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主题：【第三届原创参赛】基础研究——High-Yield Synthesis of Isomeric C60 Chrorides from Carbon Arc

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风肃

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发表于：2010/12/23 19:04:53 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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富勒烯家族

一、前言

自从英国物理学家克罗托（H. W. Kroto）和美国科学家斯莫利（R. E. Smalley）等人^[1]具有划时代意义的发现宣告了碳的第三种稳定的同素异型结构的诞生，富勒烯便以其独特的魅力——完美的结构对称性、三维共轭、活泼的化学反应性及很强的电子亲合力和还原性等独特的物理化学性质——吸引了科学界和产业界的关注。相关的研究几乎涉及物理、化学和材料科学的各个领域，同时对生物学、医学、天文学以及地质学等也产生了强烈的影响，极大地丰富和提高了科学理论，同时也显示出在超导材料、光限制材料、气体存储（如储氢）、红外传感器、发动机燃料、润滑材料、半导体和微机械的原材料以及在生物医药等方面具有巨大的、潜在的应用前景。

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2010/12/23 19:07:29 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

二、C₆₀及富勒烯家族的历史——从预言到发现及其命名

在与人们关系密切的几十种化学元素中，碳是一种十分重要的元素，也是有机化合物的基本组成部分。过去人们一直认为自然界中的纯碳存在两种同素异形体——金刚石和石墨，这两种物质都是由原子堆积构成的网状固体，不存在单个的碳分子。然而在1985 年，克罗托等人一项具有划时代意义的发现，改变了人们的传统观念。以C₆₀ 为代表的全碳分子系固体的出现宣告了碳的第三种稳定的同素异型结构的诞生，实验和理论研究揭示出纯碳存在多种形式，包括球形、管状、洋葱状等结构，构成一个全碳分子家族，而且有迹象表明这类全碳分子在自然界中早已存在，只不过以前未被人们所认识。

C₆₀虽然在1985 年才为克罗托等人所发现，但这种美丽的分子在此之前十几年就已经开始孕育。根据文献记载，第一个预言C₆₀ 分子存在的科学家是日本人大泽（Eiji Osawa）。

大泽在前人工作的基础上并结合自己的理论研究于1970 年和1971 年用日文发表了两篇关于超芳香碳氢化合物的文章.在他1970 年的论文中，大泽描述了二十面体和截角二十面体分子，但他并没有特别指出是C₆₀，因为他的主要目的是解释超芳香碳氢化合物。1971 年大泽和别人合写了一本名为“芳香性（Aromaticity）”的书，对这种分子作了更为详细的描述。1971 年4 月，巴斯（W. E. Barth）和劳顿（R. G. Lawton）在《美国化学学会杂志》上发表了一篇文章，提出合成一种心形环状分子（corannulene）的方法，这种分子在当时引起了人们的注意，因为它由中间一个五边形环和周围一些六边形构成，具有非平面的碗形结构（图1 所示）。

大泽于是想到是否能将这种结构加以扩展形成球状，实现三维芳香性。当他正在思考这种分子的结构时，碰巧他的小儿子正在玩足球，他立即意识到足球上就包含了这种碗形分子。他开始研究这种球状分子，不久他得出这种结构可以由截去一个二十面体的顶角得到（图2 所示），并称之为截角二十面体，其外形正好是足球拼皮的花样。

在原来日文版的书中，大泽还预言了C₆₀H₆₀ 分子的存在。我们今天知道，这是完全氢化的C₆₀，这种化合物中由于储存了大量的氢因而在富勒烯化学中具有重要的应用。

1985年微波光谱学家克罗托（H. W. Kroto）、Curl 和斯莫利（Smalley）利用斯莫利教授设计的实验装置——激光超声团簇束流发生器开展了一项星际空间中长链碳分子形成机制的合作研究，他们在重复 Rohlfing 等的激光轰击石墨的实验时，意外地发现了碳的第三种同素异形体C₆₀和C₇₀ ^[1] 。由于这项里程碑似的科学发现，瑞典皇家科学院将1996 年的诺贝尔化学奖授予Smally、Curl 和Kroto 三位科学家。

C₆₀能稳定的存在，如何来解释它的稳定性，即C₆₀具有怎样的分子结构以保持其特殊稳定性？由于碳一般显示4 价，每个碳原子须与周围原子形成4 个共价键。C₆₀ 不与其他分子反应，意味着它不存在悬挂键，于是他们推测这种分子可能具有某种球体结构。对此克罗托和斯莫利研究小组展开了热烈的讨论，最后提出了封闭笼形结构的设想。这种具有足球形状的C₆₀分子表面由12个五边形和20个六边形组成，其稳定性可采用巴克明斯特·富勒（Buckminster Fullerene）发明的短程线圆顶结构予以解释，因此克罗托建议将这种分子命名为巴克明斯特·富勒烯（Buckminster Fullerene），简称富勒烯或巴基球，由于其外形酷似足球，因而也称之为足球烯（图3 所示）。