen Alkalimetall-Fulleride: $C_{60}$ kann mit Natrium und Kalium reduziert werden. Dabei entstehen Verbindungen der Zusammensetzung $MC_{60}$ , $M_2C_{60}$ und $M_3C_{60}$ (M = Na, K). $KC_{60}$ kristallisiert im Natriumchlorid-Gitter. In $K_3C_{60}$ liegt das $C_{60}\!^{3-}$ -Anion vor und bildet eine kubisch-dichteste Kugelpackung; $K^+$ ist in die Tetraeder- und Oktaeder-Lücken eingebaut. $K_3C_{60}$ ist ein Hochtemperatur-Supraleiter.

In der Gruppe von Anton Zeilinger an der Universität Wien (siehe Weblink ) wurde die Interferenz von $C_{60}$ -Molekülen am Gitter beobachtet. Damit wurden die von Louis de Broglie postulierten Materiewellen auch für relativ makroskopische Objekte gezeigt.

Die Nanopartikel stellen Gefahren für die Umwelt dar, die zum Teil noch nicht erforscht sind. Nachgewiesen wurden folgende Auswirkungen:

Wasserflöhe sterben nach dem Kontakt mit Buckyballs.
Fische bekommen nach dem Kontakt Gehirnstörungen.

Weblinks

Literatur

Joachim Dettmann: Fullerene - Die Buckyballs erobern die Chemie. Birkhäuser Verlag, Basel/Boston/Berlin, 1994

Andreas Hirsch, Michael Brettreich: Fullerenes-Chemistry and Reactions, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.

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