近日，中国科学院(CAS)中国科学技术大学(USTC)杨尚峰教授领导的研究团队合成了一种单金属内嵌氮杂富勒烯(MEAF) La@C 81 N，用于第一次，提供了一种通过碳笼的骨架修饰来调节金属内嵌富勒烯电子特性的新方法。他们的工作发表在美国化学学会杂志上。

首次合成单金属内嵌氮杂富勒烯

当笼子上的碳原子被氮原子取代时，就会产生氮杂富勒烯。氮杂富勒烯在电子结构和物理化学性质方面均不同于富勒烯。除了骨架和外嵌修饰外，富勒烯还可以通过包裹金属或非金属原子进行内嵌修饰，表现出单分子磁性等独特性质。

因此，为了结合两种类型富勒烯的优点，研究人员一直在尝试对内嵌金属富勒烯的笼进行修饰以获得MEAF。尽管之前的研究已经在气相中检测到电离的 MEAF [La@C 81 N] +，但从未合成过原始的 MEAF。

基于先前在新型低稳定性杂富勒烯合成和分离方面的工作，杨教授团队通过改进的 Krätschmer-Huffman 直流电弧放电法合成了原始的 MEAF La@C 81 N，并通过四-分离 La@C 81 N步高效液相色谱法(HPLC)。

为了验证碳笼是氮杂富勒烯，他们通过单晶 X 射线衍射表征了 La@C 81 N 的分子结构，并确认碳笼源自具有一个碳原子的C 3 v (8)-C 82被一个氮原子取代。

此外，该团队通过ESR光谱、紫外-可见-近红外光谱和电化学系统地研究了La@C 81 N的电子特性。他们还进行了 DFT 计算以确定可能的氮替代位点。结果表明，La@C 81 N以稳定的单体形式存在，具有闭壳电子态，与La@ C 3 v (8)-C 82的开壳电子态截然不同。因此，富勒烯碳笼的骨架修饰可以调节金属内嵌富勒烯的电子性质。

这项工作解决了合成和分离原始 MEAF 的两个十年挑战。正如审稿人评论的那样，“这个结果非常有趣，有助于理解氮杂富勒烯的独特性质。”