C60衍生物研究进展.doc

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及其性质研究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进行了的说明，介绍了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。C60衍生物；研究；结构；性能；应用 1 前言 纳米科技[12]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、纳米带纳米管、一维材料，厚度为纳米量级的薄膜多层膜和二维材料，纳米量级的维材料，以及基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体。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。其中代表性化合物且具有Ih对称性的[60]富勒烯中，所有的碳原子的化学环境完全相同，其13C NMR谱在δ 142.68 ppm处只有一个单峰。其以特殊的结构和独特的光、电、磁性倍受关注。C60球状分子内外表面有60个π电子，组成三维π电子共轭体系，六元环间的(6/6键)边双键为反应的活性部位。C60的反应性类似于缺电子的烯烃，易于发生加成反应。目前合成的富勒烯衍生物种类繁多,而其中多加成衍生物的三维立体结构使其在生命科学以及材料科学等方面有着重要的应用价值,因此合成功能化的富勒烯多加成衍生物是富勒烯化学中最前沿的课题之一。由于纳米材料结构单元的尺度与物质的许多特征长度相当，如电子的德布罗意波长、超导相干长度、遂穿势垒厚度、铁磁性临界尺度等，使其具有许多特异效应[]，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应，从而导致纳米材料和纳米结构的物理化学性质既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体。与相同组成的常规材料相比，在光学、磁学、电学、力学以及热学等方面具有许多奇异的性能[]，使其在微电子、光电材料、生物医学等领域具有广阔的应用前景[]。使其物理化学性质和性能得到较大改善(图1-1)。这两种键长中，前一种键长与芳香族化合物中的碳原子间距(0.1395 nm)接近，后一种键长则接近于石墨单层中碳原子间距(0.1421 nm)。因C60分子具有缺电子芳香烃的一些性质，它能发生环加成反应，亲核、亲电加成，自由基加成，包合反应，聚合反应，光化学反应，氧化还原反应等。富勒烯独特的三维球状空间结构和众多的双键赋予了它一些特殊的物理及化学性质[9]。 C60的红外光谱主要谱峰为1430、1183、577、527 cm-1，拉曼光谱主要谱峰为1467、497、273 cm-1，紫外-可见吸收光谱的主要谱峰为213、257、329 nm (ε = 135000、175000、511000)。从研究结果来看，C60的各种波谱都比较简单，尤其是其13C NMR谱，只在142.5 ppm处有一单峰(图1-2)，主要的原因是由于C60具有高度对称的几何构型 (Ih)，所有60个碳原子的化学环境相同。 图1-1 C60结构图 图1-2 C60的13CNMR谱图α-氨基酸加热缩合脱羧形成甲亚胺叶立德是其中最常用的方法,即：α-氨基酸与醛反应经脱羧和失水后可制得亚胺叶立德(Prato反应)，Maggini最早报道了这类反应,肌氨酸、甲醛和C60在甲苯中回流,制得N-甲基富勒烯吡咯烷衍生物，尤其是通过选择不同的醛、酮或氨基酸可以方便地将生物活性基团或具特殊物理和电学性质的分子引入富勒烯,合成多种吡咯烷并[60]富勒烯衍生物(图1-3)。与1,3偶极及其它试剂的[3+2]环加成常用来官能