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JACS：中國科大楊上峰課題組在富勒烯骨架修飾上取得重要進展
來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2022-12-05
導(dǎo)讀：?近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心楊上峰教授課題組在富勒烯骨架修飾上取得重要進展，成功合成了首例內(nèi)嵌單金屬氮雜富勒烯，并發(fā)現(xiàn)通過對富勒烯碳籠進行骨架修飾可以調(diào)控內(nèi)嵌金屬富勒烯的電子性質(zhì)。相關(guān)研究成果于11月30日以“Monometallic Endohedral Azafullerene”為題在國際著名期刊《美國化學(xué)會志》上發(fā)表 (J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 21587-21595)，并且被選為當期外封面。
雜富勒烯是指富勒烯碳籠上的碳原子被雜原子（氮、硼等）取代后形成的特殊富勒烯，是富勒烯骨架修飾的重要途徑之一。由于雜原子外層價電子數(shù)不同于碳原子，雜富勒烯表現(xiàn)出不同于原始富勒烯的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。氮雜富勒烯是目前被廣泛研究的一類雜富勒烯，主要通過對空心富勒烯C60和C70進行化學(xué)修飾來合成。此外，通過在富勒烯碳籠內(nèi)部內(nèi)嵌金屬離子或團簇而形成內(nèi)嵌金屬富勒烯，可以賦予富勒烯功能材料更為獨特的物理性質(zhì)（如單分子磁性）。是否也可以對內(nèi)嵌金屬富勒烯的碳籠進行骨架修飾得到內(nèi)嵌金屬氮雜富勒烯呢？受此問題啟發(fā)，早在1999年，日本科學(xué)家先對內(nèi)嵌單金屬富勒烯La@C82進行化學(xué)修飾得到其單加成衍生物，然后利用質(zhì)譜技術(shù)將其離解，在其碎片質(zhì)譜峰中檢測到內(nèi)嵌單金屬氮雜富勒烯離子信號[La@C81N]+。然而，[La@C81N]+僅能在氣相中被檢測到，而未電離的原始內(nèi)嵌單金屬氮雜富勒烯La@C81N則一直未能在實驗中合成出來，因此成為困擾富勒烯領(lǐng)域長達20余年的難題。在前期工作中積累的合成和分離低產(chǎn)率、低穩(wěn)定性的新結(jié)構(gòu)富勒烯的基礎(chǔ)上（J. Am. Chem. Soc. 2015,137, 3119-3123；Angew. Chem. Int. Ed. 2020,59, 1048-1073；J. Am. Chem. Soc. 2021,143,8078-8085），楊上峰教授團隊通過優(yōu)化合成和分離條件，合成并分離出首例單金屬內(nèi)嵌氮雜富勒烯La@C81N。為了證實其碳籠為氮雜富勒烯，該團隊與廈門大學(xué)謝素原院士團隊合作，利用單晶X射線衍射技術(shù)精確確定了其分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明其碳籠源自C3v(8)-C82，其中一個碳原子被氮原子取代。進一步地，通過與德國萊布尼茨固體與材料研究所Alexey A.Popov教授團隊進行理論合作，推斷出了氮原子在碳籠上的取代位點。還通過電子順磁共振譜、紫外可見吸收光譜和電化學(xué)表征并結(jié)合DFT理論計算對其電子性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)La@C81N表現(xiàn)出了閉殼的電子結(jié)構(gòu)，與原始的La@C3v(8)-C82的開殼電子結(jié)構(gòu)明顯不同。因此,通過對富勒烯碳籠進行骨架修飾可以調(diào)控內(nèi)嵌金屬富勒烯的電子性質(zhì)。首例單金屬內(nèi)嵌氮雜富勒烯的合成與分離，成功解決了困擾富勒烯領(lǐng)域長達20余年的難題。審稿人認為“這個結(jié)果很有意思，并有助于理解氮雜富勒烯的獨特性質(zhì)”（“this result is very interesting and helpful for understanding the unique properties of azafullerenes.”）
圖注.(a)氮原子（橙色）取代La@C3v(8)-C82（左）碳籠上碳原子原位形成單金屬內(nèi)嵌氮雜富勒烯La@C81N（右）示意圖。(b) JACS外封面圖，形象地表示了在電弧放電條件下，氮氣分子的氮氮三鍵被破壞，裂解為兩個氮原子。隨后高能的氮原子（橙色）進攻碳籠，將碳籠上的一個碳原子（灰色）取代后留在碳籠骨架上，形成氮雜富勒烯。該論文的共同第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士研究生向文灝、蔣曉樂、特任副研究員姚陽榕，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊上峰教授和德國萊布尼茨固體與材料研究所Alexey A.Popov教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和德國研究基金會的資助。參考資料:http://kyb.ustc.edu.cn/2022/1205/c6076a583612/page.htm
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