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.     

气相中原子分子成簇动力学Ⅱ.碳簇形成动力学

在前文所提出的成簇动力学模型的基础上，对碳的成簇过程进行了模拟，结果表明碳簇的形成是一个任意加成的过程．随团簇尺寸增加，加成反应速度减慢．原子数目约为20－48的中等碳簇具有异常大的反应速率常数，显示了它们具有最多的碳簇边缘原子；可能为尚未封口的碗型结构．团簇形成过程中，还发生解离反应，其中小团簇的解离过程更为重要．在综合考虑各种因素之后，成功地模拟出了与实验结果一致的团簇分布．对不同反应常数的分析则揭示出团簇几何构型方面的特点．     

气相中原子分子成簇动力学 II.碳簇形成动力学

在前文所提出了成簇动力学模型的基础上，对碳的成簇过程进行了模拟，结果表明碳簇的形成是一个任意加成的过程，随团簇尺寸增加，加成反应速度减慢，原子数目约为２０－４８中等碳簇具有异常大的反应速率常数，显示了它们具有最多的碳簇过缘原子，可能为尚未封口的碗型结构，团簇形成过程中，还发生解离反应，其中小团簇的解离过程更为重要，在综合考虑各种因素之后，成功地模拟出与实验结果一致的团簇分布，对不同反应常数的分析则     

Ⅲ-Ⅴ族多面体团簇的稳定性规律

本文对Ⅲ-Ⅴ族多面体团簇的几何结构与稳定性规律之间的关系进行了总结,内容包括富勒烯C_n团簇、C_nX_n(X=H,F)团簇、B_nN_n团簇、(HBNH)_n团簇、N_n团簇及羰基硼(BCO)_n团簇。对于富勒烯,最成熟的稳定性判据为独立五元环规则和五元环共边计数规则,它们都强调C_n团簇由五元环与六元环形成,且五元环应最大程度分离。但氢化或氟化后的C_nX_n(X=H,F)团簇有不同的稳定性规律,它们的稳定结构为五元环聚集的管状结构。B_nN_n团簇主要由四元环、六元环这样的偶数元环形成,避免了BB或NN键的出现。其最稳定结构中,四元环呈最大分离。最稳定的(HBNH)_n团簇为四元环聚集的针状结构。N原子与CH单元为等电子体,但最稳定的N_n团簇由三元环、五元环与六元环形成,呈管状结构。BCO单元与CH也具有等瓣相似性,但最稳定的(BCO)_n结构由三元环和六元环形成。对部分氢化或氟化富勒烯稳定性规律的探索,是Ⅲ-Ⅴ族团簇稳定性研究的下一个难点。     

富勒烯和碳纳米管稳定性与形成机理的图形理论定性研究

应用图形理论对不同种类碳簇体系的Kekulé结构数进行了计算, 并在半经验方法(AM1)和密度泛函理论(DFT)水平上，讨论了不同种类碳簇的结构与稳定性. 基于Kekulé结构计数, C-Cσ键数, 富勒烯的表面曲率和能量, 对石墨碎片的卷曲行为以及富勒烯的形成机理进行了讨论. 研究结果表明石墨碎片的卷曲, 一端闭合, 到完全封闭, 可以减少结构中的悬键; 随着新的C-Cσ键生成, Kekulé结构数将急剧地增加, 特别是大的富勒烯和碳纳米管, 这种增加更为显著. 大量Kekulé结构间的共振使体系获得显著的共振稳定化能, 稳定具有张力的富勒烯和碳纳米管, 并驱动平面碳簇结构向闭合结构的转化. 对于Kekulé结构数相近的碳笼, 表面曲率对曲面结构的稳定性有重要的影响. 把Kekulé结构计数和表面曲率结合起来, 可以合理地理解球形笼状富勒烯、闭合纳米管和类“洋葱”型结构等高碳簇在热力学上的稳定性.     

金团簇的荧光性质及其生物应用

金纳米团簇作为一类新型纳米材料具有独特的光学特性。当金纳米团簇颗粒的尺寸小到与电子的费米波长（〈1nm）相当时,由于量子尺寸效应,金颗粒会受激发射出荧光。作为一种新型荧光材料,金纳米团簇具有发光颜色随团簇尺寸可调、荧光不易猝灭等许多优势。本文主要综述了金纳米团簇的荧光性质及其在生物标记、生物成像以及生物检测等方面的应用...     

钆基富勒烯磁共振成像分子影像探针的研究进展

含有顺磁性金属钆离子及钆团簇的内嵌金属富勒烯(如Gd@C82,Gd@C60和Gd3 N@C80)及其衍生物是一类高效的MRI分子影像探针,其造影效率远优于传统钆基螯合物造影剂.重要的是,碳笼的高度稳定性保护了内嵌团簇,使之免受体内代谢物质的进攻和防止了外泄,从而大大提高了其生物安全性.同时,碳笼还是其它生物活性物质或分子影像探针的有效载体,易赋予其多功能性,从而提高疾病检测的灵敏度和准确性.本文介绍了多种钆内嵌金属富勒烯分子影像探针的研究进展,讨论了内嵌金属团簇和笼外化学修饰对其弛豫性能的影响,以及不同的功能基团对其生物相容性和动物体内分布的影响,并展望了其兼具多功能分子影像探针载体的应用前景.     

内嵌富勒烯的研究进展

内嵌富勒烯由于其结构新颖以及独特而优异的性质在国际上引起持续而广泛的关注,成为近年来的研究热点之一.目前已经研究发现的内嵌富勒烯多达近百种,从惰性气体到碱土金属再到稀土元素都已被成功地嵌入到不同尺寸的碳笼中.其中金属离子或含金属的离子簇内嵌入富勒烯碳笼形成的内嵌金属富勒烯,以其种类丰富、结构多样成为内嵌富勒烯的主要研究对象.本文就近年来研究报道的种类繁多的内嵌富勒烯按其内嵌物类型进行归纳阐述,为今后开发更多新型的内嵌富勒烯提供一定的参考.     

原子数精确的金属纳米团簇在电催化领域的应用研究进展

金属纳米团簇(MNCs)是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2nm.金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子(MNPs)不同的电子结构有关.金属纳米团簇确定的组成和结构使其成为一种新型模型催化剂,对纳米团簇的催化性能研究有利...     

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。     

Strain Release of Fused Pentagons in Fullerene Cages by Chemical Functionalization

According to the isolated pentagon rule (IPR), for stable fullerenes, the 12 pentagons should be isolated from one another by hexagons, otherwise the fused pentagons will result in an increase in the local steric strain of the fullerene cage. However, the successful isolation of more than 100 endohedral and exohedral fullerenes containing fused pentagons over the past 20 years has shown that strain release of fused pentagons in fullerene cages is feasible. Herein, we present a general overview on fused‐pentagon‐containing (i.e. non‐IPR) fullerenes through an exhaustive review of all the types of fused‐pentagon‐containing fullerenes reported to date. We clarify how the strain of fused pentagons can be released in different manners, and provide an in‐depth understanding of the role of fused pentagons in the stability, electronic properties, and chemical reactivity of fullerene cages.     

卤化富勒烯研究进展

自从C60被发现并能被大量制备以来,富勒烯化学已成为有机化学学科发展最快的领域之一.富勒烯通过多加成反应形成具有独特结构和性能的富勒烯卤化物和全氟烷基化物,为设计合成新型富勒烯基功能材料开辟了新方向.本文综述了近几年来在卤化富勒烯和全氟烷基化富勒烯的合成方法、结构及性能方面取得的最新进展,重点介绍了氟化富勒烯及其衍生化反应,并展望了该领域今后的发展趋势.     

Formation of MoS2 inorganic fullerenes (IFs) by the reaction of MoO3 nanobelts and S

The reaction of MoO3 and S at temperatures higher than 300 degrees C in an argon atmosphere provides a convenient and effective method for the synthesis of MoS2 nanocrystalline substances. MoS2 nanotubes and fullerene-like nanoparticles have been obtained by the reaction at 850 degrees C under well-controlled conditions. The influences of reaction temperature and duration were carefully investigated in this paper. All of the nanostructures were characterized by Xray powder diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). A stepwise reaction model and rolling mechanism were proposed based on the experimental results.     

卤化富勒烯研究进展

自从C60被发现并能被大量制备以来,富勒烯化学已成为有机化学学科发展最快的领域之一。富勒烯通过多加成反应形成具有独特结构和性能的富勒烯卤化物和全氟烷基化物,为设计合成新型富勒烯基功能材料开辟了新方向。本文综述了近几年来在卤化富勒烯和全氟烷基化富勒烯的合成方法、结构及性能方面取得的最新进展,重点介绍了氟化富勒烯及其衍生化反应,并展望了该领域今后的发展趋势。     

Capturing the Antiaromatic #6094C68 Carbon Cage in the Radio‐Frequency Furnace

Although all fullerenes do not satisfy the classical aromaticity condition, as a result of their nonplanar nature, they experience effective stabilization due to extensive cyclic π‐electron delocalization and exhibit pronounced “spherical aromaticity”. This feature has raised the question of the opposite phenomenon, that is, the existence of antiaromatic carbon cages. Here the first experimental evidence of the existence of antiaromatic fullerenes is reported. The elusive ^#6094C₆₈ was effectively captured as C₆₈Cl₈ by in situ chlorination in the gas phase during radio‐frequency synthesis. The chlorinated cage was separated by means of multistage HPLC, and its connectivity unambiguously determined by single‐crystal X‐ray analysis. Halogen‐stripped pristine ^#6094C₆₈ was monitored by mass spectrometry of the chlorinated C₆₈Cl₈ cage. Quantum chemical calculations reveal the highly antiaromatic character of ^#6094C₆₈, in accordance with all geometric, energetic, and magnetic criteria of aromaticity. Chlorine addition leads to substantial stabilization of the cage owing to aromatization in the resulting C₆₈Cl₈, which explains its high abundance in the primary fullerene soot. This work provides new insights into the process of fullerene formation and better understanding of aromaticity phenomena in general.     

Interaction of fullerene C60 with iodine in organic solvents

The interaction of fullerene C₆₀ with molecular iodine in organic solvents was studied. The stoichiometry of the complex formed, C₆₀I₂=13, was determined spectrophotometrically and by the interphase distribution technique. The constant of the formation of the adduct in toluene was calculated to be logK=8.9±0.3.Translated fromIzvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 3, pp. 481–483, March, 1995.