C60的结构组成

C60是一种碳原子簇，由14C标记。它由60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个六边形，12个五边形。这60个C原子在空间进行排列时，形成一个化学键最稳定的空间排列位置，恰好与足球表面格的排列一致。由于这个结构的提出是受到建筑学家富勒(Buckminster Fuller）的启发。富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构。因此科学家把C60叫做足球烯，也叫做富勒烯(Fullerence)。在数学上，富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体。最小的富勒烯是C20，有正十二面体的构造。没有22个顶点的富勒烯。之后都存在C2n的富勒烯，n= 12,13,14 ...。在之些小的富勒烯中，都存在着五边形相邻结构。C60是第一个没有相邻的五边形的富勒烯，下一个是C70。在更高的富勒烯中，普遍满足孤立五边形规则（Isolated pentagon rule,IPR），即在n>12时，不存在相邻的五边形结构。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。因为C60是石墨、金刚石的同素异形体，因此有科学家联想到用廉价的石墨作原料合成C60，也有人想到它含有苯环单元的结构，或许可以选用苯作原料合成C60。这些设想最后都实现了。1000g苯可以制得3gC70和C60的混合物（它们的比率为0.26～5.7）。