高分子化学与物理专专业.ppt

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1、富勒烯及其高分子化富勒烯及其高分子化专业：高分子化学与物理专业：高分子化学与物理 富勒烯（富勒烯（FullereneFullerene）是是2020世纪世纪8080年代发现的新型球状分子。年代发现的新型球状分子。它全部由碳原子组成，是继石墨、金它全部由碳原子组成，是继石墨、金刚石之后，发现的第三种碳元素存在刚石之后，发现的第三种碳元素存在的晶体形态，其分子可概括为的晶体形态，其分子可概括为CnCn，目，目前已知前已知n n最大最大可为可为540540，这类分子被称，这类分子被称之为富勒烯族。之为富勒烯族。何为富勒烯？它是其中稳定性最它是其中稳定性最高的一种。由于它高的一种。由于它的结构特殊，并

2、有的结构特殊，并有奇特的物理、化学奇特的物理、化学性质。性质。长长期期以以来来，人人们们只只知知碳碳的的同同素素异异形形体体有有三三种种：金金刚刚石石、石墨和无定形碳。石墨和无定形碳。直直到到19851985年年发发现现了了巴巴基基球球，19911991年年、19921992年年又又相相继继发发现现了了巴巴基基管管（碳碳纳纳米米管管）和和巴巴基基葱葱、碳碳有有了了第第四四种种同同素异形体素异形体富勒烯富勒烯。科尔（科尔（R.F.Curl.Jr R.F.Curl.Jr）克罗托（）克罗托（）斯莫利（斯莫利（）由于三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献，他们共同荣获由于三位科学家在富勒烯研究中的杰出贡献

3、，他们共同荣获19961996年的年的诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。克罗托（克罗托（KrotoKroto）等受建筑学家富勒（等受建筑学家富勒（FulleyFulley）为）为19671967年蒙特利尔万国博览馆美国馆的圆形拱顶结构的启发，年蒙特利尔万国博览馆美国馆的圆形拱顶结构的启发，提出了提出了C C6060结构。为了纪念此事，克罗托便把碳六十以结构。为了纪念此事，克罗托便把碳六十以巨蛋建筑物的设计者巴克尼斯巨蛋建筑物的设计者巴克尼斯特富勒（特富勒（Buckminster Buckminster FullerFuller）之名來命名）之名來命名命名命名 富勒烯（学名），又称富勒烯（学名），又称足

4、球烯、碳六十、又译巴足球烯、碳六十、又译巴基球、巴克球（基球、巴克球（Bucky Bucky BallBall），英文为），英文为Buckminster FullerBuckminster Fuller，简，简称称FullereneFullerene。1.401.40 0.0150.015 1.451.45 0.0150.015 是是是是3232面体，面体，面体，面体，12121212个五个五个五个五元环、元环、元环、元环、20202020个六元环个六元环个六元环个六元环 对称性对称性:好好电子亲合势电子亲合势电子亲合势电子亲合势:2.:2.:2.:2.6-2.8eV6-2.8eV6-2.8e

5、V6-2.8eV稳定性稳定性稳定性稳定性:强强强强 具有光敏活性具有光敏活性具有光敏活性具有光敏活性 缺电子烯烃缺电子烯烃缺电子烯烃缺电子烯烃C C6060的结构及性质的结构及性质C C6060的结构决定的化学性质的结构决定的化学性质：中空球形结构使得它中空球形结构使得它能在内外表面都能进行反应，从而实验得到了各能在内外表面都能进行反应，从而实验得到了各种结构的相应衍生物。如与金属反应、氧化还原种结构的相应衍生物。如与金属反应、氧化还原反应等等，这些反应构成了反应等等，这些反应构成了C C6060高分子化的基础。高分子化的基础。C C6060的结构决定了它的物理性质的结构决定了它的物理性质1)

6、1)晶体类型：晶体类型：分子晶体分子晶体2)熔点：熔点：700700，能在不裂解的情况下升华，能在不裂解的情况下升华3)溶解性：溶解性：不溶于水、在不溶于水、在正己烷正己烷、苯苯、二硫化碳二硫化碳、四氯化碳四氯化碳等等非极性非极性溶剂溶剂中有一定中有一定的溶解性。的溶解性。4)颜色：颜色：纯纯C60C60为棕红色固体，有机溶剂为为棕红色固体，有机溶剂为葡萄色葡萄色结构特征结构特征金刚石金刚石石墨石墨C C6060碳原子构型碳原子构型四面体四面体平面三角形平面三角形足球型足球型杂化轨道形式杂化轨道形式 SpSp3 3SpSp2 2SpSp2.282.28C-CC-C键长键长/nm0.15440.

7、15440.14180.1418(6/6)0.1388;(6/6)0.1388;(6/5)0.1432(6/5)0.1432密度密度/(g/cm3)3.5143.5142.2662.2661.6781.678晶体形式晶体形式原子晶体原子晶体原原子子与与分分子子晶晶体之间体之间分子晶体分子晶体石墨蒸发法石墨蒸发法富勒烯制备方法富勒烯制备方法激光法激光法电阻加热法电阻加热法电弧法电弧法高频诱导加热法高频诱导加热法太阳能聚焦太阳能聚焦CVDCVD催化热裂解法催化热裂解法苯火焰燃烧法苯火焰燃烧法萘热裂解法萘热裂解法低压烃类气体燃烧法低压烃类气体燃烧法火焰加热法火焰加热法电弧法电弧法可用于制备可用于制备

8、C60C60、C70C70纳米管纳米管富勒烯内包金属微粒富勒烯内包金属微粒SmalleySmalley研究小组研究小组制备毫克量级制备毫克量级C C6060产率产率10131013 阳极：阳极：石墨棒或冶金焦煤石墨棒或冶金焦煤和沥青制成的碳棒和沥青制成的碳棒 原料原料:特别适于煤特别适于煤影响因素：影响因素：温度场分布温度场分布CVD法法电阻加热电阻加热CVD法实验装置图法实验装置图v主要用于制备主要用于制备碳纳米管碳纳米管，合适实验条件可制备出合适实验条件可制备出富勒烯富勒烯。v反应过程：反应过程：有机气体有机气体+N+N2 2压入石英管，碳源在催压入石英管，碳源在催化剂表面生长成富勒烯化剂

9、表面生长成富勒烯或碳纳米管。催化剂一或碳纳米管。催化剂一般为般为FeFe、CoCo、NiNi、CuCu颗颗粒。粒。v影响因素：影响因素：反应温度、反应温度、时间、气流量时间、气流量催化剂催化剂电炉电炉石英管石英管气体混合气体混合热电偶热电偶温度温度控制控制在在医医药药上上的的应应 用用光诱导切割光诱导切割DNA DNA 和光动力学治疗作和光动力学治疗作用用酶抑制和抗酶抑制和抗HIV HIV 活性活性清除生物体内游清除生物体内游离基离基毒性研究毒性研究富勒烯富勒烯是具有很大表面积的全碳笼形结构是具有很大表面积的全碳笼形结构,碳碳笼本身无毒笼本身无毒,并且是非代谢性分子并且是非代谢性分子,分子的整

10、分子的整体是呈电中性的体是呈电中性的,笼中有笼中有7 78 8 的空腔的空腔,可以可以包入多个金属原子包入多个金属原子,碳笼表面可以进行化学修碳笼表面可以进行化学修饰饰,上述优点使得其非常适合做诊断和治疗的放上述优点使得其非常适合做诊断和治疗的放射性药物以及质子碳共振的对比剂。射性药物以及质子碳共振的对比剂。光诱导切割光诱导切割DNA 和光动力学治疗作用和光动力学治疗作用碳碳-60-60 光裂解光裂解DNA DNA 可能被归因于可能被归因于G G与激发与激发态富勒烯之间的直接电子转移。富勒烯及态富勒烯之间的直接电子转移。富勒烯及其衍生物光裂解其衍生物光裂解DNA DNA 结果是它们对细胞的结果

11、是它们对细胞的毒性毒性,体外试验体外试验表明仅仅表明仅仅在光照时在光照时化合物才化合物才表现出对表现出对肿瘤细胞肿瘤细胞HelasHelas的毒的毒性。性。酶抑制和抗酶抑制和抗HIV 活性活性富勒烯球对酶的抑制作用富勒烯球对酶的抑制作用可主要归功于它的憎水性可主要归功于它的憎水性和亲水性。、试验研究表和亲水性。、试验研究表明明,“,“第一代第一代”水溶性富水溶性富勒烯衍生物对球型单核血勒烯衍生物对球型单核血细胞细胞(PBMC)(PBMC)急、慢性抑制急、慢性抑制作用。此外它对非感染作用。此外它对非感染PBMC PBMC 没有毒性作用没有毒性作用清除生物体内游离基清除生物体内游离基高度水溶性的高

12、度水溶性的富勒烯三加成富勒烯三加成马来酸衍生物马来酸衍生物是很好的游离是很好的游离基清除剂基清除剂,体外试验研究表体外试验研究表明明,其能减少神经细胞的死亡其能减少神经细胞的死亡率。此外率。此外,超氧化游离基也超氧化游离基也能被它们所淬灭。能被它们所淬灭。S.Samal S.Samal 和和K.E.Geckeler K.E.Geckeler 合成了水合成了水溶性环糊精与碳溶性环糊精与碳-60-60的氨加合的氨加合物物,并用其与并用其与DPPH(DPPH(一种稳一种稳定的游离基定的游离基)反应反应,结果表结果表明该化合物是一个有效的游明该化合物是一个有效的游离基清除剂。离基清除剂。毒性研究毒性研究富勒烯及其衍生物在生物体内的吸收富勒烯及其衍生物在生物体内的吸收,分分布布,排泄以及它们的潜在毒性是评估他们排泄以及它们的潜在毒性是评估他们的生物活性的重要依据。已有的实验表的生物活性的重要依据。已有的实验表明明,富勒烯及其衍生物的毒性是较低的。富勒烯及其衍生物的毒性是较低的。现在对富勒烯及其衍生物的代谢、排泄现在对富勒烯及其衍生物的代谢、排泄和毒性研究还刚刚开始和毒性研究还刚刚开始,目前尚不能作出目前尚不能作出任何肯定的结论。任何肯定的结论。