1. (1 балл) Первая стадия «пробивает брешь» в симметричной молекуле фуллерена C60, цепляя «застежку», которую можно при надобности «отцепить» обратно. Затем брешь в несколько стадий расширяется последовательным направленным окислительным раскрытием циклов, находящихся рядом с «дефектом», которое проходит с перегруппировками углеродного скелета. Окислительное «расстегивание» циклов в соединении 2 с образованием 3 и 4 можно повернуть вспять при действии восстановителя. Такой подход используют для введения во внутреннюю полость соединения 4 (5) молекул (атомов) гостя, с образованием эндоэдральных комплексов. Последующие превращения данных комплексов по Схеме 1 приводят к эндоэдральным комплексам фуллерена M@C60.
2. (2 балла) Поскольку молекула воды примерно в 5 - 6 раз меньше, чем молекула толуола, то только вода проникает в эндоэдральную полость.
Вещества 4 и 5 существуют в водном растворе в обратимом равновесии, в то же время, у 4 размер отверстия больше, поэтому вода проникает во внутреннюю полость преимущественно соединения 4.
3. (2 балла) У соединения H2O@C60 2 изомера. У атома водорода спин может принимать 2 возможных значения +1/2 и -1/2, поэтому в молекулах, содержащих 2 атома водорода, возможны 2 комбинации спинов – сонаправленные и противонаправленные. Такие изомеры называются спиновыми.
Фуллереновая оболочка защищает и экранирует внутреннюю молекулу воды, тем самым значительно увеличивая расстояние (по сравнению с «незащищенными» молекулами H2O), на которое к ней могут подойти внешние молекулы и частицы, способные вызвать конверсию спина (например, парамагнитные молекулы кислорода), что стабилизирует спиновые изомеры.
4. (2 балла) Сигнал воды в H2O@C60 сильно экранирован по сравнению с водой в растворителе. Это объясняется наличием сильных диамагнитных кольцевых токов, циркулирующих внутри частично делокализованных 6π-электронных ароматических систем (рис. 1), содержащихся в молекуле фуллерена. Протоны воды ведут себя как внутренние протоны канонического [18]-аннулена, находящиеся в зоне повышенного экранирования.
Рис. 1. Кольцевые токи в бензольном кольце и зоны увеличенного (+) и уменьшенного (-) экранирования.
5. (2 балла) Очевидно, что не все атомы углерода эквивалентны по отношению к зафиксированной молекуле воды. Однако наличие всего одного синглета в спектре показывает, что, несмотря на это, для ЯМР все атомы углерода эквивалентны. Поэтому, можно предположить, что молекула воды быстро вращается внутри C60. Чтобы это подтвердить, можно попробовать снять спектр при низких температурах, когда вращение воды будет заторможено.
6. (2 балла) Триплет (рис. 2 условия) может получиться либо при наличии у атома водорода 2-х эквивалентных соседних протонов (3 спиновых комбинации: +1, 0, -1), либо одного дейтрона (+1, 0, -1). Отсутствие дополнительных сигналов в 1H ЯМР, а также близость сигнала второго продукта к сигналу H2O@C60, позволяет сделать вывод, что это HDO@C60.
Тогда жидкость Х – D2O (или смесь обычной воды с тяжелой - H2O-HDO-D2O), Б2 - HDO@C60 (среди продуктов также будет D2O@C60 сигнал которого отсутствует в 1H ЯМР).