大碳笼金属富勒烯的合成、分离及表征

内嵌金属富勒烯其分子结构和性能独特，在生物医学、光学和磁学等方面有广阔和应用前景，引起科学界的广泛兴趣。本项目拟对大碳笼金属富勒烯的高效率合成、提取、分离方法进行系统的研究，主要合成出具有开壳层结构的镧系元素Gd、Sm、Eu、Tb等的大碳笼金属富勒烯，其可能的结构形式有：M@C2n、M2@C2n和M2C2@C2n。通过X-射线单晶结构分析全面解析所合成的大碳笼金属富勒烯的结构，并进行对比研究它们的紫外可见近红外光谱、振动光谱等，揭示内嵌金属物种与碳笼的化学键性质及其电子结构和物理化学性质。与高等级的DFT计算结合，在分子水平上研究内嵌金属或金属原子簇与碳笼的电荷转移、轨道作用等，从而深入认识金属富勒烯体系特殊的化学成键本质。利用其特殊的开壳层体系结构，制备其超分子组装体如单晶和薄膜材料，并进行光学、磁学等方面性质的研究，为基于大碳笼金属富勒烯原的潜在应用奠定基础。

内嵌金属富勒烯的分子结构和性能独特，在生物医学、光学和磁学等方面有广阔的应用前景。本项系统地开展了含Sm和含La大碳笼金属富勒烯合成、分离、结构表征和性质的研究。通过优化电弧放电制备金属富勒烯的条件，提高了金属富勒烯的产率。利用多步HPLC分离方法得到了一系列含Sm金属富勒烯和含La金属富勒烯以及大某些大碳笼空心富勒烯异构体。用MS、UV-Vis-NIR等方法进行了表征，并成功地利用同步辐射单晶衍射确定了它们的结构。利用密度泛函理论方法对金属金属富勒烯进行了深入的理论研究。为大碳笼金属富勒烯的生成机理提供了有价值的信息。.本项目执行期间，合成并鉴定了20余种大碳笼金属富勒烯和空心富勒烯。代表性的有La2@C100，D5h(1)-C90，4个Sm@C90异构体，3个Sm@C82，3个Sm@C84异构体，2个Sm@C92异构体和含Sm双核金属富勒烯Sm2@C2n（n = 44, 45, 46）异构体等富勒烯，极大地丰富了富勒烯家族的成员。在此基础上，在分子水平上揭示了内嵌金属与碳笼之间的电荷转移、轨道作用等，从而深入认识金属富勒烯体系特殊的化学键本质。为基于大碳笼金属富勒烯原的潜在应用奠定基础。