Остання полягає в повороті на 90 градусів фрагмента С2, який служить загальним ребром шестикутних граней, що є сусідами, зчленовуються при цьому в кожній з суміжних вершин з гранню п'ятикутної. Перебудова системи зв'язків в результаті повороту призводить до того, що пяти- і шестикутні грані фактично міняються місцями. В результаті безліч ізомерів фулеренів з даним числом атомів може бути розбите на класи, серед яких всі ізомери будуть зв'язані одно- або багатостадійними перегрупуваннями Стоуна-Вейлза. Так, бакмінстерфулерен С60 може бути перетворений за різне число стадій в 1709 з 1811 ізомеру С60, ізольованих п'ятикутників, що не відповідають правилу, що залишився. Наочним прикладом перегрупувань Стоуна-Вейлза служить фулерен С78, у якого ланцюгом перегрупувань безпосередньо зв'язані чотири з пяти IPR-ізомерів, з яких три виділені експериментально. Активаційний бар'єр перегрупувань Стоуна-Вейлза складає не менше 100 кДж/моль, тому при звичайних температурах вона не протікає.
Важливим результатом квантово-хімічних розрахунків в зіставленні з експериментальними даними стало виявлення того факту, що при синтезі в дуговому розряді утворюються найбільш стабільні ізомери фулеренів. Випадки відхилення від цього правила украй рідкісні і пов'язані з кінетичною нестабільністю найбільш термодинамічно стабільних ізомерів, що втрачаються внаслідок цього в результаті полімеризації при виділенні. Відносні виходи таких фулеренів виявляються помітно меншими, ніж у фулеренів близького розміру, найбільш стабільний ізомер яких стабільний і кінетично. Таким чином, можна говорити про термодинамічний контроль ізомеризації вуглецевих кластерів. Дійсно, при температурах більш 1000°С, що досягаються вуглецево-гелієвою плазмою в дуговому розряді, можна чекати порівняно легкого протікання перегрупувань Стоуна-Вейлза або навіть складніших. Не можна точно сказати, при яких температурах ці процеси істотно сповільнюються. Тому можна лише припустити, що ізомерний склад даного фулерену відповідає, деякій температурі в декілька сотень градусів Цельсія. Відмінності цього складу від того, що відповідає 0 К присутність єдиного найбільш стабільного ізомеру обумовлена внесками внутрішніх ступеней свободи, що дещо розрізняються, для різних ізомерів. Проте виникаючі тут відмінності вельми незначні, тому відмінності в стабільності експериментально знайдених ізомерів того або іншого фулерену навряд чи перевищує 20-30 кДж/моль. Рівноважність ізомерного складу породжує питання про існування якихось критеріїв стабільності вже IPR-ізомерів фулеренів. Виходячи із загальних міркувань, можна чекати великих стеричних напруг для тих ізомерів фулеренів, в яких п'ятикутні грані нерівномірно сконцентровані на певних ділянках поверхні, прагнучих через це до більшої викривленості. Решта ділянок поверхні, що не містять п'ятикутників, при цьому прагнутимуть до планарності, що може зажадати взаїмоневигідного з енергетичної точки зору компромісу при сполученні всіх цих фрагментів. Ці міркування привели до введення правила сусідства шестикутників HNR, яке предбачає найвищу стабільність ізомерам, в яких оточення шестикутних граней якомога однорідніше по кількості в ньому п'ятикутних, тобто розподіл п'ятикутних граней по поверхні достатньо рівномірний. Проте практична значущість цього правила вельми низка, оскільки для тих, що реально синтезуються фулеренів, що містять менше 100 атомів вуглецю, подібний розподіл майже завжди нерівномірний через дуже мале число шестикутних граней. Крім того, можуть грати роль і інші, структурні чинники, що не так просто враховуються. Найбільш явний з них - невигода наявності подвійних зв'язків усередині пятічленних циклів. Хоча фулерени є складними зв'язаними системами, в яких всі зв'язки мають проміжні дробові порядки, показником подібної невигоди може служити наявність таких зв'язків у всіх резонансних структурах. Тому набагато простіше провести безпосереднє квантово-хімічне порівняння щодо невеликого в таких випадках числа IPR-ізомерів. Як приклад прямої суперечності з правилом HNR вступає фулерен С80, серед IPR-ізомерів якого ізомер симетрії Ih, що характеризується найбільш рівномірним розподілом п'ятикутних граней, виявляється найменше стабільний. Фулерени ж великих розмірів, для яких правило HNR, ймовірно, актуально, хоч і спостерігалися в декількох експериментах в газовій фазі, в скільки-небудь істотних кількостях дотепер не одержані.
Якщо ізомерний склад для фулеренів будь-якого вибраного розміру близький до рівноважного, то що може бути сказано про суміш в цілому? І конкретні квантово-хімічні розрахунки, і загальні стеричні міркування говорять про те, що чим більша молекула, тим менше середня кривизна її поверхні і відносний вміст п'ятикутних граней і тим вона стабільніше. Перші уявлення про гігантських фулеренів ікосаедричної симетрії припускали близькість їх форми до сферичної. Але тепер ясно, що вони повинні представляти швидше гігантські ікосаедри з майже планарних трикутних графітових фрагментів, сполучених достатньо локальними областями високої кривизни - дванадцятьма «вершинами», в центрах яких розташовані пятічленні цикли, і сполучаючими їх «ребрами». Відносна частка останніх в поверхні молекули істотно падає із зростанням її розміру. Не дивлячись на ентропійний чинник, діючий на користь менших молекул, калориметричний експеримент в поєднанні з молекулярно-статистичними розрахунками передбачає невелику позитивну енергію Гіббса утворення з графіту для молекул С70 (39.4 кДж/моль атомів вуглецю при 0 К і 36.9 при 800 К) і ще дещо велику - для С60 (42.3 кДж!молъ атомів вуглецю при 0 К і 39.6 при 800 К). Порівняння відповідних молекул, а тим більше молекул вищих фулеренів, з гіпотетичним графітовим листом унаслідок трудності вивчення перших в газовій фазі і неіснування другого неможливо. Проте можна припустити, що встановлення рівноваги між фулеренами різного розміру в процесі охолоджування вуглецево-гелієвої плазми означало б зростання виходу кластерів у міру зростання їх розміру. Спостережувана насправді картина протилежна, тому слід припустити, що процес синтезу фулеренів контролюється кінетичними чинниками. Можна очікувати, що вірогідність збірки фулерену з малих вуглецевих кластерів достатньо швидко зменшується з розміром фулерену, тобто числом потрібних «будівельних блоків». Після утворення якої-небудь стійкої початкової структури, володіючи при цьому великим запасом внутрішньої енергії, кластер може за рахунок її практично рівноважно ізомери-зуватися. Зазначимо, що які-небудь істотні свідоцтва як в накористь, так і проти «термодінамічності» розподілу продуктів синтезу фулеренів по числу атомів вуглецю в молекулі, враховуючи складність коректного розрахунку термодинамічних функцій фулеренів при температурах синтезу, відсутні.
Нижче ми перейдемо до конкретнішого опису структури фулеренів. На закінчення згадаємо лише про досить екзотичне сімейство - багатошарових фулеренах. Існування цих молекул, що є декількома молекулами фулеренів діаметру, який збільшується, що вільно поміщаються одна в іншій, виявлено за допомогою електронної мікроскопії. На жаль, вони утворюються в недостатніх для виділення і дослідження кількостях.
3. Геометрична, електронна і коливальна структура фулеренів
Оскільки фулерени є зв'язаними поліненасиченими системами, постає природне питання, якою мірою вони ароматичні і який вплив це робить на їх структуру і властивості. До звичайних ароматичних молекул застосовується правило Хюккеля і теорія резонансу. Правило Хюккеля передбачає ароматичність для структур з 4п+2 π-електронами. Виходячи з нього, молекула С60 неароматична, тоді як С70 повинен проявляти ароматичні властивості. Проте істотних відмінностей в хімічних властивостях між С60, С70 і вищими фулеренаміине виявлене. Справа, у тому, що правило Хюккеля коректно для плоских систем, тоді як фулерени повинні вимагати інших підходів. Навіть форма π-орбіталей в молекулах фулеренів, згідно з розрахунковими даними, не співпадає з такою в плоских молекулах. Електронна хмара виявляється зосередженою більшою мірою зовні молекули, де відштовхування електронів менше. З погляду іншої відомої теорії ароматичної, теорії резонансу, можна чекати, що всі фулерени повинні бути суперароматічни, оскільки володіють величезною кількістю резонансних структур (вже в С60 їх 12500). Але чи будуть ці структури еквівалентні? Адже С-С зв'язки в молекулах фулеренів з топологічної точки зору неоднакові. Тому в 1986 р. була запропонована концепція сферичної ароматичної. Вона заснована на тому, що сфероподобні молекули фулервнів з рівномірним розподілом атомів по поверхні можна приблизно розглядати в рамках групи симетрії сфери, Кh, якій відповідають і атоми, π-орбіталі у фулеренах досить близькі по енергії, і хоча насправді нижчі з них перемішані з σ-орбіталями, вони можуть бути розглянуті по аналогії з атомними орбіталями, які відповідають одному головному квантовому числу. Відомо, що серед атомів найбільш стабільною електронною конфігурацією характеризуються атоми інертних газів, у яких на кожному рівні повністю заселені всі або деякі підрівні, тобто на кожному рівні є 2n2 електрони. Таким чином, максимальна ароматичність повинна спостерігатися саме для фулеренів з 2n2 π-електронами. Для таких структур можна передбачити вирівнювання довжин всіх зв'язків і мінімальну реакційну здатність. На жаль, ця концепція не має практичного значення. С60, відповідно їй, не ароматичні, але будуть ароматичні його заряджені форми С6010+ і С6012-, існування яких безглуздо і обговорювати. Вищі ж фулерени, такі, як С72 дуже несферичні, щоб такі міркування були до них добре застосовні. Зазначимо все ж таки, що практично у всіх фулеренах нижчі π-орбіталі дійсно нагадують формою атомні s- і р-орбіталі, але ці орбіталі мають дуже низьку енергію і практично не беруть участь у формуванні хімічних властивостей фулеренів, вище ж аналогія поступово втрачається.