作为唯一可溶且具有确定分子结构的碳同素异形体，富勒烯（1996年诺贝尔化学奖）可用单晶X射线法进行精确的结构表征，相关结果对于深刻理解其它新型碳材料如碳纳米管和石墨烯的结构、性质及生成机理都具有一定的启示意义。富勒烯亚纳米级中空碳笼内可包入多种金属原子或团簇，形成一类新型的杂化分子材料，被称为内包金属富勒烯，这为精确研究亚纳米尺度下寡原子的相互作用机制提供了一个理想平台。另外，由于金属富勒烯兼具内部金属团簇和外部富勒烯碳笼的性质，在生物医药、材料学及电子学方面有着潜在的应用。
研究发现，M2C2n型金属富勒烯可能以两种形式存在：一种是双金属富勒烯M2@C2n，另一种是金属碳化物簇富勒烯M2C2@C2n-2，此前很多碳化物结构都错误地指认为双金属富勒烯。近年来，华中科技大学卢兴教授团队一直致力于开发新型金属-碳基杂化材料，并深刻理解其形成机制、构效关系及未来应用。该团队近日成功合成了一系列嵌镧超大碳笼富勒烯La2C2n（2n=92-100），通过X射线单晶衍射法精确测定了它们的分子结构，发现它们全部是金属碳化物簇富勒烯（La2C2@C2n-2）。结合理论计算结果，作者发现内嵌在碳笼中的C2单元在电子结构和几何结构两方面，对稳定金属富勒烯分子起到协同作用。一方面，C2单元能够部分中和金属簇所携带的电荷，降低碳笼上的电荷密度；另一方面，C2单元能够尽可能地满足La3+离子对周围配位环境的要求，从而稳定整个金属富勒烯分子。这一成果近期作为封面文章发表在Journal of the American Chemical Society 上，为研究亚纳米尺度下寡原子间的相互作用提供了新的思路，同时也给其他金属簇富勒烯分子结构的确定以及形成机理的探究提供一定的参考。该工作的计算部分得到了西安交通大学赵翔课题组的大力协助。
此外，卢兴教授团队通过设计合成具有相同管状结构但包含不同金属团簇的超大富勒烯C100，成功实现了对[10,0]-型短碳纳米管在亚纳米尺度下的内部压缩，利用晶体学手段精确测定了管壁对内部应力的响应（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5896）；而对更大碳笼富勒烯La2C2@C102-104的结构分析表明“缺陷”富勒烯可形成多种完美结构，从晶体学角度印证了富勒烯“自上而下”的形成机理（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6670）。同时作者还发现碳笼的形状和尺寸对晶格中金属富勒烯分子与镍卟啉分子之间的相互作用具有显著的影响，从而调控金属富勒烯分子在晶体状态的堆积方式，为设计合成具有特定功能的分子材料提供了实验依据。
该论文作者为：Shasha Zhao, Pei Zhao, Wenting Cai, Lipiao Bao, Muqing Chen, Yunpeng Xie, Xiang Zhao and Xing Lu
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Stabilization of Giant Fullerenes C2(41)-C90, D3(85)-C92, C1(132)-C94, C2(157)-C96, and C1(175)-C98 by Encapsulation of a Large La2C2 Cluster: The Importance of Cluster–Cage Matching
J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 4724, DOI: 10.1021/jacs.6b11970
导师介绍
卢兴
http://www.x-mol.com/university/faculty/35051
课题组主页
http://mat.hust.edu.cn/T/LUXing.htm