北京化工大学：《物理化学》课程教学资源（知识讲座）C60专题——富勒烯的化学物理研究

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本简介主要是本人的研究工作，对C6化学及C60衍生物 的性能研究做了简单的介绍，挂一漏万，进一步的补充修改 进行中。 在可以想到的领域，几乎都有人在做关于富勒烯的研究 工作。当前，关于富勒烯的实际应用仍然在探索中。 唐光诗2005年6月 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建跌.fineprint..com,cn

本简介主要是本人的研究工作，对 C60化学及C60衍生物 的性能研究做了简单的介绍，挂一漏万，进一步的补充修改 进行中。 在可以想到的领域，几乎都有人在做关于富勒烯的研究 工作。当前，关于富勒烯的实际应用仍然在探索中。 唐光诗 2005年6月 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昳ÿ www.fineprint.com.cn

富勒烯是继金刚石、石墨之后碳单质的第三种同 素异形体。美国科学家Curl和Smalley及英国科学家 Kroto为此获得1996年诺贝尔化学奖。以C60为代表的 富勒烯家族的发现使我们了解到一个全新的碳化学世 界，是世界科学史上的一个里程碑。C6被发现以来， 富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生 命及医药科学各领域，人们期待它能够象苯环那样在 各个领域起到重要作用。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建联.fineprint.com.cn

富勒烯是继金刚石、石墨之后碳单质的第三种同 素异形体。美国科学家 Curl和Smalley及英国科学家 Kroto为此获得1996年诺贝尔化学奖。以C60为代表的 富勒烯家族的发现使我们了解到一个全新的碳化学世 界，是世界科学史上的一个里程碑。C60被发现以来， 富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生 命及医药科学各领域，人们期待它能够象苯环那样在 各个领域起到重要作用。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昳ÿ www.fineprint.com.cn

富勒烯的代表C60的结构 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建跌fineprint.con.cn

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在C分子的球形表面上，由5,6环稠合处的长 键（键长1.45X,具有单键性质）和6,6环稠合处的 短键（键长1.38A,具有双键性质）交替构成了球环 网状共轭多聚烯烃结构，C6和分子的最低空轨道能量 相对较低，具有较高的电子亲和能(2.65eV)和较强 的化学活性，其性质类似于适度定域的缺电子多聚烯 烃，可发生氧化还原、聚合、加成等多种化学反应。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建联.fineprint.com.cn

在C60分子的球形表面上，由[5,6]环稠合处的长 键（键长1.45 Å，具有单键性质）和[6,6]环稠合处的 短键（键长1.38Å，具有双键性质）交替构成了球环 网状共轭多聚烯烃结构，C60分子的最低空轨道能量 相对较低，具有较高的电子亲和能（2.65eV）和较强 的化学活性，其性质类似于适度定域的缺电子多聚烯 烃，可发生氧化还原、聚合、加成等多种化学反应。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昳ÿ www.fineprint.com.cn

由C6的结构特性和已实现的大量的化学反应，归纳出 三个反应规则： 1)C60的反应性符合适度定域有缺电子性的聚烯烃。化 学反应的主要类型是对[6,6]双键的加成，特别是亲核 加成、自由基加成、环加成和12迁移金属络合物的形 成，此外，各种形式的氢化、卤化及路易斯酸复合物 也可形成。 2)加成反应的驱动力是富勒烯笼中张力的解除。在球 形的C60内，高度角锥化的s2.28杂化的碳原子在分子内 引起了大量的张力能，这导致形成饱和的四面体杂化 sp碳原子的反应，在大多数情况下，对C60的加成成应 是放热的。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建送fineprint.com,cn

由C60的结构特性和已实现的大量的化学反应，归纳出 三个反应规则： 1）C60的反应性符合适度定域有缺电子性的聚烯烃。化 学反应的主要类型是对[6,6]双键的加成，特别是亲核 加成、自由基加成、环加成和η2迁移金属络合物的形 成，此外，各种形式的氢化、卤化及路易斯酸复合物 也可形成。 2）加成反应的驱动力是富勒烯笼中张力的解除。在球 形的C60内，高度角锥化的sp2.28杂化的碳原子在分子内 引起了大量的张力能，这导致形成饱和的四面体杂化 sp3碳原子的反应，在大多数情况下，对C60的加成反应 是放热的。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昳ÿ www.fineprint.com.cn

3)加成反应的区域化学是由富勒烯骨架上形成 最少的5,6]双键决定的。根据C0反应的Bred规 则，产物的C6核上双键应尽可能多的位于[6,6 环稠合处或尽可能多的保持5环辐射状烯的结构， 这样在能量上有利。所以对无空间排斥作用的试 剂的有利模式应该是[6,61加成生成6,61闭环异构 体，否则将引入5,6双键，而每增加一个5,61双 键要消耗35.59kJ/mol能量。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建珠fineprint.com.cn

3）加成反应的区域化学是由富勒烯骨架上形成 最少的[5,6]双键决定的。根据C60反应的Bredt规 则，产物的C60核上双键应尽可能多的位于[6,6] 环稠合处或尽可能多的保持5-环辐射状烯的结构， 这样在能量上有利。所以对无空间排斥作用的试 剂的有利模式应该是[6,6]加成生成[6,6]闭环异构 体，否则将引入[5,6]双键，而每增加一个[5,6]双 键要消耗35.59kJ/mol能量。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ昳ÿ www.fineprint.com.cn

C6和衍生物的对称性与它们的CNMR谱图特征 己经得到的C衍生物对称性主要分为以下几种：C1、 C2CC,C2 C3C2D2DD2bT对称 目前对C6侧衍生物的结构表征主要是通过质谱(MS) H核磁共振谱(H-NMR)、红外(R)、紫外可见 光谱(UV-vis)、等谱学手段，特别是13CNMR及其 二维谱图可以给出不同碳原子的化学位移及相关信息， 在C6衍生物的结构表征中往往起关键性的作用。尤其 对加成基团与C6键连方式、加成部位等碳笼结构的确 认，要依靠3CNMR中的信息。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建跌.fineprint..con.cn

C60衍生物的对称性与它们的13C NMR谱图特征 已经得到的C60衍生物对称性主要分为以下几种：C1、 C2、C3、Cs、C2v、C3v、C2h、D2、D3、D2h、Th对称 目前对C60衍生物的结构表征主要是通过质谱（MS）、 1H核磁共振谱（1H-NMR）、红外（IR）、紫外可见 光谱（UV-vis）、等谱学手段，特别是13C NMR及其 二维谱图可以给出不同碳原子的化学位移及相关信息， 在C60衍生物的结构表征中往往起关键性的作用。尤其 对加成基团与C60键连方式、加成部位等碳笼结构的确 认，要依靠13C NMR中的信息。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昳ÿ www.fineprint.com.cn

表1C6衍生物对称性与13CNMR谱图特征 对称性 碳笼部分谱线条数 谱线特征 60 60×1C 30 30×2C 20 20X3C 32 28×2C+4×1C 17 13×4C+4×2C C 12 8×6C+4×3C 16 14×4C+2×2C 15 15×4C 10 10×6C 9 6×8C+3×4C 3 2×24C+1×12C PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建跌fineprint.com.cn

Th 3 2×24C+1×12C D2h 9 6×8C+3×4C D3 10 10×6C D2 15 15×4C C2h 16 14×4C+2×2C C3v 12 8×6C+4×3C C2v 17 13×4C+4×2C Cs 32 28×2C+4×1C C3 20 20×3C C2 30 30×2C C1 60 60×1C 对称性 碳笼部分谱线条数 谱线特征 表1 C60衍生物对称性与13C NMR谱图特征 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 3www.fineprint.com.cn 昳ÿ

富勒烯化学开笼的研究 利用富勒烯的框架，通过化学修饰断开一个或 多个C一C键，在球烯表面开出一个窗口，使 金属离子进入空腔，从而形成富勒烯基的功能 材料是富勒烯化学的前沿，用化学的手段使金 属离子或原子进入富勒烯的空腔，目前仍是待 解决的问题。 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建跌.fineprint..com,cn

富勒烯化学开笼的研究 利用富勒烯的框架，通过化学修饰断开一个或 多个C－C键，在球烯表面开出一个窗口，使 金属离子进入空腔，从而形成富勒烯基的功能 材料是富勒烯化学的前沿，用化学的手段使金 属离子或原子进入富勒烯的空腔，目前仍是待 解决的问题。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 昳ÿ www.fineprint.com.cn