富勒烯中空碳笼内可包入多种原本极不稳定的金属团簇（如M₃N、M₂C₂、M₂O等），形成内嵌金属富勒烯。由于金属富勒烯的可溶性及明确的分子结构，人们可以采用单晶X射线衍射手段进行精确表征，从而深入理解亚纳米尺度下寡原子间的相互作用机制。迄今为止，利用富勒烯碳笼的限域效应，人们发现了很多新结构和新现象，如稀土或锕系金属离子间的直接键合（如Y²⁺–Y²⁺或U³⁺–U³⁺）等。然而，目前被证实可以被包入富勒烯碳笼内的金属元素几乎都含有具有较强配位能力的稀土或锕系元素，而对于过渡金属元素，目前得到的化合物多局限于它们与稀土金属同时嵌入碳笼内形成的混合金属富勒烯，如TiLu₂C@C₈₀、VSc₂N@C₈₀等，而对于碳笼内仅嵌入过渡金属团簇的化合物，虽然理论计算和谱学结果都预示着它们的存在，但此类新型金属富勒烯的分子结构至今未被报道。

近日，华中科技大学材料学院卢兴教授（点击查看介绍）团队利用高度对称的I_h-C₈₀碳笼成功捕获了由三个钛原子和三个碳原子组成的全新Ti₃C₃团簇，形成了新型过渡金属碳化物团簇富勒烯Ti₃C₃@C₈₀，并对其分子结构、物化性质和价键构型进行了系统的分析和表征。

图1. （a）Ti₃C₃@I_h-C₈₀的单晶结构（b）Ti₃C₃团簇的构型及其在C₈₀碳笼内的相对位置。

他们利用TiC为金属源与高纯石墨在氦气下，通过电弧放电方式成功制备了含有内嵌过渡金属钛的富勒烯原灰。随后，通过路易斯酸碱富集与高效液相色谱分离相结合的方法，成功获得了Ti₃C₈₃样品。X射线单晶衍射结果确定了其分子结构为Ti₃C₃@I_h-C₈₀（图1a），这是自金属富勒烯被发现以来，第一次报道三个碳原子同时嵌入富勒烯碳笼的例子。更为有趣的是，如图1b所示，内部Ti₃C₃团簇中的三角形C₃单元位于碳笼中心，碳原子间平均键长为1.380 Å，具有C-C单键的特征。三个Ti原子也形成一个三角形，其平面与C₃单元形成的平面近乎垂直（二面角为83.43°），这种类环丙烷式的配位方式在传统配位化合物中未见报道。过渡金属Ti-Ti之间距离范围为2.976 Å到3.604 Å，说明钛原子间存在弱的金属-金属间相互作用。每个钛原子均位于碳笼上与其相近的[5,6]键下方，它们与最近的碳笼碳原子的距离约为2.100 Å，说明形成了Ti-C单键，印证了金属与碳笼之间的较强配位作用。

进一步的理论研究发现内部金属Ti的价态处于+2和+3价之间，使得Ti₃单元整体表现为+7价，而C₃单元的表观价态为-1价，因此Ti₃C₃团簇共向碳笼转移了6个电子，这完美地解释了吸收光谱和电化学测试的结果。

该工作成功地将一个全新的Ti₃C₃团簇嵌入到富勒烯碳笼之中，并对其分子结构、内部团簇的构型和成键情况以及碳笼内外相互作用进行了详细的分析，发现了未知的配位方式，对今后开发具有新颖结构的金属富勒烯及进一步推进富勒烯化学和配位化学领域的发展都具有重要的意义。相关研究工作发表在Chemical Science上。文章的共同第一作者是博士生余鹏远、博士后沈王强博士和洪堡学者鲍立飘博士，卢兴教授是本文的唯一通讯作者。

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）：

Trapping an unprecedented Ti₃C₃ unit inside the icosahedral C₈₀ fullerene: a crystallographic survey

Pengyuan Yu, Wangqiang Shen, Lipiao Bao, Changwang Pan, Zdenek Slanina, Xing Lu

Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/c9sc04315b

导师介绍

卢兴

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