足球烯—新发现的一种单质碳分子

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BuckminsterFuller，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7A0，它的内腔至少可以容纳一个直径为5A0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-alternanthydrocarbon)。
　　
　　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（delocalizationenergy）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POAV1/3DHMO法计算，仍然可以明显地看出它具有较高的π电子能。
　　