C60 vs C70 フラーレン：構造、特性、分析、および材料選定

C60とC70は最も広く研究されている2つの未修飾フラーレンであるが、これらは同一材料の互換性のあるグレードではない。C60は高度に対称性の高い、ほぼ球形の炭素ケージであるのに対し、C70は分子対称性の低い細長いケージである。C70の追加された10個の炭素原子は、その分子量、光学遷移、化学的に異なる炭素サイトの数、固体状態のパッキング、および可能な官能基化生成物を変化させる。.

実際的な違いは実験に依存する。分光学者は特徴的な吸収や振動特性に注目するかもしれない。合成化学者は付加サイトの選択性を重視するかもしれない。薄膜研究者はパッキングと電子界面を評価する一方、分析ラボは組成と純度を区別しなければならない。したがって、信頼性の高い比較には、測定条件と材料の同一性が必要であり、無関係な溶媒、薄膜、計算モデルから収集された孤立した数値の表ではない。.

C60とC70は定義された分子である

C60は60個の炭素原子を含み、モル質量は約720.66 g mol⁻¹である^⁻¹. C70は70個の炭素原子を含み、モル質量は約840.77 g mol⁻¹である^⁻¹. 両者とも12個の五角形を含む閉じた炭素ケージであり、C60は20個の六角形を含むのに対し、C70は25個の六角形を含む。.

よく知られたC60構造は切頂二十面体である。その12個の五角形は六角形によって互いに隔離されており、分子はIh対称性を持つ。_h C70は幾何学的には、赤道領域の周りに追加の炭素原子の帯を持つ細長いケージとして理解できる。一般的に単離されるその構造はD5h対称性を持つ。_5h 対称性.

IUPACは、Ih対称性のC60およびD5h(6)対称性のC70ケージに対して、明確な系統的命名法と番号付けシステムを提供している。_h C60およびD_5h(6) C70ケージ.^[1] これは誘導体が記述される際に重要である：炭素番号は付加基が結合する位置を特定し、一方「C70誘導体」のような式だけでは実際の生成物を定義できない場合がある。.

未修飾のC60も未修飾のC70も、自動的に異性体混合物と呼ぶべきではない。各名称は通常、定義されたケージ構造を指す。異性体の複雑さは、より低対称性のケージが官能基化された場合、またはサンプルが複数のフラーレン種を含む場合に顕著になる。.

入門ガイド フラーレン C60 および C70フラーレン研究プロファイル は、それぞれ分子固有の背景情報を提供している。.

構造比較の概要

属性	C60	C70	なぜ重要か
分子式	C60	C70	分子量と質量分析上の同一性を決定する
おおよそのモル質量	720.66 g mol⁻¹⁻¹	840.77 g mol⁻¹⁻¹	異なる分子イオンおよび同位体分布を生じる
一般的なケージ対称性	Ih	D5h	分光法、炭素等価性、反応サイトの多様性に影響を与える
全体の形状	ほぼ球形	細長いまたは楕円体状	分子パッキングと配向挙動に影響を与える
五角形	12	12	一般的に単離される両ケージは、孤立五角形則を満たす
六角形	20	25	追加された赤道領域がC70の細長い構造を生み出す
異なる炭素環境	1	5	C70はより複雑なNMRおよび官能基化挙動を示す

この表は孤立した分子ケージを説明している。粉末密度、導電率、光学ギャップ、熱挙動に対する固定値を示すものではない。これらの巨視的特性は、結晶形態、溶媒の包含、膜形態、温度、圧力、および測定方法にも依存する。.

対称性が分光法を変える理由

C60の高い対称性により、理想的な分子では60個すべての炭素原子が等価となる。これにより、適切な溶液条件下での未修飾C60の従来の¹³C NMRスペクトルにおいて、単一の炭素環境が生じる。C70は対称性の異なる5組の炭素原子を持つため、そのスペクトルはより複雑である。 ¹³対称性はまた、どの電子遷移および振動遷移が許容されるかを制御する。C60は特徴的ではあるが比較的制限された吸収パターンを持ち、理想的な分子では多くの遷移が弱いか対称性により禁制である。より低対称性のC70はより豊富な遷移を許容し、一般に可視領域まで及ぶより顕著な吸収を示す。.

これは、いずれかのフラーレンに普遍的な一波長範囲または吸光係数を割り当てることを正当化するものではない。ピーク位置と強度は、溶媒、濃度、凝集、膜形成、および装置構成によって変化し得る。Bansalらは、C60とC70の両方の電子吸収スペクトルが異なる溶媒環境間で変化することを実証した。.

したがって、UV可視分光法はC60リッチおよびC70リッチなサンプルの識別に役立つ可能性があるが、同一性は標準物質と適切な補完分析を用いて確認されるべきである。着色した溶液は定量的な純度試験ではない。.^[2]

なぜなら.

C60およびC70には、普遍的な「バンドギャップ」は一つとして存在しない“

比較の際、分子軌道エネルギー、気相電子親和力、電気化学的還元電位、固体状態の光学ギャップがしばしば一つの表にまとめられる。これらの測定値は電子受容に関連するが、互いに等価ではない。.

孤立分子の電子親和力は、規定された条件下での分子の電子付着過程を記述する。溶液の還元電位は、溶媒、電解質、参照電極、濃度、実験手法に依存する。薄膜の輸送ギャップや光学ギャップは、さらに分子のパッキング、分極、固体状態の相互作用を反映する。.

異なる参照電極から得られた値は、変換を行わずに隣接するセルに配置して比較することはできない。同様に、サイクリックボルタンメトリー、光電子分光法、理論計算から導出されたHOMOおよびLUMO値は、各手法が異なる量を定義・測定するため、異なる可能性がある。.

C60とC70は、適切な電気化学系において複数の還元過程を経ることができる。DiaoらはC60とC70の電気化学的還元を直接比較し、その酸化還元挙動が規定された実験環境に依存することを示した。.^[3] このような結果を、あるフラーレンがすべてのデバイスにおいて常に優れた電子受容性を示すという普遍的な主張に変換すべきではない。.

溶解度はケージの化学式のみに依存するわけではない

未修飾のC60およびC70は、水や極性プロトン性媒体との適合性が低い。これらは選択された芳香族、ハロゲン化、その他の適合性のある有機溶媒に比較的よく溶解する。この溶解度により、抽出、クロマトグラフィー分離、分光分析、誘導体合成が可能となる。.

C60について、Ruoffらは47種類の溶媒における室温溶解度を測定し、数桁にわたる変動を確認した。.^[4] この研究は、「可溶性」という表現だけでは十分な処理仕様とならない理由を示している。すなわち、溶媒の種類によって溶解量が劇的に変化するためである。.

C70は、そのサイズ、形状、分子間相互作用がC60と異なるため、異なる溶解度プロファイルを示す可能性がある。しかし、溶媒、温度、平衡手順、材料形態を明示せずに、C70が単純に「より溶けやすい」または「より溶けにくい」と述べるべきではない。.

フラーレン溶液は凝集体を形成したり、溶媒と結合した固体を生成することもある。視覚的に透明な溶液であっても分子分散を証明するものではなく、蒸発により出発粉末とは異なる固体構造が残る可能性がある。 溶解性は、条件に依存しない単一の固定された特性ではない。温度、溶媒純度、結晶形、平衡化時間、および分析方法が、報告値に影響を与え得る。研究者は、文献値が製造処方において同じ濃度を保証するものと想定するのではなく、用途固有のデータを参照すべきである。詳細なガイド これらの影響については、専用のガイドでより詳細に検討されている。.

C60とC70の分離および同定方法

フラーレン生成プロセスは通常、単一の純粋なケージではなく混合物を生成する。C60は多くの場合、主要な抽出可能成分であり、C70および高次フラーレンは生成条件に応じて異なる割合で存在する。.

1990年、Taylorらはフラーレン含有炭素材料からのC60およびC70の単離、分離、特性評価を報告した。.^[5] ケージを分離する能力は不可欠であった。なぜなら、混合抽出物では、いずれかの精製分子の固有のスペクトル、構造、反応性を明らかにできないからである。.

現代のフラーレンHPLC法は、固定相および移動相との分子相互作用の差異を利用する。保持順序と分離能はカラムと溶媒系に依存するため、HPLC法は汎用的に記述するのではなく、具体的に指定すべきである。.

「99.9% C70」のような純度表示は、検出されたフラーレン成分に対するクロマトグラム面積百分率を意味する場合がある。これは、残留溶媒、特定元素、不溶性粒子、またはすべての非発色性不純物を自動的に含むものではない。この制限はC60にも同様に適用される。.

質量分析法は分子の同一性を識別するが、完全な組成を決定するものではない

C60とC70は明確に異なる分子質量を持つため、質量分析法は分子同定に有用である。適切なイオン化条件下で、C60は公称質量720付近に分子イオンクラスターを生成し、C70は840付近に生成する。完全な同位体分布は、単一の公称質量ラベルよりも多くの証拠を提供する。.

質量分析法は別のフラーレン種の存在を検出できるが、イオン強度は自動的にバルク濃度に比例するわけではない。イオン化効率、フラグメンテーション、凝集、マトリックス効果、装置設定が応答を変化させる可能性がある。.

したがって、清浄なC70分子イオンスペクトルは、粉末に残留溶媒、金属、不溶性炭素、または非イオン化性不純物が含まれていないことを証明するものではない。同様に、C60ピークの欠如は、その手法の感度および対照実験との関係でのみ意味を持つ。.

クロマトグラフィーと質量分析法は補完的な手法として有効に機能する。クロマトグラフィーは規定された手順で成分を分離し、質量分析法は分子の同一性を裏付ける。その他の材料特性については、さらなる手法が必要である。 HPLC、MS、ICP-MS、GC、TGAが明らかにすること.

C60の官能基化は記述がより単純であるが、自動的に容易であるわけではない

C60は対称的に等価な炭素原子の一つのセットを含むが、それでも二つの結合クラス（二つの六員環で共有される結合と、五員環と六員環で共有される結合）を持つ。一般的な環化付加化学は、定義されたケージ結合を優先的に標的とし、複数回の付加により多数の位置異性体が生成される可能性がある。.

C70は、五つの異なる炭素環境と複数の非等価な結合タイプから始まる。したがって、名目上一つの付加であっても異なるケージ位置で起こり得、異なる対称性、スペクトル、パッキング、分離挙動を持つ位置異性体生成物を生じる。.

この区別は、PC₆₁BMとPC₇₁BMを比較する際に重要である。これらは官能基化された分子であり、未修飾のC60およびC70の純度グレードではない。PC₇₁BMは、C70の異なる部位への付着に伴う位置異性体を含む可能性がある一方、PC₆₁BMは独自の合成および不純物に関する問題を有する。.

誘導体から得られた結果を、自動的に親ケージに帰属させることはできない。官能基の付加により、分子質量、溶解度、電子構造、固体状態の挙動が変化する。 C60官能基化反応 に関するガイドでは、いくつかの一般的な反応クラスが説明されている。.

太陽電池研究におけるC60対C70

C60は、導電性ポリマーからC60への光誘起電子移動が実証された後、有機太陽電池研究の基盤となった。.^[6] その電子受容挙動は、その後、フラーレン誘導体およびドナー–アクセプターデバイスアーキテクチャの開発を支えた。.

C70系誘導体が注目を集めた理由の一つは、C70ケージの対称性が低いため、同等のC60誘導体よりも強く広い可視光吸収を示すことにある。規定されたブレンドにおいて、その追加的な吸収が光電流に寄与する可能性がある。しかし、これはPC₇₁BMがあらゆるドナー系においてPC₆₁BMよりも優れた性能を発揮することを保証するものではない。.

デバイス性能は、エネルギー準位の整合性、ブレンドの混和性、ドメインサイズ、結晶化、膜厚、添加剤の使用、電極界面、プロセス履歴にも依存する。吸収の利点は、好ましくないモルフォロジーや他の損失メカニズムによって相殺される可能性がある。.

未修飾C60は、逆型ペロブスカイトデバイスにおける熱蒸着電子輸送層として、異なる商業的およびプロセス上の役割を持つ。蒸着C60で得られた結果を、溶液プロセスPCBMの証拠として使用することはできず、PC₇₁BMの有機セル結果は、ペロブスカイト界面における未修飾C70を保証するものではない。.

より広範な記事では、 有機光起電力および分子エレクトロニクスにおけるフラーレン デバイス固有の境界が維持されている。.

C70は常にC60よりも優れた性能を発揮するのか？

いいえ。「優れている」には定義された機能が必要である。.

C60は、その高い対称性、確立された分離方法、入手容易性、研究が進んだ化学、または真空蒸着挙動がプロジェクトに適合する場合に好まれる可能性がある。C70は、その特徴的な吸収、低対称性、異なるパッキング、またはC70固有の誘導体へのアクセス性のために選択されることがある。.

合成プロジェクトでは、可能なモノアダクト位置の数を減らすためにC60を選択する場合がある。分光プロジェクトでは、特にその豊富な光学特性およびNMRシグネチャーを理由にC70を選択することがある。電子デバイスでは、分子の電子親和力や吸収のみで選択するのではなく、材料スタック全体を評価する必要がある。.

コストや入手性も異なる場合があるが、これらは分子固有の特性ではなく商業的な変数である。これらは永続的なC60/C70のルールとして提示されるのではなく、必要なグレードと数量に応じて確認されるべきである。.

生物医学的結果は、ケージ番号のみで比較することはできない。

未修飾のC60およびC70は疎水性の研究材料である。生物医学実験では、水系との適合性を得るために、フラーレノール、荷電誘導体、共有結合コンジュゲート、溶媒関連凝集体、またはキャリア製剤がしばしば使用される。.

これらの調製物は異なる生物学的特性を有する。水酸化C60から得られた結果を未修飾C60に帰属することはできず、官能基化されたC70光増感剤が、未加工のC70粉末の安全性や有効性を定義することはできない。.

フラーレンはラジカル反応に関与できるが、「ラジカルスポンジ」のような表現は普遍的な抗酸化能を確立するものではない。光照射下かつ酸素存在下では、一部のフラーレン系は代わりに活性酸素種を生成する可能性がある。構造、凝集、光、酸素、および生物学的環境がその経路を決定する。.

したがって、本記事では、C60がビタミンCの125倍または250倍の強力である、ミトコンドリアに浸透する、神経変性疾患を治療する、ヒトにおいてHIVを阻害する、またはアンチエイジング効果を生み出すという主張を含んではならない。それらの結論は、未修飾のC60またはC70の材料選択特性ではない。.

欧州委員会の消費者安全科学委員会は、2023年の最終見解において、C60およびC70に関する遺伝毒性の可能性、不純物、安定性、ラジカル生成、光毒性、および曝露に関わる未解決の懸念事項を特定した。.^[7] これは、すべてのフラーレン材料が同一の危険性を持つことを証明するものではない。生物学的結論は、試験材料および製剤に特異的でなければならない理由を示している。.

C60とC70の選択方法

決定は、一方のケージがより先進的であるという主張ではなく、分子としての役割から始めるべきである。.

分子合成においては、プロジェクトがC60のより高い対称性から恩恵を受けるのか、それともC70の光学特性および構造的特徴を必要とするのかを定義する。特定の誘導体が目標である場合は、可能な付加部位の数、予想される位置異性体、および精製の負担を考慮する。.

分光法および分析標準品については、必要な分子同一性、フラーレン関連不純物の限度、溶媒適合性、および参照データを特定する。薄膜については、実際の堆積経路、基板、モルフォロジー、および界面を評価する。.

電子デバイスについては、意図されたスタック内の完成材料を比較する。親ケージのデータは実験の設計に有用であるが、フィルムまたはデバイステストの代わりにはならない。.

材料要求では、要件が未修飾C60、未修飾C70、混合フラーレン画分、または名称指定の誘導体のいずれであるかを特定する必要がある。これらは別個の製品であり、一つの「フラーレン純度」仕様にまとめるべきではない。.

The Fullerene社からのC60およびC70材料

The Fullerene社は、科学および産業評価用に定義されたC60およびC70材料を供給する。世界的に尊敬される科学研究ネットワークに支えられ、The Fullerene社はアジアにおけるフラーレン製品および技術能力のトップレベルを代表する。.

XCTは、C60またはC70が意図された分子、合成、光学、または薄膜の研究方向性にどちらがより適合するかを議論できる。最終的な材料選択は、顧客のプロセス、分析方法、および完全なアプリケーションシステムに関連付けられたままであるべきである。.

C60またはC70の研究要件について議論する

意図された分子、分析目的、反応または処理経路、および必要な材料形態をThe Fullerene社と共有する。XCTは、親フラーレンとその誘導体を互換性のあるものとして扱うことなく、適切な未修飾C60またはC70出発材料について議論できる。.

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よくある質問

C60とC70の主な構造的違いは何か？

C60は、高度に対称性が高く、ほぼ球状のI_h ケージであり、1つの等価な炭素環境を持つ。C70は、細長いD_5h ケージであり、5つの異なる炭素環境を持つ。.

C70はC60よりも多くの可視光を吸収しますか？

C70は一般に、より豊富で強い可視領域吸収を示す。これは、その低い対称性がより多くの電子遷移を許容するためである。正確なスペクトルは依然として溶媒、濃度、凝集、および材料状態に依存する。.

太陽電池において、C70は常にC60より優れているか？

いいえ。性能は、正確な未修飾フラーレンまたは誘導体、ドナー材料、膜モルフォロジー、界面、およびデバイス構造に依存する。より強い吸収だけでは、より優れたデバイスを保証するものではない。.

HPLCと質量分析でC60とC70を区別できるか？

はい。適切なHPLC法でケージを分離でき、質量分析はそれらの異なる分子量と同位体分布を通じて同一性を裏付ける。どちらの方法も単独では粉末中のすべての不純物を記述するものではない。.

C60誘導体からの生物学的結果を未修飾C70に適用できるか？

いいえ。ケージの同一性、官能基、凝集、製剤、および曝露条件はすべて生物学的挙動を変える可能性がある。エビデンスはまず、研究された正確な試験材料に適用される。.

参考文献

1. Powell, W. H. et al. “Nomenclature for the C60-I_h and C70-D_5h(6) Fullerenes (IUPAC Recommendations 2002).” Pure and Applied Chemistry, 2002, 74, 629–695. https://doi.org/10.1351/pac200274040629.
2. Bansal, S.; Singh, A.; Mangal, M.; Mangal, A. K. “C60 and C70 Electronic Absorption Spectra in Different Solvents and Their Interpretation.” Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2011, 78, 130–134. PubMed record.
3. Diao, G.; Li, L.; Zhang, Z. “The Electrochemical Reduction of Fullerenes, C60 and C70.” Talanta, 1996, 43, 1633–1637. https://doi.org/10.1016/0039-9140(96)01879-6.
4. Ruoff, R. S.; Tse, D. S.; Malhotra, R.; Lorents, D. C. “Solubility of Fullerene (C60) in a Variety of Solvents.” The Journal of Physical Chemistry, 1993, 97, 3379–3383. https://doi.org/10.1021/j100115a049.
5. Taylor, R.; Hare, J. P.; Abdul-Sada, A. K.; Kroto, H. W. “Isolation, Separation and Characterisation of the Fullerenes C60 and C70: The Third Form of Carbon.” Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1990, 1423–1425. https://doi.org/10.1039/C39900001423.
6. Sariciftci, N. S. et al. “Photoinduced Electron Transfer from a Conducting Polymer to バックミンスターフラーレン.” サイエンス, 1992, 258, 1474–1476. https://doi.org/10.1126/science.258.5087.1474.
7. C70 vs C60フラーレン：特性、材料選定、および研究用途 16. 欧州委員会PDF.