《富勒烯包合物的结构、性质与生成机理研究》

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自从1985年富勒烯被发现以来,富勒烯独有的笼状结构,使其有可能在笼内包合原子,形成富勒烯金属包合物,从而使富勒烯具有一系列独特的物理和化学性质,在新型材料方面具有潜在的应用价值,因此对富勒烯包合物的研究成为了热点课题之一。  该项目通过对富勒烯及其包合物的结构与性质进行理论研究,期望加深人们对富勒烯的了解。我们的研究得到了如下有创新性的结果:  (1)高碳富勒烯及其阴离子的相对稳定性研究:我们用DFT理论方法,研究了高碳富勒烯C_78,C_80,C_82的各种异构体及各异构体的-1,-2,-3价离子的结构与相对稳定性,发现对于高碳富勒烯的异构体,其中性分子与-1、-2、-3价离子的相对稳定性各不相同,因此高碳富勒烯在包合不同的金属原子时,由于电荷转移的数目不同,会采用不同的异构体,实验结果已证实了这一点。  (2)富勒烯包合物的结构与化学反应性的研究:利用半经验及DFT方法研究了高碳富勒烯1,3-偶极与[4+2]环加成反应的机理,讨论了影响反应的区域性的两大因素:张力及键级对不同富勒烯的影响。  (3)富勒烯包合物的生成机理研究:研究了金属离子通过C60的多氧化物,如C_60O_3,C_60O_5,C_60O_6等在碳笼上形成的“窗口”,进入C_60笼内形成包合物的机理发现包合原子与碳笼上O原子和C原子之间的电荷转移及其通过电荷转移产生的相互作用是此类反应的内在驱动力。  (4)B-N取代的富勒烯C_50-2x(BN)_x(x=1-15)的理论研究:我们研究了连续的BN取代的C50掺杂富勒烯C50-2x(BN)x(x=1-15)的电子与化学性质。发现BN单元取代的位置遵循“单键”、“六元环饱和”与“连续的赤道带”规则,影响BN-取代富勒烯稳定性的因素是笼的张力。  以上对富勒烯的理论研究,丰富了人们对于富勒烯结构与性质的认识,对于应用研究具有理论指导意义。同时对于高碳富勒烯的金属包合物,由于存在金属原子,半经验方法不适用;而由于原子数目较多,从头算及DFT理论计算也有很大困难,这限制了对其化学反应活性的研究,因此我们需要寻找新的QM/MM方法进行高碳富勒烯金属包合物的化学反应活性的研究。

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