氧杂富勒烯的合成与性能研究

Fullerene is a apherical type of molecules cosisitng of only carbon atoms, heterofullerene refers to fullerene derivatives prepared from partial replacement of carbon atom(s) by other atom(s). A large number of theoretical studies have been reportd on the heterofullerene, but only the monoazafullerene has been synthesized so far. Heterofullerene is of much interest int the exploration of fullerene applications since the introduction of hetero atom(s) will change the conjugation system and thus leading to improved functional properties. The present project aims to synthesize oxafullerene. The major strategy is to employ fullerene-mixed peroxides as the starting material and explore possible pathways to cleave the fullerene skelton bonds selectively and replace the fullerene cage skeleton carbon with oxygen atom. In addition, the chemical reactivity of oxafullerene will be investigated and its derivatives will be synthesized for functional studies such redox property and photoelectric conversion. The relationship between structure and property will be investigated. Results from the present project will enrich fullerene chemistry and provide basic knowledge for fullerene application.

富勒烯是一类全部由碳原子组成的球状化合物，杂富勒烯是将富勒烯中的部分碳原子用其它杂原子取代所得到的化合物。有关杂富勒烯的研究文献上理论计算结果较多，但这类化合物的化学合成目前文献上仅限于单氮杂富勒烯。由于杂原子的引入能改变体系共轭的状况以及各种功能特性，杂富勒烯的制备在富勒烯的开发应用研究中具有重要意义。本项目拟合成氧杂富勒烯及其衍生物，主要设计路线是以前期工作中所合成的富勒烯过氧化物为基本原料，通过过氧键在不同条件下的化学反应，开发富勒烯骨架上碳碳键的选择性切断途径，以及用氧原子取代富勒烯碳原子的方法。另外还将研究氧杂富勒烯的化学反应制备其衍生物，研究氧杂富勒烯及其衍生物的功能特性如氧化还原和光电转换性能，探索有关杂富勒烯的构效关系规律，为富勒烯的开发应用提供基础。

本项目主要研究富勒烯的骨架修饰，通过选择性切断富勒烯骨架碳碳键，探索用氧原子取代骨架上碳原子的方法，从而合成氧杂富勒烯及其衍生物，并探讨这类化合物的功能特性，开发富勒烯的潜在应用途径。四年来本课题组在前期工作基础上围绕富勒烯过氧化物的合成以及该类化合物的化学反应特性开展研究工作，合成了一系列开孔富勒烯，氧杂富勒烯及其衍生物，并且还结合上一次的面上基金研究结果，合成了同时含有氮原子以及氧原子的杂富勒烯衍生物，该工作最近在Angwe Chem发表，被选为封面文章。研究过程中发现了多种富勒烯球状骨架所导致的特殊化学反应途径，同时也开展了一些与本项目密切相关的富勒烯衍生物的制备工作，初步研究测试了部分新化合物的功能特性，发现本课题所合成的部分富勒烯衍生物具有分子容器、氟离子检测以及荧光特性，探讨了结构与反应性能的关系。本项目完成了原计划书中的主要研究内容，发表文章22篇，其中Angew. Chem. 3篇，Chem. Sci. 1篇，Chem. Eur. J. 2篇，J. Org. Chem. 5篇, Org. Lett. 2篇, Org. Front. Chem. 2篇。所得结果达到原预期目标。