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中国科大成功捕获“消失”的富勒烯

  近日,中国科学技术大学杨上峰教授课题组成功地合成并分离表征了一种十余年来一直被认为因稳定性低而“不可被分离”的新结构内嵌富勒烯,这一发现弥补了内嵌富勒烯研究领域的一席空白,实验上证明了分离出低稳定性的新结构富勒烯的可能性。该工作以“Capturing the Long-Sought Small-Bandgap Endohedral Fullerene Sc3N@C82 with Low Kinetic Stability”为题发表于最新一期的国际重要化学期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3119−3123)。

 

  富勒烯结构中最为特殊的性质是其碳笼内部为空腔结构,因此可以在其内部空腔内嵌某些特殊物种(原子、离子或原子簇),由此而形成的富勒烯被称为内嵌富勒烯(endohedral fullerene)。由于内嵌富勒烯内部所内嵌的物种可以转移特定数目的电子到外部的碳笼上,内嵌富勒烯具有许多空心富勒烯所不具备的特殊物理和化学性质,从而成为碳材料领域的国际研究热点。值得一提的是,1999年Nature期刊报道了一种新型内嵌富勒烯 — Sc3N@C80(称之为内嵌金属氮化物原子簇富勒烯),因其产率高于其他所有内嵌富勒烯从而掀起了内嵌富勒烯的研究热潮。随后人们对于基于其他稀土金属的内嵌金属氮化物原子簇富勒烯的研究表明一系列不同大小的碳笼均可以形成内嵌金属氮化物原子簇富勒烯。然而,目前分离出的基于金属钪(Sc)的内嵌金属氮化物原子簇富勒烯的碳笼均小于C80,而仅比Sc3N@C80多两个碳原子的Sc3N@C82虽然被数个研究组发现存在于混合物产物中,但经过分离后却神秘地“消失”了。理论研究结果表明其带隙太小导致动力学上不稳定从而“不可被分离”。因此,实验上能否分离出Sc3N@C82成为十余年来一直困扰着富勒烯界的一大难题。

 

  该研究组基于前期在新结构内嵌富勒烯合成和分离方面的系列工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8196-8200;Chem. Commun. 2009, 6391-6393;J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5413-5421;Chem. Commun. 2011, 47, 11822-11839;Inorg. Chem. 2012, 51, 3039–3045;Sci. Rep. 2013, 3, 1487-1492;Inorg. Chem. 2014, 53, 5201-5205),通过改进电弧放电法所用到的电弧炉装置,成功地提高了Sc3N@C82的产率,并利用多步高效液相色谱法成功分离了Sc3N@C82。进一步地,通过与厦门大学谢素原教授组合作,利用X射线单晶衍射法成功确定出其碳笼的分子结构为C2v(39718)-C82,这也是基于C82碳笼的内嵌金属氮化物原子簇富勒烯家族中一个全新的碳笼异构体结构。有意思的是,该异构体结构与理论计算所预测的结构并不一致,因此实验上成功确定其分子结构对于澄清多年来对其结构的错误认识具有重要的意义。审稿人认为“This article reports a significant advance in endohedral fullerene chemistry”;“This work represents a significant advancement in the field of metallofullerene science… It is great work”。 (“文章在富勒烯化学上取得了重要的进展”;“这项工作标志着在金属富勒烯科学领域取得了巨大的进展……这是一项很棒的工作。”)

 

  

 

  

  中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生卫涛为该论文的第一作者。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

  

  附文章链接:

 

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b00199

 

  (化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室、量子信息与量子科技前沿协同创新中心、科研部)

 
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