JPWO2010023968A1 - Isolated endohedral fullerenes and salts - Google Patents
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Abstract
単離されたM@C2nを得ること。M@C2nで表される単離された内包フラーレン。M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団2n=60又は70ポジティブモードでのレーザー脱離イオン化飛行時間型質量スペクトル(以下「LDI(またはLD)-TOF-MS」という。)において内包フラーレンのピーク強度に対する他のフラーレンのピーク強度が0.5%以下である下記式で表される内包フラーレン。M@C2nM:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団2n=60又は70Obtain isolated M @ C2n. An isolated endohedral fullerene represented by M @ C2n. M: In a laser desorption ionization time-of-flight mass spectrum (hereinafter referred to as “LDI (or LD) -TOF-MS”) in a single mode or a plurality of metal atoms or an atomic group containing them 2n = 60 or 70 positive mode. An endohedral fullerene represented by the following formula in which the peak intensity of other fullerene is 0.5% or less with respect to the peak intensity of the endohedral fullerene. M @ C2nM: single or plural metal atoms or atomic groups containing them 2n = 60 or 70
Description
本発明は、単離した内包フラーレン及び塩に関する。 The present invention relates to isolated endohedral fullerenes and salts.
フラーレンは、直径約0.7〜1.0nmのサッカーボールやラグビーボールのような対称性のよい形状をした、特異な立体構造(ケージ構造)をとる炭素の新しい分子構造体である。このフラーレンはケージの内側に原子を数個程度入れることができる自由空間をもっており、不安定な原子でさえ安定に保持する、カプセルの役割を担うことができるものである。 Fullerene is a new molecular structure of carbon that takes a unique three-dimensional structure (cage structure) and has a highly symmetrical shape such as a soccer ball or rugby ball having a diameter of about 0.7 to 1.0 nm. This fullerene has a free space in which several atoms can be placed inside the cage, and can serve as a capsule that stably holds even unstable atoms.
このフラーレンの内部空洞に金属原子を内包した内包フラーレンは、内部の金属原子から炭素ケージへの電子移動に伴って、新しい電子的特性を発現することが期待されるため、この分野の研究は近年著しい進展を見せている。 Encapsulated fullerenes with metal atoms encapsulated in the internal cavity of this fullerene are expected to develop new electronic properties as electrons move from the internal metal atoms to the carbon cage. Significant progress has been made.
そして、従来から、内包金属原子として周期表の3族の元素(Sc、Y、La)、ランタニド系元素、アクチノイド系元素が、また、フラーレンとしてC2n(2n≧82以上)のものが主に検討されてきている(非特許文献2参照)。
Conventionally, the
これに対し、よりケージ空間が小さいC60への金属原子の内包が検討されている。このサッカーボール型構造をもつC60は最も対称性の良好なフラーレンで、原子を内包させた後の解析や物性を予測する上で好都合な素材である。 In contrast, the inclusion of metal atoms in C60, which has a smaller cage space, has been studied. C60 having this soccer ball type structure is the most symmetric fullerene, and is a convenient material for analysis and physical property prediction after enclosing atoms.
また、周期表1族のアルカリ金属は1価の陽イオンとなりやすいため、アルカリ金属の内包フラーレンでは、電子をフラーレンケージに与え負の電荷を帯び、内包金属が正の電荷を有し、新たな物性を創出することが期待されている。
すなわち、内包フラーレンの典型として、非常に反応性に富み、酸化数が常に+1価であるリチウムが内包された、リチウム内包C60が注目され合成・分離が検討されている。In addition, since alkali metals belonging to
That is, as a typical endohedral fullerene, lithium encapsulating C60, which is very reactive and encapsulates lithium whose oxidation number is always +1, has been attracting attention and synthesis / separation has been studied.
ところで、内包フラーレンは、レーザー蒸着法、アーク放電法、イオン注入法、プラズマ照射法などにより合成される。それぞれの方法で合成された生成物の中には、この金属原子の内包フラーレン以外に、空のフラーレンや内包されなかった金属原子などの不純物が含有されている。このため、高純度の内包フラーレンを製造するためには、内包フラーレンとそのほかの不純物を合成された生成物から分離してから精製する必要がある。 By the way, the endohedral fullerene is synthesized by a laser vapor deposition method, an arc discharge method, an ion implantation method, a plasma irradiation method, or the like. In the products synthesized by the respective methods, impurities such as empty fullerenes and non-encapsulated metal atoms are contained in addition to the endohedral fullerenes of the metal atoms. For this reason, in order to produce a high-purity endohedral fullerene, it is necessary to separate the endohedral fullerene and other impurities from the synthesized product before purification.
従来、内包フラーレンの分離精製方法あるいは分離された内包フラーレンについては、特許文献1〜特許文献3、非特許文献1〜4において各種技術が開示されている。それぞれの文献について以下説明する。
Conventionally, various techniques have been disclosed in
(特許文献1)
特許文献1には、金属内包フラーレンを電解的に還元または酸化することにより形成されるアニオン種、カチオン種に関する技術が記載されている。
この金属内包フラーレンイオンは、電解法により形成される電子構造が閉殻構造である一般式M@Cn(但し、M=Sc、Y、La、ランタニド元素、アクチノイド元素、n=60,70及びそれ以上の偶数)で表されるものである。
これにより、金属内包フラーレンのカチオン種とアニオン種が各々閉殻構造を有する安定なフラーレンとし、取扱いを容易にしている。(Patent Document 1)
This metal-encapsulated fullerene ion has the general formula M @ Cn (where M = Sc, Y, La, lanthanide element, actinoid element, n = 60, 70 and more) in which the electronic structure formed by electrolysis is a closed shell structure. Even number).
Thereby, the cation species and the anion species of the metal-encapsulated fullerene are stable fullerenes each having a closed shell structure, and handling is facilitated.
特許文献1においては、金属内包フラーレンの不安定構造は、ラジカル(電子スピン)が炭素ゲージ上にあり、開殻構造に基づくものであるから、閉殻構造に変換することにより該不安定特性を改善できるものと考えている。そして、金属内包フラーレンに電子を与えたり、または電子を奪ったりすること(金属内包フラーレンを還元または酸化すること)により閉殻構造にでき、金属内包フラーレンの不安定性が改善されると考え、溶液中において電解的に酸化、還元をすることによって、大気圧下、光の存在下においても安定的に取り扱うことができる状態で該金属内包フラーレンアニオンまたはカチオンを存在させている。
In
そして、電解法により形成される電子構造が閉殻構造である一般式M@Cn(但し、M=Sc、Y、La、ランタニド元素、アクチノイド元素、n=60、70およびそれ以上の偶数)で表される金属内包フラーレンイオンを提供している。
しかし、特許文献1記載技術において実際上開示されている内包フラーレンはn=82についてのみであり、n=60,70については開示されていない。のみならず、M@C82についてさえ、他のフラーレン(例えばC82)から分離されて単一の存在(他のフラーレンを同伴しない単独のM@C82)であることを示すデータは示されていない。The electronic structure formed by the electrolytic method is a closed shell structure represented by the general formula M @ Cn (where M = Sc, Y, La, lanthanide element, actinoid element, n = 60, 70 and an even number greater than that). Metal-encapsulated fullerene ions are provided.
However, the endohedral fullerenes actually disclosed in the technology described in
(特許文献2)
特許文献2には、フラーレン混合物中において、第一のフラーレン群と第二のフラーレン群とを以下により分離する方法について開示されている。
すなわち、
(ステップ1)第一と第二のフラーレン群を含むフラーレン混合物を用意する。
(ステップ2)第一もしくは第二のフラーレン群のうちどちらか一つの安定したフラーレンカチオンを溶媒中に形成して、フラーレンカチオンをもう一方のフラーレン群より分離する。ここでカチオン類の選択的形成は、化学的な酸化や電気化学的な酸化、又はカチオン性親電子基を化学的に付加することにより行われる。
(ステップ3)再結晶化又は沈殿化の手法により、カチオン化したフラーレンと中性フラーレンとを分離する。(Patent Document 2)
That is,
(Step 1) A fullerene mixture containing the first and second fullerene groups is prepared.
(Step 2) One stable fullerene cation of the first or second fullerene group is formed in the solvent, and the fullerene cation is separated from the other fullerene group. Here, the selective formation of cations is carried out by chemical oxidation, electrochemical oxidation, or chemical addition of a cationic electrophilic group.
(Step 3) Cationized fullerene and neutral fullerene are separated by a recrystallization or precipitation technique.
そして、望ましいフラーレンを化学修飾し、目的とするフラーレン類と目的外のフラーレン類に異なる化学的特性を付与することで、これらフラーレン類の分離、精製を可能としている。
ここで、第一のフラーレン群と第二のフラーレン群との分離の中には、金属内包フラーレンと空のフラーレンとの分離も例示されている。Then, desirable fullerenes are chemically modified to impart different chemical properties to target fullerenes and non-target fullerenes, thereby enabling separation and purification of these fullerenes.
Here, in the separation of the first fullerene group and the second fullerene group, separation of metal-encapsulated fullerene and empty fullerene is also exemplified.
また、酸化容易な(酸化電位が0.8V以下の)M@C2nを含む昇華したフラーレン材料を第一の溶媒中で酸化剤(AgSbF6(請求項28))に接触させ、これによりM@C2nのカチオンを含有する第一の溶液を形成する手法を用いてM@C2nを精製している。
特許文献2では、内包フラーレンのカチオンを形成することにより内包フラーレンを分離精製するものである。そして、カチオン形成プロセスにおいて、酸化剤、プロトン剤を用いている。In addition, a sublimated fullerene material containing M @ C2n which is easily oxidized (oxidation potential is 0.8 V or less) is contacted with an oxidizing agent (AgSbF6 (Claim 28)) in a first solvent, whereby M @ C2n M @ C2n has been purified using a technique that forms a first solution containing a number of cations.
In
特許文献2では、具体的には3つの方式を提示している。以下、それぞれの方式を述べる。
Specifically,
[方式1(特許文献2第25頁(表3))]
(1)カーボンアーク方式で煤を含む空フラーレン及び内包フラーレンを合成する。
(2)煤を750℃で昇華し、昇華温度が低い炭素原子数の少ないフラーレンを昇華させ、これにより昇華せず残った巨大フラーレン類を除去する。そして、嫌気下でフラーレン昇華物を回収する。
(3)昇華物をODCB(o−ジクロロベンゼン)抽出し、その後濾過することにより、不溶物質(C74、M@C60、M@C70、その他のM@C2n)を除去し、可溶濾過物(M@C82、空C2n)をODCB中に抽出する。
(4)可溶濾過物(M@C82、空C2n)をODCB中で、[Ag+][SbF6−]により酸化処理し、その後濾過する。これにより、析出したAg金属析出物を除去するとともに、ODCB中に可溶混合物である[M@C82+][SbF6−]及び中性C2nを残す。
(5)可溶混合物をヘキサン中に析出させ濾過し、可溶な濾過物であるC60とC70と、不溶な[M@C82+][SbF6−]及び中性C2nを含む固体を分離する。
(6)以降、各種工程後M@C82最終品を得る。
しかし、この方式1では、そもそもM@60、M@70はODCB抽出・濾過で除去されており、単離・精製の対象とはなっていない。[Method 1 (
(1) Synthesize empty fullerene and encapsulated fullerene containing soot by carbon arc method.
(2) Sublimate the soot at 750 ° C. to sublimate fullerene having a low sublimation temperature and a small number of carbon atoms, thereby removing the remaining giant fullerenes without sublimation. Then, the fullerene sublimate is collected under anaerobic conditions.
(3) The sublimate is extracted with ODCB (o-dichlorobenzene) and then filtered to remove insoluble substances (C74, M @ C60, M @ C70, other M @ C2n) and soluble filtrate ( M @ C82, empty C2n) is extracted into ODCB.
(4) The soluble filtrate (M @ C82, empty C2n) is oxidized with [Ag +] [SbF6-] in ODCB, and then filtered. This removes the precipitated Ag metal precipitate and leaves [M @ C82 +] [SbF6-] and neutral C2n which are soluble mixtures in the ODCB.
(5) The soluble mixture is precipitated in hexane and filtered to separate a solid containing C60 and C70 which are soluble filtrates and insoluble [M @ C82 +] [SbF6-] and neutral C2n.
(6) Thereafter, M @ C82 final product is obtained after various steps.
However, in this
[方式2(特許文献第30頁(表4))]
(1)カーボンアーク方式で煤を含む空フラーレン及び内包フラーレンを合成する。
(2)煤を750℃で昇華し、昇華温度が低い炭素原子数の少ないフラーレンを昇華させ、これにより昇華せず残った巨大フラーレン類を除去する。そして、嫌気下でフラーレン昇華物を回収する。
(3)昇華物をODCBに[Ag+][SbF6−]を混入した酸化剤で抽出し、その後濾過する。これにより、析出した不溶物質(M@C60、M@C70、C74)の除去、Ag金属析出物の除去を行い、ODCB中に可溶濾過物である[Mm@C2n+][SbF6−]及び中性C2nを残す。
(4)可溶濾過物をヘキサン中に析出させ濾過し、可溶な濾過物であるC60とC70と、不溶な[Mm@C2n+][SbF6−]及び極性が減少した中性C2nを含む固体を分離する。
(5)以降、各種工程後Mm@C2n最終品を得る。[Method 2 (Patent Document, page 30 (Table 4))]
(1) Synthesize empty fullerene and encapsulated fullerene containing soot by carbon arc method.
(2) Sublimate the soot at 750 ° C. to sublimate fullerene having a low sublimation temperature and a small number of carbon atoms, thereby removing the remaining giant fullerenes without sublimation. Then, the fullerene sublimate is collected under anaerobic conditions.
(3) The sublimate is extracted with an oxidizing agent mixed with [Ag +] [SbF6-] in ODCB, and then filtered. In this way, the precipitated insoluble substances (M @ C60, M @ C70, C74) are removed, and Ag metal precipitates are removed, and [Mm @ C2n +] [SbF6-] and medium that are soluble filtrates in ODCB. Leave sex C2n.
(4) Precipitating soluble filtrate in hexane and filtering, solid containing C60 and C70 which are soluble filtrate, insoluble [Mm @ C2n +] [SbF6-] and neutral C2n with reduced polarity Isolate.
(5) Thereafter, Mm @ C2n final product is obtained after various steps.
しかし、この方式2では、最終品はMm@C2nであるが、nは36以上である(特許文献第29頁段落番号[0019])。すなわち、M@C60が単離・精製されているわけではない。
ODCB[Ag+][SbF6−]抽出工程において、M@C60、M@C70は酸化されることなく不溶物質となってしまっている。のみならず、最終品においても、Gd@C72とGd@C82とが併存している(特許文献2図6参照)。結局、方式2では、M@C2nで2n>60であっても単離されておらず。2n=60であっても単離されていない。However, in
In the ODCB [Ag +] [SbF6-] extraction step, M @ C60 and M @ C70 have become insoluble substances without being oxidized. In addition, Gd @ C72 and Gd @ C82 coexist in the final product as well (see
[方式3(特許文献2第33頁表5)
特許文献2では、方式3に関して、『何種かのランタノイド金属を内包するM@C2n(M=Sm、Eu、Tm、Yb及び可能性としてはEr)』については、『酸化耐性で不溶なM@C60類の性質からの逸脱を含・・・・中程度の酸化力である酸化剤を用いて酸化することができ、それによって新規な可溶性カチオンM@C60+が生ずる。』と述べている(特許文献2第32頁第11行目〜第18行目)。[Method 3 (
In
しかし、特許文献2において実際に示されている分離/単離したとされる材料の質量スペクトルMS([図13])を見ると、いずれも空フラーレンおよび/もしくは複数種フラーレン内包物が混在しており、単離(単独に分離した)とは言い難い。
特に、特許文献2記載技術は、M@C60については、MがTmである場合を除き、酸化によるカチオン形成は困難であることを示している。すなわち、特許文献2の表4「ODCB[Ag+][SbF6−]抽出その後濾過」によっても、M@C60は酸化されず不溶物として除去されている。M@C60とC60という酸化されにくい同士については適用できないことを暗に示唆していると考えられる。
上述のように、特許文献2では、M@C60あるいはM@C70の酸化処理後の単離・精製についての道筋を示唆する記載は見当たらない。However, when the mass spectrum MS ([FIG. 13]) of the material that is supposed to be separated / isolated actually shown in
In particular, the technique described in
As described above, in
さらに、特許文献2は、空フラーレン類と内包フラーレン類との混合状態から、両者の化学的特質の明確な相違を利用した精製方法であり、異なるフラーレン同士が結合状態(クラスター状態)を形成している場合の結合の分解手法ではない。
Further,
(非特許文献1、非特許文献3、非特許文献4)
非特許文献1,3,4は同じCampbellらのグループの研究者による報告である。 非特許文献1には、イオン注入法によるリチウム内包C60の生成が報告されており、非特許文献3、4にはリチウム内包C60(以下、「Li@C60」と記す)を溶媒抽出したことに関し記載されている。(
非特許文献4では、予め基板上に形成された空のC60堆積膜に対し、30eV程度の低エネルギーでリチウムをイオン注入し膜中にLi@C60を生成した後、イオン注入されたフラーレン堆積膜を二硫化炭素(CS2)に溶解し、高速液体クロマトグラフィー(以下、「HPLC」と記す。)を用いてLi@C60とC60とを分離している。そして、LDI−TOF−MS(レーザー脱離イオン化飛行時間型質量スペクトル)での質量分析を行い、溶液に含まれるLi@C60の割合を評価している。
In
しかし、彼女らの上記報告では、LDI−TOF−MSにおいてLi@C60の生成を示す質量数727のLi@C60ピークの他に、質量数720の空フラーレンC60のピークも見られる。そして、ピーク強度比を見るとC60/Li@C60が1/4程度で依然C60を同伴しており、単離(単独に分離した)とは言い難い。 However, in the above report, in addition to the Li @ C60 peak having a mass number of 727 indicating the production of Li @ C60 in LDI-TOF-MS, a peak of empty fullerene C60 having a mass number of 720 is also seen. Looking at the peak intensity ratio, C60 / Li @ C60 is about 1/4 and still accompanied by C60, and it is difficult to say that it is isolated (separated separately).
(非特許文献2)
非特許文献2においては、金属内包フラーレンの分離は困難を極めることを述べつつ、その図8.9(c)において、La@C82の単離に成功した旨が記載されている。
この技術は、吸着機構の異なる二つの固定相(カラム)を用いた二段階のHPLCにより金属内包フラーレンの分離、精製を行ったものである。その原理について次のように述べている。『金属内包フラーレンは、クロマトグラム上で空のフラーレンと同じ保持時間に表れることが多い.このような場合、吸着機能の異なる複数の固定相を用いることにより、目的とする金属内包フラーレンを空のフラーレンから完全に分離することができる。』(非特許文献2第206頁)。(Non-Patent Document 2)
In this technique, metal-encapsulated fullerenes are separated and purified by two-stage HPLC using two stationary phases (columns) having different adsorption mechanisms. The principle is described as follows. “Metal-encapsulated fullerenes often appear on chromatograms at the same retention time as empty fullerenes. In such a case, the target metal inclusion fullerene can be completely separated from the empty fullerene by using a plurality of stationary phases having different adsorption functions. (
また、M@C60に関しては、Ca@C60とCa@C70は酸素除去下での室温のピリジンによって抽出されることが報告されていると述べている(非特許文献2第221頁)。そして、酸素除去下でなくとも、『5℃前後での超音波抽出でCa@C60は比較的効率よく抽出される。』と述べている(非特許文献2第232頁101))。
Regarding M @ C60, Ca @ C60 and Ca @ C70 are reported to be extracted by pyridine at room temperature under oxygen removal (
しかし、抽出物のレーザ脱離質量スペクトル図(非特許文献2、図8.17)においては、Ca@C60とCa@C70が完全に単離されたものではなく、Ca@C60、Ca@C70、C60、C70、C74が混在しているものである。すなわち、Ca@C60あるいはCa@C70は、他の内包フラーレンあるいは空のフラーレンを同伴しており、単離された金属フラーレンということはできない。
However, in the laser desorption mass spectrum diagram of the extract (
(特許文献3、特許文献4)
一方、特許文献3において、本発明者らは独自のプラズマ照射法による原子のフラーレンへの内包化を行い、内包フラーレンクラスターを含む分子クラスターを分離精製するフラーレンベース材料の製造方法に関するものを報告している。(
On the other hand, in
特許文献3のフラーレンベース材料の製造方法は、内包フラーレンの合成物から、少なくとも、水系溶媒により内包されなかった内包対象原子と内包対象原子の化合物を除去する第一の処理と、内包フラーレンを溶媒に抽出する第二の処理と、再沈法により空のフラーレンを除去する第三の処理を行うことにより、内包フラーレンを含む分子クラスターを分離精製するものである。
The method for producing a fullerene base material of
このように、内包フラーレンの分離精製を、少なくとも、未反応の内包対象原子の除去工程と、内包フラーレンの溶媒抽出工程と、再沈法による空のフラーレンの除去工程とからなる複合工程により行うことで、溶媒抽出だけでは分離精製が不十分であった内包フラーレンを高純度に精製し、また、合成物から精製して回収できる内包フラーレンの量の収率の向上させている。 In this way, the separation and purification of the endohedral fullerene is performed by a combined process consisting of at least an unreacted inclusion target atom removal process, an endohedral fullerene solvent extraction process, and an empty fullerene removal process by reprecipitation. Thus, the endohedral fullerene that has been separated and purified by solvent extraction alone is purified to a high purity, and the yield of the endohedral fullerene that can be purified and recovered from the synthesized product is improved.
以下、発明者らが採用しているプラズマ照射法による内包フラーレンの合成物の製造方法と、得られたフラーレンベース材料について図6〜図9を参照して説明する。
プラズマ照射法は、真空容器中で内包対象原子からなるイオンを含むプラズマ流を発生させ、発生したプラズマ流内のイオンと、フラーレンオーブンにより発生させたフラーレン蒸気とを反応させ、堆積基板上に内包フラーレンを含む膜を形成するものである。Hereinafter, a method for producing a compound of endohedral fullerene by a plasma irradiation method adopted by the inventors and the obtained fullerene base material will be described with reference to FIGS.
In the plasma irradiation method, a plasma flow containing ions composed of atoms to be included is generated in a vacuum vessel, and the ions in the generated plasma flow are reacted with fullerene vapor generated by a fullerene oven to be contained on a deposition substrate. A film containing fullerene is formed.
図6は、プラズマ照射法により内包フラーレンを製造するための成膜装置の構造を説明する概略説明図である。図6で、301は真空チャンバ、302は真空ポンプ、303は電磁コイル、304,308はオーブン、305,309はノズル、306は加熱基板、307はプラズマ流、310は堆積基板、311は合成物、312はバイアス電圧の印加装置、313は加熱フィラメントを示している。 FIG. 6 is a schematic explanatory view for explaining the structure of a film forming apparatus for producing an endohedral fullerene by a plasma irradiation method. In FIG. 6, 301 is a vacuum chamber, 302 is a vacuum pump, 303 is an electromagnetic coil, 304 and 308 are ovens, 305 and 309 are nozzles, 306 is a heating substrate, 307 is a plasma flow, 310 is a deposition substrate, and 311 is a composite. , 312 indicates a bias voltage applying device, and 313 indicates a heating filament.
真空チャンバ301は、例えばステンレススチールなどの耐腐食性のある金属で、図6に示す横方向に長く、断面形状が円または矩形の筒状をなし筒の両開口に蓋体を設けて密閉容器状にするとともに、真空チャンバ301内の部品の交換・保守のための図示しない開閉自在で密閉できる蓋体を設けた構造をなしている。また、後述する真空ポンプ302で内部を減圧雰囲気とするので大気圧による圧力にも耐え得る構造とする。
加熱フィラメント313は、タングステンなどの高融点金属によるコイル状に巻かれた細線で作製され、後述する加熱基板306を図6に示す左側から例えば真空中で2700℃程度まで加熱するもので、真空チャンバ301の蓋体から不図示の電流導入端子を介して不図示の電源から給電される。The
The
加熱基板306は、タングステンやレニウムなどの高融点金属による耐熱性と耐腐食性を有する板で、図6に示すように、加熱フィラメント313に対し真空チャンバ301の内側で、真空チャンバ301の中心軸に対して板面が略直交するように配設する。
堆積基板310は、ステンレススチールなどから作製される平滑面を有する板であり、図6に示すように、平滑面を加熱基板306と対向させて配設する。この堆積基板310の平滑面に所望の膜を形成する。The
The
バイアス電圧の印加装置312は、後述するプラズマ流307により堆積基板310近傍に導かれた内包対象原子のイオンに加速エネルギーを与えるように堆積基板310に負の電圧を印加するもので、真空チャンバ301の図6に示す右側の蓋体から不図示の電流導入端子を介して一端が堆積基板310に、また他端が接地される。
The bias
真空ポンプ302は、真空チャンバ301内圧を10−4Pa程度まで減圧してプラズマの生成を容易にするとともに、ガス状態にある所望の分子の平均自由行程を大きくし、堆積基板310に到達する分子を多く確保するものである。そして、到達圧力を10−4Paより小さくすることができるように、例えば粗引きポンプとしてロータリーポンプ、補助ポンプとして拡散ポンプ、ターボ分子ポンプなどとした組み合わせで用いる。
The
電磁コイル303は、比較的大きな電流容量をもつ電気伝導度が良好な銅などの金属線で、真空チャンバ301の外周を巻回させた大きなコイルである。電磁コイル303に不図示の電流源から給電することで真空チャンバ301内の空間に図6に示す矢印方向の磁場Bを発生させる。
The
また、オーブン304,308は、気化させる材料を収納する気化装置の開口側に、図6に示すように開口を覆い曲がり管を有し不図示の加熱ヒータを設けたノズル305,309をそれぞれ密着固定したものである。そして、オーブン304,308の各々のノズル305,309を真空チャンバ301の内部に露呈させるとともに、ノズル先端部の中心軸が加熱基板306、堆積基板310の略中央に向けて設ける。
なお、図6には不図示であるが真空チャンバ301を大気圧に戻すための窒素ガスなどの開閉弁を備えた給気配管が設けられる。In addition, the
Although not shown in FIG. 6, an air supply pipe provided with an opening / closing valve such as nitrogen gas for returning the
このように構成した成膜装置は、例えば内包対象原子であるリチウム(以下、「Li」と記す。)を予めオーブン304に供給しておくとともに、オーブン308に例えばC60粉末などを供給しておく。
そして、先ず真空ポンプ302により真空チャンバ301内を例えば10−4Paまで減圧してから、加熱フィラメント313に不図示の電源から給電して加熱基板306を2700℃程度まで加熱する。In the film forming apparatus configured in this way, for example, lithium as an inclusion target atom (hereinafter referred to as “Li”) is supplied to the
First, the inside of the
一方、オーブン304及びオーブン308を不図示のヒータにも通電してリチウムとC60が気化しない程度まで加熱する。このとき、加熱基板306とオーブン304,308内面からのガス放出で内圧が高くなるので、真空チャンバ301が所定の圧力となるまで真空排気を続行する。なお、このときノズル305,309も不図示のヒータにより加熱する。
On the other hand, the
次に、真空チャンバ301が所定の圧力に安定したとき、印加装置312により堆積基板310にバイアス電圧を印加する。そして、電磁コイル303に不図示の電流源から給電し真空チャンバ301内に軸Lに略平行な磁場(2〜7kG)を発生させる。
Next, when the
次に、リチウムが供給されているオーブン304を、減圧下での沸点より高い500〜550℃に設定し直して加熱しリチウムを気化させ、また、C60が供給されているオーブン308を、昇華温度より高い400〜650℃に設定し直して加熱しC60を気化させる。
Next, the
このとき、ノズル305,309を介してオーブン304,308と真空チャンバ301との雰囲気が接続されているので、これらの中での気相状態の分子は十分大きい平均自由行程をもつものとなる。
At this time, since the atmospheres of the
ここで、真空チャンバ301内の気化したリチウムとC60の挙動について説明する。
Here, the behavior of vaporized lithium and C60 in the
気化したリチウムはノズル305から噴出し、高温の加熱基板306に衝突する。このとき、高温の加熱基板306に衝突し熱接触した気相状態の分子は、気化に伴う運動エネルギーに加えてさらに大きな熱エネルギーを供給され、リチウム自身が電子を離して正イオン化して近傍の電子と共に、マクロ的には中性のプラズマを形成する(熱接触電離)。
また、真空チャンバ301内には長手方向に磁場Bが形成されているので、正電荷をもつリチウムイオンはこの磁場Bから力を受けて広がることが制限される。The vaporized lithium is ejected from the
Further, since the magnetic field B is formed in the longitudinal direction in the
一方、加熱基板306で熱接触電離したリチウムイオンと電子とはペアーで運動するが、電子は圧倒的に大きな質量のリチウムイオンに引きずられる。
このようなリチウムイオンが受ける磁場Bによる広がりを抑制する力により、衝突後のリチウムイオンと電子のペアーの運動方向は真空チャンバ301の概ね長手方向となり、図6に示す右側に移動するプラズマ流307が生成される。このプラズマの流速は音速程度で、きわめて低速度といえるものである。On the other hand, lithium ions and electrons that have been thermally contact-ionized on the
Due to the force that suppresses the spread by the magnetic field B received by the lithium ions, the movement direction of the lithium ion / electron pair after the collision is substantially the longitudinal direction of the
気化したC60は、ノズル309から真空チャンバ301内の堆積基板310に向けて噴出する。この噴出した分子は、堆積基板310の近傍に高濃度雰囲気を形成する。そして、堆積基板310が小さい負電位となるように印加されているので、この堆積基板310の近傍にきわめて薄いイオンシースが形成される。そして、C60が濃密に存在する堆積基板310でのみリチウムイオンが加速され、C60を破壊することなくリチウム原子が内包される。
この結果、堆積基板310上に内包フラーレンを含む反応生成物の膜を逐次生成することになる。The vaporized C60 is ejected from the
As a result, a reaction product film containing the endohedral fullerene is sequentially generated on the
この方法では、プラズマ流307は比較的小さな磁場により形成され、リチウムイオン自体は堆積基板310近傍の電界で弱く加速されるため、リチウムイオンのC60分子への相互作用は物理的でなく化学的反応が主たるものとなる。この結果、C60自体が衝撃で破壊される比率が減少し、より収率の高い内包フラーレン合成ができるものとなる。
In this method, since the
図7は、このようにして堆積基板310上に生成された膜のレーザー脱離イオン化飛行時間型質量スペクトル(LDI−TOF−MS)による質量分析結果を示し、空のC60の存在を示す質量数720のピークのほかに、Li@C60の存在を示す質量数727のピークを確認することができ、堆積膜310中にリチウムが内包されたフラーレンであるLi@C60が生成されたことがわかる。
FIG. 7 shows the mass analysis result of the film thus formed on the
このように堆積基板310上に生成される合成膜は、C60とC60のケージ中にリチウム原子が内包されたLi@C60だけでなく、内包されていないリチウム原子なども混在した混合膜(以下、この段階の混合膜を「内包フラーレン未精製物」という)が得られる。
In this way, the synthetic film generated on the
次に、この内包フラーレン未精製物について図8を参照して説明する。図8は従来技術における溶媒抽出による分離精製の工程フローである。 Next, this endohedral fullerene unpurified product will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a process flow of separation and purification by solvent extraction in the prior art.
図8に示す工程フローによる分離精製は、先ず内包フラーレン未精製物を用意する(ステップ201)、次に内包フラーレン未精製物から未反応の内包対象原子を除去した生成物を得る(ステップ202)。そして、ステップ202で得た生成物を溶媒で洗浄し、この溶媒に溶解する成分を除去して不溶の残渣物中に濃縮された内包フラーレンを含む生成物を得る(ステップ203)。
Separation and purification by the process flow shown in FIG. 8 first prepares an unpurified endohedral fullerene (step 201), and then obtains a product obtained by removing unreacted encapsulated atoms from the unpurified endohedral fullerene (step 202). . Then, the product obtained in
それから、ステップ203で得た生成物を溶液に溶かし、溶媒に内包フラーレンを抽出する(ステップ204)。このステップ204で得られた内包フラーレン抽出溶液を、再沈法により内包フラーレンが溶けにくい溶媒(貧溶媒)中に滴下して内包フラーレンを析出させ濃縮し、溶媒中に析出した内包フラーレンを最後にろ過して取り出す(濃縮ステップ205)。
Then, the product obtained in
リチウムがC60フラーレンに内包されるように堆積基板310上に生成される合成膜について記す。ステップ201では、堆積基板310上に生成された膜を剥がしたり掻きだして煤状の内包フラーレン未精製物を回収する。
A synthetic film formed on the
ステップ202では、この内包フラーレン未精製物を水系の溶媒(純水、精製水など)や希塩酸などの酸性溶液を処理液として用意し、この処理液に内包フラーレン未精製物を混合し超音波による振動エネルギーをかけながら十分に撹拌する。そして、遠心分離とメンブランフィルターを併用、またはどちらか一方だけを用いたろ過により不溶物を取り出し、残渣物として回収しこれを乾燥し粉末状とする。
このとき、内包対象原子が水系溶媒と化学反応して水酸化物などの水溶性の物質になる。一方、内包フラーレンは水に対して溶解しにくいので、残渣物を取り出すことにより内包フラーレンと未反応の内包対象原子とが分離される。In
At this time, the atoms to be encapsulated chemically react with the aqueous solvent to become a water-soluble substance such as hydroxide. On the other hand, since endohedral fullerenes are difficult to dissolve in water, the endohedral fullerenes and unreacted encapsulated atoms are separated by removing the residue.
ステップ203では、ステップ202で得られた粉末状の残渣物をトルエン溶液に混合し、超音波による振動エネルギーをかけながら十分に撹拌する。そして、遠心分離とメンブランフィルターを併用、またはどちらか一方だけを用いたろ過により不溶物を取り出し、残渣物として回収しこれを乾燥し粉末状とする。
このとき、空のフラーレンはトルエン溶液に溶解し、トルエンに不溶の内包フラーレンは残渣物中に濃縮される。In
At this time, empty fullerene is dissolved in the toluene solution, and the endohedral fullerene insoluble in toluene is concentrated in the residue.
ステップ204では、ステップ203で得られた粉末状の残渣物をクロロナフタレン溶液に混合し、超音波による振動エネルギーをかけながら十分に撹拌する。そして、メンブランフィルターによるろ過を行い、溶液と残渣物いずれも回収する。なお、残渣物中にも、内包フラーレンが大量に含まれているので、廃棄せず回収し再分離精製する。
濃縮ステップ205では、ステップ204で得られた溶液を、トルエン溶液に滴下し、一定時間静止状態を保った後、メンブランフィルターによるろ過を行い析出物と溶液を回収する(再沈法)。In
In the
ここでは、空のフラーレンに対して良溶媒で、内包フラーレンが溶けにくい溶媒(貧溶媒)としてトルエン溶液を例に説明した。なお、溶液中にも、内包フラーレンが大量に含まれているので、廃棄せず回収し再分離精製する。 Here, a toluene solution is described as an example as a solvent (poor solvent) that is a good solvent for the empty fullerene and is difficult to dissolve the endohedral fullerene. The solution also contains a large amount of endohedral fullerene, so it is recovered and re-separated and purified without discarding.
以上の結果、濃縮ステップ205で得られた析出物(以下、この析出物を「フラーレンベース材料」という)には、内包フラーレンが濃縮されることになる。 As a result, the endohedral fullerene is concentrated in the precipitate obtained in the concentration step 205 (hereinafter, this precipitate is referred to as “fullerene base material”).
この内包フラーレンとしてリチウム原子が内包されたC60が濃縮されたフラーレンベース材料を評価した結果を説明する。
Li@C60の試料に対する内包率(以下、単にLi内包率という)を、Li内包率=[Li@C60の重量]/[試料の初期重量]で定義する。ここで、試料は、上述ステップ202において得られた、内包フラーレン未精製物を水系の溶媒や酸性溶液で処理液して、未反応のリチウム原子を除去した残渣物として回収しこれを乾燥した粉末である。The result of evaluating a fullerene base material enriched in C60 containing lithium atoms as the endohedral fullerene will be described.
The inclusion rate of Li @ C60 with respect to the sample (hereinafter simply referred to as Li inclusion rate) is defined as Li inclusion rate = [weight of Li @ C60] / [initial weight of sample]. Here, the sample is a powder obtained by treating the unencapsulated endohedral fullerene obtained in
内包フラーレン生成過程ではリチウム原子(質量7)1個に対してLi@C60(質量727)が1個対応し、リチウム1モルがLi@C60の1モルに対応するので、重量比では、[Li@C60の重量]/[リチウム重量]=727/7で、Li@C60の重量は、リチウム重量の約104倍として換算する。
従って、
Li内包率=((727/7)×[リチウム重量]/[試料の初期重量])×100(%)In the endohedral fullerene production process, one Li @ C60 (mass 727) corresponds to one lithium atom (mass 7), and 1 mol of lithium corresponds to 1 mol of Li @ C60. @ C60 weight] / [lithium weight] = 727/7, and the Li @ C60 weight is converted to about 104 times the lithium weight.
Therefore,
Li inclusion rate = ((727/7) × [lithium weight] / [initial weight of sample]) × 100 (%)
特許文献3の図4には、内包率の原料供給比依存性を示しており、上記ステップ201の“合成時内包率”と濃縮ステップ20で得られた析出物に対する“抽出後内包率”についてのLi内包率を、リチウム(Li)とC60フラーレンの重量換算での供給比(Li/C60)に対して求めたものである。
FIG. 4 of
ここで、堆積基板310に流れるイオン電流からリチウムイオンの供給量を、フラーレンオーブン308に充填したフラーレンの減少量からフラーレンの供給量をそれぞれ求めて算出する。
Here, the supply amount of lithium ions is calculated from the ion current flowing through the
合成時内包率は、ばらついているが概ね右肩上がりで供給比が大になると飽和の傾向があり、抽出後内包率は、供給比0.4〜0.5で極大値をもっている。つまり、供給比を例えば0.6以上としても抽出後の内包率は向上しないだけでなく、抽出できない内包フラーレンの割合が多くなる。また、極大値は内包率7〜8%のところにあり、抽出方法を変えてもほぼ同様の内包率となった。
すなわち、溶媒抽出による内包フラーレンの含有量は、試料の重量の多くても7〜8%である。Although the inclusion rate at the time of synthesis varies, there is a tendency to saturate when the supply ratio becomes large and rises to the right. The inclusion rate after extraction has a maximum value at a supply ratio of 0.4 to 0.5. That is, even if the supply ratio is set to 0.6 or more, for example, the inclusion rate after extraction is not improved, and the proportion of inclusion fullerenes that cannot be extracted increases. Moreover, the maximum value was at the inclusion rate of 7 to 8%, and the inclusion rate was almost the same even if the extraction method was changed.
That is, the content of endohedral fullerene by solvent extraction is 7 to 8% at most of the weight of the sample.
これに関し、発明者らは、HPLCによるLi@C60の精製を複数回繰り返し試行したが、それにもかかわらず、内包フラーレンの精製量を試料の重量の7〜8%以上とすることはできなかった。つまり、空のフラーレンを除去には限度があることが分かった。 In this regard, the inventors repeatedly tried purification of Li @ C60 by HPLC several times, but nevertheless, the amount of endohedral fullerene purified could not be 7-8% or more of the weight of the sample. . In other words, it was found that there is a limit to removing empty fullerene.
図2および図3の右上挿入図は、濃縮ステップ205で得られた析出物(「フラーレンベース材料」またはTCEと略称する)のLDI−TOF−MSである。図2はポジティブモード、図3はネガティブモードの場合である。
質量数727であるLi@C60のピークの他にも質量数720であるC60のピークも観測されており(特にネガティブモード図4の挿入図では727は検出されない)、まだ単離にはほど遠いことがわかる。The upper right insets in FIGS. 2 and 3 are LDI-TOF-MS of the precipitate obtained in the concentration step 205 (abbreviated as “fullerene base material” or TCE). FIG. 2 shows a positive mode, and FIG. 3 shows a negative mode.
In addition to the Li @ C60 peak with a mass number of 727, a C60 peak with a mass number of 720 has also been observed (especially, 727 is not detected in the inset in the negative mode FIG. 4) and is still far from isolation. I understand.
なお、特許文献3の図8には、溶液中の生成物の粒径分布を動的光散乱法により測定したものが示してあり、同文献の図8(a)は溶液中に存在するC60、図8(b)は上述ステップ206に相当するステップでのクロロナフタレン溶液中の生成物の粒径分布である。
特許文献3では、図8(a)のC60の溶液中での粒径分布からC60の径サイズが0.7nmにピークをもっていること、図8(b)のクロロナフタレン溶液中の粒径分布からこの溶液中の粒子の径サイズが4〜6nmにピークをもっていることを述べている。FIG. 8 of
In
以上の議論から、溶媒抽出した内包フラーレンは単独の分子として存在するのではなく、内包フラーレンの周りに複数の空のフラーレンが集合して取り囲み結合したクラスター構造をなしているものと考えられる。
これは、リチウムなどアルカリ金属自体の酸化還元電位は極めて小さく、電子を放出して周りを強く還元させると共に自らは酸化する傾向を強くもち、内包された状態では電子をアルカリ金属内包フラーレンのケージ側に放つため、ケージ自体が負に帯電するためと考えた(特許文献3)。From the above discussion, it is considered that the endohedral fullerene extracted by the solvent does not exist as a single molecule but has a cluster structure in which a plurality of empty fullerenes are gathered and bound around the endohedral fullerene.
This is because the redox potential of the alkali metal itself such as lithium is extremely small, emits electrons and strongly reduces the surroundings, and has a strong tendency to oxidize itself, and in the encapsulated state, the electrons are transferred to the cage side of the alkali metal-encapsulated fullerene. Therefore, the cage itself was considered to be negatively charged (Patent Document 3).
すなわち、当初予想では図9(a)の左側図に示すごとく、単一のC60フラーレン12に1個のリチウム原子が内包されたLi@C60フラーレン11の形態であったが、実際には図9(b)及び(c)に示すように、1個のLi@C60フラーレン11の周りを複数のC60フラーレン12が取り囲んだフラーレンクラスター13または14の形態をなすものと考えた(特許文献3)。
その原因が何にしろ、特許文献3に記載されているM@C60は単一のM@C60ではなく、クラスター構造となっている。That is, in the initial prediction, as shown in the left side view of FIG. 9A, it was in the form of Li @
Whatever the cause, M @ C60 described in
結局、上記した従来の特許文献あるいは非特許文献において開示されているM@C60あるいはM@C70はいずれも他のフラーレン(空のフラーレンあるいは別種のフラーレンの金属内包フラーレン)を必ず伴っている。なお、Mは金属である。
すなわち、現時点において、他のフラーレンを伴わないM@C60あるいはM@C70は存在していない。また、単離されたM@C60あるいはM@C70は存在していない。M@C60あるいはM@C70はC60あるいはC70と結合状態で併存しており、この結合状態から脱離した(すなわち、単離された)M@C60あるいはM@C70の入手は、その特性評価上切望されているにもかかわらず実現されていない。また、高純度に精製され、M@C60あるいはM@C70以外の他のフラーレンを含まない内包フラーレンも切に要望されているにもかかわらず実現されていないのが現状である。After all, M @ C60 or M @ C70 disclosed in the above-mentioned conventional patent document or non-patent document always involves another fullerene (empty fullerene or metal-encapsulated fullerene of another kind of fullerene). M is a metal.
That is, at present, there is no M @ C60 or M @ C70 without other fullerenes. Also, there is no isolated M @ C60 or M @ C70. M @ C60 or M @ C70 coexists in a bound state with C60 or C70, and obtaining M @ C60 or M @ C70 desorbed from this bound state (ie, isolated) Despite being eagerly desired, it has not been realized. In addition, an endohedral fullerene that has been purified to a high purity and does not contain other fullerenes other than M @ C60 or M @ C70 has not been realized even though there is a strong demand.
本発明は、前述した従来の課題を解決するものである。
本発明は、単離されたM@C60あるいはM@C70 を提供することを目的とする。The present invention solves the above-described conventional problems.
The present invention aims to provide isolated M @ C60 or M @ C70.
請求項1に係る発明は、M@C2nで表される単離された内包フラーレンである。
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70
請求項2に係る発明は、ポジティブモードでのレーザー脱離イオン化飛行時間型質量スペクトル(以下「LDI(またはLD)−TOF−MS」という。)において内包フラーレンのピーク強度に対する他のフラーレンのピーク強度が0.5%以下である下記式で表される内包フラーレンである。
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70The invention according to
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
The invention according to
M @ C2n
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
請求項3に係る発明は、ネガティブモードでのLDI−TOF−MSにおいて内包フラーレンのピーク強度に対する他のフラーレンのピーク強度が50%以下である下記式で表される内包フラーレンである。
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70
請求項4に係る発明は、前記ピーク強度が20%以下である請求項3記載の内包フラーレンである。
請求項5に係る発明は、Mは1ないし4族の金属である請求項1ないし4のいずれか1項記載の内包フラーレンである。
請求項6に係る発明は、Mはアルカリ金属である請求項1ないし5のいずれか1項記載の内包フラーレンである。The invention according to
M @ C2n
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
The invention according to
The invention according to claim 5 is the endohedral fullerene according to any one of
The invention according to claim 6 is the endohedral fullerene according to any one of
請求項7に係る発明は、Mは、Li,Na,Kのいずれかである請求項6記載の内包フラーレンである。
請求項8に係る発明は、MはLiである請求項7記載の内包フラーレンである。
請求項9に係る発明は、[M@C2n]をカチオンとする塩である。カチオンの価数は1価もしくは2価以上とする。
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70The invention according to claim 7 is the endohedral fullerene according to claim 6, wherein M is any one of Li, Na, and K.
The invention according to claim 8 is the endohedral fullerene according to claim 7, wherein M is Li.
The invention according to claim 9 is a salt having [M @ C2n] as a cation. The cation has a valence of 1 or more.
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
請求項10に係る発明は、[M@C2n]m+・m[SbCl6]−である請求項9記載の塩である。
mはカチオンの価数である。
本請求項に係る塩は、単離した内包フラーレンの中間体としての用途を有する。のみならず、それ自体で研究対象としての用途と有している。
なお、塩から中性体としての内包フラーレンを得るためには、従来から知られている方法によりカチオンを還元すればよい。
請求項11に係る発明は、結晶である請求項9又は10記載の塩である。
請求項12に係る発明は、単結晶である請求項11記載の塩である。The invention according to
m is the valence of the cation.
The salt according to the present claim has an application as an intermediate of the isolated endohedral fullerene. Not only does it have its own use as a research object.
In order to obtain the endohedral fullerene as a neutral substance from the salt, the cation may be reduced by a conventionally known method.
The invention according to
The invention according to
請求項13に係る発明は、Mは1ないし4族の金属である請求項9ないし12のいずれか1項記載のである。
請求項14に係る発明は、Mはアルカリ金属である請求項9ないし13のいずれか1項記載の塩である。
請求項15に係る発明は、Mは、Li,Na,Kのいずれかである請求項14記載の塩である。
請求項16に係る発明は、MはLiである請求項15記載の塩である。
請求項17に係る発明は、MA@C60とMA@C70とを含む内包フラーレンであって、ポジティブモードでのLDI(またはLD)−TOF−MSにおいてMA@C60とMA@C70のうちいずれか大きい方のピーク強度に対するMA@C60とMA@C70以外のフラーレンのピーク強度が0.5%以下である内包フラーレンある。
MA:単一若しくは複数のアルカリ金属原子又はそれらを含む原子団The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
MA: Single or plural alkali metal atoms or atomic groups containing them
請求項18に係る発明は、MA@C60とMA@C70とを含む内包フラーレンであって、ネガティブモードでのLDI(またはLD)−TOF−MSにおいてMA@C60とMA@C70のうちいずれか大きい方のピーク強度に対するMA@C60とMA@C70以外のフラーレンのピーク強度が50%以下である内包フラーレンである。
MA:単一若しくは複数のアルカリ金属原子又はそれらを含む原子団
請求項19に係る発明は、MA@C60とMA@C70のうちいずれか大きい方のピーク強度に対するMA@C60とMA@C70以外のフラーレンのピーク強度が20%以下である請求項18記載の内包フラーレンである。
請求項20に係る発明は、前記MAはLiである請求項17ないし19のいずれか1項記載の内包フラーレンである。The invention according to
MA: Single or plural alkali metal atoms or an atomic group containing them The invention according to claim 19 is the one other than MA @ C60 and MA @ C70 with respect to the larger peak intensity of MA @ C60 and MA @ C70. The endohedral fullerene according to
The invention according to
請求項21に係る発明は、[MA@C60]と[MA@C70]とをカチオンとする塩である。カチオンの価数は1価もしくは2価以上とする。
請求項22に係る発明は、[MA@C60]k+[MA@C70]l+・(k+l)[SbCl6]−である請求項21記載の塩である。
k、lはカチオンの価数。The invention according to claim 21 is a salt having [MA @ C60] and [MA @ C70] as cations. The cation has a valence of 1 or more.
The invention according to claim 22 is the salt according to claim 21, which is [MA @ C60] k + [MA @ C70] l +. (K + l) [SbCl6]-.
k and l are cation valences.
301 真空チャンバ、
302 真空ポンプ、
303 電磁コイル、
304 オーブン、
305 ノズル、
306 加熱基板、
307 プラズマ流、
310 堆積基板、
308 オーブン、
309 ノズル、
310 堆積基板、
311 合成物、
312 バイアス電圧の印加装置、
313 加熱フィラメント301 vacuum chamber,
302 vacuum pump,
303 electromagnetic coil,
304 oven,
305 nozzles,
306 heating substrate,
307 plasma flow,
310 deposition substrate,
308 oven,
309 nozzle,
310 deposition substrate,
311 compound,
312 Bias voltage applying device,
313 Heating filament
本発明の内包フラーレンは、ポジティブモードでの質量スペクトル(LDI−TOF−MS)において内包フラーレンのピーク強度に対する空フラーレンのピーク強度が0.5%以下である下記式で表される内包フラーレンである。
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70The endohedral fullerene of the present invention is an endohedral fullerene represented by the following formula in which the peak intensity of empty fullerene is 0.5% or less with respect to the peak intensity of endohedral fullerene in a positive mode mass spectrum (LDI-TOF-MS). .
M @ C2n
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
本発明の単離された内包フラーレンを製造するには概ね次に示す工程、
(a)内包フラーレンと、その周囲を取り囲んでなる複数の空のフラーレンとからなるクラスター構造を有する材料(以下「クラスター材料」という)を溶媒に導入する工程、
(b)このクラスター構造を分解するとともに内包フラーレンカチオンを形成する工程、
(c)内包フラーレンカチオンの塩を析出する工程、
(d)溶媒と析出した内包フラーレンカチオンの塩とを分離する工程
を有する。In order to produce the isolated endohedral fullerene of the present invention, the following steps are generally performed:
(A) a step of introducing a material having a cluster structure (hereinafter referred to as “cluster material”) consisting of an endohedral fullerene and a plurality of empty fullerenes surrounding the inner fullerene into a solvent;
(B) decomposing the cluster structure and forming an endohedral fullerene cation;
(C) a step of depositing a salt of an endohedral fullerene cation,
(D) A step of separating the solvent and the salt of the encapsulated fullerene cation that has precipitated.
本発明者は、上記の種々の工程において、使用する各種の薬品の組合せ、雰囲気、温度などについての多大な条件について実験を行ったところ、ある特定の条件においてのみクラスターの分解が可能であることを見いだした。
本発明者は、単離されたM@C2n(2n=60又は70)を得るために各種の試験を行った。
その一つとして、前記した特許文献3に記載されたクラスター構造の物質(以下この物質を特段の場合を除き「クラスター材料」という。)を始発原料として単離したM@C2nを得ることを各種試みた。
また、特許文献2記載の技術を参照し、クラスター材料を始発原料とし、この始発材料を酸化あるいはプロトン化すればM@C2nが単離されるのではないかと考えた。
具体的には、クラスター材料を溶媒中で酸化剤と反応させればM@C2nを単離することができるのではないかと考えた。The present inventor conducted experiments on various conditions for various combinations of chemicals to be used, atmosphere, temperature, etc. in the above-described various processes. As a result, the cluster can be decomposed only under certain specific conditions. I found.
The inventor conducted various tests to obtain isolated M @ C2n (2n = 60 or 70).
One of them is to obtain M @ C2n isolated using the cluster structure substance described in Patent Document 3 (hereinafter referred to as “cluster material” unless otherwise specified) as a starting material. Tried.
Further, referring to the technique described in
Specifically, it was thought that M @ C2n could be isolated by reacting the cluster material with an oxidizing agent in a solvent.
しかし、クラスター材料を溶媒中で酸化剤と反応させてもM@C2nは単離できないことが確認された。
そこで、何故に単離できないかを鋭意探求したところ次なる理由に基づくのではないかと考えた。
1.クラスター材料は、複数の空のフラーレンC60(あるいはC70)が金属内包フラーレンM@C60(あるいはM@C70)を取り囲んだ構造となっている。この場合、内包フラーレンと空のフラーレンとは、単なるファンデルワールス力による結合ではなく、電荷移動相互作用により結合している。However, it was confirmed that M @ C2n cannot be isolated by reacting the cluster material with an oxidizing agent in a solvent.
Then, after earnestly searching why it could not be isolated, I thought that it might be based on the following reason.
1. The cluster material has a structure in which a plurality of empty fullerenes C60 (or C70) surround the metal-encapsulated fullerene M @ C60 (or M @ C70). In this case, the endohedral fullerene and the empty fullerene are bonded not by simple van der Waals force but by charge transfer interaction.
2.さらに、高次フラーレンの場合とは異なり、C60あるいはC70の場合には、陰イオン性を帯びたC60フラーレン殻はC−C共有結合を形成する傾向がある(非特許文献2)。そして、フラーレン殻を構成する炭素数が少ないほど炭素原子上での曲率が大きくなり、本来sp2軌道として平面をとるべき構造からひずんでしまう。その結果、炭素原子の混成軌道はsp3性を帯び、外側に張り出した軌道を含むこととなる。この外側に張り出した軌道のためにC−C共有結合を形成しやすくなる。 2. Furthermore, unlike the case of higher-order fullerene, in the case of C60 or C70, the C60 fullerene shell having an anionic property tends to form a C—C covalent bond (Non-patent Document 2). Then, the smaller the number of carbon atoms constituting the fullerene shell, the larger the curvature on the carbon atom, and the original structure that should take a plane as the sp2 orbital is distorted. As a result, the hybrid orbit of carbon atoms has sp3 properties and includes an orbit protruding outward. This outwardly extending track facilitates the formation of CC covalent bonds.
3.M@C60(あるいはM@C70)のフラーレン殻は金属原子からの電子移動により陰イオン性を帯びており、上述した陰イオン性を帯びたC60(あるいはC70)の場合と同様にC−C共有結合を形成する。この作用によりクラスター材料内でM@C60(あるいはM@C70)とC60(あるいはC70)との間でC−C共有結合が形成される。
すなわち、高次フラーレンの場合とは異なり、C60(あるいはC70)の場合には、C−C共有結合が形成されていると考えられる。溶媒中で酸化剤を添加しただけではM@C60(あるいはM@C70)を分離できない理由はこのC−C共有結合が原因になっているのではないかと本発明者は推測した。3. The fullerene shell of M @ C60 (or M @ C70) is anionic due to electron transfer from the metal atom, and CC sharing is the same as in the case of C60 (or C70) having the anionic property described above. Form a bond. This action forms a CC covalent bond between M @ C60 (or M @ C70) and C60 (or C70) in the cluster material.
That is, unlike the case of higher-order fullerene, in the case of C60 (or C70), it is considered that a CC covalent bond is formed. The present inventor speculated that this CC covalent bond may be the reason why M @ C60 (or M @ C70) cannot be separated only by adding an oxidizing agent in a solvent.
かかる推測に基づき、いかにすればクラスター材料からM@C60(あるいはM@C70)を単離することができるかを鋭意探求した。
まず、各種酸化剤につき実験を行ったが、いずれについても単離するに至らなかった。従って、酸化という視点ではなく、C−C結合の切断という視点が必要であると考えるに至った。Based on such assumptions, we eagerly investigated how M @ C60 (or M @ C70) can be isolated from the cluster material.
First, various oxidants were tested, but none of them were isolated. Therefore, it came to be considered that the viewpoint of breaking the C—C bond was necessary instead of the viewpoint of oxidation.
つまり、C−C共有結合をしているクラスター材料からM@C60を単離するためには、まず、C−C共有結合を切断し、これによりクラスター構造を分解することが必要であると考えた。
C−C共有結合を切断するために、酸化力の強い酸化剤を試みたが、酸化力が強いからといって必ずしもクラスター構造が分解されるものではないことが確認された。In other words, in order to isolate M @ C60 from a cluster material having a C—C covalent bond, it is necessary to first break the C—C covalent bond and thereby decompose the cluster structure. It was.
In order to cleave the C—C covalent bond, an oxidizing agent having a strong oxidizing power was tried, but it was confirmed that the cluster structure is not necessarily decomposed just because the oxidizing power is strong.
そこで、各種要素につき膨大な数の実験を行った。
膨大な数の実験を行う中で、M@C2nとC2mとを分離しようとする場合、2nと2mが小さく、また、その差が小さいほど分離が困難であり2n=2m=60の場合にはより一層分離が困難であることが実験上推測された。
それは、クラスターを形成するためであると考えられる。Therefore, an enormous number of experiments were conducted for various elements.
When trying to separate M @ C2n and C2m while performing a huge number of experiments, 2n and 2m are smaller, and the smaller the difference, the more difficult the separation is. In the case of 2n = 2m = 60 It has been experimentally estimated that separation is even more difficult.
This is considered to be for forming a cluster.
クラスター材料からM@C60を単離するためには、クラスター構造を分解する工程を必要とする。
本発明者は、各種の溶媒、酸化剤その他の要因を探求したところ、後述する実施例を満たす条件で酸化を行えばクラスターであっても分解することが可能であることを発見した。しかしながら、その中の何がクラスター分解における支配的因子であるかは現状では十分には解明されていない。In order to isolate M @ C60 from the cluster material, a process of decomposing the cluster structure is required.
As a result of searching for various solvents, oxidizing agents, and other factors, the present inventor has discovered that even if a cluster is oxidized under conditions that satisfy the examples described later, it can be decomposed. However, what is the dominant factor in the degradation of clusters is not fully understood at present.
(クラスター材料)
クラスター材料としては、特許文献3に記載された材料が好適に用いられる。特許文献3に記載されたクラスター材料の合成の詳細は特許文献4に記載された通りである。
また、M@C60(あるいはM@C70)の周囲にC60(あるいはC70)が存在する場合には、クラスター構造が形成される。従って、レーザー蒸着法、アーク放電法、イオン注入法(非特許文献1、3記載の方法)、プラズマ照射法(特許文献4)などの方法により合成した材料であってもクラスター材料に含まれる。(Cluster material)
As the cluster material, the material described in
When C60 (or C70) exists around M @ C60 (or M @ C70), a cluster structure is formed. Therefore, even a material synthesized by a method such as a laser vapor deposition method, an arc discharge method, an ion implantation method (methods described in
また、クラスター構造の形成は、合成時に生ずる場合があるが、合成時にはクラスター構造が形成されていない場合であっても精製工程においてクラスター構造が形成される場合もある。いずれであっても本発明の対象となる。
なお、溶媒に導入するに際しては、クラスター材料以外の物質は除去しておくことが好ましい。In addition, the formation of the cluster structure may occur during the synthesis, but the cluster structure may be formed in the purification step even when the cluster structure is not formed during the synthesis. Any of these is a subject of the present invention.
In addition, when introducing into a solvent, it is preferable to remove substances other than the cluster material.
(クラスター構造の分解)
本発明ではクラスター構造の分解を必須とする。
分解に際しては、例えば、分解試薬を溶媒中に導入する。分解試薬としては、例えば、酸化剤やプロトン化剤を用いる。酸化剤としては、アミニウム塩が好適に用いられる。
また、クラスター構造の分解においては、溶媒が重要な役割を果たすことがわかった。(Decomposition of cluster structure)
In the present invention, decomposition of the cluster structure is essential.
In the decomposition, for example, a decomposition reagent is introduced into a solvent. As the decomposition reagent, for example, an oxidizing agent or a protonating agent is used. As the oxidizing agent, an aminium salt is preferably used.
It was also found that the solvent plays an important role in the decomposition of the cluster structure.
特に、溶媒が、前記内包フラーレンの良溶媒である第1の溶媒と、前記分解試薬の良溶媒である第2の溶媒との混合溶媒とすることが、クラスター構造を確実に分解する上で好適である。その理由は明らかではないが、酸化されにくく、また、周囲全体を空のフラーレンで取り囲まれている内包フラーレンが酸化するに際し、分解試薬をその内部に到達させる作用を果たしているものと推測される。 In particular, it is preferable that the solvent is a mixed solvent of the first solvent, which is a good solvent for the endohedral fullerene, and the second solvent, which is a good solvent for the decomposition reagent, in order to reliably decompose the cluster structure. It is. Although the reason is not clear, it is difficult to oxidize, and it is presumed that when the endohedral fullerene surrounded by the empty fullerene is oxidized, the degradation reagent reaches the inside when it is oxidized.
上記意味からは、第1の溶媒として無極性溶媒とすることが好ましく、より具体的は、o−ジクロロベンゼン(以下、「ODCB」と記す。)が好ましい。一方、第2の溶媒は、前記第1の溶媒と相溶性を有し前記分解試薬を溶解する極性溶媒とすることが好ましい。具体的には、アセトニトリル(以下、「AN」とも記す。)とすることが好ましい。
また、第一の溶媒と第二の溶媒との割合としては、1:1〜3:1(容積比)が好ましい。この範囲とすることにより、より確実にクラスター構造の分解が行われる。
なお、分解工程は、室温(−15℃〜40℃)で行っても、加熱下で行ってもよいが、加熱下で行うことがM@C60の収率向上の観点から好ましい。
90℃〜180℃がより好ましい。90℃以上の場合においては、非常に再現性良くクラスター構造を分解させることができる。なお、180℃はC60の良好な溶媒であるODCBの沸点であるので、ODCBを使用する上からは180℃未満が好ましい。
典型的な例として、アミニウム塩の良溶媒であるアセトニトリルとC60の良溶媒であるODCBとの混合溶媒の場合、95℃〜105℃がより再現性よくクラスター構造を分解させることが可能となる。From the above-mentioned meaning, it is preferable to use a nonpolar solvent as the first solvent, and more specifically, o-dichlorobenzene (hereinafter referred to as “ODCB”) is preferable. On the other hand, the second solvent is preferably a polar solvent that is compatible with the first solvent and dissolves the decomposition reagent. Specifically, acetonitrile (hereinafter also referred to as “AN”) is preferable.
Moreover, as a ratio of a 1st solvent and a 2nd solvent, 1: 1-3: 1 (volume ratio) is preferable. By setting this range, the cluster structure is more reliably decomposed.
The decomposition step may be performed at room temperature (−15 ° C. to 40 ° C.) or under heating, but it is preferably performed under heating from the viewpoint of improving the yield of M @ C60.
90 to 180 degreeC is more preferable. In the case of 90 ° C. or higher, the cluster structure can be decomposed with very good reproducibility. In addition, since 180 degreeC is the boiling point of ODCB which is a good solvent of C60, when using ODCB, less than 180 degreeC is preferable.
As a typical example, in the case of a mixed solvent of acetonitrile, which is a good solvent for an aminium salt, and ODCB, which is a good solvent for C60, the cluster structure can be decomposed more reproducibly at 95 ° C. to 105 ° C.
分解工程における時間(加熱して行うときは加熱時間)としては、1時間以上が好ましい。1時間以上行うことにより、分解がより確実に行うことができる。また、M@C60の収率がよくなる。なお、上限としては、7日間以下が好ましい。また、5時間〜48時間がよりこの好ましい。
分解試薬として、酸化剤(一電子酸化剤)を用いることにより分解とともに内包フラーレンのカチオンを形成することができる。The time in the decomposition step (heating time when heated) is preferably 1 hour or longer. Decomposition can be more reliably performed by performing for 1 hour or more. In addition, the yield of M @ C60 is improved. The upper limit is preferably 7 days or less. Further, 5 hours to 48 hours is more preferable.
By using an oxidizing agent (one-electron oxidizing agent) as a decomposing reagent, an endohedral fullerene cation can be formed along with decomposition.
(精製)
M@C60のカチオン塩の精製は例えば、特許文献2に記載された方法を用いて行ってもよい。
また、次の手順で行ってもよい。
精製工程が溶解度差を利用して溶液中の必要成分と不純物成分との分離処理を行ってもよい。
この溶解度差を用いた不純物との分離処理が、二種以上の前記溶媒に対する前記溶媒中の各成分の溶解度の違いを利用することが好ましい。
また、分離処理で用いる溶媒を、内包フラーレンを実質的に溶解させないものとしてもよい。(Purification)
Purification of the cation salt of M @ C60 may be performed using, for example, the method described in
Moreover, you may perform in the following procedure.
The refining process may separate the necessary components and the impurity components in the solution using the solubility difference.
It is preferable that the separation treatment with the impurities using the difference in solubility uses a difference in solubility of each component in the solvent with respect to two or more kinds of the solvents.
Further, the solvent used in the separation treatment may be one that does not substantially dissolve the endohedral fullerene.
精製工程が、
前記分解工程後の溶液を第3の溶媒に分散して沈殿物として第1の組成体を分離し回収する処理と、
その後第4の溶媒に前記第1の組成体を分散させて残留している前記分解試薬および前記分解試薬由来の塩類を除去して第2の組成体として分離し回収する第1の洗浄処理と、
該第2の組成体を第5の溶媒に分散して、金属内包フラーレンと前記分解試薬による対イオンとを主成分とする第3の組成体を分離して得る第2の洗浄処理と、を有し、
前記内包フラーレンのカチオンまたはカチオン塩を得るようにすることが好ましい。
前記第3の溶媒が、内包フラーレン、空フラーレン、塩類、を実質的に溶解させない溶媒とすることが好ましい。
前記第3の溶媒がヘキサンとすることが好ましい。
前記第4の溶媒が、残留前記分解試薬および前記分解試薬由来の塩類を溶解させる溶媒であり、内包フラーレンを実質的に溶解させない溶媒とすることが好ましい。
前記第4の溶媒がアセトニトリルとすることが好ましい。
前記第5の溶媒が、空フラーレンを溶解させる溶媒であり内包フラーレンを実質的に溶解させない溶媒とすることが好ましい。
前記第5の溶媒がトルエンとすることが好ましい。The purification process
A process of dispersing the solution after the decomposition step in a third solvent to separate and recover the first composition as a precipitate;
A first washing treatment in which the first composition is dispersed in a fourth solvent and the remaining decomposition reagent and salts derived from the decomposition reagent are removed and separated and recovered as a second composition; ,
A second cleaning treatment obtained by dispersing the second composition in a fifth solvent and separating a third composition mainly composed of metal-encapsulated fullerene and a counter ion by the decomposition reagent, Have
It is preferable to obtain a cation or a cation salt of the endohedral fullerene.
The third solvent is preferably a solvent that does not substantially dissolve the endohedral fullerenes, empty fullerenes, and salts.
The third solvent is preferably hexane.
The fourth solvent is preferably a solvent that dissolves the residual decomposition reagent and salts derived from the decomposition reagent, and does not substantially dissolve the endohedral fullerene.
It is preferable that the fourth solvent is acetonitrile.
The fifth solvent is preferably a solvent that dissolves empty fullerene and does not substantially dissolve the endohedral fullerene.
It is preferable that the fifth solvent is toluene.
前記精製工程の中に、内包フラーレンを含む組成体を前記第6の溶媒に溶かし、不溶分をろ過した後冷却することによって内包フラーレンを、内包フラーレンカチオンと対イオンのアニオンとのイオン結晶として得る工程を含むようにすることが好ましい。
前記第6の溶媒がo−ジクロロベンゼンとすることが好ましい。
前記冷却を、温度0〜10℃、時間20時間以上行うことが好ましい。
前記溶解度差を用いた前記分離処理が、温度差による溶媒に対する各成分の溶解度変化の違いを利用したものとすることが好ましい。
前記溶解度差による前記分離処理が、溶媒を減少させることによる成分の溶解量の減少を利用したものであることが好ましい。
溶解度差によって固体成分と液体成分に分離した相から固液分離により内包フラーレンを含む成分を固体または液体として得る工程を含むことが好ましい。
前記内包フラーレンを含む成分を固体または液体として得る工程がろ過であることが好ましい。
前記内包フラーレンを含む成分を固体または液体として得る工程が遠心分離による沈降および/または上澄みの移動(デカンテーション)を含むことが好ましい。
前記精製工程が、2つの異なる相である固定相と移動相の間の物質の分配を利用し、必要な成分のみを分画し分取する液体クロマトグラフィーによるものであることが好ましい。
前記液体クロマトグラフィーが、分配・吸着カラムクロマトグラフィであることが好ましい。
前記液体クロマトグラフィーが、イオンカラムクロマトグラフィであることが好ましい。
前記液体クロマトグラフィーが、粒子サイズによる分画を行うゲル浸透カラムクロマトグラフィー(GPC)であることが好ましい。
前記精製工程での分離処理を、成分の昇華温度差の違いにより行うようにすることが好ましい。During the purification step, the endohedral fullerene is dissolved in the sixth solvent, the insoluble matter is filtered and then cooled to obtain the endohedral fullerene as an ionic crystal of the endohedral fullerene cation and the counterion anion. It is preferable to include a process.
The sixth solvent is preferably o-dichlorobenzene.
The cooling is preferably performed at a temperature of 0 to 10 ° C. for 20 hours or more.
It is preferable that the separation process using the solubility difference uses a difference in solubility change of each component with respect to the solvent due to a temperature difference.
It is preferable that the separation process based on the difference in solubility utilizes a decrease in the amount of components dissolved by decreasing the solvent.
It is preferable to include a step of obtaining a component containing endohedral fullerene as a solid or liquid by solid-liquid separation from a phase separated into a solid component and a liquid component due to a difference in solubility.
The step of obtaining the component containing the endohedral fullerene as a solid or liquid is preferably filtration.
The step of obtaining the component containing the endohedral fullerene as a solid or liquid preferably includes sedimentation by centrifugation and / or decantation of the supernatant.
Preferably, the purification step is by liquid chromatography that utilizes the distribution of materials between two different phases, the stationary phase and the mobile phase, to fractionate and fractionate only the necessary components.
The liquid chromatography is preferably distribution / adsorption column chromatography.
The liquid chromatography is preferably ion column chromatography.
It is preferable that the liquid chromatography is gel permeation column chromatography (GPC) for fractionation according to particle size.
It is preferable to perform the separation process in the purification step based on the difference in sublimation temperature of the components.
前記精製工程での分離処理を、電荷を帯びている溶液中の成分と電場との相互作用による電気泳動を用いたことが好ましい。
前記精製工程が粒径差による分離であることが好ましい。
粒径差による分離が、遠心分離によるものであることを特徴とすることが好ましい。
粒径差による分離が、ろ過によるものであることが好ましい。
前記内包フラーレンの中性体を得る中性化工程において、前記内包フラーレンの前記カチオンを還元剤により還元して前記内包フラーレンの中性体を得るようにしたことが好ましい。
前記内包フラーレンの前記カチオンを電気分解処理することにより前記内包フラーレンの中性体を得るようにしたことが好ましい。The separation treatment in the purification step is preferably performed by electrophoresis based on the interaction between a charged component and an electric field.
It is preferable that the purification step is separation by particle size difference.
It is preferable that the separation by the particle size difference is by centrifugation.
The separation due to the difference in particle size is preferably by filtration.
In the neutralization step of obtaining the neutral body of the endohedral fullerene, it is preferable that the cation of the endohedral fullerene is reduced with a reducing agent to obtain the neutral body of the endohedral fullerene.
It is preferable to obtain a neutral body of the endohedral fullerene by electrolyzing the cation of the endohedral fullerene.
(単離した金属内包フラーレン)
また、本発明の単離した内包フラーレンは、ポジティブモードでの質量スペクトル(LDI−TOF−MSスペクトル)において内包フラーレンのピーク強度に対する空フラーレンのピーク強度が0.5%以下である下記式で表される内包フラーレンである。
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70(Isolated metal-encapsulated fullerene)
Moreover, the isolated endohedral fullerene of the present invention is represented by the following formula in which the peak intensity of empty fullerene is 0.5% or less with respect to the peak intensity of the endohedral fullerene in the positive mode mass spectrum (LDI-TOF-MS spectrum). Is an endohedral fullerene.
M @ C2n
M: Single or multiple metal atoms or atomic groups containing them
2n = 60 or 70
他の単離した金属内包フラーレンは、ネガティブモードでの質量スペクトル(LDI−TOF−MSスペクトル)において内包フラーレンのピーク強度に対する空フラーレンのピーク強度の割合が50%以下である下記式で表される内包フラーレンである。
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70Another isolated metal-encapsulated fullerene is represented by the following formula in which the ratio of the peak intensity of empty fullerene to the peak intensity of the endohedral fullerene is 50% or less in the negative mode mass spectrum (LDI-TOF-MS spectrum). It is an endohedral fullerene.
M @ C2n
M: Single or multiple metal atoms or atomic groups containing them
2n = 60 or 70
質量スペクトルでは材料に含まれる分子の分子量を測定することができる。また、含まれている不純物の分子量に対応するピークも検出されるため、相対的な純度を議論することができる。また質量スペクトルにはpositiveモードとnegativeモードの二種類があり、陽イオンになりやすい分子はpositiveモードで、陰イオンになりやすい分子はnegativeモードで(相対的に)強く観測される傾向がある。単離されたLi@C60カチオン塩はLi@C60陽イオンを含むため、positiveモードで強くLi@C60(m/z = 727)のピークが観測される。またC60はLi@C60に比べて陰イオン化しやすいため、相対的には、negativeモードで検出されやすい。 In the mass spectrum, the molecular weight of molecules contained in the material can be measured. Moreover, since the peak corresponding to the molecular weight of the impurity contained is also detected, relative purity can be discussed. There are two types of mass spectra, positive mode and negative mode. Molecules that tend to become positive ions tend to be observed in the positive mode, and molecules that tend to become negative ions tend to be observed relatively strongly in the negative mode. Since the isolated Li @ C60 cation salt contains a Li @ C60 cation, a peak of Li @ C60 (m / z = 727) is strongly observed in the positive mode. Further, since C60 is more easily anionized than Li @ C60, it is relatively easily detected in the negative mode.
本発明においては、positiveモードではLi@C60のピークが強く観測され、不純物としてのC60のピークは実質的に観測されない。また、negativeモードでも、例えばC60のピークが小さく確認されるものの、陰イオンとして検出されにくいLi@C60をも強く観測することができる。
このことは、特許文献3記載のLi@C60含有抽出材料(以下TCEと略記する)の場合を見ると明らかである。この抽出材料TCEでは、positiveモードでLi@C60のピークが観測されるものの、C60のピークも相当量同伴し、negativeモードでの測定に至っては全くLi@C60のピークを確認することができない。In the present invention, the peak of Li @ C60 is strongly observed in the positive mode, and the peak of C60 as an impurity is not substantially observed. Further, even in the negative mode, Li @ C60 that is difficult to be detected as an anion can be strongly observed although the C60 peak is confirmed to be small, for example.
This is clearly seen in the case of the Li @ C60-containing extraction material (hereinafter abbreviated as TCE) described in
Li@C60の質量スペクトルに関しては、これまでCampbellグループの報告例があるが、ピーク強度比でLi@C60の約1/4のC60を同伴しており(非特許文献4)、単離とは言いがたく、また、negativeモードでLi@C60のピークが観測されたスペクトルは報告例が無い。
すなわち、請求項2、3、4に示すピークにて特定される内包フラーレンは従来存在していなかった。
上述の製造方法により初めて実現することが可能となったものである。Regarding the mass spectrum of Li @ C60, there have been reports of the Campbell group so far, but the peak intensity ratio is accompanied by about 1/4 C60 of Li @ C60 (non-patent document 4). It is difficult to say, and there is no report on the spectrum in which the peak of Li @ C60 was observed in the negative mode.
That is, the endohedral fullerene specified by the peaks shown in
This can be realized for the first time by the manufacturing method described above.
(塩)
上述の製造方法によれば、クラスター構造をなす形態で得られる内包フラーレン含有組成物を、溶液中でクラスターの分解を行ってからその中のカチオンまたはカチオン塩を精製して内包フラーレンを得るようにしたので、ユーザーで再溶解することなく、化学処理の用に供することができる。(salt)
According to the above production method, the endohedral fullerene-containing composition obtained in the form of a cluster structure is obtained by decomposing the cluster in a solution and then purifying the cation or cation salt therein to obtain the endohedral fullerene. Therefore, it can be used for chemical treatment without re-dissolution by the user.
(発明の効果)
本発明によれば、従来存在しなかった、単離されたM@C60あるいはM@C70 を得ることが可能となる。その結果、物性研究及び応用に十分資するに足りるM@C60あるいはM@C70を提供することができる。(The invention's effect)
According to the present invention, it is possible to obtain an isolated M @ C60 or M @ C70 that did not exist conventionally. As a result, it is possible to provide M @ C60 or M @ C70 which is sufficient for physical property research and application.
(実施例1)
図1に示す工程に従って、M@C60の単離を行った。Example 1
According to the process shown in FIG. 1, M @ C60 was isolated.
S1:生成工程
(S11:(クラスター材料の)合成)
Liを内包した内包フラーレンの製造に、円筒形状のステンレス製容器の周囲に電磁コイルを配した構造の、図6に示す構成の製造装置を用いた。
使用原料であるLiは、アルドリッチ社製の同位体に関し未精製のLiを用い、また、使用原料であるC60は、フロンティアカーボン社製のC60を用いた。
(i)真空容器301を真空度4.2×10−4Paに排気し、電磁コイル303により、磁場強度0.044Tの磁界を発生させた。
(ii)内包原子昇華オーブン304に固体状のLiを充填し、400〜600℃の温度に加熱してLiを昇華させ、Liガスを発生させた。
(iii)発生したLiガスを500℃に加熱したガス導入管を通して導入し、2500℃に加熱した熱電離プレート306に噴射した。
(iv)Li蒸気が熱電離プレート306表面で電離し、Liの正イオンと電子からなるプラズマ流が発生した。
(v)さらに、発生したプラズマ流に、チムニー型のフラーレンオーブン308で610℃に加熱、昇華させたC60の蒸気を導入した。
(vi)プラズマ流と接触するカップ状の堆積基板310に−30Vのバイアス電圧を印加し、堆積基板301表面に内包フラーレンを含む薄膜を堆積した。
原料供給比(Liイオン/C60)は0.5とした。
(vii)約2時間の堆積を行い、厚さ0.8〜1.4μmの薄膜が堆積した。S1: Generation process (S11: Synthesis of (cluster material))
For the production of the endohedral fullerene containing Li, a production apparatus having a structure shown in FIG. 6 having a structure in which an electromagnetic coil is arranged around a cylindrical stainless steel container was used.
Li used as raw material used was unpurified Li for isotopes manufactured by Aldrich, and C60 used as raw material used was C60 manufactured by Frontier Carbon.
(I) The
(Ii) Encapsulated
(Iii) The generated Li gas was introduced through a gas introduction tube heated to 500 ° C. and sprayed onto the
(Iv) Li vapor was ionized on the surface of the
(V) Further, C60 vapor heated and sublimated to 610 ° C. in a chimney
(Vi) A bias voltage of −30 V was applied to the cup-shaped
The raw material supply ratio (Li ion / C60) was set to 0.5.
(Vii) Deposition was performed for about 2 hours, and a thin film having a thickness of 0.8 to 1.4 μm was deposited.
(S12:合成物回収)
次に、次の手順で合成物の採取・回収を行った。
(i)合成装置の堆積基板装着取り出し口に設けたグローブバッグ内を嫌気雰囲気(アルゴンガス)に置換するとともに、装置内の堆積基板装着部を嫌気ガスにより大気圧に復帰させる(グローブバッグ内には、予めコックなどで内部空間を開放したデシケータを入れておき、デシケータ内部を含めての嫌気雰囲気置換を、グローブバッグの真空排気後にアルゴンガスを導入して行った)。
(ii)グローブバッグの内側から装置内の堆積基板装着部を開け、中の基板を取り出しデシケータに入れ蓋をし、コックを閉じ外気と遮断するとともに、装置の基板装着取り出し口を閉じた。
(iii)グローブバッグから、アルゴンによる嫌気ガス中に外気と遮断された状態で堆積基板が収容されたデシケータを取り出した。
(iv)アルゴンガスによる嫌気雰囲気とした回収用グローブボックスに、堆積基板入りデシケータを入れ、スパチュラで基板上の合成物を削り落とし、アルミニウム箔上に回収した。
(v)次に、グローブボックス内で回収物をメノウ乳鉢ですり潰した。
(vi)そして、グローブボックス内で回収物を電子天秤で秤量した。
この組成物である回収した回収物(すす)を出発材料とし、この材料を2.06g用意した。
嫌気下での回収により、回収作業での溶媒への不溶化やクラスター分解効率の低減などの大気中の酸素や水分による組成物への影響を抑制することができる。(S12: Compound recovery)
Next, the synthesized product was collected and collected by the following procedure.
(I) While replacing the inside of the glove bag provided at the stacking substrate loading / unloading port of the synthesis apparatus with an anaerobic atmosphere (argon gas), the deposition board mounting portion in the apparatus is returned to atmospheric pressure by the anaerobic gas (into the glove bag) In this case, a desiccator whose interior space was opened with a cock or the like was placed in advance, and the anaerobic atmosphere substitution including the inside of the desiccator was performed by introducing argon gas after evacuating the glove bag).
(Ii) The deposition substrate mounting portion in the apparatus was opened from the inside of the glove bag, the inside substrate was taken out, put in a desiccator, covered with a lid, shut off from outside air, and the substrate mounting / extraction port of the apparatus was closed.
(Iii) From the glove bag, the desiccator in which the deposition substrate was accommodated in a state of being shielded from the outside air in an anaerobic gas by argon was taken out.
(Iv) A desiccator containing a deposition substrate was placed in a collection glove box in an anaerobic atmosphere with argon gas, and the composite on the substrate was scraped off with a spatula and collected on an aluminum foil.
(V) Next, the collected material was ground in an agate mortar in a glove box.
(Vi) The collected material was weighed with an electronic balance in the glove box.
The recovered material (soot) collected as this composition was used as a starting material, and 2.06 g of this material was prepared.
Recovery under anaerobic conditions can suppress the influence of oxygen and moisture in the atmosphere on the composition, such as insolubilization in a solvent and reduction of cluster decomposition efficiency during the recovery operation.
S2:分解工程 S2: Decomposition process
(S21:クラスター分解)
本工程は、クラスター構造をなすLi@C60と複数の空フラーレンとを含む組成物である回収物(すす)を、分解試薬とともに溶媒(第1と第2の溶媒による混合溶媒)に投入し、化学反応によりLi@C60と空フラーレンそのほかの成分が、溶液中で遊離して存在する状態にする工程である。
(i)アルゴンガスにより嫌気雰囲気としたグローブボックス内で、容量200mlのナス型フラスコに、回収物2.06gと分解試薬であるアミニウム塩7.20gとを投入した。
ここで、使用したグローブボックスは、内容積6m3の美和製作所製のもので、水分量は2ppm(露点−75℃相当)、酸素量は60ppmであった。
以下では、分解試薬であるアミニウム塩を、次に示す化学式による「アミニウムA」とし説明する。
すなわち、本例での「アミニウムA」は、化合物名:ヘキサクロロアンチモン酸トリス(4−ブロモフェニル)アミニウム、示性式:(4−BrC6H4)3NSbCl6 なるものである。
このアミニウムAは、下記文献を参照して自家合成し、これを用いた。
(文献)D.W.Reynolds etal.,J.Am.Chem.Soc.,1
987,109,4960−4968
(ii)引き続きグローブボックス内で、前記の材料入りナス型フラスコに、第1の溶媒で無極性溶媒であるo−ジクロロベンゼン(以下、ODCBと記す)103ml、第2の溶媒で極性溶媒であるアセトニトリル(以下、ANとも記す)52mlを投入した。
前記溶媒としてそれぞれ、脱水o−ジクロロベンゼン(ALDICH製)、脱水アセトニトリル(和光純薬工業製)を用いた。
(iii)前記ナス型フラスコを超音波洗浄機の槽に載置し、超音波エネルギーを10分間印加し、回収物およびアミニウムAを溶媒へ分散もしくは溶解した。
この結果、容量200mlのなす型フラスコの内容物は、やや青みがかった濃黒色の懸濁液となった。
(iv)前記懸濁液入りナス型フラスコをグローブボックス内で室温下(特に温度管理は行っていないが、内部温度は30℃)磁気攪拌しながら23.5時間分解反応を行った。(S21: Cluster decomposition)
In this step, a recovered material (soot), which is a composition containing Li @ C60 having a cluster structure and a plurality of empty fullerenes, is introduced into a solvent (mixed solvent of the first and second solvents) together with a decomposition reagent, This is a process in which Li @ C60, empty fullerene and other components are released and present in the solution by a chemical reaction.
(I) In a glove box made an anaerobic atmosphere with argon gas, 2.06 g of the recovered product and 7.20 g of an aminium salt as a decomposition reagent were charged into a 200 ml capacity eggplant type flask.
Here, the glove box used was manufactured by Miwa Seisakusho with an internal volume of 6
Hereinafter, the aminium salt that is a decomposition reagent is described as “aminium A” according to the following chemical formula.
That is, “aminium A” in this example is a compound name: tris (4-bromophenyl) aminium hexachloroantimonate, and a formula: (4-BrC6H4) 3NSbCl6.
This aminium A was synthesized in-house with reference to the following literature and used.
(Literature) W. Reynolds et al. , J .; Am. Chem. Soc. , 1
987, 109, 4960-4968
(Ii) Next, in the glove box, 103 ml of o-dichlorobenzene (hereinafter referred to as ODCB), which is a nonpolar solvent, is used as the first solvent, and the polar solvent is used as the second solvent. 52 ml of acetonitrile (hereinafter also referred to as AN) was added.
As the solvents, dehydrated o-dichlorobenzene (manufactured by ALDICH) and dehydrated acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used.
(Iii) The eggplant-shaped flask was placed in a tank of an ultrasonic cleaner, and ultrasonic energy was applied for 10 minutes to disperse or dissolve the recovered material and aminium A in a solvent.
As a result, the contents of the 200-ml eggplant flask became a slightly blackish dark black suspension.
(Iv) The suspension eggplant-shaped flask was subjected to a decomposition reaction for 23.5 hours while stirring magnetically in a glove box at room temperature (particularly temperature control was not performed, but the internal temperature was 30 ° C.).
(S22:不溶固形物除去)
前記した分解反応終了後の懸濁液から、溶媒に不溶の固形分(C60重合体ほかのC60由来成分、Li@C60重合体,Li@C60とC60とが複合した重合体、酸化剤であるアミニウムAの未反応物及び大部分の反応生成物といった不溶成分)を除去することを目的として次の手順を行った。
(i)前記した分解反応終了後の懸濁液入りナス型フラスコに、液体窒素トラップを介してロータリーオイル真空ポンプを接続し、減圧下室温でアセトニトリルを留去した。
(ii)ろ過のフィルター目詰まりによるろ過速度低下を抑制するために、遠心分離を行い上澄み液を得た。
具体的には、なす型フラスコ中の、AN留去後の懸濁液(約100ml)を容量30mlの遠沈管4本に均等に取り分け、遠心分離機(HSIANGTAI社製 CN−2060)に4本同時にセットし、回転数3000rpmで10分間運転した。
(iii)吸引ろ過装置で遠沈管4本の上澄み液をろ過した。 ろ液受けには容量500mlの三角フラスコを用いた。
ろ過フィルターは、メンブランフィルター(日本ミリポア社製 オムニポアメンブレンフィルター、型番 JGWP04700 、仕様 孔経0.2μm、直径47mmφ、厚さ65μm)を用いた。
(iv)遠沈管内とナス型フラスコ内にODCB溶液(本発明の目的物が溶解している)の取り残しが無いようにするため、各容器(4本の遠沈管とナス型フラスコ)の固形分の洗い落としを兼ねて、ヘキサン150mlを小分けにして固形分の残っている各容器に入れよく振った後、各容器内容物を吸引ろ過装置でろ過した。
ろ液受けの三角フラスコ内のろ液は、加わったヘキサン量が増加するにつれて沈殿が生成し、黒褐色の懸濁液となっていった。
ヘキサンとしては、和光純薬工業製特級n−ヘキサンを用いた。(S22: Insoluble solid matter removal)
From the suspension after the completion of the decomposition reaction, a solid content insoluble in a solvent (a C60 polymer and other C60-derived components, a Li @ C60 polymer, a polymer in which Li @ C60 and C60 are combined, and an oxidizing agent. The following procedure was carried out for the purpose of removing insoluble components such as unreacted aminium A and most reaction products.
(I) A rotary oil vacuum pump was connected to the suspension eggplant-shaped flask after completion of the above-described decomposition reaction via a liquid nitrogen trap, and acetonitrile was distilled off at room temperature under reduced pressure.
(Ii) Centrifugation was performed to obtain a supernatant in order to suppress a decrease in filtration rate due to filter clogging.
Specifically, the suspension after AN distillation (about 100 ml) in the eggplant-shaped flask was equally divided into four centrifuge tubes with a capacity of 30 ml, and four were placed in a centrifuge (CN-2060 manufactured by HSIANGTAI). At the same time, it was operated at 3000 rpm for 10 minutes.
(Iii) The supernatant of the four centrifuge tubes was filtered with a suction filtration device. A 500 ml Erlenmeyer flask was used for the filtrate receiver.
As a filtration filter, a membrane filter (Omnipore membrane filter, model number JGWP04700, manufactured by Nihon Millipore Co., Ltd., specification, hole diameter 0.2 μm, diameter 47 mmφ, thickness 65 μm) was used.
(Iv) In order to prevent the ODCB solution (the object of the present invention is dissolved) from remaining in the centrifuge tube and the eggplant-shaped flask, the solids in each container (four centrifuge tubes and the eggplant-shaped flask) In order to wash off the minute portion, 150 ml of hexane was subdivided into each container where the solid content remained and shaken well, and then the contents of each container were filtered with a suction filtration device.
The filtrate in the Erlenmeyer flask receiving the filtrate formed a precipitate as the amount of added hexane increased, and became a black-brown suspension.
As hexane, Wako Pure Chemical Industries special grade n-hexane was used.
S3:精製工程 S3: Purification process
(S31:沈殿生成)
ODCBを主成分とするろ液に、このろ液内溶解全成分の貧溶媒であるヘキサン(第3の溶媒)を添加することで、Li@C60カチオン類を含む全溶質を沈殿させ固形分として得るための工程である。
(i)黒褐色を呈している上記懸濁ろ液中のヘキサン不溶成分の沈殿を一層促すため、三角フラスコに更にヘキサンを150ml加え溶解量をさらに落とした。前に加えたヘキサンとで合計で300mlを加えたことになる。
(ii)前記の“ろ液とヘキサン”入り三角フラスコに共すり栓をし、手に持ち十分振り混ぜた。
(iii)十分な沈殿物を生成するため、懸濁液が入った三角フラスコをさらにそのあと冷暗所に1時間静置した。
(iv)静置後の懸濁液を、吸引ろ過装置でろ過した。
ろ過フィルターには、メンブランフィルター(日本ミリポア社製 オムニポアメンブレンフィルター、型番 JGWP04700 、仕様 孔経0.2μm、直径47mmφ、厚さ65μm)を用いた。
ろ過の際、フィルターホルダーなどのガラス器具内壁に付着し残った固形物は、洗浄ビンに入れたヘキサンを用いて洗い落としてできるだけ回収した。
この結果、フィルター上に第1の組成体である黒色のタール状のろ過残渣(以下、「タール状ろ過残渣」という)を得た。(S31: precipitate formation)
By adding hexane (third solvent), which is a poor solvent for all components dissolved in the filtrate, to the filtrate containing ODCB as the main component, the entire solute containing Li @ C60 cations is precipitated as a solid content. It is a process for obtaining.
(I) In order to further promote precipitation of hexane-insoluble components in the suspension filtrate exhibiting a blackish brown color, 150 ml of hexane was further added to the Erlenmeyer flask to further reduce the dissolved amount. A total of 300 ml was added with the hexane added previously.
(Ii) The Erlenmeyer flask containing the above “filtrate and hexane” was stoppered together, held in the hand and shaken well.
(Iii) In order to produce a sufficient precipitate, the Erlenmeyer flask containing the suspension was further allowed to stand in a cool dark place for 1 hour.
(Iv) The suspension after standing was filtered with a suction filtration device.
As the filtration filter, a membrane filter (Omnipore membrane filter, model number JGWP04700, manufactured by Nihon Millipore Co., Ltd., specification, hole diameter 0.2 μm, diameter 47 mmφ, thickness 65 μm) was used.
During filtration, the solid matter remaining on the inner wall of the glass apparatus such as a filter holder was washed away with hexane in a washing bottle and collected as much as possible.
As a result, a black tar-like filtration residue (hereinafter referred to as “tar-like filtration residue”) as the first composition was obtained on the filter.
(S32:塩類除去)
タール状ろ過残渣(第1の組成体)から酸化剤であるアミニウム塩の未反応物及び反応物を溶媒(第4の溶媒)で溶解し除去するための工程である。
なお、ここで、第4の溶媒としてアミニウム塩の未反応物及び反応物に対する良溶媒で、Li@C60カチオン類とC60フラーレンを実質的に溶解しないANを用いる。
(i)容量200mlの三角フラスコに、タール状ろ過残渣とフィルターとを入れ、第4の溶媒であるAN50mlを注ぎ込みこれらが浸るようにした。
(ii)この三角フラスコを超音波洗浄機内に載置し、超音波エネルギーを3分間印加しAN中にタール状ろ過残渣が分散した懸濁液とした。
(iii)懸濁液を容量30mlの遠沈管2本に均等に取り分け、遠心分離機(HSIANGTAI社製 CN−2060)に2本同時にセットし、回転数3000rpmで10分間運転した。
(iv)吸引ろ過装置で遠沈管2本の上澄み液を、ろ液受け三角フラスコ中にろ過した。 フィルター上にはろ過固形分が残渣として残った(「ろ過1」処理)。
ろ過フィルターは、メンブランフィルター(日本ミリポア社製 オムニポアメンブレンフィルター、型番 JGWP04700 、仕様 孔経0.2μm、直径47mmφ、厚さ65μm)を用いた。
(v)前記「ろ過1」処理で使用し未だ少し固形分が固着している容量200mlの三角フラスコにAN30mlを入れ、超音波洗浄機による分散を3分間行った。
(vi)この分散後の200ml三角フラスコ中のAN溶液を、2本の遠沈管に均等に取り分け超音波エネルギーによる分散を3分間行い、遠心分離機に2本の遠沈管をセットし回転数3000rpmで10分間遠心分離を行った。以上により、200ml三角フラスコと2本の遠沈管内に残っていた固形分中の塩類を溶出させた。
(vii)「ろ過1」処理で実施後の吸引ろ過装置のフィルター上のろ過固形分の上方から2本の遠沈管内の上澄み液を注ぎ、ろ過固形分の洗浄と遠沈管内溶液のろ過とを行った(「ろ過2」処理)。
(viii)前記「ろ過2」処理で使用し未だわずかに固形分が固着している容量200ml三角フラスコの中にAN20ml入れ、超音波洗浄機による分散を3分間行った。
(ix)この分散後の200ml三角フラスコ中のAN溶液を、2本の遠沈管に均等に取り分け超音波エネルギーによる分散を3分間行い、遠心分離機に2本の遠沈管をセットし回転数3000rpmで10分間遠心分離を行った。
(x)「ろ過2」で実施後の吸引ろ過装置のフィルター上のろ過固形分の上方から2本の遠沈管内の内容物を注ぎ、ろ過固形分の洗浄と遠沈管内溶液のろ過とを行った(「ろ過3」処理)。
(xi)「ろ過3」までの繰り返しろ過により得られた残渣固形分が第2の組成体であるろ過残渣固形分である。
なお、この塩類除去処理でのANの使用量は、「ろ過1」で50ml、「ろ過2」で30ml、「ろ過3」で20mlの計100mlであった。(S32: salt removal)
This is a step for dissolving and removing unreacted substances and reactants of the aminium salt, which is an oxidizing agent, from the tar-like filtration residue (first composition) with a solvent (fourth solvent).
Here, AN, which is a good solvent for the unreacted aminium salt and the reactant, and does not substantially dissolve Li @ C60 cations and C60 fullerene, is used as the fourth solvent.
(I) In a Erlenmeyer flask with a capacity of 200 ml, a tar-like filtration residue and a filter were put, and 50 ml of AN, which is a fourth solvent, was poured so that they were immersed.
(Ii) This Erlenmeyer flask was placed in an ultrasonic cleaner, and ultrasonic energy was applied for 3 minutes to obtain a suspension in which tar-like filtration residues were dispersed in AN.
(Iii) The suspension was equally divided into two centrifuge tubes with a capacity of 30 ml, and two suspensions were simultaneously set in a centrifuge (CN-2060 manufactured by HSIANGTAI) and operated at a rotation speed of 3000 rpm for 10 minutes.
(Iv) The supernatant of two centrifuge tubes was filtered with a suction filtration device into a filtrate receiving Erlenmeyer flask. Filter solids remained as a residue on the filter ("
As a filtration filter, a membrane filter (Omnipore membrane filter, model number JGWP04700, manufactured by Nihon Millipore Co., Ltd., specification, hole diameter 0.2 μm, diameter 47 mmφ, thickness 65 μm) was used.
(V) 30 ml of AN was put into a 200 ml Erlenmeyer flask that was used in the above-mentioned “
(Vi) Disperse the AN solution in the 200 ml Erlenmeyer flask after the dispersion evenly into two centrifuge tubes, disperse with ultrasonic energy for 3 minutes, set the two centrifuge tubes in a centrifuge, and rotate at 3000 rpm. For 10 minutes. As described above, the salts in the solid content remaining in the 200 ml Erlenmeyer flask and the two centrifuge tubes were eluted.
(Vii) The supernatant in the two centrifuge tubes is poured from above the filtered solids on the filter of the suction filtration device after the “
(Viii) 20 ml of AN was placed in a 200 ml Erlenmeyer flask which was used in the above-mentioned “
(Ix) Disperse the AN solution in the 200 ml Erlenmeyer flask after the dispersion evenly into two centrifuge tubes, disperse by ultrasonic energy for 3 minutes, set the two centrifuge tubes in a centrifuge, and rotate at 3000 rpm For 10 minutes.
(X) Pour the contents in the two centrifuge tubes from above the filtered solid content on the filter of the suction filtration device after “
(Xi) The residue solid content obtained by repeated filtration up to “
The amount of AN used in this salt removal treatment was 50 ml for “
(S33:空フラーレン除去)
本工程では、第2の組成体であるろ過残渣固形分から、第5の溶媒(トルエン)を用いて空フラーレン(C60)を溶解除去する。第5の溶媒は、空フラーレンの良溶媒、かつ内包フラーレンカチオン類を実質的に溶解しないものが選択される。
(i)容量200mlの三角フラスコに、第2の組成体のろ過残渣固形物とフィルターとを入れ、第5の溶媒であるトルエン50mlを注ぎ込みこれらが浸るようにした。この三角フラスコを超音波洗浄機内に載置し、超音波エネルギーを3分間印加しトルエン中に第2組成体ろ過残渣固形物が分散した懸濁液とした。
(ii)懸濁液を容量30mlの遠沈管2本に均等に取り分け、遠心分離機(HSIANGTAI社製 CN−2060)に2本同時にセットし、回転数3000rpmで10分間運転した。
(iii)吸引ろ過装置で遠沈管2本の内容物を、ろ液受け三角フラスコ中にろ過した。フィルター上にはろ過固形分が残渣として残った(「ろ過1」処理)。
トルエンは特級トルエン(和光純薬工業製)、ろ過フィルターはメンブランフィルター(日本ミリポア社製 オムニポアメンブレンフィルター、型番 JGWP04700 、仕様 孔経0.2μm、直径47mmφ、厚さ65μm)を用いた。
(iv)容量200ml三角フラスコの中に、前記「ろ過1」の残渣固形物とフィルターとを入れ、新たなトルエン50mlを注ぎ込み、これらが浸るようにした。この三角フラスコを超音波洗浄機内に載置し、超音波エネルギーを3分間印加しトルエン中にろ過固形物が分散した懸濁液とした。
(v)この分散後の200ml三角フラスコ中の懸濁トルエン液を、2本の遠沈管に均等に取り分け超音波エネルギーによる分散を3分間行い、遠心分離機に2本の遠沈管をセットし回転数3000rpmで10分間遠心分離を行った。以上により、200ml三角フラスコと2本の遠沈管内に残っていた固形分中の不用物除去と必要成分の回収を行った。
(vii)「ろ過1」で実施後の吸引ろ過装置のフィルター上のろ過固形分の上方から2本の遠沈管内の溶液を注ぎ、ろ過固形分の洗浄と遠沈管内溶液のろ過とを行った(「ろ過2」処理)。
「ろ過2」までの繰り返しろ過により得られた固形分が第3の組成体であるろ過残渣固形分である。(S33: Empty fullerene removal)
In this step, the empty fullerene (C60) is dissolved and removed from the filtration residue solid content of the second composition using a fifth solvent (toluene). As the fifth solvent, a good solvent for empty fullerene and a solvent that does not substantially dissolve the endohedral fullerene cations are selected.
(I) The solid residue and the filter residue of the second composition were placed in an Erlenmeyer flask having a capacity of 200 ml, and 50 ml of toluene as the fifth solvent was poured so that they were immersed. This Erlenmeyer flask was placed in an ultrasonic cleaner, and ultrasonic energy was applied for 3 minutes to obtain a suspension in which the second composition filtration residue solid was dispersed in toluene.
(Ii) The suspension was equally divided into two centrifuge tubes with a capacity of 30 ml, and the two suspensions were simultaneously set in a centrifuge (CN-2060 manufactured by HSIANGTAI) and operated at a rotation speed of 3000 rpm for 10 minutes.
(Iii) The contents of two centrifuge tubes were filtered into a filtrate receiving Erlenmeyer flask using a suction filtration device. Filter solids remained as a residue on the filter ("
Toluene was a special grade toluene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and a membrane filter (Nihon Millipore omnipore membrane filter, model number JGWP04700, specification, pore diameter 0.2 μm, diameter 47 mmφ, thickness 65 μm) was used as a filtration filter.
(Iv) In a 200 ml Erlenmeyer flask, the solid residue of “
(V) Disperse the suspended toluene solution in the 200 ml Erlenmeyer flask after the dispersion evenly into two centrifuge tubes, disperse with ultrasonic energy for 3 minutes, set the two centrifuge tubes in a centrifuge and rotate Centrifugation was performed at several 3000 rpm for 10 minutes. As described above, unnecessary materials in the solid content remaining in the 200 ml Erlenmeyer flask and the two centrifuge tubes were removed and necessary components were recovered.
(Vii) The solution in the two centrifuge tubes is poured from the top of the filtered solid content on the filter of the suction filtration device after “
The solid content obtained by repeated filtration up to “
(S34:Li@C60カチオン類抽出)
本工程では、第3の組成体であるろ過残渣固形分から、第6の溶媒(ODCB)を用いて内包フラーレンカチオン類を溶解抽出する。第6の溶媒は、内包フラーレンカチオン類の良溶媒が選択される。
(i)容量200mlの三角フラスコに、前記の第3組成体ろ過残渣固形物とフィルターとを入れ、第6の溶媒であるODCB20mlを注ぎ込みこれらが浸るようにした。この三角フラスコを超音波洗浄機内に載置し、超音波エネルギーを3分間印加しODCB中に第3組成体ろ過残渣固形物が分散した懸濁液とした。
(ii)懸濁液を容量30mlの遠沈管1本に取り、遠心分離機(HSIANGTAI社製 CN−2060)にセットし、回転数3000rpmで10分間運転した。
(iii)吸引ろ過装置で遠沈管1本の内容物を、ろ液受けフラスコ中にろ過した。目的物内包フラーレンカチオン類Li@C60塩が抽出溶解されているろ液を30mlバイアルビンに入れた。
ODCBは、特級ODCB(ALDRICH製)、ろ過フィルターは、メンブランフィルター(日本ミリポア社製 オムニポアメンブレンフィルター、型番 JGWP02500 、仕様 孔経0.2μm、直径25mmφ、厚さ65μm)を用いた。(S34: Li @ C60 cation extraction)
In this step, the endohedral fullerene cations are dissolved and extracted from the solid residue of the filtration residue, which is the third composition, using a sixth solvent (ODCB). As the sixth solvent, a good solvent for the endohedral fullerene cation is selected.
(I) The third composition filtration residue solid matter and the filter were put into a 200 ml Erlenmeyer flask, and 20 ml of ODCB as the sixth solvent was poured so that they were immersed. This Erlenmeyer flask was placed in an ultrasonic cleaner, and ultrasonic energy was applied for 3 minutes to obtain a suspension in which the third composition filtration residue solid was dispersed in ODCB.
(Ii) The suspension was taken in one centrifuge tube with a capacity of 30 ml, set in a centrifuge (CN-2060 manufactured by HSIANGTAI), and operated at a rotation speed of 3000 rpm for 10 minutes.
(Iii) The content of one centrifuge tube was filtered into a filtrate receiving flask with a suction filtration device. The filtrate in which the target substance-encapsulated fullerene cation Li @ C60 salt was extracted and dissolved was placed in a 30 ml vial.
As the ODCB, a special grade ODCB (manufactured by ALDRICH) was used, and as the filtration filter, a membrane filter (Nihon Millipore omnipore membrane filter, model number JGWP02500, specification pore diameter 0.2 μm, diameter 25 mmφ, thickness 65 μm) was used.
(S35:固体析出)
本工程では、ろ液から内包フラーレンカチオン類を固形分として析出させる。ろ液を冷却することでカチオン類の溶解量を低減させる。
(i)前記のろ液の入ったバイアルビンを5℃に設定した冷蔵庫に入れ68時間静置した。冷蔵庫は、日本フリーザ(株)製 型式KT−1744を用いた。
(ii)冷温静置後、バイアルビンのろ液中に黒色粉状固体(OxAm−Cと呼ぶ)の析出が確認できた。(S35: Solid precipitation)
In this step, the endohedral fullerene cations are precipitated as a solid content from the filtrate. Cooling the filtrate reduces the amount of cations dissolved.
(I) The vial bottle containing the filtrate was placed in a refrigerator set at 5 ° C. and allowed to stand for 68 hours. As the refrigerator, model KT-1744 manufactured by Nippon Freezer Co., Ltd. was used.
(Ii) After standing at cool temperature, precipitation of black powdery solid (referred to as OxAm-C) could be confirmed in the filtrate of the vial.
(S36:固体回収)
本工程では、析出した黒色粉状固体OxAm−Cの洗浄を行い不用物を除去し必要な固体を回収する。
(i)冷温静置後、バイアルビンのろ液の上澄み液を吸引ろ過装置のフィルターホルダーに注いでろ過した(デカンテーションろ過)。上澄み液とともに流れ出たわずかの黒色粉状固体がフィルター上に残った。
(ii)大部分の黒色粉状固体を内壁と底部に残したバイアルビンにODCB100μlを注ぎ黒色粉状固体を洗浄した。
(iii)続いて、デカンテーションろ過実施後の前記ろ過装置のフィルター上の黒色の残渣ろ過固形分の上方からバイアルビン内の上澄み液を注ぎ、デカンテーションろ過した(「ODCBデカンテーション1」処理)。
(iv)再度、内壁と底部に黒色粉状固体を残したバイアルビンに新たにODCB100μlを注ぎ黒色粉状固体を再洗浄した後、デカンテーションろ過を繰り返した(「ODCBデカンテーション2」処理)。
(v)大部分の黒色粉状固体を内壁と底部に残したバイアルビンにトルエン1mlを注ぎ黒色粉状固体を洗浄した。続いて、「ODCBデカンテーションろ過2」実施後の前記ろ過装置のフィルター上の黒色の残渣ろ過固形分の上方からバイアルビン内の上澄み液を注ぎ、デカンテーションろ過した(「トルエンデカンテーション」処理)。
(vi)大部分の黒色粉状固体を内壁と底部に残したバイアルビンにヘキサン1mlを注ぎ黒色粉状固体を洗浄した後、マイクロピペットでバイアルビン内の内容物をできるだけ吸引し、それをトルエンデカンテーション実施後のろ過装置のフィルター上の黒色の残渣ろ過固形分の上方から注ぎ吸引ろ過した。これを三回繰り返した。
(vii)得られた黒色の残渣ろ過固形分をフィルターとともにアルミニウム箔上に取り出し、これを真空デシケータに入れダイアフラムポンプで乾燥した。
(viii)乾燥後の黒色粉状固体は、目的物である内包フラーレンカチオンLi@C60+類を含み、OxAm−Cと称することにする。 ここで得られたOxAm−Cの重量は約6.7mgであった。(S36: Solid recovery)
In this step, the black powdered solid OxAm-C that has precipitated is washed to remove unnecessary materials and collect the necessary solid.
(I) After standing at cool temperature, the filtrate from the vial bottle was poured into a filter holder of a suction filtration device and filtered (decantation filtration). A slight black powdery solid that flowed out with the supernatant remained on the filter.
(Ii) 100 μl of ODCB was poured into a vial that left most of the black powdery solid on the inner wall and bottom, and the black powdery solid was washed.
(Iii) Subsequently, the supernatant in the vial was poured from above the black residue filtration solids on the filter of the filtration device after decantation filtration, and decantation filtered ("
(Iv) Again, 100 μl of ODCB was newly poured into the vial that left the black powdery solid on the inner wall and bottom, and the black powdery solid was washed again, followed by repeated decantation filtration (“
(V) 1 ml of toluene was poured into a vial that left most of the black powdered solid on the inner wall and bottom, and the black powdered solid was washed. Subsequently, the supernatant liquid in the vial was poured from above the black residue filtration solids on the filter of the filtration apparatus after the “
(Vi) Pour 1 ml of hexane into a vial that has left most of the black powdery solid on the inner wall and bottom, and after washing the black powdery solid, aspirate the contents in the vial with a micropipette as much as possible. It poured from the upper part of black residue filtration solid content on the filter of the filtration apparatus after decantation, and was suction-filtered. This was repeated three times.
(Vii) The obtained black residue filtration solids were taken out together with a filter onto an aluminum foil, put in a vacuum desiccator and dried with a diaphragm pump.
(Viii) The black powdery solid after drying contains the inclusion endohedral fullerene cation Li @ C60 + and is referred to as OxAm-C. The weight of OxAm-C obtained here was about 6.7 mg.
(S37:再結晶)
本工程では、内包フラーレンカチオン類を含む固体OxAm−Cを再結晶化することにより高純度するとともに、結晶性固体として得ることを目的とする。
(i)S2:分解工程を行ったのと同じグローブボックス内で20mlバイアル瓶にOxAm−Cを6.7mg投入し、ODCB6mlおよびAN6mlを加え、超音波洗浄機内に載置して3分間分散した。
(ii)前記バイアル瓶内容物を、吸引ろ過装置でろ過した。 前記の各プロセスと同一種のフィルターを使用した。 目的物Li@C60カチオン塩はろ液(別の20mlバイアル瓶受けた)に溶解していて、ろ過固形分は不要物(不純物)であると考えている。
(iii)ODCBおよびANの混合溶媒のろ液が入った前記20mlバイアル瓶をデシケータに入れ、液体窒素トラップを介してロータリーオイル真空ポンプを接続し、減圧下室温でアセトニトリルを留去した。
(iv)残ったODCBを主溶媒とする前記溶液を冷蔵庫内で3日間静置した。
この結果、バイアル瓶の内壁面を中心に細長い黒色板状の結晶性固体(この黒色板状結晶性固体を以下OxAm−CPと称する)が多数生成した。 この結晶性固体の大きさは、幅が数十μm、長さが数mm程度であった。(S37: Recrystallization)
The purpose of this step is to obtain high purity by recrystallization of solid OxAm-C containing endohedral fullerene cations and to obtain it as a crystalline solid.
(I) S2: 6.7 mg of OxAm-C was put into a 20 ml vial in the same glove box where the decomposition step was performed, ODCB 6 ml and AN 6 ml were added, and placed in an ultrasonic cleaner to disperse for 3 minutes. .
(Ii) The contents of the vial were filtered with a suction filtration device. The same type of filter was used for each of the above processes. The target product Li @ C60 cation salt is dissolved in the filtrate (received in another 20 ml vial), and the filtered solid content is considered to be an unnecessary substance (impurities).
(Iii) The 20 ml vial containing the filtrate of the mixed solvent of ODCB and AN was put into a desiccator, a rotary oil vacuum pump was connected through a liquid nitrogen trap, and acetonitrile was distilled off at room temperature under reduced pressure.
(Iv) The solution containing the remaining ODCB as a main solvent was allowed to stand in a refrigerator for 3 days.
As a result, a large number of elongated black plate-like crystalline solids (this black plate-like crystalline solid is hereinafter referred to as OxAm-CP) were generated around the inner wall surface of the vial. The crystalline solid had a width of several tens of μm and a length of several mm.
(S38:結晶回収)
前記OxAm−CP結晶中の不純物(主としてODCBを想定)をさらに除去洗浄し、OxAm−CP結晶を回収(溶媒を除き固体として取得)するための工程である。
(i)冷温静置後、バイアル瓶内の溶液を析出固体OxAm−CPごと吸引ろ過装置のフィルターホルダーに注いでろ過した。 目的物Li@C60カチオン塩はろ過固体OxAm−CP中に存在する。
(ii)フィルター上の固体にヘキサンを1mlかけ洗浄し、吸引ろ過した(「ヘキサン洗浄1」処理)。さらに再度固体にヘキサンを1mlかけ洗浄し、吸引ろ過した(「ヘキサン洗浄2」処理)。
(iii)得られた黒色の固体をフィルターとともにアルミニウム箔上に取り出し、これを真空デシケータに入れダイアフラムポンプで乾燥した。
得られた黒色板状結晶(OXAM−CP)の重量は1.5mgであった。(S38: Crystal recovery)
This is a step for further removing and cleaning impurities (mainly assuming ODCB) in the OxAm-CP crystals and recovering the OxAm-CP crystals (obtained as a solid excluding the solvent).
(I) After standing at a cool temperature, the solution in the vial was poured into the filter holder of the suction filtration device together with the precipitated solid OxAm-CP and filtered. The target product Li @ C60 cation salt is present in the filtered solid OxAm-CP.
(Ii) The solid on the filter was washed with 1 ml of hexane and suction filtered ("
(Iii) The obtained black solid was taken out together with a filter onto an aluminum foil, placed in a vacuum desiccator, and dried with a diaphragm pump.
The weight of the obtained black plate crystal (OXAM-CP) was 1.5 mg.
S4:中性化工程(還元工程) S4: Neutralization process (reduction process)
中性化工程は、カチオン塩として得られた金属内包フラーレン(本実施例ではLi@C60+の塩)を還元して、中性体(本実施例ではLi@C60)として単離するための工程である。
(i)OxAm−CP 5mgをODCB 5mlに溶かし溶液とした。
(ii)この溶液を撹拌しながら還元剤ビス(ペンタメチルーシクロペンタジエニル)鉄(II)(以下、Fe(Cp*)2と記す)のODCB溶液を徐々に加えた。
ここで、Fe(Cp*)2の量は、OxAm−CPの5mgに対して3倍当量となる4.6mgとした。
OxAm−CP(:Li@C60・SbCl6)の分子量 1062.1
Fe(Cp*)2の分子量 326.2
よって、還元剤の量=(326.2×3×5)/1062.1=4.6
これにより還元反応が進行し、Li@C60と[Fe(Cp*)2+][SbCl6−]がODCB中に生成した混合溶液となる。
(iii)50mlのヘキサンを入れたフラスコに、撹拌しながら混合溶液を少しづつ添加する。これにより、ヘキサンに対して実質的に溶解しないLi@C60と[Fe(Cp*)2+][SbCl6−]とが沈殿し懸濁液となる。
(iv)この懸濁液を吸引ろ過し、固形分をフィルター上に得た。
(v)フィルター上に残っていた固形分をアセトニトリル50mlに投入し、撹拌して分散した。
これにより、極性溶媒であるアセトニトリルに、イオン性の塩である[Fe(Cp*)2+][SbCl6−]が溶解し、一方、Li@C60は固体として液中に分散した状態となった。
(vi)この溶液を吸引ろ過し、フィルター上の固形分を採取し、これを真空デシケータで吸引乾燥した。
(vii)乾燥して得られた固形物を不活性ガスとともにバイアル瓶に採取した。これが単離されたLi@C60フラーレンであり、得られた固形物の量は、3mgであった。The neutralization step is a step for reducing the metal-encapsulated fullerene (a salt of Li @ C60 + in this example) obtained as a cation salt and isolating it as a neutral form (Li @ C60 in this example). It is.
(I) 5 mg of OxAm-CP was dissolved in 5 ml of ODCB to obtain a solution.
(Ii) While this solution was stirred, an ODCB solution of the reducing agent bis (pentamethyl-cyclopentadienyl) iron (II) (hereinafter referred to as Fe (Cp *) 2) was gradually added.
Here, the amount of Fe (Cp *) 2 was 4.6 mg which is 3 times equivalent to 5 mg of OxAm-CP.
Molecular weight of OxAm-CP (: Li @ C60 · SbCl6) 1062.1
Molecular weight of Fe (Cp *) 2 326.2
Thus, the amount of reducing agent = (326.2 × 3 × 5) /1062.1=4.6
As a result, the reduction reaction proceeds, and a mixed solution in which Li @ C60 and [Fe (Cp *) 2 +] [SbCl6-] are generated in ODCB is obtained.
(Iii) The mixed solution is added little by little to a flask containing 50 ml of hexane while stirring. As a result, Li @ C60 and [Fe (Cp *) 2+] [SbCl6-] that are substantially insoluble in hexane precipitate and form a suspension.
(Iv) The suspension was suction filtered to obtain a solid content on the filter.
(V) The solid content remaining on the filter was put into 50 ml of acetonitrile and dispersed by stirring.
As a result, [Fe (Cp *) 2+] [SbCl6-], which is an ionic salt, was dissolved in acetonitrile, which is a polar solvent, while Li @ C60 was dispersed in the liquid as a solid.
(Vi) The solution was subjected to suction filtration, the solid content on the filter was collected, and this was suction dried with a vacuum desiccator.
(Vii) The solid obtained by drying was collected in a vial together with an inert gas. This was an isolated Li @ C60 fullerene and the amount of solid obtained was 3 mg.
上記の黒色板状結晶OxAm−CPについて次の各種試験を行った。 The following various tests were performed on the black plate crystal OxAm-CP.
(LDI−TOF−MS検査)
質量スペクトル(LDI−TOF−MS,装置名:島津製作所製AXIMA−CFR plus, レーザーパワー60)を測定したところ、強いm/z=727のピークを観測した。
このピークはLi@C60イオンに帰属される(以下このピークを(A)ピークと呼ぶ)。positiveモードおよびnegativeモードのいずれにおいても、分子量700−800の範囲で(A)ピークがベースピーク(最大強度ピーク)であり、その他不純物のピークは弱かった。(LDI-TOF-MS inspection)
When a mass spectrum (LDI-TOF-MS, apparatus name: AXIMA-CFR plus, manufactured by Shimadzu Corporation, laser power 60) was measured, a strong peak at m / z = 727 was observed.
This peak is attributed to the Li @ C60 ion (hereinafter this peak is referred to as (A) peak). In both the positive mode and the negative mode, the peak (A) was a base peak (maximum intensity peak) in the molecular weight range of 700-800, and the other impurity peaks were weak.
Li@C60は陽イオンになりやすいためnegativeモードよりpositiveモードにおいて強く観測される傾向があり、逆にC60は陰イオンになりやすいためpositiveモードよりnegativeモードにおいて強く観測される傾向がある。
実際に、OxAm−CPの質量スペクトルでは、positiveモードでは(A)ピークに対しm/z =720(C60)のピーク(以下このピークを(B)ピークと呼ぶ)は実質的に観測されなかった((B)ピークと(A)ピークの比は0.5%以下)のに対し、negativeモードでは(B)ピークが弱く観測された((B)ピークと(A)ピークの比は20%以下。)
Li@C60の質量スペクトルに関しては、これまでCampbellグループの報告例があるが、多量のC60(ピーク強度比でLi@C60の約4倍)を同伴しており、単離とは言いがたく、また、negativeモードでLi@C60のピークが観測されたスペクトルは報告例が無い。Since Li @ C60 tends to be positive ions, it tends to be observed more strongly in the positive mode than the negative mode. Conversely, C60 tends to be more negative ions than the positive mode.
Actually, in the mass spectrum of OxAm-CP, in the positive mode, a peak at m / z = 720 (C60) with respect to the (A) peak (hereinafter referred to as the (B) peak) was not substantially observed. (The ratio of (B) peak to (A) peak is 0.5% or less), whereas in the negative mode, the (B) peak was weakly observed (the ratio of (B) peak to (A) peak was 20%) Less than.)
Regarding the mass spectrum of Li @ C60, there is a report example of Campbell group so far, but it is accompanied by a large amount of C60 (about 4 times the Li @ C60 in peak intensity ratio), and it is difficult to say that it is isolated. Moreover, there is no report example of the spectrum in which the peak of Li @ C60 was observed in the negative mode.
(NMR検査)
7Li NMR測定(装置名:Bruker AVANCE300,117MHz,ODCB)を行ったところ、図4に示すように、−11.1ppm付近(重水中LiCl基準)に一本のみのピークを与えた。 −11.1ppmのピーク位置は一般的なLi化学種としては高磁場の領域であり、Li原子核が磁気的に強く遮蔽されていることを示している。このことはLi原子がC60殻に内包されていることを示唆している。
13C NMR測定(装置名:Bruker AVANCE600,151MHz,ODCB)を行ったところ、図5に示すように、142.04ppm(ODCB中テトラメチルシラン基準)に一本のみピークを与えた。
いずれの核種においてもNMRスペクトルでのピークが一本だけであるということは、この材料が含んでいるリチウム化学種及び炭素化学種が一種類であることを示している。特に、13C NMRで全ての炭素が等価に現れていることは、分子内の全ての炭素とLiの距離が等しいことを示している。すなわちLi原子はC60殻の内側の中心にあり、C60殻の内側の偏った位置やC60殻の外側にはない、ということを示している。
(元素分析)
下表1は、OxAm−CPの元素分析の結果を示す表である。
C、H、N分析には、YANACO社製CHN分析装置MT−6を用いた。
Li分析は、湿式灰化法で分析試料を調整し、JARRELL−ASH社RIS−AP型 装置によるICP−OES法で行った。
表1には、得られる可能性の高い化合物の元素組成を比較のため合わせて示した。
試料番号”OxAm36−CP1”が本特許のOxAm−CPサンプルの典型例である。
”OxAm36−CP1”(obsd.観測値)と”Li@C60SbCl6・ODCB”(calcd.理論計算値)の組成を比較するとよく一致しており(一般的に、元素分析値と理論組成が0.4%以内の差異であれば一致しているとされる)、OxAm−CPは、溶媒であるODCBを1分子含んだLi@C60SbCl6・ODCB組成を持つ結晶である可能性が高い。
When 7Li NMR measurement (apparatus name: Bruker AVANCE300, 117 MHz, ODCB) was performed, as shown in FIG. 4, only one peak was given in the vicinity of −11.1 ppm (based on LiCl in heavy water). The peak position of −11.1 ppm is a high magnetic field region as a general Li chemical species, indicating that the Li nuclei are strongly shielded magnetically. This suggests that Li atoms are encapsulated in the C60 shell.
When 13C NMR measurement (apparatus name: Bruker AVANCE 600, 151 MHz, ODCB) was performed, only one peak was given to 142.04 ppm (based on tetramethylsilane in ODCB) as shown in FIG.
In any nuclide, the fact that there is only one peak in the NMR spectrum indicates that this material contains only one lithium species and one carbon species. In particular, the appearance of all carbons equivalently in 13C NMR indicates that the distances between all the carbons in the molecule and Li are equal. That is, the Li atom is at the center inside the C60 shell, and is not located at a biased position inside the C60 shell or outside the C60 shell.
(Elemental analysis)
Table 1 below is a table showing the results of elemental analysis of OxAm-CP.
For C, H, and N analysis, a CHN analyzer MT-6 manufactured by YANACO was used.
Li analysis was performed by the ICP-OES method using a RIS-AP type apparatus of JARRELL-ASH, adjusting the analysis sample by a wet ashing method.
Table 1 shows the elemental compositions of the compounds that are likely to be obtained for comparison.
Sample number “OxAm36-CP1” is a typical example of the OxAm-CP sample of this patent.
The composition of "OxAm36-CP1" (obsd. Observed value) and "Li@C60SbCl6.ODCB" (calcd. Theoretical calculation value) are in good agreement (generally, the elemental analysis value and the theoretical composition are 0.00. OxAm-CP is highly likely to be a crystal having a Li @ C60SbCl6 · ODCB composition containing one molecule of ODCB as a solvent.
なお、合成工程S1においては、始発材料としてC60の単一のフラーレンを用い、C60に金属を内包させた場合を説明したが、始発材料として、C60とC70との混合フラーレンを用い、それぞれに金属を内包させた場合においても、M@C60とM@C70以外のフラーレンを含有しない、単離したM@C60とM@C70の混合内包フラーレンを得ることができた。 In the synthesis step S1, a case where a single fullerene of C60 is used as a starting material and a metal is included in C60 has been described. However, a mixed fullerene of C60 and C70 is used as a starting material, and a metal is used for each. Even in the case of encapsulating M @ C60 and M @ C70, it was possible to obtain isolated encapsulated fullerenes containing M @ C60 and M @ C70, which did not contain fullerenes other than M @ C60 and M @ C70.
本発明により単離したM@C60(あるいはM@C70)が得られるため、
・M@C60(あるいはM@C70)の物性解明が可能となる。
・物性解明に伴いその応用、用途開発の範囲が広がる。
・有機薄膜太陽電池の高変換効率化を始め、高温超伝導材料としても期待できる。
溶媒に可溶なため
・分子分散が可能となり、分子機能を発現させることができる。
・誘導体合成が容易となり、各種機能の付加が可能となる。
・広い範囲の用途開発、応用研究が可能となる。Since M @ C60 (or M @ C70) isolated according to the present invention is obtained,
・ The physical properties of M @ C60 (or M @ C70) can be clarified.
・ With the elucidation of physical properties, the scope of application and application development will expand.
-It can be expected as a high-temperature superconducting material, including higher conversion efficiency of organic thin-film solar cells.
Because it is soluble in a solvent ・ Molecular dispersion is possible and molecular functions can be expressed.
-Derivative synthesis becomes easy and various functions can be added.
・ A wide range of application development and applied research is possible.
Claims (22)
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70An isolated endohedral fullerene represented by M @ C2n.
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70In the positive mode laser desorption ionization time-of-flight mass spectrum (hereinafter referred to as “LDI (or LD) -TOF-MS”), the peak intensity of other fullerenes is 0.5% or less with respect to the peak intensity of endohedral fullerenes. An endohedral fullerene represented by the following formula.
M @ C2n
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
M@C2n
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70An endohedral fullerene represented by the following formula in which the peak intensity of another fullerene is 50% or less with respect to the peak intensity of the endohedral fullerene in LDI-TOF-MS in negative mode.
M @ C2n
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
M:単一若しくは複数の金属原子又はそれらを含む原子団
2n=60又は70A salt having [M @ C2n] as a cation. The cation has a valence of 1 or more.
M: single or plural metal atoms or atomic group containing them 2n = 60 or 70
mはカチオンの価数。The salt according to claim 9, which is [M @ C2n] m + · m [SbCl6]-.
m is the valence of the cation.
MA:単一若しくは複数のアルカリ金属原子又はそれらを含む原子団MA @ C60 and MA @ C70 containing endohedral fullerenes, MA @ C60 for peak intensity of MA @ C60 or MA @ C70, whichever is larger in LDI (or LD) -TOF-MS in positive mode Endohedral fullerenes with peak intensity of fullerenes other than MA @ C70 of 0.5% or less.
MA: Single or plural alkali metal atoms or atomic groups containing them
MA:単一若しくは複数のアルカリ金属原子又はそれらを含む原子団MA @ C60 and MA @ C70 containing endohedral fullerenes, and MA @ C60 for peak intensity of MA @ C60 or MA @ C70, whichever is larger in LDI (or LD) -TOF-MS in negative mode Endohedral fullerenes with peak intensity of fullerenes other than MA @ C70 of 50% or less.
MA: Single or plural alkali metal atoms or atomic groups containing them
k、lはカチオンの価数。The salt according to claim 21, which is [MA @ C60] k + [MA @ C70] l +. (K + 1) [SbCl6]-.
k and l are cation valences.
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