富勒烯化学的研究进展
富勒烯及其衍生物在医药领域的应用研究进展
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富勒烯提取
富勒烯提取
摘要：
1.富勒烯的简介
2.富勒烯的提取方法
3.我国在富勒烯提取方面的研究进展
4.富勒烯的应用前景
正文：
富勒烯（Fullerene）是一种由碳原子组成的球形分子，具有许多独特的性质，如高强度、高热导率、高抗氧化能力等。
自1985 年被发现以来，富勒烯引起了科学界的广泛关注，被认为在材料科学、能源、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
富勒烯的提取方法主要有两种：一种是热解法，另一种是化学气相沉积法（CVD）。
热解法是通过高温将碳源分解为碳原子，然后这些碳原子聚集成富勒烯分子。
化学气相沉积法则是利用气相中的碳原子在固体表面沉积，形成富勒烯薄膜。
我国在富勒烯提取方面取得了一系列重要进展。
例如，我国科学家成功实现了富勒烯的高效提取，以及通过改进热解法和CVD 法制备出高质量的富勒烯材料。
此外，我国还积极开展富勒烯在材料科学、能源、生物医学等领域的应用研究，取得了一系列具有国际影响力的成果。
富勒烯在许多领域具有广泛的应用前景。
例如，在材料科学领域，富勒烯可以作为高强度、高热导率的结构材料；在能源领域，富勒烯可以作为高能量
密度的超级电容器电极材料；在生物医学领域，富勒烯具有抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性，有望开发成新型药物或生物成像试剂。
总之，富勒烯作为一种具有独特性质的碳分子，引起了全球科学界的关注。
我国在富勒烯提取方面取得了一定的成绩，并在应用研究方面取得了突破。
富勒烯衍生物在骨科领域的研究进展
骨性关节炎 （ ｓ ｏｒ ｒｉ， Ａ） Ｏ ｔ ａ ｈｉｓ Ｏ 是一种以关节软骨的变性 、 ｅ ｔ ｔ 破坏及骨质增生为特 征 的慢性关 节病 。其 发生 率随 年龄 的增 高而增多 ， 是老 年人 常见 的关节 病变 。Ｏ Ａ的病 理基 础是关 节 软骨的退变 ， 软骨基质 内糖蛋 白丢失 ， 关节 表层软骨 的软化 ， 在 承受压力的部位 出现 损伤 ， 软骨 逐渐 片状脱 落 ， 使软 骨层变 薄 甚至消失 ， 而引起老年 患者疼 痛不适 、 进 行走不便 等症状 。Ｙ — ｕ ｄｈ等 用家兔建立 Ｏ ｏ Ａ模 型 ， 分别 向兔关节 腔 内注 射水溶 性 富勒烯衍生物和过氧化物 （ ： ， Ｈ Ｏ ） ８周后 ， 在兔 Ｏ Ａ的模 型 中 ， 过氧化物能明显加重兔关节 内软骨的退变 ， 水溶性 富勒烯衍生
糖 皮质 激素是 临床 用 于治疗 多 种不 同疾病 的常 见药 物 。 应 用糖皮 质激 素 后 的不 良反 应 也 为 大 家所 熟 知 。在 骨科 领 域， 大量研究 表明激 素是导致 骨坏死 的重要原 因 ， 骨坏死 在 的病例 中 ， 以股骨 头坏 死 为 常见 。在对 激 素性 股骨 头 坏死 尤 发 病机 制研究 中 ， ｏ ｍ等 通过 对 ５ Ｙｕ ８名 股 骨头 坏死 患 者 的
２１ ０２年 ８月第 ３ ９卷 第 ｌ ５期
Ｃ ｉｅｅＪ ｕ ｎ ｌ ｆＰ ａｔ ａ ｄｃ ｅＡ ｇ２ １ ｈｎｓ ｏ ｒａ ｒ ｃ ｃｌ ｏ ｉ Ｍｅ ｉｎ ｕ ．０ ｉ
． ． 塑
・
９ ・ ３
・
综
述
・
富 勒烯 衍 生 物 在 骨科 领 域 的研 究 进 展
孙 京涛 刘 宏建 王 义 生
C60衍生物研究进展
C60衍生物研究进展及应用摘要：富勒烯C60自发现以来，以其独特的类似足球的结构引起了人们的普遍关注，尤其是1990年Kratschemer等制备出常规量的富勒烯，极大的推动了对富勒烯的性质和用途的研究及相关领域的发展。
富勒烯衍生物的合成以及其性质的研究也成为了富勒烯化学的热门课题。
本论文对富勒烯及其衍生物的结构性质进行了详细的说明，介绍了生成富勒烯衍生物的一些重要反应，以及富勒烯衍生物在纳米材料、生物医学材料、光学材料、磁性材料等方面的应用。
关键词：富勒烯C60衍生物；研究；结构；性能；应用1 前言纳米科技[1, 2]是上世纪80年代开始逐步兴起的一门多学科交叉的综合性前沿科技，其研究领域涉及物理学、化学、材料学、生物学、电子学等。
而纳米材料正是纳米科技的基础和先导，也是纳米科技领域富有活力、内涵丰富的学科分支。
广义的讲，纳米材料是指材料的三维空间中，至少有一维处于1-100 nm尺寸范围内，或者是由它们作为成分的基本单元所构成的材料，包括纳米微粒(零维材料)，直径为纳米量级的纳米纤维、纳米线、纳米须、纳米带、纳米管、纳米棒(一维材料)，厚度为纳米量级的薄膜、多层膜和片(二维材料)，直径为纳米量级的花和球(三维材料)，以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。
自从1985年Kroto、Curl和Smalley等人[3]发现富勒烯以来，富勒烯以其独特的类似足球的结构引起了人们的普遍关注，尤其是1990年Kratschemer等制备出常规量的富勒烯，极大的推动了对富勒烯的性质和用途的研究及相关领域的发展。
短短二十年来，几乎世界上所有著名大学和研究所都有科学家进行了与富勒烯有关的研究，这些研究几乎涉及物理学、化学以及材料科学的各个领域，同时对生物、医学、天文学以及地质学等也产生了巨大冲击，富勒烯及富勒烯族化合物的研究已经成为当前国际上异常活跃的研究领域之一。
富勒烯(Fullerene)是一类新型球状分子，它是以碳原子组成的笼状分子，高度对称。
富勒烯的发现与发展1
富勒烯的发现与发展(化学化工学院化学 2013年)摘要：介绍了富勒烯的发现，重点分析了富勒烯的空间结构，比较详尽地阐述了富勒烯在有机溶剂中的溶解性、光学性质、磁性等物理性质，以及氧化还原反应、加成反应、配位反应等化学性质。
综述了富勒烯在科学领域的部分应用和研究进展。
关键词：富勒烯、碳原子簇、C60、富勒烯衍生物长期以来，人们只知碳的同素异形体有三种：金刚石、石墨和无定形碳。
早期，科学家们对非平面的芳香结构产生了浓厚的兴趣，这对富勒烯的发现奠定了一定的基础。
直至，20世纪80年代，富勒烯的研究慢慢地在研究领域中活跃起来。
1.富勒烯的发现1985年英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（H.W.Kroto）和美国科学家理查德·斯莫利（R.E.Smally）合作，他们用高功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子汽化，用氦气流把气态碳原子送入真空室。
迅速冷却后形成碳原子簇，再用质谱仪检测。
他们解析质谱图后发现，该实验产生了含不同碳原子数的原子簇，其中相当于60个碳原子，质量数落在720处的信号最强，其次是相当于70个碳原子，质量数为840处的信号，说明C60和C70是相当稳定的原子簇分子（图1）。
当时用激光蒸发石墨只能得到极微量的C60，难以满足结构分析的需要。
为寻找合成大量C60的方法，1990年，德国马普核物理所的物理学家克列希默（Kratschmer）等用电弧法制得了毫克级的富勒烯，是以石墨作电极，在氦气中通电，石墨电极蒸发为蒸汽，冷却后得到含有5％～10％C60和C70混合物的烟炱，此烟炱可溶于苯或甲苯中，利用重结晶或液相色谱法将它们分离，得到纯C60和C70，克列希默法每天可获得100 mg的C60。
有了足够量的C60就为研究它们的结构提供了条件。
经红外光谱，紫外可见光谱，电镜扫描，粉末和晶体X射线衍射分析等方法对C60进行结构分析，证实了克罗托等人的推理是完全正确的－－C60是球笼状。
建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒设计的加拿大世界博览会球形圆顶薄壳建筑1.1富勒烯的化学结构的探测C60的结构研究表明，C60是一个由12个五元环和20个六元环组成的球形32面体，它具有精确的五边形和六边形镶嵌结构，每个碳原子以近似于sp2杂化轨道与3个碳原子相连，未参加杂化的p轨道在C60的球面形成大л键，代表了一类特殊的芳香体系。
富勒烯发展及其应用现状
富勒烯发展及其应用现状摘要：富勒烯(C60)具有较高的化学稳定性、较大的比表面积、良好的导电性和独特的三维结构。
本文综述了富勒烯的研究进展并介绍了富勒烯分子的简单制备原理及过程，基于富勒烯良好的化学性质，简要介绍了其在化妆品、医学等领域的应用现状。
最后，总结了富勒烯的存在的弊端以及未来的研究方向并对富勒烯未来的发展方向做出展望。
关键词：富勒烯；研究现状；应用引言富勒烯是一类由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状全碳分子，最早由Smalley和 Curl于1985年在研究星际空间中碳尘埃的形成过程中、在进行激光蒸发石墨的质谱实验时发现[1]﹐其中由60个碳原子组成的C60“巴基球”具有异常的稳定性，并具有完美的球形对称结构。
C60 的出现使人们了解到了一个全新的碳世界，并立即引起了全世界科学家的广泛关注。
1991年 Huffman等[2]宣布他们找到了一种可以宏量制备巴基球的方法，使得C60再次成为各领域科学家关注的热点，并由此开始了对一系列笼状分子富勒烯的研究热潮。
20多年来，无论是在基础研究还是在实际应用领域都取得了长足的进步。
本文主要结合富勒烯分子的特点，综述富勒烯分子的制备原理以及在各大领域的应用现状。
1.富勒烯结构及其性质富勒烯分子中60个碳原子完全等价.由于球面弯曲效应和五元环的存在，碳原子的杂化方式介于石墨晶体和金刚石晶体杂化之间.分子中共含有30个双键和60个单键，以达稳定结构，单键沿球面方向，而电子云则垂直分布在球面两侧，形成了三维芳香型分子.根据分子杂化轨道理论，碳原子形成杂化轨道与另外三个碳原子成键,形成碳笼结构，剩下的独轨道在笼的内壁和外围形成大Π键，使C60分子具有球形芳香性．因此C60分子中,碳与碳之间形成的键是类似于苯环C 原子间的特殊键。
C60分子的球形中空结构可以推断，它应具有芳香性，能够进行一般的稠环芳烃所进行的反应.如能够发生烷基化，进行还原生成氢化物等,众所周知，芳烃一般表现出富电子反应，易与亲电试剂发生亲电取代反应．但是C60却表现出缺电子化合物的反应性，即倾向于得到电子，它难与亲电试剂发生反应，而易与亲核及金属反应.2.石墨电阻加热法和电弧放电法制备石墨电阻加热法：在0~100torr氦气气氛中，两根相互接触的石墨棒在电阻加热的作用下蒸发为气态的等离子体，等离子体在He气氛中碰撞冷却，最终得到C60和C70。
富勒烯C60 C70的制备化学
富勒烯 C60 C70 的制备化学自 1985 年 Kroto 等在激光汽化石墨实验中偶然发现C60/C70 以来[1]，为寻找高产率大量 C60 的制备方法，人们进行了广泛的探索，直到 1990 年 Kratschmer 等使用电弧放电装置生产出 mg 量的产品，才有了突破性的进展。
目前， g 量级的富勒烯已被制备出来。
富勒烯制备方法的进展促进了其物理、化学性质的深入研究及应用研究的广泛开展。
目前世界上不少著名科学家和一流研究机构正致力于 C60/C70 制备技术的研究，预计这一技术在不远的将来会有重大突破。
本文旨在对过去 10 年中富勒烯的制备技术的演进作一回顾，对各种方法加以归纳和评述，并探讨了较大规模生产的可能性。
1 石墨激光汽化法最初于室温下 He 气流中用脉冲激光技术蒸发石墨导致了 C60 的发现，碳蒸气的快速冷却导致了 C60 分子的形成。
由时间飞行质谱检测到的 C60 存在[1]。
但它只在气相中产生极微量的富勒烯，经研究发现 C60 可溶于甲苯。
随后的研究表明其中还包含着分子量更大的富勒烯。
此后发现在一个炉中预加热石墨靶到 12019C 可大大提高 C60 的产率[3]，但用此方法无法收集到常量的样品。
2 石墨电弧放电法1990 个由Kratschmer 和 Huffman 等人报道[2]的电阻热放电技术是第一个产生出常量富勒烯的方法，这一技术仍然是目前知道的较高产率制造方法之一。
许多研究小组对此方法加以改进，获得了可溶性富勒烯通常可占蒸发石墨的 20%，有时可达 30%以上[4~6]。
对该方法主要的改进包括精确控制电极的缝间距，调节电源种类和强度、稀释气体种类和压力、装置的最佳热对流、碳棒尺寸、反应器大小及萃取剂的抽提效率等因素。
踞遗憾的是由于内在原因，根本上限制了所使用碳棒的直径必须在 3mm 以内，因此只能小量生产。
主要的困难是碳棒中部温度最高，碳的蒸发速度也最快，很快变细直到断裂，运行中断。
笼内金属富勒烯研究进展
要， 它不 仅影 响 包合 物 的产 率 ， 且影 响包 合 物 的 而 品种 ， 用 的 复 合 金 属 棒 有 金 属 氯 化 物／ 墨 、 使 石 金
属／ 石墨 、 属 氧化 物／ 墨 、 属碳化 物／ 墨 Ｊ 金 石 金 石 。
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维普资讯
第２ 期
柳
翱等 ： 内金属 富勒烯研究进 展 笼
３ ３
两 步合 成 法 是 指 首 先 合 成 空 心 富 勒 烯 ， 后 然 在一 定 条件 下 ， 准 备 被 包 入 的原 子 与 富 勒烯 碰 用 撞 ， 入原 子后 封 口［，］ 包 １１ 。此 法 主要 有两 种手 段 ： ｏ１ 第 一种 是 激 光 蒸 发 金 属 氧 合 物 与 富 勒 烯 的混 合
” 某 属 富勒烯 的化 学 反 应 研 究 报 导 很 少 ； 些 理 论 研
究、 计算结果和实验现象还不能完全一致 ， 这些问
题， 将随着金属 富勒烯 制备纯化技术的突破而得
到解 决 。
大 进展 Ｌ 。众所 周 知 ， １ ｊ 富勒 烯 具 有 笼 形 结 构 ， 中 间有 一个 较 大 的 空 间 ， 种 金 属 原 子 可 以包 笼 在 各
文 章 编 号 ：１０ － ３ （０ ２ ０．０ ２ ４ ０６２ ９ ２０ ）２０３ — ９ ０
笼 内金 属 富勒 烯 研 究 进展
柳
翱 ， 张德 文 ， 解 耸 林
（ 吉林工学院 轻纺工程 系，吉林 长春 １０ １ ） ３０ ２
摘
要： 对金属 富勒烯的制备 、 提纯 、 结构 、 用前景进行 了详细地概述 。 应
文献标识码 ： Ａ
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Part I. Background
They were named followed the great American architect ---Richard Buckminster Fuller
Buckminster Fuller’s Dome
Part II. Preparation
II. Preparation of Fullerenes
• Evaporation of Carbon
Laser ablation Arc evaporation Laser-Furnace Method
• Incomplete Combustion of Hydrocarbon
• Pyrolysis of Suitable Precursors • Chemical Synthesis ห้องสมุดไป่ตู้ Formation under Ambient Conditions
Part III. Properties
Ⅲ. Physicochemical Properties of C60 and C70
• Molecular Structure Evidence
– Chemically Stable – Hückel molecular orbital – IR – Solubility – 13C NMR
---
-E. Oberdorster, Environ Health Perspect, 2004
• Protective Modification
C60
C60(OH)20
Part IV. Progress and Applications
3. Catalyst
FeC60(CH3)5C5H5
A catalyst for hydroformylation
V. Inspiration
• Never give up any reproducible abnormal phenomena
• Achievements is proportional to your efforts, not like a door, which will tell you what’s new in it-------by Curl
Part I. Background
The Cluster Generator – AP2
Part I. Background
The Original Mass Spectroscopy
3) C60 huge 4) C70 also
Part I. Background
The Original Mass Spectroscopy
C60 + O3 C60O3 C60O + O2
Part IV. Progress and Applications
IV. Progress and applications of Fullerenes
1. Superconductor 2. Biological applications 3. Catalyst 4. Quantum computation 5. Others
• Crystalline Structure • Chemical properties
Part III. Properties
Chemically Stable
The Hückel molecular orbital
Part III. Properties
IR Spectrum of C60
• Antioxidants and Neuroprotective agents
• Contrast agents
Part IV. Progress and Applications
Biological applications
• Attack on the Brain of
Juvenile
Largemouth Bass
Part IV. Progress and Applications
1. Superconductor
Part IV. Progress and Applications
2. Biological applications
• HIV Protease Inhibitor
• Selective DNA Cleavage
4. Quantum computer
N@C60 and its ESR signal
Much faster and smaller than usual
Part IV. Progress and Applications
5. Other applications
Organic ferromagnet ----cheap and well performing STM tips ----high resolution
• Every thing has its drawbacks, no one is faultless
Part III. Properties
13C NMR Profiles
Part III. Properties
The crystalline structure
FCC structure
Decreasing Temperature
Part III. Properties
The crystalline structure
Curl R. F. (U.S., 1933--)
Kroto H. W.
Smalley R. E.
(U.K., 1939--) (U.S., 1943--2005)
Part I. Background
The first Mass Spectrum related to C60 obtained by Exxon
A supermolecule composed by fullerene It may be useful in the Ammonia Synthesis
M@C60 M: transition metal
M is impossible to be washed away.
Part IV. Progress and Applications
Molecular ball bearing ----C60F60 is especially good for this function New luminous materials ----M@C60 M may be the lanthanon metal element, e.g. Yu
Part V. Inspiration
• Part IV. The progress and applications of C60, C70 and their derivatives
• Part V. Inspirations
Part I. Background
Fullerenes were firstly discovered in 1985, by
Main Progress in Fullerene Chemistry
Outline
• Part I. Background: the discovery of the Fullerenes
• Part II. The Preparation of Fullerenes
• Part III. The physicochemical properties of C60 and C70
Simply Cubic structure
Part III. Properties
STM Images
35*35Å
Part III. Properties
Chemical Properties
The chemical inertia is relative
Oxidation Addition reaction Polymerization (oligomerization) Amination Free radical reaction Reaction with metal