超配位碳体系研究取得新进展

图1 七配位的超配位碳分子体系[CTi₇²⁺]

图2 利用该超配位碳设计一维纳米线的可能性

近日，中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室高嶷研究员及其合作者在超配位碳体系方面的研究取得新进展。相关研究工作发表在《物理化学快报》杂志上（J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2264-2268）。8月14日，英国皇家化学会新闻期刊Chemistry World网站主页的封面故事以Carbon clusters score lucky seven为题，报道了这一最新科研成果。在传统化学理论中，碳原子有4个价电子，总共可以形成4个共价键。早在1952年，CH5+的成功分离就使超配位碳概念成为物理有机化学中最重要也是最具挑战性的研究课题之一。半个多世纪以来，实验和理论化学家们都在努力寻找最大配位数的碳分子体系，从而拓展对碳乃至化学键的根本性认识。迄今为止，实验合成的超配位碳分子体系碳原子的最大配位数是6。理论上虽然预测过一些六配位、七配位乃至八配位的碳分子体系，但是他们都有能量更低的对应异构体，也就是说他们不是最稳定分子。理论上所说的最稳定分子，代表了该分子比其异构体的能量更低、具有大的能带间隙、不带电荷或者带有少量电荷，结构上最好具有高对称性。高嶷研究员与美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授等合作，系统研究了第一行的副族元素以及大部分主族元素形成高配位碳体系的可能性，最后发现，只有钛原子能够和碳形成七配位的超配位碳分子体系[CTi72+]（图1），这是目前为止理论上发现的最大配位且稳定的碳分子体系。通过计算模拟进行蒙特卡洛的全局能量搜索，他们发现该体系比其异构体能量更低，且该体系为D5h对称性，有较大的能带间隙。该体系的30个价电子的双金字塔结构也与Wade规则非常吻合，从而进一步证明了该体系的稳定性。由于该体系是一个二价阳离子，理论计算证明了它可以通过配位2个阴离子形成非常稳定的中性体系并在室温下稳定存在。作者还进一步从理论上探讨了利用该超配位碳设计一维纳米线的可能性（图2）。英国伦敦皇家学院的Henry Rzepa教授对该研究给予了很好的评价。该项研究工作由上海应用物理研究所、美国内布拉斯加大学林肯分校、美国布鲁克海文国家实验室以及合肥工业大学、哈尔滨理工大学的研究人员合作完成，得到了上海应用物理所、中国科学院北京超级计算中心以及国家超级计算深圳中心的资助和支持。（来源：中国科学院上海应用物理研究所）