碳60（非金属单质）
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更新时间：2023-05-20
碳60
非金属单质
名称由来
在Fuller的后面加上一个词尾-ene，是考虑到
分子和苯及其衍生物一样，都具有芳香族的结构，具有不饱和性，在英文中对具有不饱和性的化合物的命名常常带有词尾-ene，于是便产生了Fullerene这个名称，中译名里对带词尾-ene的化合物常被译成烯，因此Fullerene的中译名就是富勒烯。
对于将及其一系列碳原子簇称为烯，根据有机化学系统命名原则，烯表示含双键的烃，而及其一系列碳原子簇是完全由碳原子组成的单质，并不是一种化合物，也不是烯烃。因此，有些化学家不同意使用富勒烯这个名称。命名因为需要尊重约定俗成的习惯，书籍和文献中仍都采用Fullerene这个名称。
由于分子的形状和结构酷似英国式足球（soccer），所以又被形象地称为Soccerene（同样带有词尾-ene），中译名为“足球烯”。还有人用富勒的名字（Buckminster）的词头Buck来命名，称为Buckyball，中译名为“巴基球”。
有人建议称及其一系列碳原子簇为“球碳”，理由是它们是由碳元素组成的球形分子；有人建议称为“笼碳”，理由是它们是一种中空的笼形分子；还有人建议把“球碳”、“笼碳”和“富勒”综合起来，称为“富勒球碳”、“富勒笼碳”。在及其一系列碳原子簇的命名上，还没有一种令大家都满意的名称。
历史沿革
1971年，大泽映二发表《芳香性》一书，其中描述了分子的设想。
1980年，饭岛澄男在分析碳膜的透射电子显微镜图时发现同心圆结构，就像切开的洋葱，这是的第一个电子显微镜图。1983年，克罗托蒸发石墨棒产生的碳灰的紫外可见光谱中发现215nm和265nm的吸收峰，他们称之为“驼峰”，他们推断出这是富勒烯产生的。
1984年，富勒烯的第一个光谱证据是在1984年由美国新泽西州的艾克森实验室的罗芬等人发现的，但是他们不认为这是等团簇产生的。
1990年，克利斯莫（Kriischmer）等人第一次报道了大量合成的方法，才使得的研究得以大量展开。
1995年，伍德（Fred Wudl）制备出开孔富勒烯；而PCBM也被他首次制备。
1996年，罗伯特·科尔（美）哈罗德·沃特尔·克罗托（英）理查德·斯莫利（美）因富勒烯的发现获诺贝尔奖。
结构组成
球棍模型
在数学上，富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体。最小的富勒烯是
，有正十二面体的构造。没有22个顶点的富勒烯。之后都存在
的富勒烯，n=12,13,14...。在之些小的富勒烯中，都存在着五边形相邻结构。是第一个没有相邻的五边形的富勒烯，下一个是
。在更高的富勒烯中，普遍满足孤立五边形规则（Isolated pentagon rule,IPR），即在n>12时，不存在相邻的五边形结构。
原子杂化状态
比例模型
下面给出其杂化轨道的理论计算过程：
根据杂化轨道的正交、归一条件，两个等性杂化轨道的的最大值之间的夹角
满足：
故：
解得：
，即
故碳原子采用的杂化方式理论计算值是
。
发现研究
C540
后来英国的克罗托为了探明红色巨星产生的碳分子结构，对星际尘埃中含有碳元素的几种分子进行了确认。美国的霍夫曼和德国的克拉其莫也制造出了宇宙中类似的尘埃。他们将其与煤炭燃烧后遗留的黑色物质进行比较，发现了气化物质在紫外线吸收实验中留下了清晰的痕迹，并称之为“驼峰光谱”。后来由美国的柯尔、史沫莱和英国的克罗脱解释出该现象的理由，并为此获得了诺贝尔化学奖。
除外，具有封闭笼状结构的还可能有
、
、
、、
……
、
等，统称为富勒烯（Fullerene）。自从1985发现富勒烯之后，不断有新结构的富勒烯被预言或发现，并超越了单个团簇本身。
聚合物：
在高温高压下形成的链状、二维或三维聚合物。
纳米“洋葱”：
球棒相连二聚体：
两个巴基球被碳链相连；
最小的是（二十烷的不饱和衍生物）和最常见的；2007年科学家们预测了一种的新的硼巴基球，它用硼取代了碳形成巴基球，
的结构是每个原子都形成五或六个键，它比稳定。另外一种常见的富勒烯是70，72、76、84甚至100个碳组成的巴基球也是很容易得到的。
碳纳米管：
碳纳米管是非常小的中空管，有单壁和多壁之分；在电子工业有潜在的应用；纳米管是中空富勒烯管。这些碳管通常只有几个纳米宽，但是他们的长度可以达到1微米甚至1毫米。碳纳米管通常是终端封闭的，也有终端开口的，还有一些是终端没有完全封口的。碳纳米管的独特的分子结构导致它有奇特的宏观性质，如高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性和化学惰性（因为它是圆筒状或“平面状”，没有裸露原子被轻易取代）。一个潜在应用是做纸电池，这是2007伦斯勒理工学院的一个新发现。另外一个可能应用是用做太空电梯的高强度碳缆。通过共价键将富勒烯吸附在碳纳米管外形成的纳米“芽”结构称作纳米芽。
巨碳管：
比纳米管大，管壁可制备成不同厚度，在运送大小不同的分子方面有潜在价值；
富勒体（Fullerites）：
是富勒烯及其衍生物的固态形态的称呼，中文一般不特别称呼这个形态。超硬富勒体这个词一般被用来表述使用高压高温得到的富勒体，这种条件下普通的富勒烯固体会形成钻石形式的纳米晶体，它有相当高的机械强度和硬度。
内嵌富勒烯是将一些原子嵌入富勒烯碳笼而形成的一类新型内嵌富勒烯，如氢、碳、钪、氮等，大部分是在电弧法制造富勒烯的过程中形成的，也可以通过化学方法将富勒烯打开孔后装入一些原子或分子。
物理性质
溶解性
富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳溶解。纯富勒烯的溶液通常是紫色，浓度大则是紫红色，的溶液比的稍微红一些，因为其他在500nm处有吸收；其他的富勒烯，如
、
等则有不同的紫色。富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体。
有些富勒烯是不可溶的，因为他们的基态与激发态的带宽很窄，如，
和。
也是几乎不溶的，但是的内嵌富勒烯，如
是可溶的，这是因为金属元素与富勒烯的相互作用。早期的科学科学家对于没有发现很是疑惑，但是却有的内嵌富勒烯。窄带宽的富勒烯活性很高，经常与其他富勒烯结合。化学修饰后的富勒烯衍生物的溶解性增强很多，如PC61BM室温下在氯苯中的溶解度是50mg/mL。和在一些溶剂的溶解度列于左表，这里的溶解度通常是饱和浓度的估算值。
导电性
超导性
在可以大量生产后其很多性质被发现，很快Haddon等人发现碱金属掺杂的有金属行为，1991年发现钾掺杂的在18K时有超导行为，这是迄今最高的分子超导温度，之后大量的金属掺杂富勒烯的超导性质被发现。研究表明超导转化温度随着碱金属掺杂富勒烯的晶胞体积而升高。铯可以形成最大的碱金属离子，因此铯掺杂的富勒烯材料被广泛研究，
在38K时有超导性质，不过是在高压下。常压下33K时具有最高超导转化温度的是
。固体超导性的BCS理论认为，超导转变温度随着晶胞体积的增加而升高，因为分子间的间隔与费米能级N（
）的态密度的升高相关，因此科学家们做了大量的工作试图增加富勒烯分子间的距离，尤其是将中性分子插入
晶格中来增加间距同时保持的价态不变。不过，这种氨化技术意外地得到了新奇的富勒烯插入复合物的特别的性质：Mott-Hubbard转变以及分子的取向/轨道有序和磁结构的关系。固体是由弱相互作用力组成的，因此是分子固体，并且保留了分子的性质。一个自由的分子的分立能级在固体中只是很弱的弥散，导致固体中非重叠的带间隙很窄，只有0.5eV。未掺杂的固体，5倍hu带是其HOMO能级，3倍的t1u带是其空的LUMO能级，这个系统是带禁阻的。但是当固体被金属原子掺杂时，金属原子会被t1u带电子或是3倍的t1g带的部分电子占据有时会呈现金属性质。虽然它的t1u带是部分占据的，按照BCS理论
的t1u带是部分占据的应该有金属性质，但是它是一个绝缘体，这个矛盾可能用Jahn-Teller效应来解释，高对称分子的自发变形导致了它的兼并轨道的分裂从而得到了电子能量。这种Jahn-Teller型的电子-声子作用在固体中非常强以致于可以破坏了特定价态的价带图案。窄带隙或强电子相互作用以及简并的基态对于理解并解释富勒烯固体的超导性非常重要。电子相互斥力比带宽大时，简单的Mott-Hubbard模型会产生绝缘的局域电子基态，这就解释了常压时铯掺杂的固体是没有超导性的。电子相互作用驱动的t1u电子的局域超过了临界点会生成Mott绝缘体，而使用高压能减小富勒烯相互间的间距，此时铯掺杂的固体呈现出金属性和超导性。
关于固体的超导性还没有完备的理论，但是BCS理论是一个被广泛接受的理论，因为强电子相互作用和Jahn-Teller电子-声子偶合能产生电子对，从而得到较高的绝缘体-金属转变温度。
磁性
化学性质
周环反应
富勒烯的[6,6]键可以与双烯体或双烯亲和体反应，如D-A反应。[2+2]环加成可以形成四元环，如苯炔。1,3偶极环加成反应可以生成五元环，被称作Prato反应。富勒烯与卡宾反应形成亚甲基富勒烯。常见周环反应如下：
(1) [4+2]环加成。在[4+2]环加成中，的6/6双键一直充当亲二烯体，大量不同的二烯类物加到上形成六元环（主要合成一元加合物）环加成物的形成条件依赖于二烯的反应活性，在某些情况下加合物的形成是可逆的，如戊二烯和蒽的环加成。
(2) [3+2]环加成。如与重氮甲烷（
）、重氮酰胺、重氮乙酸酯类反应，可得到种类很多的亚甲基桥富勒烯，这类反应是基于作为一个1，3亲偶极体，重氮化合物首先加成到6/6双键上，形成二氢化吡唑啉五元环。
加成反应
亲电加成
富勒烯也可以发生亲电反应。可以在富勒烯球外加成24个溴原子。最多亲电加成纪录保持者是
。根据氟硅烷的结构（在硅元素中）还难以预测
是否可能有一些氟原子在“endo”位置（指富勒烯内部），这种化合物是比起球型更类似于一个管状的富勒烯分子。
富勒烯在有机金属化学中作为配体。[6,6]双键是缺电子的，通常与金属成键的η=2（配位化学中的常数）。键合模式如η=5或η=6可以因作为配体的球状富勒烯改变而改变。富勒烯和硫羰基钨
在环己烷溶液中，阳光直接照射下反应生成的
。
内嵌反应
指通过化学手段选择性地切断富勒烯骨架上的碳碳键来制备开孔富勒烯的反应。开孔后就可能把一些小分子装到碳球中，如氢分子、氦、锂等。第一个开孔富勒烯是在1995由Wudl等报道的。
反加成
反加成反应即Retro-Additions（RA）。研究表明，通过RA消去，取代基实现了他们的目的后便与富勒烯主体分离。
颜色反应
由于分子独特的刚性球状结构，发展能够与其高效结合的特定主体是一件很有意义的工作，二十多年来科学家们乐此不疲地用新奇的化合物和有趣的方式将其包起来得到包含物和嵌合物，在富勒烯的主客体化学方面进行了大量的研究并取得了长足的进展，发展了一系列主体化合物，大致分为富π电子化合物和大环主体两类；前者有二茂铁、卟啉、酞菁、四硫富瓦烯、苝、碗烯和带状多共轭体系等的衍生物，后者有环糊精、杯芳烃、氮杂杯芳烃，长链烷烃和低聚物等的衍生物。迄今与富勒烯分子超分子结合力最强的是相田卓三教授合成的卟啉笼分子，在邻二氯苯中与的结合常数为
。
修饰富勒烯可以获得更多的作用位点，因此富勒烯衍生物的超分子自组装的研究一直是个热点，远远多于不修饰的富勒烯的组装，特别是在基于富勒烯的功能材料、光致电子转移、人工光合作用体系、光子器件等诸多的研究领域。
毒性分析
科学家在生物体腹腔内注射大剂量后的毒理研究后发现，没有证据表明白鼠在注射5000mg/kg（体重）的剂量后有中毒现象。也没有发现给啮齿动物口服和混合物2000mg/kg的剂量后有中毒现象、遗传毒性或诱变性，其他人的研究同样证明和是无毒的。
另一些科学家发现注射悬浮液不会导致对啮齿类动物的急性或亚急生毒性，相反一定剂量的会保护他们的肝免受自由基伤害。2012年的最新研究表明，口服富勒烯能将小鼠的寿命延长一倍而没有任何副作用。摩萨（Moussa）教授研究的性质长达18年，著有《持续喂服小鼠使其寿命延长》一文，2012年10月他在一次视频采访中宣称，纯没有毒性。
富勒烯发现以来都没有明显的证据表明是有毒性的，但一些科学家将碳纳米管注射到小鼠的腹腔中发现了石棉状的病灶。不过这项研究不是吸入性研究，虽然在这之前有对纳米管的吸入性研究的毒理实验，因此，凭此项研究还不能确认碳纳米管有类似石棉的毒理特性。小鼠吸入
或纳米并没有毒副作用，而同样情况下将石英颗粒注入小鼠则会引起强烈的炎症。纳米管在分子量、形状、尺寸等化学和物理性质（溶解度）方面都与迥然不同，因此从毒理学的角度来看，和碳纳米管的不同毒理学性质的差异性没有关联性。在分析毒性数据时，必须区别富勒烯的不同分子：（、……）；富勒烯衍生物：或其他化学修饰的富勒烯衍生物；富勒烯复合物（比如，表面活性剂辅助的水溶性富勒烯，如
聚乙烯基吡咯烷酮；主客体复合物，如与环糊精或卟啉），这种情况下富勒烯是与其他分子是通过超分子作用与其他分子连接的；纳米颗粒，这是微晶的沿展固相聚集；以及更大分子量的非球状的碳纳米管。
主要功能
增强金属
提高金属材料的强度可以通过合金化、塑性变形和热处理等手段，强化的途径之一是通过几何交互作用，例如将焦炭中的碳分散在金属中，碳与金属在晶格中相互交换位置，可以引起金属的塑性变形，碳与金属形成碳化物颗粒，都能使金属增强。在增强金属材料方面，的作用将比焦炭中的碳更好，这是因为比碳的颗粒更小、活性更高，与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小是0.7nm，而碳与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小为2μm～5μm，在增强金属的作用上有较大差别。
气体贮存
利用独特的分子结构，可以将用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料。每一个分子中存在着30个碳碳双键，因此，把分子中的双键打开便能吸收氢气。已知的的较稳定的氢化物有
、
和
。在控制温度和压力的条件下，可以简单地用和氢气制成的氢化物，它在常温下非常稳定，而在80℃～215℃时，的氢化物便释放出氢气，留下纯的，它可以被100%地回收，并被用来重新制备的氢化物。与金属或其合金的贮氢材料相比，用贮存氢气具有价格较低的优点，而且比金属及其合金要轻，因此，相同质量的材料，所贮存的氢气比金属或其合金要多。
光学材料
由于分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。如它的光学限制性在实际应用中可作为光学限幅器。还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，使其作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。还有人研究了化合物的倍频响应及荧光现象，基于光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功。与花生酸混合制得的花生酸多层LB膜具有光学累积和记录效应。光限制性也对于保护眼睛具有重要意义：因为在增加入射光的强度时，会使光学材料的传输性能降低。以的光学限制性为基础，可研制出光限制产品，它只允许在敏化阈值以下（即对眼的危险阈值以下）的光通过，这样就起到了保护人眼免受强光损伤的作用。
医学应用
1）用于制造生物活性材料：尼尔森(Nelson）等人报道对田鼠表皮具有潜在的肿瘤毒性。贝尔(Baier）等人认为与超氧阴离子之间存在相互作用。1993年弗莱德曼（Friedman）等人从理论上预测某些衍生物将具有抑制人体免疫缺损蛋白酶HIVP活性的功效，而艾滋病研究的关键是有效抑制HIVP的活性。日本科学家报道一种水溶性羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为衍生物应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。1994年Toniolo等人报道一种水溶注多肽衍生物，可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1蛋白酶两方面具有潜在的应用，黄文栋等人制得水溶性脂质体，发现其对癌细胞具有很强的杀伤效应。台湾科学家报道多羟基衍生物—富勒酵具有吞噬黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由基的功效，还对破坏能力很强的羟基自由基具有优良的清除作用。利用分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。
2）癌细胞的杀伤效应：经光激发后有很高的单线态氧的产率，而单线态氧与生物机体的生理生化功能、组织损伤、肿瘤以及光化治疗技术都有着重要关系。当对的激发光强度达到4000lx时，癌细胞受单线态氧的作用已接近100%死亡，因此能有效地破坏癌细胞的质膜和细胞内的线粒体中质网和核膜等重要的癌细胞结构，从而导致癌细胞的损伤乃至死亡。还有的研究指出，可以将肿瘤细胞的抗体附着在分子上，然后将带有抗体的分子引向肿瘤，也可以达到杀伤肿瘤细胞的目的。
3）抗病毒作用。人体免疫缺损蛋白酶（HIV-1`protease HIVP）被认为是抗病毒疗法中主要抑制对象，富勒烯具有抑制HIVP活性的功效，而抑制HIVP活性是研究治疗艾滋病的关键。HIVP的活性部分可以近似的描述为一个敞开式圆柱体，线性排列着疏水氨基酸，线性圆柱体的半径和一个分子几乎相同，但由于富勒烯分子是非极性的，因此将其制备成水溶性的或者其衍生物后，就可以嵌入HIVP的活性中心。衍生物的疏水部分与HIVP的活性部位结合相互起来，亲水部分（极性基团）则在膜表面形成溶剂化层，阻断了HIVP的活性中心，从而达到抑制HIVP的目的。
4）致使DNA裂解。核酸含有生物遗传信息，是一类重要的生物分子，它包括脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA两大类，而DNA的裂变将引起细胞凋亡，致使生物体变异。富勒烯具有光物理特性，有很深的颜色，在UV和可见光区显示了丰富的光化学行为，在光的激发下，三线态可产生约一个单位能量，通过能量转换，可形成高产量的单线态氧
。而三线态也能氧化富电子底物。试验发现，富勒烯衍生物具有专一地切割DNA的能力。
当然DNA的裂解也会使有病或异常增值的细胞凋亡，通过连接靶向性的官能团，可能使富勒烯的作用发生在特定的部位，这为治疗某些癌症和一些疑难杂症提供了一条新的途径，而从单线态氧到单电子转移转移机理，标志着对作用机理认识的深入，随着富勒烯作用机理的进一步揭示，必将会给富勒烯及其衍生物在DNA裂解方面的应用带来深远的影响。
5）清除自由基。被喻为吸收游离基的海绵。在某些情况下，生物体需要活性氧来完成生理过程，如吞噬细菌、凝血酶原合成、肝脏对外来毒物的解毒等。但许多情况下，活性氧积累过剩时，又会产生损伤作用，如氧自由基和
能损伤细胞膜，致使一些细胞坏死，人们已经发现许多疾病是由氧自由基触发的，机体衰老也与此密切相关Chiang等人报道水溶性的多羟基富勒烯衍生物fullerenols对消除由黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶产生的超氧基有很好的效果，该富勒烯醇化合物比母体减少了它们固有的生物毒性。一些具有电子亲和力的富勒烯醇成为合适的试剂，用于生物体系的自由基去除和水溶性的抗氧化剂以减少有病血液中的自由基的浓度和抑制不正常或有病细胞的生长，试验表明，当溶液中富勒醇的浓度为50mg/L时，对超氧基的清除率可达到80%，同时通过光谱吸收试验和化学发光技术试验还显示富勒烯醇的存在对黄嘌呤氧化而产生的尿酸的量没有影响，这意味着它对黄嘌呤氧化酶没有抑制作用，而直接对超氧基起抑制作用。
其他用途
富勒烯还具有记忆性，可以用做记忆材料。
流行文化
在流行文化中的富勒烯元素很多，并且在科学家关注它们之前就出现了。在《新科学家》杂志中，曾经每周有琼斯（David E. H. Jones）写的叫做《地达拉斯》（Daedalus）的专栏来描述各种有趣但很难实现的科学和技术。1966年，他建议可能通过掺杂杂原子来扭曲一个平面的六边形组成的网来得到一个中空的碳球分子。2010年9月4日，谷歌的首页上用一个旋转的富勒烯取代了GOOGLE图案中的第二个"O"来庆祝巴基球发现25周年。
参考资料
[1]
科学家用硼元素组成巴基球 或成新型纳米材料 · 华东在线[引用日期2014-08-27]
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