内嵌金属碳氮化物团簇富勒烯的稳定性与生成机理

施俊杰 胡子琦 杨逸豪 步宇翔 施祖进

引用本文: 施俊杰, 胡子琦, 杨逸豪, 步宇翔, 施祖进. 内嵌金属碳氮化物团簇富勒烯的稳定性与生成机理[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 190707. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907077 shu
Citation:  Junjie Shi, Ziqi Hu, Yihao Yang, Yuxiang Bu, Zujin Shi. Stability and Formation Mechanism of Endohedral Metal Carbonitride Clusterfullerenes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(10): 190707. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907077 shu

内嵌金属碳氮化物团簇富勒烯的稳定性与生成机理

    通讯作者: 步宇翔, byx@sdu.edu.cn; 施祖进, zjshi@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21875002

    国家自然科学基金 21873056

    国家重点基础研究发展计划 2017YFA024901

摘要: 对新结构富勒烯金属包合物的探索是富勒烯领域中的研究重点。本文从内嵌团簇与富勒烯碳笼尺寸匹配的角度出发,对基于金属碳氮化物团簇的新结构富勒烯金属包合物进行了研究。通过量子化学计算研究了M3NC团簇(M = Y, La, Gd)内嵌在D2(186)-C96D2(35)-C88分子中所形成包合物的稳定性和电子结构,发现富勒烯碳笼接受内嵌团簇转移的六个电子形成了稳定结构。结合文献已报道过的Sc3NC@Ih(7)-C80分子,阐明了M3NC团簇与富勒烯碳笼之间的尺寸匹配效应,并发现D2(186)-C96D2(35)-C88Ih(7)-C80三种富勒烯碳笼均具有五元环均匀分布的结构特点。我们对富勒烯之间的转变路径进行了研究,提出了不含Stone-Wales异构化过程的富勒烯直接生成机理,即可以通过增加碳原子的过程使五元环重排,在保持稳定性结构单元的同时转变为更大碳笼。

English

    1. [1]

      Chai, Y.; Guo, T.; Jin, C. M.; Haufler, R. E.; Chibante, L. P. F.; Fure, J.; Wang, L. H.; Alford, J. M.; Smalley, R. E. J. Phys. Chem. 1991, 95, 7564. doi: 10.1021/j100173a002

    2. [2]

      张娅, 施祖进, 郝策, 徐建勋, 贺晓然, 顾镇南.物理化学学报, 2004, 20, 573. doi: 10.3866/PKU.WHXB20040604Zhang, Y.; Shi, Z. J.; Hao, C.; Xu, J. X.; He, X. R.; Gu, Z. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2004, 20, 573. doi: 10.3866/PKU.WHXB20040604

    3. [3]

      刘学森, 雷丹, 甘利华.物理化学学报, 2016, 32, 929. doi: 10.3866/PKU.WHXB201601221Liu, X. S.; Lei, D.; Gan, L. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 929. doi: 10.3866/PKU.WHXB201601221

    4. [4]

      Popov, A. A.; Yang, S.; Dunsch, L. Chem. Rev. 2013, 113, 5989. doi: 10.1021/cr300297r

    5. [5]

      Lu, X.; Akasaka, T.; Nagase, S. Chem. Commun. 2011, 47, 5942. doi: 10.1039/c1cc10123d

    6. [6]

      Ross, R. B.; Cardona, C. M.; Guldi, D. M.; Sankaranarayanan, S. G.; Reese, M. O.; Kopidakis, N.; Peet, J.; Walker, B.; Bazan, G. C.; Van Keuren, E.; et al. Nat. Mater. 2009, 8, 208. doi: 10.1038/NMAT2379

    7. [7]

      Bolskar, R. D. Nanomedicine 2008, 3, 201. doi: 10.2217/17435889.3.2.201

    8. [8]

      Feng, L.; Radhakrishnan, S. G.; Mizorogi, N.; Slanina, Z.; Nikawa, H.; Tsuchiya, T.; Akasaka, T.; Nagase, S.; Martin, N.; Guldi, D. M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7608. doi: 10.1021/ja202331r

    9. [9]

      Jiang, Y. H.; Wang, D. S.; Xu, D.; Zhang, J. Y.; Wang, Z. Y. ChemPhysChem 2018, 19, 2995. doi: 10.1002/cphc.201800797

    10. [10]

      Liu, F.; Krylov, D. S.; Spree, L.; Avdoshenko, S. M.; Samoylova, N. A.; Rosenkranz, M.; Kostanyan, A.; Greber, T.; Wolter, A. U. B.; Buchner, B.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 16098. doi: 10.1038/ncomms16098

    11. [11]

      Wang, T. S.; Wang, C. R. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 450. doi: 10.1021/ar400156z

    12. [12]

      Hu, Z. Q.; Dong, B. W.; Liu, Z.; Liu, J. J.; Su, J.; Yu, C.; Xiong, J.; Shi, D. E.; Wang, Y. Y.; Wang, B. W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1123. doi: 10.1021/jacs.7b12170

    13. [13]

      Stevenson, S.; Rice, G.; Glass, T.; Harich, K.; Cromer, F.; Jordan, M.; Craft, J.; Hadju, E.; Bible, R.; Olmstead, M. Nature 1999, 401, 55. doi: 10.1038/43415

    14. [14]

      Dunsch, L.; Yang, S. Small 2007, 3, 1298. doi: 10.1002/smll.200700036

    15. [15]

      Zhang, J. Y.; Stevenson, S.; Dorn, H. C. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1548. doi: 10.1021/ar300301v

    16. [16]

      Campanera, J. M.; Bo, C.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L.; Poblet, J. M. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 12356. doi: 10.1021/jp021882m

    17. [17]

      Iiduka, Y.; Wakahara, T.; Nakahodo, T.; Tsuchiya, T.; Sakuraba, A.; Maeda, Y.; Akasaka, T.; Yoza, K.; Horn, E.; Kato, T. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12500. doi: 10.1021/ja054209u

    18. [18]

      Stevenson, S.; Mackey, M. A.; Stuart, M. A.; Phillips, J. P.; Easterling, M. L.; Chancellor, C. J.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11844. doi: 10.1021/ja803679u

    19. [19]

      Mercado, B. Q.; Olmstead, M. M.; Beavers, C. M.; Easterling, M. L.; Stevenson, S.; Mackey, M. A.; Coumbe, C. E.; Phillips, J. D.; Phillips, J. P.; Poblet, J. M.; et al. Chem. Commun. 2010, 46, 279. doi: 10.1039/b918731f

    20. [20]

      Krause, M.; Ziegs, F.; Popov, A. A.; Dunsch, L. ChemPhysChem 2007, 8, 537. doi: 10.1002/cphc.200600363

    21. [21]

      Wang, T. S.; Feng, L.; Wu, J. Y.; Xu, W.; Xiang, J. F.; Tan, K.; Ma, Y. H.; Zheng, J. P.; Jiang, L.; Lu, X.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16362. doi: 10.1021/ja107843b

    22. [22]

      Frisch, M.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian 09, Revision A.1; Gaussian: Wallingford, CT, USA, 2009.

    23. [23]

      Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. doi: 10.1063/1.464913

    24. [24]

      Chaur, M. N.; Melin, F.; Ashby, J.; Elliott, B.; Kumbhar, A.; Rao, A. M.; Echegoyen, L. Chem. -Eur. J. 2008, 14, 8213. doi: 10.1002/chem.200800881

    25. [25]

      Xu, W.; Wang, T. S.; Wu, J. Y.; Ma, Y. H.; Zheng, J. P.; Li, H.; Wang, B.; Jiang, L.; Shu, C. Y.; Wang, C. R. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 402. doi: 10.1021/jp1087459

    26. [26]

      Jin. P; Zhou, Z.; Hao, C.; Gao, Z. X.; Tan, K.; Lu, X.; Chen, Z. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 12442. doi: 10.1039/b923106d

    27. [27]

      Zhang, J.; Bowles, F. L.; Bearden, D. W.; Ray, W. K.; Fuhrer, T.; Ye, Y.; Dixon, C.; Harich, K.; Helm, R. F.; Olmstead, M. M.; et al. Nat. Chem. 2013, 5, 880. doi: 10.1038/NCHEM.1748

    28. [28]

      Dunk, P. W.; Kaiser, N. K.; Hendrickson, C. L.; Quinn, J. P.; Ewels, C. P.; Nakanishi, Y.; Sasaki, Y.; Shinohara, H.; Marshall, A. G.; Kroto, H. W. Nat. Commun. 2012, 3, 855. doi: 10.1038/ncomms1853

    29. [29]

      Dang, J.; Wang, W.; Zheng, J.; Zhao, X.; Osawa, E.; Nagase, S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 16233. doi: 10.1021/jp302881u

    30. [30]

      Wang, W.; Dang, J.; Zheng, J.; Zhao, X.; Nagase, S. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 2349. doi: 10.1021/jp3100766

    31. [31]

      Mulet-Gas, M.; Abella, L.; Ceron, M. R.; Castro, E.; Marshall, A. G.; Rodriguez-Fortea, A.; Echegoyen, L.; Poblet, J. M.; Dunk, P. W. Nat. Commun. 2017, 8, 1222. doi: 10.1038/s41467-017-01295-9

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  533
  • HTML全文浏览量:  75
文章相关
  • 发布日期:  2021-10-15
  • 收稿日期:  2019-07-25
  • 接受日期:  2019-08-09
  • 修回日期:  2019-08-09
  • 网络出版日期:  2019-08-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章