フラーレン分子の安定性と反応性に関する理論的研究

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1.1994年に結合共鳴エネルギー(Bond Resonance Energy,BRE)という指数を提案し、これをもとにしてC70までのフラーレン分子に対してlsolated Pentagon Rule(lPR)が成り立つことを証明した。今年度はやはりBREを用いて、それより大きなフラーレン分子でもlPRが成り立つことを示した。C84のlPRを満足するすべての異性体と比較的安定なlPRを満足しない異性体についてBREを計算し、C84の単離できない異性体の不安定性が主として2つの5員環に共有されたπ結合の不安定性に帰せられることを明らかにした。2.フラーレン骨格に4員環を2個導入すると、5員環が4個減り6員環が2個増えるので、比較的小さなフラーレン分子でもlPRを満足する異性体を作ることができる。このようなつフラーレンでは、BREが大きな負の値となる不安定なπ結合は少なく、C48(D4d)やC56(C2v)のような異性体は単離できる程度の安定性をもつと予想される。3.π電子が円筒を一周するとその位相が2πだけ変わるような、仮想的なカーボン・ナノチューブを考案し、そのπ電子エネルギー準位を求める公式を導いた。この公式を用いて、そのエネルギー構造を調べたところ、この種の構造のカーボン・ナノチューブの炭素原子1個当たりのπ結合エネルギーは、グラファイトの炭素原子1個当たりのπ結合エネルギーにきわめて近いことがわかった。4.現実のカーボン・ナノチューブの両端はキャップで被われている。キャップを構成している炭素原子の局在化エネルギーは小さく、その部分の反応性が大きいという実験事実と矛盾しない。