1. 國立台北教育大學 自然科學教育系 大學部
應用化學繳交期末報告
授課老師 陳布倫
碳 60 水溶性延生物在藥妝工業上之應用前景
學生：陳民峰 109812038 自三甲
2012 年 06 月 19 日
2. 摘要
本報告想從討論碳開始，進而討論到碳 60 與其水溶性衍生物的特性與製備
法，討論再藥妝產業的運用性後，進而瞭解碳 60 與其水溶性衍生物的應用前景。
目錄
摘要……………………………………………………………… 2
目錄……………………………………………………………… 2
壹、導論…………………………………………………………… 3
一、碳與日常中常見的碳同素異構物
二、碳同素異構物中的特殊結構 - 富勒烯與奈米碳泡沫
貳、碳 60 與其水溶性衍生物…………………………………… 5
一、碳 60 與其水溶性衍生物特性
二、碳 60 與其水溶性衍生物製造方法
參、探討碳 60 與其水溶性衍生物於藥妝工業上可能之應用… 9
肆、碳 60 水溶性衍生物目前於藥妝產業應用現狀與討論…… 11
伍、結論………………………………………………………… 12
六、參考資料……………………………………………………… 13
3. 壹、 導論
一、碳與日常中常見的碳同素異構物
碳是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期 IVA 族。原因是碳
原子本身有四顆電子，形成的鍵都比較穩定，而且碳的 2S 軌域與不少元
素的 2P 軌域相近，因此可以跟許多元素進行分子軌域的混成，換句話說
碳本身可以與許多元素反應形成多變的化合物。加上 C 與 C 本身能形成單
鍵、雙鍵、三鍵的直鏈、支鏈、環狀的分子，或者以許多小單元形成聚合
物，碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，使得
討論碳的化學上甚至獨立出「有機化學」這一學科。然而近年來，隨著奈
米技術提昇，碳元素的各種同素異形物受到更多的討論。
碳同素異形體有不定形碳、碳奈米泡沫、碳奈米管、鑽石、富勒烯、
石墨、藍絲黛爾石、蠟石、石墨烯等。
其中人們最常使用的為石墨，石墨本身以天然礦物的情況存在，由植
物的屍體經過掩埋後，其沈積岩經過輕微的變質作用而成。主要以製作鉛
筆芯，利用石墨的結構為六角形的碳原子不斷無限延伸而成的帄面，帄面
與帄面之間以凡德瓦爾作用力來進行較薄弱的連接，而此連接與紙的粗糙
表面摩擦後就會剝落，利用剝落的石墨來達到製圖的用途。
而無定形碳則是石墨的晶體層狀結構凌亂不規則，並且摻有不少雜質
而成，晶粒微小，如木炭。這也解釋木炭經過長期的地質運動、長期的壓
縮與緩慢加熱後可以形成較整齊結晶的石墨之原因。無定形碳除了本身具
有碳元素的可燃性以外，還具有明顯的吸附性，古代埃及用以過濾飲用
水、18 世紀用以工業製糖的脫色等，皆是利用無定形碳具有許多細小孔
隙，可以吸附分子的運用。石墨烯則是石墨的單層結構，也就是只有一堆
六角形延續的巨大單層片狀物質，具有良好的導電性。
5. 貳、碳 60 與其水溶性衍生物
一、 碳 60 與其水溶性衍生物特性
因為本文只討論到碳 60 與其水溶性衍生物的藥妝用途前景，所以就不
寫下這些分子在導電性……等的特性。
1. 物理與物理空間特性
碳 60 呈現高度對稱，使碳 60 與碳 60 衍生物具有機械強度、熱
機械性質，並且容易形成結晶。一般分子通常分子量加大，可以增
強其機械性質，但同時因為分子也會加長，其黏滯性也會增加。若
是使用球形並且分子量大的分子，則同時兼具強機械性質、低黏滯
性。球狀分子也代表碳 60 與碳 60 衍生物容易旋轉，換句話與其他
分子的反應部位接觸的機率提高，也就是反應速率提高。
單一個碳原子或者簡單的有機分子要添加支鏈、官能基，會受
到物理空間的限制。若物理空間加大，則加成比較不受空間限制，
而能進行更多的加成。因為體積大，可以利用廣大的表面積與體積
特性，甚至行成複雜的星狀分子。例如碳 60 的羥基化，最多可以加
到 36～40 個羥基。
碳 60 原本是不溶於水的，若要進行工業的運用，可以添加一些
具有極性的官能基，如羥基，加越多越容易溶於水。
2. 化學特性
碳 60 的化性還算穩定，不易產生氧化。但還是可以進行化學
6. 反應。原本石墨中 sp2 雜化軌道是帄面的，卻在富勒烯中為了成管
或球呈現彎曲狀，形成了較大的鍵角張力，某些雙鍵通過反應飽和
後，鍵角張力就釋放了，使得富勒烯的衍生物的 Gibbs 自由能降低，
變得穩定，因此可以進行許多外圍的化學修飾。
除了外圍的官能基修飾以外，也可以先開一個洞，在裡面放入
分子。若放入金屬，則可以變成超導體。若放入親水性的官能基或
者水分子，則可以提高對於水的溶解性。利用碳 60 本身是由近似
苯環的π鍵共振結構構成，使得瞬間的電子感應磁場通過此環，進
而吸附裝在碳 60 中水分子的氫原子。進而產生如 C60(OH-)6(H2O)80、
C60(H2O)80 的水合物，通稱為水合富勒烯(HyFn)。
此外，一個碳 60 分子是由六十個碳原子以二十個六環及十二
個五環所構成的立體結構，由於結構中含有大量的共軛雙鍵及低能
階的最低未佔據分子軌道，讓碳 60 能很容易的得到電子。能很容
易得到電子代表可以消除多帶一顆電子而具有強大攻擊性的自由
基。一顆碳 60 最多可以同時抓住多達三十幾個自由基，抗自由基
的效果相當驚人，經過大鼠實驗證實，可以降低肝臟內的自由基。
最後討論有關碳 60 與其水溶性衍生物，因為可以擁有許多羥
基，可以吸附周遭環境中的水分子，因此具有親水性與保溼的功能
，羥基越多，保溼功能就越強。
二、 碳 60 與其水溶性衍生物製造方法
1. 碳 60 製造方法與工業運用可行性比較
具資料收集，目前有石墨激光汽化法、石墨電弧放電法、太陽能加熱
石墨法、高頻電爐加熱蒸發法、苯火焰燃燒法、有機合成法，共六種
7. 方法。
(1) 石墨激光汽化法
也是第一個發現碳 60 的方法。室溫下將電弧室抽成真空，之後
填入 He 氣，並且用脈衝激光蒸發石墨，使石墨變成碳電漿，在惰性
氣體中碳原子經過許多碰撞、合併閉合形成穩定的中產生碳 60 或者
其他更高碳數的富勒烯。極微量的富勒烯，快速冷卻後混合在煙灰中
並且沈積在反應器內壁。並且以苯來溶解碳 60。因為非常耗電，成
本很高，產量不穩定，因此並非藥妝工業上碳 60 的良好來源。
(2) 石墨電弧放電法
第一個產生出常量富勒烯的方法，是目前知道的較高產率製造方
法之一，通常可佔蒸發石墨的 20%，有時可達 30%以上。因為改進了
電極的間距，因此碳棒的直徑必須在 3mm 以內，因此只能小量生產。
碳棒太細又導致碳的蒸發速度太快，很快變細直到斷裂，運行中斷。
不能大量製作，因此也難以在工業上運用。
(3) 太陽能加熱石墨法
聚焦太陽光直接蒸發碳高產率製備。因為電弧光對於碳 60 可能
產生破壞，是電弧製備法產量不高的原因之一，因此採用大型太陽爐
裝置也許是大量生產富勒烯的唯一途徑 它不僅避免了強紫外線輻射
，
對富勒烯的光化學破壞作用 同時使碳蒸氣到達緩冷區之前不會形成
，
凝塊，解決了石墨電弧或等離子體法中遇到的產量限制問題。問題是
需要太陽光強裂並且穩定的地區，地點上難以選擇，而且產量不穩
定，不見得每個時間都能製備，相當不方便。
(4) 高頻電爐加熱蒸發法
高頻電爐在 27000C，150K Pa He 氣氛中於一個氮化硼支架上直
接加熱石墨樣品，得到產率為 8%~12%的煙灰。這是一種直接加熱石
墨的方式。但是輻射能量利用率和產率都不能與石墨電弧放電法競
爭。
(5) 苯火焰燃燒法
在高溫燃燒苯、甲苯、氧氣，不完全燃燒的碳黑中提煉出來。因
為高溫燃燒可以產生多面體碳離子 因此可以利用這些碳離子組成富
，
勒烯。方便控制、可以大量生產、大規模工業化製備，還可以透過控
制碳氧、壓力的比率來決定碳 60、碳 70 或者其他球狀富勒烯的比率，
彈性很高。
8. (6) 有機合成法
理論上有可能，但是要克服球形分子本身的張力相當困難，加上
組合成球形分子需要相當多的反應途徑 而且那麼多反應途徑會減少
，
合成物的量，相當耗時且產量低，就算不計成本、時間也難以運用。
結論：只有苯火焰燃燒法成本低，且能大量製造。為工業製備可行之
方法
2. 碳 60 水溶性衍生物製造方法
製造方法有以下幾種
(1) 富勒烯與稀硫酸和硝酸鉀/硝酸胺反應可生成 C60(OH)15
(2) 在稀氫氧化鈉溶液的催化下反應由 TBAH 增加 24 到 26 個羥基
(3) 用過氧化氫與富勒烯的反應合成 C60(OH)8
根據論文參考資料，詳細合成碳 60 水溶性衍生物的步驟為
(1) 碳 60 與硝酸銨和發煙硫酸(催化劑)置於燒杯中，用超音波振盪
器震盪混核，經過無氧環境下油浴後，等溶液顏色轉變成磚紅
色後冷卻，並且離心出沈澱物。沈澱物加入放入除水乙腈以去
除催化劑，然後真空烘乾得到環磺酸碳 60 衍生物。
(2) 環磺酸碳 60 衍生物加入定量的水油浴，進行水解反應 10 小時
(此時反應出過量的濃硫酸，pH 約為 2)。接著加水攪拌幾分中
後離心，反覆清洗直到水溶液為中性 (使硫酸被稀釋得差不
多)。送入真空烘乾，得到棕紅色的產物，為醇化後的碳 60。
但羥基不多，因此是低羥基化的碳 60，仍難溶於水。
(3) 加入氫氧化鈉水溶液使之 pH 值大於 10，然後油浴進行水解反
應 6 小時，之後加入甲醇以醇化，離心後反覆清洗至中性。最
後真空烘乾，得到黑褐色最終產物。為水溶性的醇化碳 60。
9. 參、探討碳 60 與其水溶性衍生物
於藥妝工業上可能之應用
在藥妝產品上，碳 60 具有很高潛力的運用價值。我想以美白與保溼
這兩方面來討論。
一、美白
皮膚會變黑是因為紫外線照射皮膚，使皮膚產生自由基，而自由基刺
激酪胺酸酵素，使得酪胺酸氧化成黑色素。因此要美白，我們必須討論美
白的幾個機制：黑色素還原、酪胺酸酵素的凝結抑制、銅離子螯合作用帶
離黑色素、破壞黑色素細胞。而碳 60 在藥妝美白上，我認為有兩個主要
討論方向。第一個方向，就是去除自由基；第二個方向，則是使黑色素被
還原。
承續前面碳 60 與其水溶性衍生物特性，我們討論第一個方向：去除
自由基。我們可以知道碳 60 本身穩定，不易氧化變質，又可以抗自由基。
因此可以取代同樣抗自由基但是容易氧化的維他命Ｃ，這意味著若把碳 60
添加於化妝品中，則不但具有抗自由基，而且更容易保存。
討論第二個方向：還原黑色素。無奈碳 60 不易被氧化，意指碳 60 不
容易還原其他分子。因此單論碳 60 若為化妝品的原料，應該不能將黑色
素還原，只能等待黑色素隨角質代謝排出體外。若要碳 60 的衍生物能夠
還原黑色素，必須加上能夠還原黑色素的官能基，勢必提高生產成本，因
10. 此不適宜將碳 60 做成衍生物來還原黑色素。
因此在美白部份，碳 60 的主要功用並不是在於還原黑色素，而是避
免自由基刺激黑色素的氧化。以產品功能來論，比較偏向防曬用品的運用
，不適宜做成單純的美白乳液。
二、保溼
碳 60 的水溶性衍生物可以擁有許多羥基，可以吸附周遭環境中的水
分子，因此有保溼的功能。雖然說羥基越多，保溼功能就越強，但相對的
製備成本越高，而且黏滯性更強，添加太多羥基的碳 60 水溶性衍生物反
而會造成藥妝產品塗抹起來黏黏的，不太舒服。因此兼顧成本與使用需求
，不需含有太多羥基化的碳 60 水溶性衍生物。
最後我們在討論碳 60 與其水溶性衍生物，在藥妝上應用的舒適性，
因為碳 60 呈現球狀並且容易自由轉動，使用起來是不太黏膩，相當舒適
的。若碳 60 與水溶性衍生物使用在藥妝工業上，是具有相當多優點。然
而保溼性、不黏膩的丙三醇相當廉價，同樣具有保溼並且不太黏膩的優
點。而可以同時去除自由基的維他命Ｃ雖然不易保存，但是價格低廉，而
且維他命Ｃ還能氧化黑色素，美白功能更上碳 60 一籌。因此碳 60 與其水
溶性衍生物無法壓低價格成為大眾使用的藥妝產品，應該鎖定高價位客群
才有發展空間。
11. 肆、碳 60 與其水溶性衍生物
目前於藥妝產業應用現狀
自從 2010 年末，大陸、日本都已經開始陸續出現相關的藥妝產品，
多半也是宣稱有美白、保溼的功用。列表如下
產品名 公司品牌 附註 價格與份量
高效煥白 DermediQ 得美妮
NT 1980/30ml
Cplus 精華液 可
Fullerene C60 瞬間修護精華霜 LUYA 詴用中
C60 1%煥采晶柔液 三個化妝品為同 NT 990/50ml
精華液 A.Y.E 一個系列 NT 1180/50ml
煥采活膚霜 已知含 C60 1%
NT 380/120ml
C60 富勒烯十項全能精華液 JOSERISTINE NT
2660/1000ml
PRO-or C60 Fullerene Beauty Serum PRO-or
＄576/15ml
極強肌膚修護 （香港）
DHC 系列化妝水 ¥ 880/100ml
三個化妝品為同
精華液 DHC（大陸） ¥ 880/30ml
一個系列
美容霜 ¥ 880/42ml
我們可以發現價格偏高，但台灣所販售的價格雖然偏高，但也還在美
容保養品的合理範圍，只有大陸與香港的含碳 60 藥妝品價格高得離譜。
而這些美容化妝品都參有許多物質，如水揚酸、維他命Ｃ、維他命Ｂ2 等
，並且碳 60 的含量都不會太高。除了一來符和台灣衛生署公告最高天家
上限外，也是為了壓低成本。這些化妝品絕大部分都是 2012 的年初或者
2011 年末開始出現的。
12. 伍、結論
碳 60 與其水溶性衍生物在藥妝產業上，具有生產力，而且還是近日
興起的新發展方向。利用碳 60 去除自由基與其水溶性衍生物的保溼性做
為美妝用品的強打，但是含量不高，得以融入一般市場。未來的發展方向
可以繼續往降低成本的趨勢前進。
13. 六、參考文獻
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診所。2012/06/19，取於
http://www.newskinhouse.com.tw/news_2.php?product_id=11976155
31&area_id=1191489319&k_id=7
維基百科。碳同素異形體。2012/06/19，取於
http://zh.wikipedia.org/wiki/碳同素異形體
維基百科。碳。2012/06/19，取於 http://zh.wikipedia.org/wiki/碳
維基百科。富勒烯。2012/06/19，取於 http://zh.wikipedia.org/wiki/
富勒烯
維基百科。奈米碳管。2012/06/19，取於 http://zh.wikipedia.org/wiki/
奈米碳管
