含镥内嵌金属富勒烯Lu2C2n

富勒烯是一类全碳球形的笼状分子，具有新颖的结构和多样化的物理化学性质。自1985年人们发现富勒烯以来，这种分子引起了许多科学家的关注，主要发现者也因此荣获1996年的诺贝尔化学奖。富勒烯作为唯一可溶且具有确定分子结构的碳材料，可以通过X射线单晶衍射技术来确定分子结构，因此富勒烯被认为是研究其他新型碳材料，如碳纳米管和石墨烯（2010年诺贝尔物理学奖）的结构及机理原型。在原子尺度下对富勒烯亚纳米级中空的碳笼进行掺杂可得到一类结构性质更为独特的化合物，称为内包富勒烯，为人类探究亚纳米尺度下微观世界寡原子间的相互作用提供了实验平台。内包富勒烯表现出许多新奇的光、电、磁等性质，在超导、生物医药、能量存储与转换及量子计算等方面应用显著。

研究发现，M₂C_2n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@C_2n，另一种是金属碳化物簇富勒烯M₂C₂@C_2n-2。到目前为止，越来越多的M₂C_2n型金属富勒烯都证明是以金属碳化物簇富勒烯M₂C₂@C_2n-2形式存在的，但双金属富勒烯M₂@C_2n的报道相对较少。近年来，华中科技大学的卢兴教授（点击查看介绍）团队一直致力于设计及合成新型内包金属富勒烯，并对其分子结构、形成机制及未来应用进行更加深入的研究。该团队近日成功合成了一系列含镥内嵌金属富勒烯Lu₂C_2n（2n = 82-86），并通过X射线单晶衍射法精确测定了其分子结构，发现它们都是双金属富勒烯（Lu₂@C_82-86），而非常见的碳化物簇富勒烯。有趣的是，作者通过进一步分析其单晶结构，发现两个相互排斥的镥离子之间的距离小于镥-镥单键的键长；同时，理论计算结果显示在Lu₂C_2n型的内嵌金属富勒烯中，内部的两个镥离子倾向于只贡献出一个6s电子和一个5d电子给碳笼，而另一个6s电子会保留下来，于是两个相互排斥的二价镥离子之间可以克服库仑斥力形成镥-镥金属单键。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，卢兴教授、李芳芳教授、彭平教授和河北工业大学的金朋教授为论文的共同通讯作者，2014级博士生沈王强为第一作者。这一研究成果不仅丰富了金属富勒烯家族，同时对深刻理解金属富勒烯的分子结构、形成机理及金属-碳间的配位作用具有一定的参考价值。

(a)Lu₂@C_s(6)-C₈₂、(b) Lu₂@C_3v(8)-C₈₂、(c) Lu₂@D_2d(23)-C₈₄以及(d) Lu₂@C_2v(9)-C₈₆的单晶结构

该论文作者为：Wangqiang Shen, Lipiao Bao, Yongbo Wu, Changwang Pan, Shasha Zhao, Hongyun Fang, Yunpeng Xie, Peng Jin, Ping Peng, Fang-Fang Li and Xing Lu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Lu₂@C_2n (2n = 82, 84, 86): Crystallographic Evidence of Direct Lu–Lu Bonding between Two Divalent Lutetium Ions Inside Fullerene Cages

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9979, DOI: 10.1021/jacs.7b04421

导师介绍

卢兴

http://www.x-mol.com/university/faculty/35051