C70与C60富勒烯：性质、材料选择及研究用途

C60和C70是两种被最广泛分离的分子富勒烯，但它们并非同一种碳材料的可互换版本。C60由六十个碳原子构成高度对称的笼状结构，而C70由七十个碳原子构成更拉长的结构。这一变化会影响分子对称性、光谱学、固态堆积、反应位点等价性以及从每个笼状结构可获得的衍生物。.

因此，在两者之间进行选择，不仅仅需要比较纯度百分比或假定较大的笼状结构自动更优。相关的问题是，项目是否需要C60的对称性和成熟的化学性质、C70更宽的光学响应和差异化的反应位点，或是特定的衍生物如PC61BM或PC71BM。从一种分子、衍生物或配方获得的证据，未经验证不应转用于另一种。.

什么是C60和C70富勒烯？

富勒烯是由五元环和六元环为主要结构单元构成的离散碳笼。其分子边界使其区别于石墨烯、石墨、金刚石和碳纳米管等扩展碳结构。.

纯C60和C70于1990年以宏观形式被分离和表征。Taylor及其同事使用质谱法和碳-13核磁共振技术，支持了这两种分离出的分子物种的身份确认。.^[1] 他们的工作证实，含富勒烯的烟灰可以被提取并分离成可识别的分子化合物，而非被视为一种无差别的碳形式。.

C60呈截角二十面体形状，属于I_h 点群。其六十个碳原子具有对称等价性。C70沿一个分子轴拉长，包含25个六元环和12个五元环，具有D_5h 对称性。其碳原子占据五种对称性不同的环境。.

气相电子衍射测量结果与自由C70分子的D_5h 结构一致，并表明描述C70所需的构型参数远多于描述C60。.^[2] 因此，拉长的笼不应被简单视为“C60加上十个碳原子”；它是一个不同的分子骨架。.

C70在结构上如何区别于C60？

封闭常规富勒烯笼所需的十二个五元环在两种分子中均存在。C60包含二十个六元环，而C70包含二十五个。对C70的一个有用的几何描述是，一个类似C60的笼在其赤道区域延伸出一条由五个额外六元环构成的环带。.

C60较高的对称性形成了相对均匀的分子表面。C70则具有极性区、赤道区和中间区，这些区域在化学上不等价。因此，不同的碳-碳键可能呈现不同的局部曲率、轨道特性和反应可及性。.

这种区别在合成中至关重要。对C60的单加成已可能产生不同的键连接结果，但对C70的加成引入了一个额外问题：试剂可能攻击拉长笼上的多个不等价位点。即使加成程度受到控制，所得产物也可能是位点异构体的混合物。.

因此，C70衍生物不应仅通过母体离子质量或名义加成基团数量来表征。研究人员可能需要能够区分相关位点异构体的色谱分离、核磁共振、吸收光谱和结构证据。.

C70和C60具有不同的光学光谱

分子对称性影响哪些电子跃迁是允许的，以及它们在吸收光谱中出现的强度。C60具有几个对称性禁阻或弱强度的低能跃迁。C70较低的对称性改变了跃迁模式，通常使C70在可见光谱的某些部分表现出更显著的响应。.

这并不产生一个通用的比率，表明C70“吸收更多光”。结果取决于波长、溶剂、浓度、聚集状态、光程长度，以及比较对象是原始笼还是功能化衍生物。.

聚集会进一步改变光谱。Ghosh及其同事发现，C70在特定溶剂混合物中形成团簇，相关的光学变化是可逆的，并取决于溶解度条件。.^[3] 因此，从聚集分散体系测得的光谱不应自动被解释为孤立C70分子的光谱。.

对于定量比较，研究人员应明确溶剂或基质、浓度、温度、光谱范围和消光系数基准。仅凭颜色无法确定纯度、分子分散状态或是否适用于光化学实验。.

C70和C60的溶解度相同吗？

在常规条件下，原始C60和原始C70作为孤立中性分子均不具有实际意义上的水溶性。两者在选定的有机溶剂（尤其是几种芳香族或高极化性溶剂）中具有不同程度的溶解度。.

C70的溶解度因溶剂不同而变化数个数量级。Sivaraman及其同事的实验测量发现，在测试温度下，其溶解度值范围从在戊烷中的极低溶解度到在选定氯化芳香族溶剂中的高得多的溶解度。.^[4]

这些历史测量值是有用的参考点，而非保证的配方值。溶解度会随温度、溶剂纯度、富勒烯组成、晶体历史及测量方法而变化。即使富勒烯最初看似溶解，溶剂混合物也可能产生聚集。.

研究人员应区分四种状态：

• 分子溶解的C70；;
• 小分子缔合物；;
• 胶体或纳米颗粒聚集体；以及
• 可见沉淀或晶体材料。.

这些状态会产生不同的光谱、反应性和薄膜形貌。本网站关于 原始C60和C70溶解度的指南 提供了额外的操作背景信息。.

电子接受能力与电化学

C60和C70均可通过连续还原步骤接受多个电子，这是它们在分子电子学、电化学和给体-受体系统中被研究的原因之一。然而，它们的还原电位和光谱并不相同。.

Dubois及其同事使用光谱电化学方法研究了C60、C70及几种还原态富勒烯。.^[5] 此类测量表明，这些笼形成不同的阴离子物种，但还原值的解读必须结合其溶剂、支持电解质、参比电极、温度和测量方法。.

电子亲和能、溶液还原电位、分子轨道能级和固态传输能级是相关但不等价的量。气相电子亲和能不能直接作为器件的LUMO能级使用，循环伏安结果本身也无法预测薄膜中的电荷迁移率。.

也不应将C70普遍描述为比C60更具反应性或更好的电子受体。相关比较取决于反应或电子系统、其环境以及所研究的衍生物。.

C70的功能化具有更高的区域异构体复杂性

功能化是将共价基团连接到富勒烯笼上。它可能引入合成操作位点、改变溶液加工性、改变分子间堆积或形成给体-受体材料。一旦加成基团被连接，产物便不再是原始C70。.

C70对称性的降低使得位点选择尤为重要。根据所采用的反应分类，不同的键可产生α-、β-或其他位点异构产物。反应条件、试剂结构和溶剂均会影响产物分布。.

Matsumoto及其同事表明，改变加合物的空间结构可提高[70]PCBM相关衍生物制备过程中的区域选择性。.^[6] 这说明了为何C70前驱体的纯度并不能决定最终衍生物的区域异构体纯度。.

衍生物开发方案应分别评估：

• 未反应的C70；;
• 单加成、双加成及多加成产物；;
• 位点或区域异构体；;
• 相关的开笼与闭笼键合构型；;
• 残留试剂与溶剂；以及
• 纯化与储存过程中的稳定性。.

因此，C70衍生物的分析方案比前驱体的HPLC纯度百分比更为广泛。.

原始C70与PC71BM是不同材料

PC71BM——也写作PC₇₀BM或[70]PCBM——是一种由C70合成的亚甲基富勒烯衍生物。所连接的苯基丁酸甲酯基团改变了其分子质量、对称性、溶解性及固态组织结构。.

PC71BM并非“C70纯度等级”，除非实际完成了官能团化、纯化及结构表征，否则C70产品不应作为PC71BM进行销售。反之，使用PC71BM获得的光伏结果也不能直接归因于原始C70粉末。.

Hadad及其同事报道了通过微波辅助环丙烷化反应合成PC61BM和PC71BM单加成产物，说明这两种材料均需从其各自的母体笼进行化学转化。.^[7]

在有机光伏研究中常选用C70基衍生物，部分原因是其吸收光谱与类似的C60衍生物不同。然而，其实际效果取决于给体、共混组成、形貌、溶剂、添加剂、退火、膜厚及器件结构。.

从特定PC71BM给体共混物中获得的结果并不能证明PC71BM在所有器件中的性能均优于PC61BM。关于 有机光伏与分子电子学中富勒烯的文章 将分别探讨这些器件层面的变量。.

C70能否用于光化学或生物医学研究？

C70及其衍生物已在光化学领域得到研究，因为其笼结构能够布居激发态并参与能量或电子转移。在特定条件下，C70体系可能产生活性氧物种。在不同条件下，富勒烯材料可能通过其他途径与自由基物种相互作用。.

光化学行为取决于分子结构、官能团化、聚集状态、氧浓度、波长、辐照度、暴露时间及周围介质。不应将其泛化为C70是比C60更强的抗氧化剂、更安全的光敏剂或更具生物活性的材料。.

生物医学研究通常使用官能团化或制剂化的富勒烯材料，而非干燥的原始C70。涉及水相容性衍生物、纳米复合物或靶向偶联物的研究结果仅适用于该测试物。它们不能证明原始C70能够穿越血脑屏障、治疗神经退行性疾病或选择性摧毁肿瘤。.

欧盟委员会消费者安全科学委员会在其2023年的意见中得出结论，不能排除C60和C70的遗传毒性潜力，并指出了涉及杂质、稳定性、自由基生成、光毒性和暴露方面的未解决担忧。.^[8] 因此，原料纯度不能确立生物医学或化妆品的安全性。.

C70的生产与分离方式

C70通常在碳气化或燃烧环境中与C60及其他碳物种一同生成。所得碳灰并非纯C70。必须经过提取、分离、纯化及表征。.

由于C60通常是富勒烯提取物的主要成分，回收C70需要将其与化学性质相似的笼分离。为此，已研究了色谱法、选择性络合、结晶及多种纯化技术的组合。.

生产路线本身并不能决定最终纯度。电弧放电法并非必须使用过渡金属催化剂来形成空的C60或C70笼，燃烧法也不能证明零金属或零残留溶剂。当这些属性相关时，需要批次特定的分析证据。.

关于 次石墨含有复杂的碳基质和矿物相。粉碎或浸泡它并不能选择性地产生特征明确的C60产品。历史上的检测也不能证明富勒烯组分是可提取的、在样品间一致的，或适用于特定的工业或生物用途。 的指南解释了富勒烯形成、碳灰组成与最终纯化材料之间的区别。.

如何表征C70材料

没有任何单一的分析方法能够确定所有相关属性。一个有效的表征计划应从预期的实验及其可能的失效模式开始。.

HPLC可以在选定的色谱方法下分离并定量检测可溶的富勒烯物种。它可能区分C70与C60及某些高级富勒烯或衍生物组分，但结果取决于色谱柱化学、流动相、检测器、积分方式及计算基准。.

质谱法可通过检测预期的C70离子模式来支持分子身份鉴定。它不能独立确定位点异构体纯度、残留溶剂或任何元素的缺失。碳-13核磁共振波谱对分子对称性信息丰富，并有助于表征官能团化产物，尽管灵敏度和样品量可能成为限制因素。.

紫外-可见光谱提供了额外的身份鉴定和溶液态检查。异常的谱带形状或散射可能表明聚集或其他组分存在，但仅凭光谱并非完整的纯度分析。.

当金属、挥发性残留物、热行为或加工稳定性至关重要时，可补充元素分析、气相色谱、热分析或其他方法。该网站的 富勒烯表征指南 解释了为何这些技术能提供互补证据。.

研究人员何时应选择C70而非C60？

当拉长的笼结构、较低的对称性、可见光区吸收或差异化的反应位点与实验设计相关时，C70是一个合理的选择。它也可被选作特定C70衍生物的前驱体。.

当高对称性、更简单的位点等价性、更广泛的既定反应文献或与现有C60工艺的兼容性至关重要时，C60可能更为合适。在初步筛选阶段，较低的材料成本或更易分离也可能重要，但商业考量不应取代科学要求。.

应通过受控比较进行选择。研究人员应尽可能保持周围配方或器件工艺恒定，验证每种材料的身份，并避免将原始C60与官能团化的C70衍生物进行比较，仿佛只有笼的大小发生了变化。.

来自The Fullerene的C70研究材料

The Fullerene为富勒烯化学、光谱学、电化学、衍生物合成及先进材料研究提供明确的C70和C60材料。依托全球备受尊崇的科研网络，The Fullerene代表了亚洲领先水平的富勒烯产品与技术能力。.

XCT可讨论富勒烯身份、预期实验用途、纯度基准及可用的分析信息。任何衍生物、制剂、薄膜或器件的结构、纯度和性能必须在客户实际的制备与测试体系中予以确定。.

探讨C70研究需求

请与The Fullerene分享预期的反应、光学实验、材料比较或衍生物开发方案。XCT可讨论适用于受控科学及工业研究的合适C70或C60起始材料。.

讨论您的C70材料需求

常见问题解答

C70与C60的主要结构差异是什么？

C60是一个高度对称、近乎球形的I_h 笼状结构，而C70是一个拉长的D_5h 笼状结构，具有五组对称性不同的碳原子。.

C70是否比C60吸收更多的可见光？

C70 通常因其较低的对称性而在可见光谱的某些区域表现出更为显著的吸收，但这一比较结果取决于波长、溶剂、浓度、聚集状态以及所测试的是原始笼体还是衍生物。.

PC71BM 与高纯度 C70 是否为同一种物质？

不。PC71BM是一种共价功能化的C70衍生物，具有不同的分子质量、溶解度、对称性、异构体组成及分析要求。.

对于所有研究应用而言，C70是否都比C60更优？

C70可能适用于特定的光学或衍生合成目标，而C60在需要更高对称性、更简单的位点等价性或已有成熟C60工艺的情况下可能更优。.

高纯度C70是否确立了其在生物医学或化妆品领域的安全性？

否。原料纯度并不能决定成品的配方稳定性、生物暴露量、毒理学特性、临床疗效或法规适用性。.

参考文献

1. Taylor, R.; Hare, J. P.; Abdul-Sada, A. K.; Kroto, H. W. “富勒烯C60和C70的分离、纯化与表征：碳的第三种形态。” 《英国化学会志，化学通讯》, 1990, 1423–1425. https://doi.org/10.1039/C39900001423.
2. Hedberg, K. 等. “通过气相电子衍射研究自由分子的分子结构。” 富勒烯C70 Ghosh, H. N.; Sapre, A. V.; Mittal, J. P. ”C70在溶剂混合物中的聚集行为。” Journal of the American Chemical Society, 1997, 119, 5314–5320. https://doi.org/10.1021/ja970110e.
3. Sivaraman, N. 等. “C70在有机溶剂中的溶解度。” 《物理化学期刊》, 1996. https://doi.org/10.1021/jp9535046.
4. Dubois, D. 等. “C60和C70富勒烯及其单阴离子、二阴离子、三阴离子和四阴离子的光谱电化学研究。” 《富勒烯科学与技术》, 1994, 2, 233–246. https://doi.org/10.1080/15363839408009549.
5. Matsumoto, F.; Sumino, S.; Iwai, T.; Ito, T. “通过引入支链结构增强[70]富勒烯衍生物合成中的区域选择性。” Journal of the American Chemical Society, 1991, 113, 4364–4366. https://doi.org/10.1021/ja00011a069.
6. Hadad, C. 等. “高效微波辅助合成PCBM甲烷富勒烯（C60和C70）。” 《有机与生物分子化学》, 2019, 17, 2629–2634. https://doi.org/10.1039/C8OB03144D.
7. 《欧洲有机化学杂志》“ C70与C60富勒烯：性质、材料选择与研究用途 16, 2015, 1423–1427. https://doi.org/10.1002/ejoc.201403563.
8. 消费者安全科学委员会。“关于富勒烯、羟基化富勒烯及水合羟基化富勒烯（纳米）的意见。”SCCS/1649/23，最终意见于2023年10月26日通过。. 欧盟委员会PDF.