厦门大学在新型富勒烯研究方面取得重要成果

日期 2004-06-08　来源：　作者：杨俊林陈荣　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　以厦门大学物理化学固体表面化学国家重点实验室为主完成的有关新型富勒烯C50Cl10的合成与表征研究工作进展情况发表在Science（2004年4月30日）杂志上后，在国际学术界迅速引起重大反响。美国的《新科学家》杂志、《化学工程新闻》杂志及英国的《物理网站》等国际科技媒体都在第一时间内，分别以“Baby buckyballs hold unusual promise”、“Chlorine catches cagey C50”、“Carbon-50 makes its debut”等为题，报道和评述了这项在国家自然科学基金等长期持续资助下取得的重要成果。　　富勒烯是由若干个六元环和12个五元环组成的笼状全碳分子，其中足球形状的“明星”分子C60具有完美的对称结构。1985年由Smalley、Kroto、Curl等人以脉冲激光蒸发石墨方法首先产生和发现了丰度最为显著的C60，其中C70和C50等的丰度次之，他们三人因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。1990年Kraschmer、Huffman等人以石墨电弧法合成并分离出克量级的C60，由此确定了它的结构，迅速引起了科学界的极大兴趣。自C60之后，多种比C60更大的富勒烯分子，如C70、C84等相继合成，并获得具有可分离量的产物，对应结构也被表征。然而，比C60小的富勒烯分子，由于结构上必然含有相邻的五元环而十分活泼，却迟迟未能明确无误地合成与表征。　　以郑兰荪教授为学术带头人的厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室原子团簇科学研究组，自上世纪80年代就开始了团簇的激光产生与研究。郑兰荪、黄荣彬教授研制了多台原位产生和研究原子团簇的大型仪器，并带动国内该领域研究的开展。进入90年代中期，他们又根据学科的发展，开展了新型团簇的宏量制备，建立了液相电弧、辉光放电、微波等离子体等合成方法，合成、分离并表征了C20Cl10等一系列氯代碳簇结构。该研究组的谢素原博士在攻读博士期间就已参加氯代碳簇的合成研究并取得突出成绩，5年前又合成和通过色谱－质谱联用检测到了C50Cl10，进一步对合成与分离条件加以优化，通过在商业化制备C60的石墨电弧方法的氦气气氛中引入四氯化碳作为氯源，以此捕获和稳定C50分子。在他们的指导下，博士生高飞历经3年艰辛的努力，最终合成了约100克产物。用高效液相色谱进行多轮制备分离，最后一轮的纯化工作得到了中国科学院化学研究所王春儒研究员的大力协助，采用专用的C60分离设备，最终分离出近1毫克的C50Cl10 。获得纯化的产物后，在中国科学院武汉物理与数学研究所刘买利、张许等人的鼎力帮助下，采用先进的核磁共振（NMR）仪器，历经15天27000余次的累加，测定了它的13C NMR谱。与此同时，进一步发挥厦门大学固体表面物理化学实验室多学科的综合优势，由实验室吕鑫教授对该新型富勒烯的多种可能结构与13C NMR谱作了理论计算，结合实验测试结果最终确定该富勒烯衍生物具有D5h对称的笼状结构，其中10个相邻五元环上的10个碳原子由sp2转成sp3杂化，其多余的化学键由10个氯原子所饱和。　　初步的研究还发现C50Cl10的氯原子很容易被取代，由此可以定向地衍生出丰富的新型富勒烯化合物。可以预计，应用该文所介绍的合成思路与方法，其他小于C60的富勒烯分子也将可能被一一合成出来，并展示种种奇异的结构与性质；而键合在特定位置上的氯原子，使得它们的衍生化能够定向地进行，为合成更为丰富和特定功能的化合物提供了基础。　　郑兰荪院士领导的研究组在富勒烯研究方面取得的重要进展，再一次说明一项重要科学成果的取得往往离不开国家自然科学基金的持续资助。有资料统计，郑院士及其研究组成员自1987年开始连续多年承担国家自然科学基金项目，其中包括面上项目6项、国家杰出青年科学基金和创新研究群体科学基金项目各1项。