基于铀和钍的内嵌锕系元素富勒烯的制备，结构与物理化学性质研究

Endohedral fullerenes based on Uranium or Thorium have attracted continuous attentions from theoretical researchers, due to their potential applications on nuclear industry and radiological medicine and the possible existing actinide metal-metal multiple bonds. Our preliminary research results show that, endohedral actinide fullerene may possess unique physicochemical properties which are different from either previously report fullerene or actinide compound. Moreover, novel actinide metallic clusters which contains important actinide multiple bonds were found to be stabilized inside the fullerene cage. These results demonstrate great research value of the actinide endohedral metallic fullerenes. Thus, the overall goal of the present proposal is to prepare and fully characterize a series of U and Th metallic endohedral fullerenes and novel cluster fullerenes with encapsulated U or Th based clusters. The specific objectives of this proposal are: to reveal the fundamental physical and chemical properties of U and Th endohedral fullerenes and, specifically, the essences of actinide metal-metal , metal-nonmetal multiple bonds. This project will open the new frontier for fullerene studies and might be able to confirm the actinide metal-metal multiple bonds by the experimental means. Moreover, it will deepen the understanding of actinide multiple bonds though the study of these novel actinide atomic clusters. This fundamental study will also pave the way for the future applied researches.

基于铀和钍的内嵌富勒烯由于其可能存在的锕系金属-金属多重键，以及在核工业和生物医学方面的潜在应用，受到了理论化学家的持续关注。然而，对该系列富勒烯的结构和物理化学性质的实验研究至今鲜有报道。我们的初步研究表明，该系列内嵌富勒烯可能具有不同于已报道的富勒烯与锕系元素化合物的独特物化性质，一些对研究锕系元素多重键具有重要价值的新型锕系金属原子簇可以在碳笼中稳定存在。这些预研结果显示了锕系金属内嵌富勒烯的重要研究价值。由此，本项目拟制备和表征一系列内嵌铀或钍的新型金属富勒烯和原子簇富勒烯，揭示锕系元素内嵌富勒烯的基本物理化学性质，重点研究碳笼内锕系元素金属－金属，金属-非金属多重键的本质等关键科学问题。此项研究将开辟富勒烯研究的新领域，并有可能以实验手段确认锕系金属-金属多重键，通过对新结构锕系金属原子簇的研究，加深对锕系元素多重键的认识，开发锕系富勒烯化合物的材料特性，为后续应用研究奠定基础。

基于铀和钍的内嵌富勒烯由于其可能存在的锕系金属-金属多重键，以及在核工业和生物医学方面的潜在应用，受到了理论化学家的持续关注。然而，对该系列富勒烯的结构和物理化学性质的实验研究至今鲜有报道。基于此，本项目首次合成和分离得到了一系列基于锕系金属U和Th的新型内嵌富勒烯U@C2n，Th@C2n以及U2@C2n, Th2@C2n和含Th或U元素的内嵌原子簇富勒烯，并对这些化合物进行了精确的结构测定和物理化学性质的系统表征，重点研究了其分子结构，电子结构，以及内嵌的锕系金属键，锕系金属-非金属多重键的特性，取得了系列研究成果：率先证实了锕系金属富勒烯的‘锕系金属/金属团簇-纳米碳笼’内嵌结构；发现了锕系金属原子与富勒烯碳纳米结构之间4电子转移效应及其相互稳定作用；利用纳米碳笼提供的限域配位环境，在国际上率先获得了含有锕系金属-金属键，轴向U=C双键等特殊锕系金属化学键的一系列分子化合物，回答了这些化学键在凝聚态下是否稳定存在的科学问题。这一系列研究成果为锕系化学键与锕系金属团簇研究提供了新的思路，对锕系元素化学研究具有重要意义。