芳香球分子

理论和实验均已证明，C60 分子结构是一个包含了 12 个五边形环和 20 个六边形环的球形三十二面体（又称截角 20 面体），其分子点群为 Ih，所有60 个碳原子全部等价.C60 是三维欧几里得空间可能存在的最对称和最圆的分子.C60 的高度对称性使得球面上的碳原子能分摊外部压力，因此 C60 分子不仅十分“稳定”，而且异常坚固，如果将它们以每小时 2.7 万多公里的速度（该速度与美国航天飞机的轨道速度大致相当）抛掷到钢板上时，它们会沿直线弹回而不会破裂.C60 的这一性质是由于它的截角二十面体结构使原子高度对称排列的结果.C60 的结构可以看作在正二十面体每条边的约 1/3 处平截12 个顶角后在新的顶角位置放上 60 个碳原子形成的球形 32 面体（图 2-5），顶

角截去后得到 12 个五边形，原来的 20 个面则形成六边形.C60 是所有由五边形和六边形形成的球形网络中五边形互不相邻的最小的分子.C60 的分子直径约 7.1 埃，是一个中空的笼式结构，这使得 C60 笼内可以填入其他原子，形成各种包合物.

C60 的成键特征比金刚石和石墨复杂.由于球状表面的弯曲效应和五圆环

的存在，引起轨道杂化的改变.与石墨相比，π电子轨道不再为纯的 P 轨道电子，而是含有一定

图 2-5 正二十面体截去顶角后在每个顶点位置放入一个碳原子即形成 C60 结构

的 s 成分，因此 C60 分子的杂化轨道处于石墨的 sp2 杂化和金刚石的 sp3 杂化之间.C60 分子中每个碳原子和周围 3 个碳原子以 sp2·28 杂化形成 3 个σ键，再以 s0.09p 杂化形成一个π键，σ键沿球面方向，而π电子云分布在球的内外表面（σ键和π键的夹角为 101.64°），形成球状芳香族分子.

C60 是一种有机分子，与平面共轭分子不同，C60 是一球形结构，由于表

面弯曲，影响到杂化轨道的性质，但其上的化学键仍可表示为两类——单键和双键.所有形成五边形环的键为单键，亦为长键，其长度为 1.46 埃，由于

有 12 个五边形，因此单键一共有 60 个；其余相邻两个六边形环之间的键为

双键，亦为短键，其长度为 1.39 埃，双键一共有 30 个（图 2-6），因此每

个碳原子均与邻近原子形成 4 个共价键，达到稳定结构.每个双键与其相邻五边形面之间的夹角为

图 2-6 C60 分子上交迭排列的单键和双键

φ = cos⁻¹ 〔 1 cos( 3 π)〕

2 5

两个相邻六边形所成的夹角为

φ = cos⁻¹ 〔 8 (sin( 3 π)) ² − 1 〕

3 10

相邻五边形和六边形面所成的夹角则为

θ = 1 (π − φ) − φ

由于 C60 不是碳氢化合物，即它不属于有机化学的烃类，因此当初人们将 C60 的名字用 fullerene（富勒烯）来命名时存在一定的争议.从 C60 的成分上看它不属于烯烃，但由于其上含有大量的双键，这种由单、双键交替排列的结构正好体现了烯类的特征，所以人们还是习惯地称之为富勒烯，因为这不仅反映了 C60 结构上的原理，而且体现了其化学上的本质.