图 全金属富勒烯化合物的结构
在国家自然科学基金项目（批准号：92161102、22371140）等资助下，南开大学孙忠明课题组在无机合成及配位化学领域取得进展，报道了首例全金属富勒烯[K@Au12Sb20]5–的合成及成键机制，展示了一种全新的化合物合成技术及对金属键的精准调控在结构化学中的应用场景，为新材料的创制提供了新的研究思路。研究成果以“一种全金属富勒烯：[K@Au12Sb20]5–（An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]5–）”为题，于2023年11月17日发表在《科学》（Science）杂志。论文链接：https://science.org/doi/10.1126/science.adj6491。
富勒烯具有独特的高度对称结构、特殊的物理性质以及丰富的化学反应特性，吸引人们不断探索其在不同领域的应用。富勒烯的成键特性也被逐渐拓展到无机合成化学领域。理论预测表明，无机富勒烯将表现出非同寻常的稳定性和反应性。这激发了科学家们的极大兴趣，然而其合成依然面临巨大挑战。
上述研究团队发展了结合高温固相合成与金属有机合成的全新合成方法，成功制备了全金属富勒烯[K@Au12Sb20]5–。该化合物呈现出十二面体的结构，每个面由内含一个金原子的锑五边形构成，内径约为0.90纳米，略大于C60分子的直径（0.71纳米）。在这个相对较大的团簇空腔内，仅内嵌了一个钾离子。该团簇无有机配体保护，具有很好的化学稳定性，是迄今为止配位环境最接近富勒烯的纯无机化合物。钾离子的模板支撑作用有助于稳定这一裸露的重金属球状团簇，金-锑之间独特的异金属键在维持结构完整性方面则发挥了至关重要的作用。
理论计算结果显示，该分子的最显著特征之一是其三维球芳香性电子结构。这导致在团簇表面形成了一层离域 π 电子云，赋予全金属富勒烯化合物独特的物理化学特性。这一发现有望在光电材料或催化领域发挥重要作用，具备广泛的应用潜力。