フラーレン
Bochvar率いるロシアの科学者グループは、C60の安定性の量子化学的分析を行い、この分子構造の電子状態を計算した。この計算結果も学界では受け入れられなかった。この論文は1973年のロシアの"Proceeding of USSR Academy of Sciences"から発表された 。
1985年、C60フラーレンの実在がハロルド・クロトー、リチャード・スモーリー、ロバート・カールらによって初めて発見された。この発見により、発見者の三人は、1996年度のノーベル化学賞を受賞した。
1992年、ロシアのカレリア共和国産の"炭素鉱物シュンガ石(shungite)"(まだ正式に鉱物種とは認められていない) に C60 が含まれていると報告された。その後京都大学で分析が行われ、2004年に重量比で約20ppmの C60 が含まれていると発表された。2007年現在、生成の機構は不明である。
2010年9月4日、C60フラーレン発見25年を記念して、Googleホームページのロゴが特別バージョンとなった(画像)。
炭素原子60個からなる切頂二十面体(サッカーボール状)構造、直径7.1Åのフラーレンを、C60フラーレンと呼ぶ。IUPAC命名法では (C60-Ih)[5,6]フラーレンという。また、同様の構造を持ったドームジオデシック・ドームのデザイナーであるバックミンスター・フラーの名をとって、バックミンスターフラーレン (Buckminsterfullerene) 、バッキーボール (Buckyball) とも呼ぶ。6員環が20、5員環が12、60本の単結合、30本の二重結合で形成されており、余った結合が出ない安定な構造である。
フラーレン (C60) は、固体構造(ファンデルワールス結晶)をとる場合がある。C60 を一つの粒子とみなして、その粒子が面心立方構造(常温での安定相)をとる。260 K以下では、単純立方構造が安定となる。また、常温での準安定相として六方晶構造も存在する。これらの構造で、個々のフラーレンは高速で回転している。常温で毎秒およそ10から10回転するが、低温では回転は遅くなる。さらに、その粒子間(C60間)にアルカリ金属などがインターカレートした構造も存在(面心立方的構造、体心立方的構造などとなる)する。アルカリ金属などをインターカレートした構造の中には、超伝導を示すものも存在する。カリウムをドープした K3C60 は C60 を面心立方 (fcc) で組み上げ C60 分子間に K が入り込む形になっていて、その転移温度は30 Kを超える。他に二価金属のBaでも Ba4C60 となり、10 K以下だがやはり超伝導を示す。
クロトー、スモーリー、カールは真空状態でグラファイトにレーザー光線を当てて蒸発させ、フラーレンを発見した。この方法によって得られるフラーレンの量は極少量であったが、1990年にドイツでアーク放電により大量にフラーレンを合成する方法が発見され、フラーレンの研究が進展するきっかけとなった。その後、炭化水素を燃焼させたりプラズマで分解するなど、さまざまな方法が開発されている。2000年代に入り、燃焼法によるトン単位の大量生産も行われるようになった。
一方、フラーレンの有機化学的手法による合成は難航したが、2002年になって、11段階で作った前駆体を瞬間真空熱分解(英語版)で処理することにより初めて成功した(収率は約0.1%–1%)。その後、トルキセンから三段階で作った前駆体を白金上で加熱することにより効率よくフラーレンに変換することに成功した。また、単層グラフェンに担持した同じ前駆体に電子線照射することによってフラーレンに変換される様子を原子分解能の電子顕微鏡映像として記録することにも成功している。
フラーレンは物理的に極めて安定で、水や有機溶媒に溶けにくい性質を持つ。このため、この物体単体の利用開発が妨げられている。だが、化学反応性に富み、化学修飾をほどこし水溶性を増すことで、様々な試薬と反応することが知られており、様々な分野での開発研究が進められている。これは球面状に芳香環が歪められているため芳香族性が低下し、適当な反応性を持つためと考えられる。現在までに様々な反応が報告されており、C60は単一分子として最も反応性がよく調べられた分子となっている。
主な反応として水素やハロゲンの付加反応、有機金属試薬の求核付加反応、[3+2]・[4+2]などの環化付加反応などがある。また二重結合は白金やイリジウムなどの配位子としても働き、錯体を形成することが知られている。また、2個の C60 が結合して出来た二量体や、さらに密に結合した落花生型などの C120、3個が結合したトリマーの C180 や、多数のフラーレンが結合したポリマーなども合成されている。
フラーレンに置換基を導入する反応の中でも、以下の二つの反応がよく知られている。