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发布时间：2022-04-29 22:55
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时间：2023-10-10 00:21
足球烯的分子式为C60，60个碳原子占据60个顶点，处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为108°或120°，因此整个分子为球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。分子轨道计算表明：足球烯具有较大的离域能。足球烯的共振结构数高达12500个，按每个碳原子的平均共振能比较，共振稳定性约为苯的两倍。因此足球烯是一个具有芳香性的稳定体系。
足球烯是美国德克萨斯州休斯敦赖斯（Rice）大学的克罗脱（Kroto，H．W．）和史沫莱（Smalley， R． E．）等人于1985年提出的。他们用大功率的激光束轰击石墨使其汽化，用1MPa压力的氦气产生超声波，使被激光束汽化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。 C60已为质谱所证明。足球烯的发现为有机化学开辟了一个新的领域，其意义是十分重大的。
“足球烯”本身更有着无数优异的性质，它本身是半导体，掺杂后可变成临界温度很高的超导体，由它所衍生出来的碳微管比相同直径的金属强度高100万倍。
1985年，Rice大学的H.W.Kroto和R.E.Smalley等发现用激光束使石墨蒸发，用10大气压的氦气产生超声波，在喷咀上能生成性质十分稳定的一种新的碳的同素异形体。经过飞行时间质谱证实，它的确不含其它元素，其组成主要是C60。Kroto等为了纪念前驱研究者Buckminster Fuller，将这个球形分子称为Buckminsterfullerene或者简称为“布克球”（Buckyball）。
他们认为这种碳单质既然具有确定的组成，显然就不会像石墨或金刚石一样构成无限庞大的分子。按照碳原子价键的要求，它可能具有球形结构。它以60个碳原子作为顶点，组成一个32面体。其中12个面是正边形，20个面是六边形。正好是一个削20面体的每个顶点，像足球一样的多边形体，如图1所示。在这样的分子中，每个碳原子都满足sp2杂化轨道的要求：与其它三个碳原子相连，等价地组成一个五员环和两个六员环。由于它具有这种特殊结构，因此现在更形象地称它为足球烯（footballene， soccerballene）。
按照正常的碳—碳键的键长计算，C60构成的球体直径大约为7 A0 ，它的内腔至少可以容纳一个直径为5 A0 的客体原子。根据这种思想，Smalley又设计将石墨板浸泡在沸腾的三氯化镧饱和溶液中，干燥后将它作为靶子，用激光蒸发，使镧原子嵌入球体内部。从而发现了一系列分别由44个到76个碳原子和一个镧原子组成的碳—镧化合物。显然这是一种包合物[2]。
事实上，12个正五边形不仅只能和20个六边形构成C60的封闭壳，还可以和其它若干个六边形组成蛋形的多面体，而镧原子的存在，使其它形式的多面体也趋于稳定。
和C60分子有关的“碗烯”（corranulene）分子[3]，C20H10，具有一个由五个正六边形环绕的正五边形结构，如图2所示。这个化合物早已于1966年由Michigan大学的R.G.Lawton合成成功。它的分子构型像一个碗，有芳香性，而且很稳定。而足球烯分子的表面，就存在着这样的12个正五角形单元。C60分子具有Ih点群的对称性，是一个“非交替烃”(non-alternant hydrocarbon)。
曾经有好几位学者对C60作过HMO计算[4]，并将C60和其它芳香烃的离域能（delocalization energy）和共振能进行比较。结果表明其共振稳定性大约是苯分子中每个碳原子的平均共振能的两倍。虽然在这个分子中碳原子并不都是完全共平面的，因此会出现一些张力，但是它的共振结构数高达12500，因而可以使体系稳定化。如果考虑到C60多面体分子中π键与σ键的交角大约是11.60，用0.877校正其共振积分，按POAV1/3D HMO法计算，仍然可以明显地看出它具有较高的π电子能。
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时间：2023-10-10 00:21
