Carbyne er en allotrop form for kulstof baseret på sp-hybridisering af kulstofatomer . Består af kulstoffragmenter med en tredobbelt –C≡C–C≡C– eller dobbeltkumuleret =C=C=C=C= binding. Kan være lineære eller danne cykliske strukturer.
Carbin er et sort finkornet pulver (densitet 1,9÷2 g/cm³). Opnået under kunstige forhold fra lange kæder af kulstofatomer lagt parallelt med hinanden. Carbyne er en lineær polymer af kulstof. I et karbinmolekyle er carbonatomer forbundet i kæder enten skiftevis med tripel- og enkeltbindinger (polyynstruktur) eller permanent med dobbeltbindinger (polycumulenstruktur). Dette stof blev først opnået af de sovjetiske kemikere Yu.P. Kudryavtsev , A.M. Sladkov , V.I. Carbin har halvlederegenskaber , og under påvirkning af lys øges dens ledningsevne meget. Den første praktiske anvendelse er baseret på denne egenskabsindbyggede fotoceller .
Spørgsmålet om muligheden for eksistensen af former for carbon med sp-hybridisering af atomer er gentagne gange blevet overvejet teoretisk. Tilbage i 1885 forsøgte den tyske kemiker Adolf Bayer at syntetisere kædekulstof fra acetylenderivater ved hjælp af en trinvis metode. Bayers forsøg på at opnå polyyn (en forbindelse indeholdende mindst tre isolerede eller konjugerede C≡C-bindinger i et molekyle) var imidlertid mislykket, han opnåede et kulbrinte bestående af fire acetylenmolekyler forbundet i en kæde, og som viste sig at være ekstremt ustabilt . Ustabiliteten af de lavere polyyner tjente som grundlag for Bayers skabelse af stressteorien, hvori han postulerede umuligheden af at opnå kædekulstof. Videnskabsmandens autoritet afkølede forskeres interesse for syntesen af polyiner, og arbejdet i denne retning ophørte i lang tid.
Den endimensionelle (lineære) form for kulstof har længe været det manglende led i kulstofs allotropi . En vigtig stimulans for genoptagelsen af arbejdet på dette område var opdagelsen i 1930'erne af repræsentanter for polyacetylen-serien i naturen. I nogle planter og lavere svampe blev der fundet forbindelser af polyyn-serien indeholdende op til fem konjugerede acetylengrupper. Aleksei Mikhailovich Sladkov og Yury Pavlovich Kudryavtsev, kemikere fra INEOS Laboratory of Macromolecular Compounds, var blandt de første til at vove at udfordre deres forgængeres autoritet [3] . Deres arbejde førte til opdagelsen af en ny lineær allotropisk form for kulstof.
I 1959-1960 udførte INEOS Laboratory of Macromolecular Compounds, ledet af akademiker Korshak, systematiske undersøgelser af den oxidative koblingsreaktion af diacetyleniske forbindelser. Det blev fundet, at i nærværelse af divalente kobbersalte kan denne reaktion udføres med alle diacetylenforbindelser med dannelse af polymerer , hvis elementære led bevarer carbonskelettet af den oprindelige diacetylen. I dette tilfælde dannes først polymere polyacetylenider Cu(I). Denne variant af den oxidative koblingsreaktion er blevet kaldt oxidativ dehydropolykondensation . Forskere foreslog, at acetylen også kunne bruges som en monomer til en sådan polykondensation. Når acetylen blev ledt ind i en vandig ammoniakopløsning af et Cu(II)-salt, dannedes der hurtigt et sort præcipitat. Det var denne vej, der førte A. M. Sladkov, Yu. P. Kudryavtsev, V. V. Korshak og V. I. Kasatochkin til opdagelsen af en lineær form for kulstof, som blev kaldt " karabin ".
Ifølge karabinens opdagere var det sværeste for dem at bestemme, hvilken slags bindinger kulstofatomerne er forbundet i en kæde. Disse kunne være skiftende enkelt- og tredobbeltbindinger (-C≡C-C≡C-), kun dobbeltbindinger (=C=C=C=C=), eller begge på samme tid. Kun få år senere var det muligt at bevise, at der ikke er nogen dobbeltbindinger i den resulterende karabin. Polyynstrukturen af kæderne blev bekræftet af dannelsen af oxalsyre ved ozonering af karbin.
Teorien tillod imidlertid eksistensen af en lineær carbonpolymer med kun dobbeltbindinger, som blev opnået i 1968 af V.P. Nepochatykh: modsyntese (ved reduktion af polymerglykol ) førte til dannelsen af en lineær carbonpolymer med cumulenbindinger , som var kaldet polycumulen. Bevis for tilstedeværelsen af dobbeltbindinger i det resulterende stof var det faktum, at når polycumulen ozoneres, opnås kun kuldioxid .
Så der blev opnået to former for lineært carbon: polyyn (-C≡C-) n eller α-carbin og polycumulen (=C=C=) n eller β-carbin. Forfatterne af opdagelsen udførte en detaljeret undersøgelse af strukturen af karabin ved forskellige metoder, studerede dens termodynamiske og elektrofysiske egenskaber.
Der er flere rapporter om fund af karabinholdige kulstofstoffer lavet af A.G. Whittaker i Ceylon grafit og grafit fra forskellige amerikanske stater [4] , V.I. Kasatochkin i naturlig diamant, F.J. Ratingr i grafitten i Sri Lanka, GV Vdovykin i meteoritten [5] .
Detaljerede metoder til opnåelse af, fysiske og kemiske egenskaber af karbin og dens anvendelse er beskrevet i en række værker af Yu. P. Kudryavtsev, S. E. Evsyukov, M. B. Guseva, V. G. Babaev, T. G. Shumilova [6] [7 ] [8] [9 ] ] .
Ifølge nogle forskere er der endnu ikke opnået utvetydige og strenge beviser for identiteten af carbyne og dens struktur, mens andre forfattere tværtimod mener, at sådanne beviser eksisterer. Diskussionen om eksistensen af karabin skyldes i høj grad, at dens diagnostik har en række tekniske vanskeligheder, da ved brug af højenergimetoder er overgangen af karabin til andre former for kulstof mulig. Derudover var ideer om karabinens struktur ufuldkomne i lang tid. Forfatterne til opdagelsen af karabin foreslog en model af dens krystalstruktur i form af et sæt kæder af typen cumulen eller polyyn, pakket ind i krystaller på grund af van der Waals-kræfter . Kæderne blev antaget at være lige, da hvert carbonatom er i sp-hybridiseringstilstanden.
Faktisk er det nu blevet fastslået, at strukturen af karbin er dannet af carbonatomer samlet i kæder af dobbeltbindinger (β-carbin) eller skiftende enkelt- og tripelbindinger (α-carbin). Polymerkæder har kemisk aktive ender (dvs. de bærer en lokaliseret negativ ladning) og bøjer med kædetomrum, hvor kæderne er forbundet med hinanden ved overlappende π-orbitaler af carbonatomer. Vigtigt for dannelsen af tværbindinger er tilstedeværelsen af metalurenheder såsom jern , kalium . Overbevisende bevis for tilstedeværelsen af zigzags i en lineær kulstofkæde blev opnået i Korshaks teoretiske arbejde: resultaterne af hans beregning er i god overensstemmelse med IR-spektret af karabin.
Baseret på resultaterne af yderligere undersøgelser af strukturen af krystallinsk karbin blev en model af dens enhedscelle foreslået. Ifølge denne model er enhedscellen af carbyne sammensat af parallelle kulstofkæder med zigzag, på grund af hvilke cellen er to-lags. Tykkelsen af et lag er en kæde af seks kulstofatomer. I det nederste lag er kæderne tæt pakket og placeret i midten og i hjørnerne af sekskanten , mens der i det øverste lag ikke er nogen central kæde, og urenhedsatomer kan være placeret i den resulterende tomhed. Det er muligt, at de er katalysatorer for krystallisation af carbyn. En sådan model giver nøglen til at afsløre fænomenet carbyn og forklarer, i hvilken konfiguration et generelt ustabilt sæt lineære kulstofkæder kan stabiliseres.
| Allotropi af kulstof | |
|---|---|
| sp 3 | |
| sp 2 | |
| sp | Karabin |
| blandet sp 3 /sp 2 | |
| Andet | |
| hypotetisk |
|
| relaterede | |