巴基球

**富勒烯**（英語：**Fullerene**） 或**巴克球**、**巴基球**（英語：**Buckyball**）是一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結構上與石墨很相似，石墨是由六元環組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環還有五元環，偶爾還有七元環。

1985 年英國化學家哈羅德・沃特爾・克羅托博士和美國科學家理察・斯莫利在萊斯大學製備出了第一種富勒烯，即「**C60 分子**」或「[60] 富勒烯」，因為這個分子與建築學家巴克明斯特・富勒的建築作品很相似，為了表達對他的敬意，將其命名為「**巴克明斯特・富勒烯**」（巴克球）。飯島澄男早在 1980 年之前就在透射電子顯微鏡下觀察到這樣洋蔥狀的結構。自然界也是存在富勒烯分子的，2010 年科學家們通過史匹哲太空望遠鏡發現在外太空中也存在富勒烯。
「也許外太空的富勒烯為地球提供了生命的種子」。

在富勒烯發現之前，碳的同素異形體的只有石墨、鑽石、無定形碳（如炭黑和炭），它的發現極大地拓展了碳的同素異形體的數目。富勒烯和碳奈米管獨特的化學和物理性質以及在技術方面潛在的應用，引起了科學家們強烈的興趣，尤其是在材料科學、電子學和奈米技術方面。

* * * *

## 命名

很像足球的球型富勒烯也叫做**足球烯**，或音譯為**巴克球**，中國大陸通譯為**富勒烯**，臺灣稱之為**球碳**，香港譯為**布克碳**；偶爾也稱其為**芙**等；富勒烯的中文寫法有三種，以 C60 為例，第一種是標準的寫法，即 [60] 富勒烯，對應英文的 [60] fullerene；第二種為碳 60，60 也不用下標，這是中文專用的寫法；第三種為 C60，與英文一致。

### 簡介

早在 1965 年，二十面體對稱性的 C60H60 被認為是一種可能的拓撲結構。 20 世紀 60 年代科學家們對非平面的芳香結構產生了濃厚的興趣，很快就合成了碗狀分子碗烯（Corannulene）。日本科學家大澤映二在與兒子踢足球時想到，也許會有一種分子由 sp2 雜化的碳原子組成，比如將幾個碗烯拼起來的共軛球狀結構，實現三維芳香性。他開始研究這種球狀分子，不久他得出這種結構可以由截去一個二十面體的頂角得到，並稱之為截角二十面體，就像足球的拼皮結構那樣；他還預言了 CnHn 分子的存在。大澤雖然在 1970 年就預言了 C60 分子的存在，但遺憾的是，由於語言障礙，他的兩篇用日文發表的文章並沒有引起人們的普遍重視，而大澤本人也沒有繼續對這種分子的研究，因而使得 C60 的發現已經是 15 年以後的事了。

1970 年漢森（R. W. Henson）設計了一個 C60 的分子結構，並用紙製作了一個模型。然而這種碳的新形式的證據非常弱，包括他的同事都無法接受。因此這個結果並沒有發表，不過《碳》期刊在 1999 年確認了這個結果。富勒烯的第一個光譜證據是在 1984 年由美國新澤西州的艾克森實驗室的羅芬（Rohlfing），考克斯（Cox）和科多（Kldor）發現的，當時他們使用由萊斯大學理察・斯莫利設計的雷射汽化團簇束流發生器，用雷射汽化蒸發石墨，用飛行時間質譜發現了一系列 Cn（n=3，4，5，6）和 C2n（n>=10）的峰，而相距較近的 C60 和 C70 的峰是最強的。不過很遺憾，他們沒有做進一步的研究，也沒有探究這個強峰的意義。1985 年，英國化學家哈羅德・沃特爾・克羅托博士和美國賴斯大學的科學家理察・斯莫利、海斯（James R. Heath）、歐布萊恩（Sean O'Brien）和科樂（Robert Curl）等人在氦氣流中以雷射汽化蒸發石墨實驗中首次製得由 60 個碳組成的碳原子簇結構分子 C60。富勒烯的主要發現者們受建築學家巴克敏斯特・富勒設計的加拿大蒙特婁世界博覽會球形圓頂薄殼建築的啟發，認為 C60 可能具有類似球體的結構，因此將其命名為**巴克明斯特・富勒烯**（**buckminster fullerene**），簡稱富勒烯（fullerene）。為此，克羅托、科爾和斯莫利獲得了 1996 年度諾貝爾化學獎。在 1990 年前，關於富勒烯的研究都集中於理論研究，因為沒有足量的富勒烯用於實驗，直到 1990 後，哈夫曼（Donald Huffman），克拉策門（Wolfgang Krätschmer）和福斯迪羅伯勞斯（Konstantinos Fostiropoulos）等人第一次報導了大量合成 C60 的方法，才使得 C60 的研究得以大量展開。富勒烯的純化對於化學家們是一個挑戰，同時也在很大程度上決定了富勒烯的價格。內嵌富勒烯是指在生成富勒烯的過程中將離子或小分子包到碳籠中。富勒烯的化學反應很特別，例如 1993 年發現的 Bingel 反應等。碳奈米管在 1991 被發現。

### 早期科學進展年譜

1971 年，大澤映二發表《芳香性》一書，其中描述了 C60 分子的設想。

1980 年，飯島澄男在分析碳膜的透射電子顯微鏡圖時發現同心圓結構，就像切開的洋蔥，這是 C60 的第一個電子顯微鏡圖。
1983 年，克羅托蒸發石墨棒產生的碳灰的紫外可見光譜中發現 215nm 和 265nm 的吸收峰，他們稱之為「駝峰」；後來他們推斷這是富勒烯產生的。

1984 年，富勒烯的第一個光譜證據是在 1984 年由美國新澤西州的艾克森實驗室的羅芬等人發現的，但是他們不認為這是 C60 等團簇產生的。

1985 年，英國化學家哈羅德・克羅托和美國科學家理察・斯莫利等人在氦氣流中以雷射汽化蒸發石墨實驗中意外合成了 C60 和 C70，並由此獲得 1996 年諾貝爾化學獎。並提出富勒烯可能存在於星際空間。

1990 年，克利斯莫（Krätschmer）等人第一次報導了大量合成 C60 的方法，才使得 C60 的研究得以大量展開。

1991 年，加州大學洛杉磯分校的霍金斯（Joel Hawkins）得到了富勒烯衍生物的第一個晶體結構，標誌著富勒烯結構被準確測定。

1995 年，伍德（Fred Wudl）製備出開孔富勒烯；而 PCBM 也被他首次製備。

### 天然存在的富勒烯

起初人們認為這種高度對稱的完美分子只能在實驗室的苛刻條件下或者是星際塵埃中存在，然而 1992 年美國科學家 P. R. Buseck 在用高分辨透射電鏡研究俄羅斯數億年前的地下的一種名為 Shungites 的礦石時，發現了 C60 和 C70 的存在，飛行時間質譜也證明了他們的結論，產生原因未知。2010 年加拿大西安大略大學科學家在 6500 光年以外的宇宙星雲中發現了 C60 存在的證據，他們通過史匹哲太空望遠鏡發現了 C60 特定的信號。克羅托說：「這個最令人興奮的突破給我們提供了令人信服的證據：正如我們一直期盼的那樣，巴克球在宇宙的亙古前就存在了。」

## 製備與提純

### 製備

大量低成本地製備高純度的富勒烯是富勒烯研究的基礎，自從克羅托發現 C60 以來，人們發展了許多種富勒烯的製備方法。目前較為成熟的富勒烯的製備方法主要有電弧法、熱蒸發法、燃燒法和化學氣相沉積法等。

* 電弧法

一般將電弧室抽成高真空，然後通入惰性氣體如氦氣。電弧室中安置有製備富勒烯的陰極和陽極，電極陰極材料通常為光譜級石墨棒，陽極材料一般為石墨棒，通常在陽極電極中添加銖、鎳、銅或碳化鎢等作為催化劑。當兩根高純石墨電極靠近進行電弧放電時，炭棒氣化形成電漿體，在惰性氣氛下小碳分子經多次碰撞、合併、閉合而形成穩定的 C60 及高炭富勒烯分子，它們存在於大量顆粒狀菸灰中，沉積在反應器內壁上，收集菸灰提取。電弧法非常耗電、成本高，是實驗室中製備空心富勒烯和金屬富勒烯常用的方法。

* 燃燒法

苯、甲苯在氧氣作用下不完全燃燒的碳黑中有 C60 和 C70，通過調整壓強、氣體比例等可以控制 C60 與 C70 的比例，這是工業中生產富勒烯的主要方法。

### 提純

富勒烯的純化是一個獲得無雜質富勒烯化合物的過程。製造富勒烯的粗產品，即菸灰中通常是以 C60 為主，C70 為輔的混合物，還有一些同系物。決定富勒烯的價格和其實際應用的關鍵就是富勒烯的純化。實驗室常用的富勒烯提純步驟是：從富含 C60 和 C70 的煙塵中先用甲苯索氏提取，然後紙漏斗過濾。蒸發溶劑後，剩下的部分（溶於甲苯的物質）用甲苯再溶解，再用氧化鋁和活性碳混合的柱色譜粗提純，第一個流出組分是紫色的 C60 溶液，第二個是紅褐色的 C70，此時粗分得到的 C60 或 C70 純度不高，還需要用高效液相色譜來精分。

永田（Nagata）發明了一項富勒烯的公斤級純化技術。
該方法通過添加二氮雜二環到 C60、C70 等同系物的 1、2、3 - 三甲基苯溶液中。DBU 只會和 C70 以及更高級的同系物反應，並通過過濾分離反應產物，而富勒烯 C60 與 DBU 不反應，因此最後得到 C60 的純淨物；其他的胺化合物，如 DABCO，不具備這種選擇性。

C60 可以與環糊精以 1:2 的比例形成配合物，而 C70 則不行，一種分離富勒烯的方法就是基於這個原理，通過 S-S 橋固定環糊精到金顆粒膠體，這種水溶性的金 / 環糊精的複合物 [Au/CD] 很穩定，與不水溶的菸灰在水中回流幾天可以選擇性地提取 C60，而 C70 組分可以通過簡單的過濾得到。將 C60 從 [Au/CD] 複合物中分離是通過向環糊精水溶液加入對環糊精內腔具有高親和力的金剛烷醇使得 C60 與 [Au/CD] 複合物分離而實現 C60 的提純，分離後通過向 [Au/CD/ADA] 的複合物中添加乙醇，再蒸餾，實現試劑的循環利用。50 毫克 [Au/CD] 可以提取 5 毫克富勒烯 C60。後兩種方法都只停留在實驗室階段，並不實用。

## 種類

自從 1985 發現富勒烯之後，不斷有新結構的富勒烯被預言或發現，並超越了單個團簇本身。

* **巴克球團簇**：最小的是 C 
20 （二十烷的不飽和衍生物）和最常見的 C 
60；
* **碳奈米管**：非常小的中空管，有單壁和多壁之分；在電子工業有潛在的應用；
* **巨碳管**（megatubes）：比奈米管大，管壁可製備成不同厚度，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」。
* **奈米「洋蔥」** ：多壁碳層包裹在巴克球外部形成球狀顆粒，可能用於潤滑劑；
* **球棒相連二聚體**：兩個巴克球被碳鏈相連；
* **富勒烯環**。
* **巴克球**

2007 年科學家們預測了一種的新的硼巴克球，它用硼取代了碳形成巴克球，B80 的結構是每個原子都形成五或六個鍵，它比 C60 穩定。另外一種常見的富勒烯是 C70，72、76、84 甚至 100 個碳組成的巴克球也是很容易得到的。

* 碳奈米管

**奈米管**是中空富勒烯管。這些碳管通常只有幾個奈米寬，但是他們的長度可以達到 1 微米甚至 1 毫米。碳奈米管通常是終端封閉的，也有終端開口的，還有一些是終端沒有完全封口的。碳奈米管的獨特的分子結構導致它有奇特的宏觀性質，如高抗拉強度、高導電性、高延展性、高導熱性和化學惰性（因為它是圓筒狀或「平面狀」，沒有裸露原子被輕易取代）。一個潛在應用是做紙電池，這是 2007 年倫斯勒理工學院的一個新發現。 另外一個可能應用是用做太空電梯的高強度碳纜。通過共價鍵將富勒烯吸附在碳奈米管外形成的奈米「芽」結構稱作奈米芽。

* 富勒體

**富勒體**（**Fullerites**）是富勒烯及其衍生物的固態形態的稱呼，中文一般不特別稱呼這個形態。超硬富勒體這個詞一般被用來表述使用高壓高溫得到的富勒體，這種條件下普通的富勒烯固體會形成鑽石形式的奈米晶體，它有相當高的機械強度和硬度。

* 內嵌富勒烯

內嵌富勒烯是將一些原子嵌入富勒烯碳籠而形成的一類新型內嵌富勒烯，如氫、碳、鈧、氮等，大部分是在電弧法製造富勒烯的過程中形成的，也可以通過化學方法將富勒烯打開孔後裝入一些原子或分子。

## 結構

在數學上，富勒烯的結構都是以五邊形和六邊形面組成的凸多面體。最小的富勒烯是 C20，有正十二面體的構造。沒有 22 個頂點的富勒烯，之後都存在 C2_n_ 的富勒烯，_n_=12、13、14…… 所有富勒烯結構的五邊形個數為 12 個，六邊形個數為 n-10。

### C60

因為 C60 是富勒烯家庭中相對最容易得到、最容易提純和最廉價的各類，因此 C60 及其衍生物是被研究和應用最多的富勒烯。

通過質譜分析、X 射線分析後證明，C60 的分子結構為球形 32 面體，它是由 60 個碳原子通過 20 個六元環和 12 個五元環連接而成的具有 30 個碳－碳鍵的足球狀空心對稱分子，所以，富勒烯也被稱為足球烯。C60 是高度的 Ih 對稱，高度的離域大 π 共軛，但不是超芳香體系，他的核磁共振碳譜只有一條譜線，但是它的雙鍵是有兩種，它有 30 個六元環與六元環交界的鍵，叫 [6,6] 鍵，60 個五元環與六元環交界的鍵，叫 [5,6] 鍵。[6,6] 鍵相對 [5,6] 鍵較短，C60 的 X 射線單晶衍射數據表明，[6,6] 鍵長是 135.5 皮米，[5,6] 長鍵是 146.7 皮米，因此 [6,6] 有更多雙鍵的性質，也更容易被加成，加成產物也更穩定，而且六元環經常被看作是苯環，五元環被看作是環戊二烯或五元軸烯。C60 有 1812 種個異構體。

C60 及其相關 C70 兩者都滿足這種所謂的孤立五角規則（IPR）。而 C84 的異構體中有 24 個滿足孤立五角規則的，而其他的 51568 個異構體則不滿足孤立五角規則，這 51568 為非五角孤立異構體，而不滿足孤立五角規則的富勒烯迄今為止只有幾種富勒烯被分離得到，比如分子中兩個五邊形融合在頂尖的一個蛋形籠狀內嵌金屬富勒烯 Tb3NaC84。或具有球外化學修飾而穩定的富勒烯如 C50Cl10，以及 C60H8。

理論計算表明 C60 的最低未占據軌道（LUMO）軌道是一個三重簡併軌道，因此它可以得到至少六個電子，常規的循環伏安和差示脈衝伏安法檢測只能得到 4 個還原電勢，而在真空條件下使用乙腈和甲苯的 1:5 的混合溶劑可以得到六個還原電勢的譜圖。

### C70

理論計算表明 C70 的 LUMO 軌道是一個二重簡併軌道，不過它的 LUMO+1 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，常規的循環伏安和差示脈衝伏安法檢測只能得到 4 個還原電勢，而在真空條件下使用乙腈和甲苯的 1：5 的混合溶劑可以得到六個還原電勢的譜圖。

### 低對稱性富勒烯

低對稱性富勒烯的鍵長是不一樣的，雖然也是離域 π 鍵，從核磁共振碳譜可以清楚看出來有很多條碳信號。

### 手性

一些富勒烯是 D2 對稱性的，因此他們是有固有手性的，如 C76、C78、C80 和 C84 等，科學家一直致力於發展特別的傳感器來識別和分離他們的對映異構體。

## 性質

### 溶解性

富勒烯在大部分溶劑中溶解得很差，通常用芳香性溶劑，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶劑二硫化碳溶解。純富勒烯的溶液通常是紫色，濃度大則是紫紅色，C70 的溶液比 C60 的稍微紅一些，因為其在 500nm 處有吸收；其他的富勒烯，如 C76、C80 等則有不同的紫色。富勒烯是迄今發現的唯一在室溫下溶於常規溶劑的碳的同素異性體。

有些富勒烯是不可溶的，因為他們的基態與激發態的帶寬很窄，如 C28，C36 和 C50。C72 也是幾乎不溶的，但是 C72 的內嵌富勒烯，如 La2@C72 是可溶的，這是因為金屬元素與富勒烯的相互作用。早期的科學科學家對於沒有發現 C72 很是疑惑，但是卻有 C72 的內嵌富勒烯。窄帶寬的富勒烯活性很高，經常與其他富勒烯結合。化學修飾後的富勒烯衍生物的溶解性增強很多，如 PC61BM 室溫下在氯苯中的溶解度是 50mg/mL。
C60 和 C70 在一些溶劑的溶解度列於左表，這裡的溶解度通常是飽和濃度的估算值。

### 水合富勒烯（HyFn）

水合富勒烯 C60HyFn 是一個穩定的，高親水性的超分子化合物。截止 2010 年以水合富勒烯形式存在的，最大的 C60 濃度是 4mg/mL。

### 導電性

#### 超導

在可以大量生產 C60 後其很多性質被發現，很快 Haddon 等人 發現鹼金屬摻雜的 C60 有金屬行為，1991 年發現鉀摻雜的 C60 在 18K 時有超導行為 這是迄今最高的分子超導溫度，之後大量的金屬摻雜富勒烯的超導性質被發現。研究表明超導轉化溫度隨著鹼金屬摻雜富勒烯的晶胞體積而升高。 銫可以形成最大的鹼金屬離子，因此銫摻雜的富勒烯材料被廣泛研究，近來報導 Cs3C60As 在 38K 時超導性質， 不過是在高壓下。常壓下 33K 時具有最高超導轉化溫度的是 Cs2RbC60。
C60 固體超導性的 BCS 理論認為，超導轉變溫度隨著晶胞體積的增加而升高，因為 C60 分子間的間隔與費米能級 N（εF）的態密度的升高相關，因此科學家們做了大量的工作試圖增加富勒烯分子間的距離，尤其是將中性分子插入 A3C60 晶格中來增加間距同時保持 C60 的價態不變。不過，這種氨化技術意外地得到了新奇的富勒烯插入複合物的特別的性質：Mott-Hubbard 轉變以及 C60 分子的取向 / 軌道有序和磁結構的關係。
C60 固體是由弱相互作用力組成的，因此是分子固體，並且保留了分子的性質。一個自由的 C60 分子的分立能級在固體中只是很弱的彌散，導致固體中非重疊的帶間隙很窄，只有 0.5eV。未摻雜的 C60 固體，5 倍 hu 帶是其 HOMO 能級，3 倍的 t1u 帶是其空的 LUMO 能級，這個系統是帶禁阻的。但是當 C60 固體被金屬原子摻雜時，金屬原子會給 t1u 帶電子或是 3 倍的 t1g 帶的部分電子占據有時會呈現金屬性質。雖然它的 t1u 帶是部分占據的，按照 BCS 理論 A4C60 的 t1u 帶是部分占據的應該有金屬性質，但是它是一個絕緣體，這個矛盾可能用 Jahn-Teller 效應來解釋，高對稱分子的自發變形導致了它的兼併軌道的分裂從而得到了電子能量。這種 Jahn-Teller 型的電子 - 聲子作用在 C60 固體中非常強以致於可以破壞了特定價態的價帶圖案。窄帶隙或強電子相互作用以及簡併的基態對於理解並解釋富勒烯固體的超導性非常重要。電子相互斥力比帶寬大時，簡單的 Mott-Hubbard 模型會產生絕緣的局域電子基態，這就解釋了常壓時銫摻雜的 C60 固體是沒有超導性的。電子相互作用驅動的 t1u 電子的局域超過了臨界點會生成 Mott 絕緣體，而使用高壓能減小富勒烯相互間的間距，此時銫摻雜的 C60 固體呈現出金屬性和超導性。

關於 C60 固體的超導性還沒有完備的理論，但是 BCS 理論是一個被廣泛接受的理論，因為強電子相互作用和 Jahn-Teller 電子 - 聲子偶合能產生電子對，從而得到較高的絕緣體 - 金屬轉變溫度。

### 熱力學性質

差示掃描量熱法（DSC）表明 C60 在 256K 時發生相變，熵為 27.3J.K−1.mol−1，歸因於其玻璃形態 - 晶體轉變，這是典型的導向無序的轉變。相似地，C70 在 275K、321K 和 338K 也發生無序轉變，總熵為 22.7 J.K−1.mol−1。富勒烯的寬的無序轉變與從起始較低的溫度的類跳躍式旋轉向各向同性的旋轉漸變有關。

### 化學性質

富勒烯是穩定的，但並不是完全沒有反應性的。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後，鍵角張力就釋放了，如富勒烯的 [6,6] 鍵是親電的，將 sp2 雜化軌道變為 sp3 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定。富勒烯即可以形成單加成產物，也可以形成多加成產物。
富勒烯化學是研究富勒烯的化學性質的科學。
功能化富勒烯從而調節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稜錐體化，這對其反應活性有深遠的影響。據估計，其應變能相當於 80% 反應熱能。共軛碳原子平行性影響雜化軌道 sp²，一個獲得 p 電子的 sp2.27 軌道。p 軌道的互相連結擴大在外球面更勝於其內球（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 電子形成近似球的複雜 pi-pi 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。

富勒烯中的雙鍵不完全相同，大致可分為兩種：[6,6] 鍵，連接兩個六邊形的鍵，[5,6] 鍵連接一個六邊形和五邊形。兩者中 [6,6] 鍵比環狀六邊形聚合物（cyclohexatriene）分子中的 [6,6] 鍵和軸烯與二環並戊二烯分子中的雙鍵更短。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象消失了。根據 IUPAC 的規定，亞甲基富勒烯（也稱環丙烷富勒烯，methanofullerene）指閉環（環丙烷）富勒烯衍生物，而 fulleroid 指開環富勒烯衍生物（亞甲基橋輪烯，methanoannulene）富勒烯往往可以發生親電反應，這類反應的關鍵是功能化單加成反應（monoaddition）或多加成反應（multiple addition）。

#### 親核加成

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 在定量形成甲基位於的環戊二烯中間的五加成產物後，質子化形成 (CH3)5HC60。賓格爾反應也是重要的富勒烯環加成反應，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生富氏烷基化反應，該氫化芳化作用的產物是 1，2 加成的 (Ar-CC-H)。

#### 周環反應

富勒烯的 [6,6] 鍵可以與雙烯體或親雙烯體反應，如 D-A 反應。[2+2] 環加成可以形成四元環，如苯炔。1,3 - 偶極環加成反應可以生成五元環，被稱作 Prato 反應。富勒烯與卡賓反應形成亞甲基富勒烯。

#### 加氫（還原）反應

氫化富勒烯產物如 C60H18、C60H36。然而，完全氫化的 C60H60 僅僅是假設產物，因為分子張力過大。高度氫化後的富勒烯不穩定，而富勒烯與氫氣直接在高溫條件下反應會導致籠結構崩潰，而形成多環芳烴。

#### 氧化反應

富勒烯及衍生物在空氣中會被慢慢的氧化，這也是通常情況下富勒烯需要在避光或低溫中保存的原因。富勒烯與三氧化鋨和臭氧等反應；與臭氧的反應很快很劇烈，可以生成羥基多加成的富勒醇混合物，因為加成數和加成位置有很寬的分布。

#### 羥基化反應

富勒烯可以通過羥基化反應得到富勒醇，其水溶性取決於分子中羥基數的多少。一種方法是富勒烯與稀硫酸和硝酸鉀反應可生成 C60(OH)15，另一種方法是在稀氫氧化鈉溶液的催化下反應由 TBAH 增加 24 到 26 個羥基。羥基化反應也有過用無溶劑氫氧化鈉與過氧化氫和富勒烯反應的報導。用過氧化氫與富勒烯的反應合成 C60(OH)8，羥基的最大數量，可以達到 36 至 40 個。

#### 親電加成

富勒烯也可以發生親電反應，比如在富勒烯球外加成 24 個溴原子，最多親電加成紀錄保持者是 C60F48。

#### 配位反應

富勒烯的五元環和六元環可以作為金屬配合物的配體，尤其是五元環，可以形成各種茂基配合物。[6,6] 雙鍵是缺電子的，通常與金屬成鍵為 η= 2（配位化學中的哈普托數）。鍵合模式如 η= 5 或 η=6 與球狀富勒烯配體有關。陽光直接照射富勒烯和硫羰基鎢 W (CO)6 的環己烷溶液生成 (η²-C60)5 W(CO)6。

#### 開孔反應

開孔反應是指通過化學手段選擇性地切斷富勒烯骨架上的碳碳鍵來製備開孔富勒烯的反應，開孔後就可能把一些小分子裝到碳球中，如氫分子、氦、鋰等。第一個開孔富勒烯是在 1995 由伍德等報導的。

### 超分子化學

將富勒烯和其它一些功能基團有效的通過非共價作用聯結在一起形成具有特定結構的超分子體系，進而通過調控各個基團之間的電子相互作用實現其功能化的研究引起了研究者們的極大興趣。

#### 裸 C60 的主客體化學

由於 C60 分子獨特的剛性球狀結構，發展能夠與其高效結合的特定主體是一件很有意義的工作，二十多年來科學家們樂此不疲地用新奇的化合物和有趣的方式將其包起來得到包含物和嵌合物，在富勒烯的主客體化學方面進行了大量的研究並取得了長足的進展，發展了一系列主體化合物，大致分為富 π 電子化合物和大環主體兩類；前者有二茂鐵、卟啉、酞菁、四硫富瓦烯、苝、碗烯和帶狀多共軛體系等的衍生物，後者有環糊精、杯芳烴、氮雜杯芳烴，長鏈烷烴和低聚物等的衍生物。迄今與富勒烯分子超分子結合力最強的是相田卓三教授合成的卟啉籠分子，在鄰二氯苯中與 C60 的結合常數為 Log Ka = 8.11。

#### C60 衍生物超分子的自組裝

修飾富勒烯可以獲得更多的作用位點，因此富勒烯衍生物的超分子自組裝的研究一直是個熱點，遠遠多於不修飾的富勒烯的組裝，特別是在基於富勒烯的功能材料、光致電子轉移、人工光合作用體系、光子器件等諸多的研究領域。

#### C60 及其衍生物的有序聚集態的製備方法

富勒烯功能化後產生的自組裝前體，通過超分子作用形成有序聚集態結構，既是提高對富勒烯本徵認識以及單分子器件構築水平，也是對富勒烯高新技術功能化材料的需要。十多年來，很多研究組已經在獲得穩定的 C60 奈米材料如奈米顆粒、奈米管、奈米線、奈米帶和高度有序二維結構等方面進行了大量的研究，發展了經典自組裝法、模板法、氣相沉積法，化學吸附和 LB 膜技術等方法來構築具有特定形貌的有機奈米材料。

### 安全性和毒性

摩薩（Moussa）等人做了在生物體腹腔內注射大劑量 C60 後的毒理研究後發現，沒有證據表明白鼠在注射 5000mg/kg（體重）的 C60 劑量後有中毒現象。
摩利（Mori）等人也沒有發現給齧齒動物口服 C60 和 C70 混合物 2000mg/kg 的劑量後有中毒、遺傳毒性或誘變性現象，
其他人的研究同樣證明 C60 和 C70 是無毒的，而伽比（Gharbi）等人發現注射 C60 懸浮液不會導致對嚙齒類動物的急性或亞急生毒性，相反一定劑量的 C60 會保護他們的肝免受自由基傷害。2012 年的最新研究表明，口服富勒烯能將小鼠的壽命延長一倍而沒有任何副作用。摩薩（Moussa）教授研究 C60 的性質長達 18 年，著有 《持續餵服小鼠 C60 使其壽命延長》一文，2012 年 10 月他在一次視頻採訪中宣稱，純 C60 沒有毒性。

科拉森加（Kolosnjaj）於 2007 年寫了篇複雜且詳盡的關於富勒烯的毒性的綜述，回顧了上世紀 90 年代早期至今的所有富勒烯的毒性研究的工作，認為自富勒烯發現以來都沒有明顯的證據表明 C60 是有毒性的，而波蘭（Poland）等人將碳奈米管注射到小鼠的腹腔中發現了石棉狀的病灶。值得注意的是這項研究不是吸入性研究；雖然在這之前有對奈米管的吸入性研究的毒理實驗，因此，憑此項研究還不能確認碳奈米管有類似石棉的毒理特性。薩耶等人發現小鼠吸入 C60（OH）24 或奈米 C60 並沒有毒副作用，而同樣情況下將石英顆粒注入小鼠則引起強烈的炎症。如上所述，奈米管在分子量、形狀、尺寸等化學和物理性質（溶解度）方面都與 C60 迥然不同，因此從毒理學的角度來看，C60 和碳奈米管的不同毒理學性質的差異性沒有關聯性。在分析毒性數據時，必須區別富勒烯的不同分子：（C60、C70 ……）；富勒烯衍生物：C60 或其他化學修飾的富勒烯衍生物；富勒烯複合物（比如，表面活性劑輔助的水溶性富勒烯，如 C60- 聚乙烯基吡咯烷酮；主客體複合物，如與環糊精或卟啉），這種情況下富勒烯是與其他分子是通過超分子作用與其他分子連接的；C60 奈米顆粒。

## 應用

### 護膚品

由於富勒烯能夠親和自由基，因此個別商家將水溶性富勒烯分散於化妝品，但是效果一般且價格昂貴。

### 多元體研究

富勒烯衍生物與卟啉、二茂鐵等富電子基團共價或非共價形成多元體，用於研究分子內能量、電荷轉移、光致能量和電荷轉移。

### 有機太陽能電池

自 1995 年俞剛博士將富勒烯的衍生物 PCBM（[6,6]-phenyl-c61-butyric acid methyl ester，簡稱 PC61BM 或 PCBM）用於本體異質結有機太陽能電池以來，有機太陽能電池得到了長足的發展，其中有三家公司已經將摻雜 PCBM 的有機太陽能電池商用，迄今大部分有機太陽能電池以富勒烯做為電子受體材料。

## 流行文化

在流行文化中的富勒烯元素很多，並且在科學家關注它們之前就出現了。在《新科學家》雜誌中，曾經每周有瓊斯（David E. H. Jones）寫的叫做《地達拉斯》（Daedalus）的專欄來描述各種有趣但很難實現的科學和技術。1966 年，他建議可能通過摻雜雜原子來扭曲一個平面的六邊形組成的網來得到一個中空的碳球分子。

2010 年 9 月 4 日，谷歌的首頁上用一個旋轉的 C60 富勒烯取代了 GOOGLE 圖案中的第二個 "O" 來慶祝富勒烯發現 25 周年。

## 參看

* 正十二面體烷
* 截角菱形三十面體

## 參考文獻

## 延伸閱讀

### 書籍

* 吉姆・巴戈特，李濤，曹志良譯，《完美的對稱 - 富勒烯的意外發現》1999 年，上海科技教育出版社
* 韓汝珊著《一個新的足球烯家族》科學家談物理第 3 輯，湖南教育出版
* Roger Taylor. 《Lecture Notes On Fullerene Chemistry》. Imperial College Press. 1999-02-01 [1999] [2010-07-18]. ISBN978-1-86094-104-7. （原始內容存檔於 2010-05-11） （英語）. 2013-04-22 archive
* John Wiley & Sons Karl《Fullerenes： Chemistry, Physics and Technology》
* 沈海軍、劉根林編著，《新型碳奈米材料 —— 碳富勒烯》
* 張彩雲著，《奈米籠化學》，化學工業出版社

### 科學家

* 北京大學甘良兵 教授研究組：開孔富勒烯化學
* 中國科學院化學研究所李玉良 研究員：球外修飾富勒烯洐生物
* 中國科學技術大學王官武 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 教授：富勒烯化學
* 中國科學院化學研究所王春儒 研究員：內嵌金屬富勒烯
* 中國科學院高能物理研究所趙宇亮 研究員：內嵌金屬富勒烯的製備及其在生物體中的應用
* 北京大學施祖进 實驗室. 2004-05-01 [2011-05-13]. （原始內容存檔於 2008-06-25）. 教授：富勒烯金屬包合物、新型富勒烯、雜原子富勒烯的製備與應用。
* 廈門大學謝素原 archive 教授
* 日本：

　
: * 中村榮一 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（Eiichi Nakamura）
* 小松紘一. ICR, Kyoto University. 2012-11-01. （原始內容存檔於 2017-06-28）. , archive（Koichi Komatsu）
* 松尾豊 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（Matsuo Yutaka），赤阪健 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（Takeshi AKASAKA）：內嵌富勒烯；篠原久典 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（Nori Shinohara）

* 西班牙：Nazario Martin
* 瑞士：François Diederich （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 美國：Fred Wudl （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, archive，Yves Rubin （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, archive
* 義大利：Maurizio Prato
* 荷蘭：Prof. dr. J.C. Hummelen
* 德國：Dirk M. Guldi

## 外部連結

* 北京大學有機化學研究所資料《富勒烯化學》，作者：甘良兵教授。
* 北京大學有機化學研究所資料《富勒烯的芳香性》，作者：肖作博士。
* C60 的物理性質（英文）。 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 諾貝爾網站上理察・斯莫利的自傳（英文） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 哈羅德・沃特爾・克羅托爵士的主頁（英文） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 富勒烯的簡單模型。（英文） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Jennifer Job. New Carbon Molecules Make Stronger Metals. Matthews, North Carolina: The World & I Magazine. 2001-03-01 [2011-05-12]. （原始內容存檔於 2009-06-28） （英語）. 碳鋼
* 富勒烯固體的簡介（英文） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 維加科學基金製作的解釋 C60 結構的簡短視頻（英文）。 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）