α-карбин и β-карбин

Предыстория
До начала 60-х гг. ХХ в. общепринятым было считать, что существует лишь две формы кристаллического углерода – алмаз и графит, широко распространенные в природе и известные человечеству с древнейших времен. Многие исследователи выражали недоумение и считали несколько нелогичным, что существование элемента с самой богатой химией ограничивается лишь двумя аллотропными модификациями.

Предыстория
Алмаз – трехмерная (пространственная) форма углерода – образован атомами углерода в состоянии sp3-гибридизации (рис. 1, а). В графите – двумерной (плоскостной) форме – все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации (рис. 1, б). Естественно было предположить, что должна существовать еще одна аллотропная форма углерода – цепочечная (линейная) – с sp-гибридизованным атомом углерода (рис. 1, в). Эта проблема долгое время привлекала внимание ученых – как теоретиков, так и практиков.

Опыт Байера
В 1885 г. немецкий химик А.Байер пытался синтезировать цепочечный углерод из производных ацетилена ступенчатым методом. Однако попытка Байера получить полиин оказалась неудачной, он получил углеводород, состоящий из четырех молекул ацетилена, соединенных в цепочку, и оказавшийся чрезвычайно неустойчивым.
Работы в этом направлении надолго прекратились.

Открытие карбина
В 1959–1960 гг. в лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС, возглавляемой академиком Коршаком, проводились систематические исследования реакции окислительного сочетания диацетиленовых соединений. Было установлено, что в присутствии солей двухвалентной меди эта реакция может быть проведена с любыми диацетиленовыми соединениями с образованием полимеров, элементарное звено которых сохраняет углеродный скелет исходного диацетилена. При этом сначала образуются полимерные полиацетилениды Cu(I). Этот вариант реакции окислительного сочетания был назван окислительной дегидрополиконденсацией.
В.В. Коршак

Открытие карбина
Ученые предположили, что в качестве мономера для такой поликонденсации можно взять и ацетилен. Действительно, при пропускании ацетилена в водно-аммиачный раствор соли Cu(II) быстро выпадал черный осадок. Именно этот путь привел А.М.Сладкова, В.В.Коршака, В.И.Касаточкина и Ю.П.Кудрявцева (фото) к открытию линейной формы углерода, которую они, по предложению Сладкова, назвали «карбин»* (от лат. carboneum (углерод) с окончанием «ин», принятым в органической химии для обозначения ацетиленовой связи).
Слева направо:
В.В.Коршак,
А.М.Сладков,
Ю.П.Кудрявцев, В.И.Касаточкин

Строение карбина
По словам первооткрывателей карбина, самым сложным было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы , ,
или двойные и тройные связи одновременно.
Через несколько лет удалось доказать, что в карбине двойных связей нет. Подтверждением полиинового строения цепочек послужило образование щавелевой кислоты при озонировании карбина:

Окислительная
дегидрополиконденсация ацетилена
Первым методом получения карбина является окислительная дегидрополиконденсация ацетилена. Ацетилен пропускали через водно-аммиачный раствор соли Cu(II), наблюдалоь быстрое образование черного порошкообразного осадка, полиацетиленидов меди. В сухом состоянии этот порошок взрывался при нагревании, а во влажном – при детонации. Схематично процесс окислительной дегидрополиконденсации ацетилена можно записать в следующем виде при x + y + z = n:

Поликумулен
В 1968 г. В.П.Непочатых (аспирантка Сладкова) встречным синтезом (восстановлением полимерного гликоля) получила новый линейный полимер углерода с кумуленовыми связями, его назвали поликумулен. Доказательством такого строения стал тот факт, что при озонировании поликумулена получается только диоксид углерода:

Поликумулен
Высокомолекулярный кумулен представляет собой нерастворимый темно-коричневый порошок с развитой удельной поверхностью (200–300 м2/г) и плотностью 2,25 г/см3. При многочасовом нагревании при 1000 оС и пониженном давлении поликумулен частично кристаллизуется. В полученном после такого отжига продукте с помощью просвечивающей электронной микроскопии были обнаружены два типа монокристаллов, соответствующих α- и β-модификациям карбина.

Поликонденсация недооксида углерода с димагнийбромидом
Кумуленовая модификация карбина ( β-карбин) была получена по специально разработанному Сладковым двухстадийному методу. На первой стадии проводили поликонденсацию недооксида углерода (С3О2) с димагнийдибромацетиленом по типу реакции Гриньяра с образованием полимерного гликоля:
На второй стадии этот полимерный гликоль восстанавливали действием хлорида двухвалентного олова в кислой среде:

Дегидрогалогенирование галогенсодержащих полимеров
Углеродная цепочка формируется заранее при полимеризации соответствующих мономеров, и при синтезе карбина задача заключается в том, чтобы при полном отщеплении галогеноводорода сохранить эту линейную углеродную цепочку. Исчерпывающее дегидрогалогенирование возможно, если у соседних атомов углерода находятся равные количества атомов галогена и водорода. Поэтому удобными ГСП для получения карбина явились различные поливинилиденгалогениды (бромиды, хлориды и фториды), поли(1,2-дибромэтилен), поли(1,1,2- и 1,2,3-трихлорбутадиены), например:
Реакцию дегидрогалогенирования обычно ведут в присутствии растворов щелочей (B–) в этаноле с добавлением полярных растворителей. При использовании тетрагидрофурана синтез идет при комнатной температуре, что позволяет избежать протекания побочных реакций.

Структура карбина
К настоящему времени установлено, что структуру карбина образуют атомы углерода, собранные в цепочки двойными связями (β-карбин) или чередующимися одинарными и тройными связями (α-карбин). Полимерные цепочки имеют химически активные концы и изгибы с цепочечными вакансиями, в местах которых цепочки соединяются между собой за счет перекрывания
р-орбиталей атомов углерода

Свойства карбина:
полупроводник n-типа;
под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается;
карбин не утрачивает фотопроводимости даже при температуре до 500 °C;
по величине теплоемкости аллотропные формы углерода располагаются в ряд:
алмаз < графит < карбин, что согласуется с жесткостью колеблющегося каркаса этих систем;
средняя теплота сгорания карбина значительно меньше по сравнению с графитом и алмазом.

Карбин в природе
Новая аллотропная форма углерода была обнаружена и в природе. В 1942 г. при анализе пород из Аризонского кратера был обнаружен кристаллический белый порошок, который состоял только из углерода.
Аризонский кратер

Карбин в природе
Метеорит Новый Урей
В 1967 г. советский геохимик Г.П.Вдовыкин сообщил об обнаружении аналогичной кристаллической формы в метеорите Новый Урей.

Применение карбина
Карбин уже нашел применение в электронике, космонавтике, авиации и медицине. Перспективно его применение в оптике, микроволновой и электрической технологиях, в конструкциях источников тока и пр. Во всех этих областях ключевое значение имеет высокая стабильность материала.
С учетом высокой биологической совместимости и нетоксичности карбина особенно важное значение приобретает его применение в медицинских технологиях.