内嵌金属富勒烯

摘要

富勒烯是近年来研究较多的碳笼结构高分子化合物, 其分离、纯化是影响该研究领域进展的关键因素。本文概述了富勒烯及内嵌金属富勒烯的性质及应用，同时还介绍了富勒烯、内嵌金属富勒烯的柱色谱分离。色谱法是目前分离富勒烯的重要手段, 本文概述了该法在富勒烯分离、纯化中的应用。

关键词色谱法富勒烯分离纯化

Abstract

Significant increases of fullerenes yields, as well as the additional, selective extractions of higher order fullerenes were achieved. Chromatographic separations of fullerenes from the obtained soot extracts were performed by continue elution, in one phase of each process, under atmospheric pressure, with original, defined gradients of solvents, from pure hexane or 5 % toluene in hexane to pure toluene, on active Al2O3 columns, by the new, improved methods.The advances in chromatographic purification using alumina, as well as in understanding of the unique, main optical absorption properties of these molecules are reported.

Keywords: Carbon soot, Basic and higher fullerenes, Solvent

第1章绪论

1.1富勒烯类物质的简述

1.1.1 富勒烯类物质的结构

富勒烯(fullerenes)是在1985年由英国Sussex大学的Kroto以及美国Rice大学的smalley和curl教授共同发现的除石墨、金刚石和无定型碳之外碳元素的另一种同素异形体[1]。这类物质指的是由碳原子组成的笼状分子簇，其中主要包括C60C70这一类分子[2]，还包括内部掺杂不同原子的富勒烯等。在富勒烯家族中，含量最多的分子是C60，然后是C70、C84，其次是含量相对较少的C76、C78、C82等。其中含70个以下碳原子的分子称为富勒烯;含碳原子数在70和100之间的分子称为大富勒烯;含碳原子数大于100的为巨富勒烯[3]。

1990年，Krabtschmer和

Huffinan[4-5]成功制得克量级C60，

对其结构研究表明，这是一个由60

个碳原子组成的含有20个六边形

和12个五边形的全碳封闭中空的

分子笼，结构和足球类似，直径为

0.7lnm，含有30个碳碳双键和60个单键，60个碳原子位于多面体的 1.1 C60和C70的结构

60个顶点上，相邻碳原子间以σ单键相连，构成两个单键并且还有一个双键，其HOMO—LUMO之间能量差为2.77eV，60个碳都贡献了一个p电子，形成一个离域大Π键，与平面大Π键不同，这种离域大Π键呈球面形状，正是由于这种化学键的存在，使得C60具有芳香性，是中空、封闭的稠环芳香烯烃，并且沿球面分布的Π键有利于空心碳笼的稳定存在。因为其形状和足球接近，因此又被称为Buckball(巴基球)、Spherene(球烯)、Soccerene(足球烯)等。但是值得注意的是，尽管人们称这类分子为“烯”，但它并不是烯，富勒烯分子中的确存在碳碳双键，也具有双键的一些性质，但富勒烯仅仅是碳元素的一种存在形式，是单质。富烯类物质的发现，使人们对碳的认识又上升到了一个新的阶段，因此在1996年10月，瑞典皇家科学院把该

年的诺贝尔化学奖授予了富勒烯的发现者，以表彰他们的杰出贡献。C70中含有25个六边型，12个五边形(见图1.1)，为椭圆形的橄榄球状碳笼，分子中有五种不等价的碳原子。文献报道，目前所制得的这一类富勒烯分子都是由12个五元环和不同数目的六元环组成，六元环将12个五元环彼此隔开，每个五元环都和五个六元环共边，并遵循独立五元环规则(isolated—pentagonrule)。

1.1.2富勒烯类物质的性质及应用

富勒烯是一种物理性质稳定，化学性质活泼的分子，C60、C70都具有缺电子烯烃的化学性质，并且由于C60分子的碳笼上存在30个碳碳双键，因此比较容易发生自由基加成反应。研究人员在对富勒烯材料的研究中最为感兴趣的部分就是其应用性，C60等富勒烯被预计可广泛应用于材料领域。

1.1.

2.1富勒烯超导性及其应用

C60晶体本身的导电性并不是很强，但当碱金属(Li、Na、K、Ru、Cs)或碱土金属嵌入C60分子之间的空隙后，C60与碱金属原子和碱土金属原子可以键合形成离子型化合物，电导率显著增加，可转变为金属性导体或超导体[6]，从而表现出十分优异的超导性能且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体相比，C60系列超导体具有完美的三维超导性、电流密度大、稳定性高、易于展成线材等优点，是非常具应用价值的新型超导材料。

1.1.

2.2富勒烯电性质及其应用

富勒烯还可用于制造电子器件，研究证明富勒烯的HOMO与LUMO间的能带间隙约0.1—2.3eV，而且可以通过掺杂不同的金属来调节，从而做成各种电子器件如用于制造电子光敏器件和电子数据存储器等。

1.1.

2.3富勒烯软铁磁性及其应用

如果用一些有机还原剂掺杂C60富勒烯，富勒烯分子能转变为软铁磁性材料，可以作为磁记录介质使用。Pasquarenllo等人认为富勒烯分子中五元环具有较强的顺磁性，而六元环则具有缓和的介磁性，整个C60球体中磁性是中性的。这一结论于1993年Prato等人实验和理论计算所证实[7]，在C60的甲苯溶液中加入过量的强供电子有机物，得到电荷转移复合物的黑色微晶沉淀，具有较高的铁磁性转变温度，居里温度为16.IK，是一种不含金属的软铁磁性材料。由于这种物质的高铁磁性转变温度，预计有很好的应用前景。

1.1.

2.4富勒烯光学性能及其应用