Reattività dei fullereni

C₆₀ è una molecola reattiva che può dar luogo a diverse reazioni. E’ stata ridotta a dare C₆₀H₁₈ e C₆₀H₃₆, metilata a dare C₆₀(CH₃)₆ e bromurata a C₆₀Br₂₄. Un problema che si incontra nel funzionalizzare C₆₀ è il gran numero di isomeri possibili in questi derivati. Per esempio, C₆₀H₂ ha 59 isomeri.
Uno degli aspetti che ha suscitato subito interesse è il tentativo di incorporare un atomo estraneo nella cavità sferoidale. In via di principio, si può pensare di intrappolare una varietà di atomi metallici in queste cavità. Sono stati pubblicati studi in cui si sostiene di essere riusciti ad inserire in C₆₀ e in altri fullereni atomi di lantanio, ferro o elio. Si è anche tentato di sostituire atomi di carbonio nella gabbia con atomi di boro o azoto.

Fulleruri e complessi

Le strutture compatte hanno cavità ottaedriche e tetraedriche, e in C₆₀ questi siti possono essere occupati dai cationi alcalini di maggiori dimensioni a dare materiali noti come fulleruri. La ciclovoltametria infatti mostra che C₆₀ in solventi non-acquosi può subire cinque stadi di ossidazione e riduzione reversibili. Quindi i fullereni possono agire sia da elettrofili che da nucleofili in contesti opportuni. La molecola C₆₀ reagisce coi metalli alcalini a dare fulleruri di formula generale M₃C₆₀, come in Rb₃C₆₀ o K₂RbC₆₀, in cui tutti i siti interstiziali T₊, T_- e O sono occupati (Figura).

Esistono altri fulleruri con diversi patterns di occupazione dei siti intersiziali, che portano a strutture tipo NaCl o sfalerite in MC₆₀ e tipo fluorite in M₂C₆₀. E’ anche possibile aumentare il numero di ioni M per C₆₀ oltre 3; in M₄C₆₀ (M = Na), si hanno clusters Na₄ in siti ottaedrici. Si arriva anche a M₆C₆₀, in cui l’impacchettamento delle molecole C₆₀ cambia da ccp a bcc; infatti la struttura bcc ha un gran numero di siti interstiziali disponibili.
E’ molto interessante il fatto che nella famiglia M_nC₆₀ le proprietà elettroniche variano da isolanti a metalliche, fino alla superconduzione, in funzione del valore n.

Il grande fascino dei fullereni e derivati nasce dalla vasta gamma di possibilità che essi offrono. Oltre alla superconduttività ad alta T_c, sono di interesse per l’impiego come ferromagneti molecolari e come trappole molecolari. C₆₀ offre immense possibilità nella sintesi organica. Sono inoltre di interesse l’impiego in catalisi e in chimica organometallica e come parti di strutture polimeriche. L’attacco di complessi elettron-ricchi di Pt(0)-fosfine su C₆₀ porta a prodotti in cui Pt si lega a due atomi di carbonio della gabbia (Figura sopra).
In analogia con l’interazione η⁶ degli areni con i metalli di transizione ci si poteva aspettare la formazione di addotti analoghi, utilizzando una faccia esagonale di C₆₀. Ciò non si verifica con un singolo metallo, per via dell’orientazione divergente del sistema pπ del fullerene (Figura), ma si possono avere interazioni costruttive utilizzando un cluster come Ru₃(CO)₁₂, che porta all’addotto Ru₃(CO)₉(C₆₀) (Figura).