富勒碳的結構、性能及應用

1、富勒碳的結構和性能（華中師范大學物理學院）摘要：摘要：富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的分子，中空，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。本文主要從富勒碳的結構、性能、應用前景等方面來介紹富勒碳。富勒碳有C60、碳納米管等結構，不同的富勒碳結構具有不同的性能和應用前景......關鍵詞：關鍵詞：富勒碳、碳納米管、性能、應用一、引言一、引言富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的分子，中空，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。

2、在數(shù)學上，富勒烯的結構都是以五邊形和六邊形面組成的凸多面體。C60的分子結構為球形32面體，它是由60個碳原子通過20個六元環(huán)和12個五元環(huán)連接而成的具有30個碳碳雙鍵的足球狀空心對稱分子。另外一種常見的富勒烯是C70，C70的LUMO軌道是一個二重簡并軌道，不過它的LUMO1軌道與LUMO軌道的能級差很小，因此它可以得到至少六個電子，72、76、84甚至100個碳組成的巴基球也是很容易得到的。碳納米管是中空富勒烯管。這些碳管通常只有幾

3、個納米寬，但是他們的長度可以達到1微米甚至1毫米。二、富勒烯的分類：二、富勒烯的分類：富勒烯（Fullerene）是一種完全由碳組成的分子，中空，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音譯為巴基球，臺灣稱之為球碳，偶爾也稱其為芙等；管狀的叫做碳納米管或巴基管。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán)，偶爾還有七元環(huán)。富勒烯有以下分類：巴基球團簇：最小

4、的是C20（二十烷的不飽和衍生物）和最常見的C60；碳納米管：非常小的中空管，有單壁和多壁之分在電子工業(yè)有潛在的應用；巨碳管：比納米管大，管壁可制備成不同厚度，在運送大小不同的分子方面有潛在價值；聚合物：在高溫高壓下形成的鏈狀、二維或三維聚合物。納米“洋蔥”：多壁碳層包裹在巴基球外部形成球狀顆粒，可能用于潤滑劑；球棒相連二聚體：兩個巴基球被碳鏈相連；富勒烯環(huán)。三、富勒烯的制備：三、富勒烯的制備：1、電弧法富勒烯是穩(wěn)定的，但并不是完全沒有

5、反應性的。石墨中sp2雜化軌道是平面的，而在富勒烯中為了成管或球其是彎曲的，這就形成了較大的鍵角張力。當它的某些雙鍵通過反應飽和后，鍵角張力就釋放了，如富勒烯的[66]鍵是親電的，將sp2雜化軌道變?yōu)閟p3雜化軌道來減小鍵張力，原子軌道上的變化使得該鍵從sp2的近似120成為sp3的約109.5，從而降低了C60球的吉布斯自由能而穩(wěn)定。富勒烯即可以形成單加成產(chǎn)物，也可以形成多加成產(chǎn)物。富勒烯化學是研究富勒烯的化學性質的科學。功能化富勒烯

6、從而調節(jié)其性質的需求促使人們在這個領域展開了大量的研究。例如，富勒烯的溶解度很差，而添加合適的官能團可以提高其溶解度。通過添加一個可以發(fā)生聚合的官能團，就可以獲得富勒烯聚合物。富勒烯的功能化以分為兩類：在富勒烯的籠外進行化學修飾；將分子束縛到富勒烯球內，也就是開孔反應。因為這個分子的球形結構使碳原子高度棱錐體化，這對其反應活性有深遠的影響。據(jù)估計，其應變能相當于80%反應熱能。共軛碳原子平行性影響雜化軌道sp，一個獲得p電子的sp2.2

7、7軌道。p軌道的互相連結擴大在外球面更勝于其內球（碳原子之間以sp2雜化軌道連結，另一個p電子兩兩形成pi鍵，還有pi電子形成近似球的復雜pipi共軛體系），這是富勒烯是給電體的一個原因；另一個原因是，空的低能級pi軌道上。富勒烯中的雙鍵不都相同。大致可分為兩種：[66]鍵，連接兩個六邊形的鍵，[56]鍵連接一個六邊形和五邊形。兩者中[66]鍵比環(huán)狀六邊形聚合物（cyclohexatriene）分子中的[66]鍵和軸烯與二環(huán)并戊二烯分子

8、中的雙鍵更短。換句話說，雖然富勒烯分子中的碳原子都是超共軛，但富勒烯卻不是一個超大的芳香化合物。C60有60個pi電子，但封閉殼體系結構需要72個電子。富勒烯能夠通過與鉀的反應獲得缺失電子，如首先合成的K6C60鹽和接著合成的K12C60鹽；在這種化合物中，分子中鍵長交替的現(xiàn)象消失了。根據(jù)IUPAC的規(guī)定，亞甲基富勒烯（也稱環(huán)丙烷富勒烯，methanofullerene）指閉環(huán)（環(huán)丙烷）富勒烯衍生物，而fulleroid指開環(huán)富勒烯衍生

9、物富勒烯往往可以發(fā)生親電反應，這類反應的關鍵是功能化單加成反應（monoaddition）或多加成反應（multipleaddition）。在親核加成中富勒烯作為一個親電試劑與親核試劑反應，它形成碳負離子被格利雅試劑或有機鋰試劑等親核試劑捕獲。例如，氯化甲基鎂與C60在定量形成甲基位于的環(huán)戊二烯中間的五加成產(chǎn)物后，質子化形成(CH3)5HC60。賓格反應也是重要的富勒烯環(huán)加成反應，形成亞甲基富勒烯。富勒烯在氯苯和三氯化鋁的作用下可以發(fā)生

10、富氏烷基化反應，該氫化芳化作用的產(chǎn)物是1，2加成的(ArCCH)。具體反應類型如下：（1）周環(huán)反應勒烯的[66]鍵可以與雙烯體或親雙烯體反應，如DA反應。[22]環(huán)加成可以形成四元環(huán)，如苯炔。[[[13]偶極環(huán)加成]]反應可以生成五元環(huán)，被稱作Prato反應。富勒烯與卡賓反應形成亞甲基富勒烯。（2）加氫（還原）反應氫化富勒烯產(chǎn)物如C60H18、C60H36。然而，完全氫化的C60H60僅僅是假設產(chǎn)物，因為分子張力過大。高度氫化后的富勒烯