内嵌金属碳氮化物团簇富勒烯的稳定性与生成机理

Fullerene molecules have nano-scale cavities in which various metal or metal clusters of different sizes can be embedded to form metallofullerenes with unique core-shell structures. The physical and chemical properties of metallofullerenes can be modified through the interaction between the encapsulated metals and the fullerene cages. As such, the investigation of metallofullerenes with novel structures has been a principal research focus in the field of fullerenes. In this study, we investigated the size matching effect between encapsulated clusters and fullerene cages for the endohedral metal carbonitride clusterfullerenes in order to discover new metallofullerenes. The stability and electronic structure of the metallofullerenes formed by encapsulating M₃NC clusters (M = Y, La, Gd) into D₂(186)-C₉₆ and D₂(35)-C₈₈ fullerenes were studied using quantum chemical calculations. It was found that the fullerene cages formed stable structures by accepting six electrons transferred from the encapsulated clusters. The change in configuration of the encapsulated clusters was clarified by a comparison with the corresponding M₃N@C_2n metal nitride clusterfullerenes; the size matching effect between M₃NC cluster and fullerene cage was elucidated on the basis of the calculated results and previous studies on Sc₃NC@I_h(7)-C₈₀. For the D₂(186)-C₉₆ fullerene, the Gd₃NC cluster was found to have smaller changes in the configuration as compared with the La₃NC cluster, proving that Gd₃NC is more suitable than La₃NC for encapsulation in the D₂(186)-C₉₆ fullerene cage. In addition, it was determined that the La₃NC cluster requires a large structural change to maintain its planar configuration. For the D₂(35)-C₈₈ fullerene cage, the Y₃NC cluster is more suitable than Gd₃NC for encapsulation owing to the smaller size of the Y₃NC cluster. The spatial distribution of the highest occupied and lowest unoccupied molecular orbitals (HOMO and LUMO) of Gd₃NC@D₂(186)-C₉₆ were found to be similar to those of Gd₃N@D₂(186)-C₉₆. However, a unique endohedral cluster-based occupied molecular orbital was found for Gd₃NC@D₂(186)-C₉₆. This orbital is derived from the interaction between the NC unit and the Gd atoms. The spatial distribution of the HOMO of Y₃NC@D₂(35)-C₈₈ is similar to that of Y₃N@D₂(35)-C₈₈, while the LUMO of Y₃NC@D₂(35)-C₈₈ has a much larger contribution from the endohedral cluster as compared to Y₃N@D₂(35)-C₈₈. Thus, the addition of a carbon atom in the cluster has a remarkable impact on the electronic structure of the metallofullerenes. With respect to structural characteristics, we found that the three fullerene cages, D₂(186)-C₉₆, D₂(35)-C₈₈, and I_h(7)-C₈₀, have a uniform distribution of five-membered carbon atom rings; these fullerenes can be greatly stabilized in the form of C_2n^6- anions. However, the formation mechanism of fullerenes and metallofullerenes, at present, is poorly understood. Based on the structural analysis, we propose a direct mechanism for the formation of fullerenes without the Stone-Wales isomerization, i.e., the rearrangement of five-membered rings through the addition of carbon atoms and the transformation into larger carbon cages while maintaining stable structural units.     

内嵌金属碳氮化物团簇富勒烯的稳定性与生成机理

对新结构富勒烯金属包合物的探索是富勒烯领域中的研究重点。本文从内嵌团簇与富勒烯碳笼尺寸匹配的角度出发,对基于金属碳氮化物团簇的新结构富勒烯金属包合物进行了研究。通过量子化学计算研究了M_3NC团簇(M=Y,La,Gd)内嵌在D_2(186)-C_(96)和D_2(35)-C_(88)分子中所形成包合物的稳定性和电子结构,发现富勒烯碳笼接受内嵌团簇转移的六个电子形成了稳定结构。结合文献已报道过的Sc_3NC@I_h(7)-C_(80)分子,阐明了M_3NC团簇与富勒烯碳笼之间的尺寸匹配效应,并发现D_2(186)-C_(96)、D_2(35)-C_(88)和I_h(7)-C_(80)三种富勒烯碳笼均具有五元环均匀分布的结构特点。我们对富勒烯之间的转变路径进行了研究,提出了不含Stone-Wales异构化过程的富勒烯直接生成机理,即可以通过增加碳原子的过程使五元环重排,在保持稳定性结构单元的同时转变为更大碳笼。     

15N同位素标记的金属氮化物内嵌富勒烯的合成与表征

利用电弧放电法制备了¹⁵N同位素标记的金属氮化物内嵌富勒烯. 制备过程中使用¹⁵NH₄Cl作为固体氮源, 基于电弧放电方法在氦气气氛中将石墨、金属钪和¹⁵NH₄Cl高温原子化, 合成得到Sc₃¹⁵N@C₈₀和Sc₃¹⁵N@C₇₈. 利用高效液相色谱法进行分离纯化, 并通过质谱、紫外可见吸收光谱和核磁共振碳谱表征了Sc₃¹⁵N@C₈₀, 验证了¹⁵N的成功标记, 还表明合成的Sc₃¹⁵N@C₈₀具有I_h-C₈₀碳笼. 所制备的¹⁵N标记的金属氮化物内嵌富勒烯中含有98%以上的¹⁵N同位素, 将拓展金属富勒烯材料在同位素示踪等领域的应用.     

金属富勒烯的质谱研究

利用电弧放电法合成笼内金属富勒烯Gd@C₈₂,Gd₂@C₈₀,Gd@C₈₀实验结果表明,两步高温高压法(1,2,4-三甲基苯,吡啶)可有效地提取金属富勒烯Gd@C₈₂.本文分别利用ESI-MS,REC-MS,MALDI-TOF-MS质谱技术研究了Gd@C₈₂,Gd₂@C₈₀,Gd@C₈₀和富勒烯Cn(n=60,70,82,84…)的气相负离子特性.结果表明,包入Gd³⁺后非极性的C₈₂转变为极性的Gd@C₈₂分子;金属离子Gd³⁺处于C₈₂^3-笼中非中心的位置.     

新型内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的合成、结构与性质*

内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的发现极大地扩展了内嵌富勒烯家族。内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯是一类新型的内嵌富勒烯,其内嵌物为由2-3种不同的金属组成的氮化物原子簇。本文首先介绍了新型内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的发现、合成和分离方法,并对目前所分离出来的内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯进行了分类。然后总结了目前所报导的内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的结构表征手段,对于不同的内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的分子结构分别进行了阐述。最后着重讨论了内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯的特殊电子性质以及物理和化学性质。本文还对内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯潜在的应用前景作了展望,在内嵌具有不同物理性质的两到三种金属原子的基础上,所形成的内嵌混合金属氮化物原子簇富勒烯有可能兼具不同金属原子各自的性质,从而成为多功能综合的功能材料。     

气相反应76/70C_(70)=C_(76)(D_2)热力学函数的计算

采用统计热力学方法计算了气相C76（D2）的标准热力学函数，在此基础上计算了不同温度下气相反应76／70C70＝C76（D2）的热力学函数，讨论了C70与C76（D2）之间相互转化的热力学条件．结果表明，气相中温度低于536K时C70转化为C76（D2），温度高于536K时气相中C76（D2）转化为C70。     

三金属氮化物富勒烯中富勒烯笼和内嵌团簇的尺寸效应

内嵌金属富勒烯是指金属原子或其团簇内嵌于碳笼之中而形成的复合结构.实验和理论研究都表明内嵌金属原子或团簇对碳笼的电荷转移作用在这类分子中是普遍存在的,并且电荷转移作用能够稳定化原本高度活性的碳笼.三金属氮化物富勒烯(trimetallic nitride fullerenes,TNFs)因其新奇的结构和性质吸引了广泛的研究兴趣.研究者已经对Sc3N@C68,Sc3N@C78和Sc3N@C80进行了广泛而深入的研究并阐明了它们的结构;而且,三金属氮化物团簇(M3N,M=Sc,Y,La等)在各种碳中的稳定化机理已经被阐明,即能够嵌入氮化物团簇的碳笼是那些LUMO+3与LUMO+4能级能量差大的碳笼.对于含有更重的内嵌团簇的TNFs,目前已经取得相当的研究进展,然而仍然有很多未解之谜等待揭开.如:为什么烟灰中Sc3N@C2n,Y3N@C2n和La3N@C2n(n=34,39和40)的产量戏剧性地下降?三金属氮化物M3N@C2n中,电荷转移相互作用像单金属内嵌富勒烯M@Cn中的情况一样吗?为了揭开上述未解之谜,我们对M3N@C80进行系统研究的基础上(ChemPhysChem2006,7:1306),通过密度函数理论方法,对M3N@C2n(n=34,39,40)进行了更广泛更深入的研究.结果表明,对于C68-6140,金属原子位于五元环-五元环共边(B55)的前面;对于C78-5,金属原子位于六元环-六元环共边(B66)的前面;对于C80-7,Sc原子位置不固定,而Y、La原子位于六元环(R6)的前面.Sc3N在所有考虑的碳笼内都是平面的,Y3N在C68和C78中是微弱锥化的,然而在C80-Ih中是平面的;相反,La3N在所有碳笼中都是锥化的.总之,内嵌团簇趋向于在碳笼中形成具有最大金属-金属(M-M)距离的结构,以便于张力能得到最大限度的释放.内嵌锥形团簇的那些碳笼与相应的富勒烯笼比较起来,结构上发生了重大的变形,此种情况下相应分子中存在重要的M-C以及M-M排斥力,相应的分子是不稳定的.对优化后的M3N@C2n的结构分析表明,Y-Y/Y-N和La-La/La-N距离都分别小于自由态Y3N、La3N中的M-M/M-N距离.这些结构中,金属原子与碳笼的成键特性或内嵌团簇与碳笼之间的分子轨道相互作用都是次要的.对于较小的碳笼和较大的内嵌团簇形成的体系,首先满足的应该是几何尺寸上的要求.这些结果清楚地表明,内嵌团簇尺寸较大的三金属氮化物富勒烯中存在重大的M-M以及M-C排斥相互作用并随着碳笼的增大而减小.这些计算结果揭示了内嵌团簇和碳笼的尺寸对TNFs的结构和稳定性的影响,能够良好地解释M3N在碳笼中的位置以及M3N@C2n在产量上的差异并能够为这类物质的结构测定、结构-性质关系阐释提供重要的参考价值.     

内掺三金属氮化物富勒烯Er3N@C80的几何结构与电子性质理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似对Ih-Er3N@C80的几何结构和电子性质进行理论研究. 结构优化发现当Er3N的三个Er原子偏离Ih-C80中五边形和六边形公共边中点时形成的结构最稳定. Er—C和Er—N键是离子键. 能级分析可知: 掺入Er3N后, 碳笼的稳定性提高. 局部态密度图和自旋聚居数分析表明: Er3N的掺入使Ih-C80磁性变大, 而Er3N仍然具有一定的磁性. 垂直电离能和垂直亲和能分析表明: 掺入Er3N后, 碳笼的得失电子能力都有所降低.     

富勒烯的磁化率计算

Ring current theory and the gauge invariant molecule orbital theory were applied to study the magnetic susceptibility of fullerenes. The results show that the diamagnetic susceptibility has anisotropy character. And it was pointed that c60 is of ambiguous aromatic character with anomalous magnetic properties but with the reactivity of a continuous aromatic molecule.     

金属富勒烯[Dy@C82(Ⅰ)]膜的电化学研究

研究并对比了金属富勒烯Dy@C82的主要异构体Dy@C82(Ⅰ)固体膜在有机溶剂乙腈及水溶液中的电化学性质．在乙腈溶液中,Dy@C82(Ⅰ)膜的电化学行为不同于其溶于有机溶剂中的电化学行为,前两个还原峰与其对应的再氧化峰之间存在大的分裂．但是,经过还原及再氧化后的Dy@C82(Ⅰ)膜却存在一对对称性很好的氧化及再还原峰．解释为经过还原后的Dy@C82(Ⅰ)膜的结构有利于进一步氧化,而不需要结构重排;在水溶液中,Dy@C82(Ⅰ)膜的电化学行为不同于其在乙腈溶液中,却类似于其有机溶液在Pt电极上的电化学行为,出现了对称性很好的三对还原峰及一对氧化峰。在水溶液中,Dv@C82(I)的前三价负离子及一价正离子是稳定的。利用紫外—可见—近红外(UV—Vis—NIR)光谱及扫描电镜(SEM)等技术对膜的性质及表面形貌等进行了表征。     

富勒烯金属包合物的研究进展*

本文介绍了富勒烯金属包合物的发现、意义、合成和提取分离方法以及各种表征手段, 介绍了对富勒烯金属包合物的电子结构和物理化学性质进行的各种研究。     

内嵌金属富勒烯Sc2S@C86的结构和性质

金属硫化物富勒烯是一类结构新奇的化合物,阐释其结构和性质是当前的重要研究任务。本文采用密度泛函理论(DFT)方法,系统研究了质谱实验已经检测到的内嵌金属富勒烯Sc₂S@C₈₆的结构和性质。结果显示,能量最低的异构体是Sc₂S@C₈₆:63751(独立五元环规则(IPR)-9),该碳笼与已报道的Sc₂C₂@C₈₆的碳笼一样;其次是non-IPR Sc₂S@C₈₆:63376。自然键轨道(NBO)和分子中原子理论(AIM)分析显示,内嵌团簇与碳笼间存在电荷转移相互作用和共价作用。温度效应计算显示,高温时Sc₂S@C₈₆是多个异构体共存的。为了对将来实验结构测定提供参考,本文提供了能量最低的两个异构体的红外光谱图。     

金属硫化物富勒烯Sc2S@C90的结构与性质

Sc₂S@C₉₀存在的信号已经被质谱检测到,但其结构还没有得到表征. 为了研究Sc₂S@C₉₀的结构和性质,通过密度泛函理论计算方法对Sc₂S@C₉₀的异构体进行了系统的筛选. 计算结果表明,能量最低的两个异构体分别为Sc₂S@C₉₀：99913和Sc₂S@C₉₀：99915. 对Sc₂S@C₉₀在0到4000 K温度下的相对浓度进行了评估,结果显示,Sc₂S@C₉₀：99913和Sc₂S@C₉₀：99915可以在高温下共存. 分析研究了Sc₂S@C₉₀的内嵌团簇与碳笼间的键连关系和相互作用特性. 这些研究可为Sc₂S@C₉₀的结构确定提供指导.     

金属富勒烯[Dy@C_(82)(I)]膜的电化学研究

研究并对比了金属富勒烯Dy @C82 的主要异构体Dy @C82 (I)固体膜在有机溶剂乙腈及水溶液中的电化学性质 .在乙腈溶液中 ,Dy @C82 (I)膜的电化学行为不同于其溶于有机溶剂中的电化学行为 ,前两个还原峰与其对应的再氧化峰之间存在大的分裂 .但是 ,经过还原及再氧化后的Dy @C82 (I)膜却存在一对对称性很好的氧化及再还原峰 .解释为经过还原后的Dy @C82 (I)膜的结构有利于进一步氧化 ,而不需要结构重排 ;在水溶液中 ,Dy @C82 (I)膜的电化学行为不同于其在乙腈溶液中 ,却类似于其有机溶液在Pt电极上的电化学行为 ,出现了对称性很好的三对还原峰及一对氧化峰 .在水溶液中 ,Dy @ C82 (I)的前三价负离子及一价正离子是稳定的 .利用紫外 -可见 -近红外 (UV Vis NIR)光谱及扫描电镜 (SEM)等技术对膜的性质及表面形貌等进行了表征     

MOF-177对金属富勒烯的吸附选择性研究

采用电弧放电法制备了3种金属富勒烯Sc3N@C78-D3h,Sc3N@C80-Ih和Sc2C2@C82-Cs,并用溶剂热法合成了金属-有机骨架材料MOF-177.利用紫外-可见分光光度计和高效液相色谱对甲苯溶液中MOF-177吸附金属富勒烯的过程进行了观察和表征.通过比较其紫外-可见吸光强度和色谱图,发现MOF-177...     

富勒烯(C~6~0, C~7~0)的金属有机化学

综述了1990年以来富勒烯金属有机化学研究的进展,结果表明富勒烯(C~6~0,C~7~0)能与第VIII及IVB、VB、VIB、VIIB族等过渡金属形成各类衍生物,具有潜在的应用前景。     

内包金属富勒烯衍生物La@C82-(C4N2H8)mHn的合成与表征

在常温、Ar气保护下研究了金属富勒烯与哌嗪(Piperazine)的反应, 并用硅胶柱分离了3种金属富勒烯衍生物. 用激光解析飞行时间质谱、紫外-可见-近红外光谱和傅里叶变换红外光谱等手段分析确定其结构分别为La@C82-C4N2H8, La@C82-C4N2H8-H8和La@C82-(C4N2H8)2-H6. 对比C60与哌嗪的反应结果发现, 与空富勒烯相比, 金属富勒烯反应活性更高, 产物加成数目更多.     

笼内金属富勒烯的合成与分析

自1985年,Smalleyr等人首次在飞行时间质谱仪中检测到C60以来,富勒烯碳原子族的研究便不断深入,最初发现的激光蒸发含稀土化合物的石墨只能得到微量的金属富勒烯,仅限于质谱检测,直到1990年,Kratschmer等人采用石墨电子弧放电首次得到宏观量的富勒烯,才使得富勒烯研究进入了实质性的研究阶段。富勒烯及其化合物的分子结构确定对于研究这类化合物无疑是非常重要的,红外光谱、核磁共振、X射线衍射、质谱以及电化学方法都是非常重要的手段。在富勒烯研究中,质谱是相当重要的,在80年代中期的富勒烯以及富勒烯衍生物如金属富勒烯多面体都在质谱中首次发现的。电弧法成功地得到富勒烯后,质谱因其灵敏度高、用量少、简便、快速等优点,成为富勒烯化合物物理化学性能研究以及结构表征工具,其中激光解吸电离为软电离技术只给出化合物分子质量而不产生碎片离子,已成为研究富勒烯首选的重要工具。     

异质富勒烯C76BN的UV和IR光谱研究

Twenty-tow possible isomers for C76BN were studied by INDO methods. The two most stable geometries are 52,53-C76BN and 29,28-C76BN, in which boron and nitrogen atoms are connected with each other and located at the 6/6 bond near the longest axis of C78(C2v). Electronic spectra of C76BN were investigated with INDO/SCI method. UV absorptions of C76BN are red-shifted compared with those of C78(C2v). The structures and IR spectra for the four stable isomers of C76BN were calculated by AM1 method. It was indicated that the substitution of the BN unit weakens the conjugation of carbon atoms, leading to the decrease of IR frequencies.     

内嵌金属富勒烯的笼外化学修饰

内嵌金属富勒烯以其独特的结构和新奇的性质吸引了众多科学家的目光,对它们进行笼外化学修饰是最近十年来新兴的研究热点,这对于考察内嵌金属富勒烯的结构及化学物理性质并拓宽其应用范围具有重要意义。本文将内嵌金属富勒烯与各种底物的不同作用分类,以反应类型为线索,详细概括了已发表的内嵌金属富勒烯的各种笼外化学反应,包括各种环化反应、内嵌金属富勒烯与杯芳烃及冠醚的自组装、单键相连的衍生物、水溶性衍生物以及用内嵌金属富勒烯填充碳纳米管等。在对各种化学反应阐述的同时,对内嵌金属富勒烯的可能应用也进行了总结,并提出了自己的看法。