足球烯的结构与碳原子杂化方式

2024/6/19 9:56:29 作者:谷雨

足球烯或巴克球、巴基球,是一种完全由碳组成的中空分子,形状呈球型、椭球型、柱型或管状。足球烯在结构上与石墨很相似,石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成,而足球烯不仅含有六元环还有五元环,偶尔还有七元环。

足球烯

结构

在数学上,足球烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体。最小的足球烯是C20,有正十二面体的构造。没有22个顶点的足球烯,之后都存在C2n的足球烯,n=12、13、14……所有足球烯结构的五边形个数为12个,六边形个数为n-10。

低对称性足球烯

低对称性足球烯的键长是不一样的,虽然也是离域π键,从核磁共振碳谱可以清楚看出来有很多条碳信号。

碳原子杂化方式

处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用近似于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。碳原子杂化轨道理论计算值为sp2.28,每个碳原子的三个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。

制备

大量低成本地制备高纯度的足球烯是足球烯研究的基础,自从克罗托发现C60以来,人们发展了许多种足球烯的制备方法。目前较为成熟的足球烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。

电弧法

一般将电弧室抽成高真空,然后通入惰性气体如氦气。电弧室中安置有制备足球烯的阴极和阳极,电极阴极材料通常为光谱级石墨棒,阳极材料一般为石墨棒,通常在阳极电极中添加铢、镍、铜或碳化钨等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时,炭棒气化形成等离子体,在惰性气氛下小碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高炭足球烯分子,它们存在于大量颗粒状烟灰中,沉积在反应器内壁上,收集烟灰提取。电弧法非常耗电、成本高,是实验室中制备空心足球烯和金属足球烯常用的方法。

燃烧法

苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60和C70,通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例,这是工业中生产足球烯的主要方法。

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