采用量子化学计算方法，探索四配位平面碳在构建纳米分子中的应用

四配位平面碳是碳的一种非经典的成键方式，近年来对平面碳化学的研究促进了人们对这种成键方式有了更好的认识，如何利用这种成键方式构建有潜在应用的分子或材料是下一步值得研究的问题。本项目利用我们对石墨烯分子从另一个角度的阐释，根据初步计算所得到的含六个平面碳的六边形C6Be6H6分子(或其它类似的分子）作为基本单元，通过桥氢键或类桥氢键连接，采用量子化学计算方法，计算设计一类全新的在几何结构上类似石墨烯、碳纳米管和富勒烯的分子。并研究把得到的成键规律推广到其它第二和第四主族元素的组合的可行性。参考石墨烯、碳纳米管、和富勒烯的化学性质，研究所得到的纳米分子的潜在应用。本项目研究将为实验合成新的纳米材料分子提供参考或努力的方向。所揭示的成键规律将有助于促进有机化学和无机化学的学科交叉。

平面四配位碳是碳的一种非经典成键方式。人们已经就如何打破sp3杂化四面体碳的刚性取得稳定平面四配位碳进行了大量的研究，但如何使用平面四配位碳成键设计材料还少有报道。在本项目中，我们开展了两项紧密相关的工作：第一、设计具有全局极小属性的平面四配位和平面多配位碳分子，为材料设计准备合适的结构单元（对小分子，只有低能异构体才能被实验实现）；第二、以这些分子为结构单元设计各种纳米材料分子。在第一方面，我们取得了如下有意义的结果：1) 设计了含有4-6个平面四配位碳的C-Al“星芳烃”CnAln (n=4-6，其中C5Al5-是含有5个平面四配位碳的全局极小分子；2) 通过使用BeH基团替换C-Al“星芳烃”的铝原子并扩展设计了含4-9个平面四配位碳的C-BeH“星芳烃”CnBenHnq (n=4-9)；3) 设计了含平面五配位碳的全局极小分子CAl4Be，CAl3Be2-，CAl2Be32-和CAl2Be3-；4) 设计了含平面六配位碳的全局极小分子CO3Li3+和动力学稳定分子CN3Be3+。在第二方面，我们取得了如下有意义的结果：1) 通过分析我们之前设计的全局极小含两个ptC的C2Al4分子的电子结构，我们提出了一种“双功能”的化学修饰法在C2Al4分子的基础上设计了更易于实验合成平面碳分子。以这些分子为结构单元，我们通过缩聚的方式设计了一维链状、平面片状和管状的纳米分子；2) 我们还发现C-Al“星芳烃”也可以作为结构单元，用类似的方式设计纳米分子。3) 我们发现两个C-BeH“星芳烃”分子可以通过形成Be2H2氢桥键的方式连接起来，我们以D6h C6Be6H6为例设计了形貌类似于富勒烯、碳纳米管和石墨烯的笼状、管状和平面片状的纳米分子；计算结果表明，形成这些纳米分子的过程是热力学高度有利的；4) 我们发现C-BeH“星芳烃”具有与相应的单环芳烃类似的pi电子结构，可以与过渡金属形成夹心结构，我们平面片状“星芳烃”聚集体分子作为核心配体首次设计了具有连续三维网络结构的夹心化合物。