(4,6)-富勒烯結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論研究.pdf

1、富勒烯是一類(lèi)由碳原子組成的封閉中空籠狀結(jié)構(gòu)分子的總稱(chēng)。像C60這樣，僅由五元環(huán)和六元環(huán)構(gòu)成的富勒烯，我們稱(chēng)之為“經(jīng)典富勒烯”(classical fullerene)。如果富勒烯結(jié)構(gòu)中除五元環(huán)和六元環(huán)外，還有其它的多邊形環(huán)，我們稱(chēng)之為“非經(jīng)典富勒烯”(nonclassical fullerene)。非經(jīng)典富勒烯是富勒烯家族中不可缺少的一員，在富勒烯的增大、碎裂和富勒烯內(nèi)嵌衍生物的制備中發(fā)揮著重要作用。最近，Ashrafi和Mehrani

2、an提出(3,6)-和(4,6)-富勒烯的拓?fù)鋵W(xué)規(guī)則，并構(gòu)建了一系列含三元環(huán)或四元環(huán)的二維平面結(jié)構(gòu)。此外，科研工作者致力于(4,6)-富勒烯基本結(jié)構(gòu)單元-antikekulene的合成研究，并且取得了豐碩的成果。從拓?fù)鋵W(xué)的角度來(lái)看，三元環(huán)、四元環(huán)甚至七元環(huán)、十元環(huán)等更大的多邊形都可以相互組合形成封閉的三維幾何多面體。基于上述這些研究成果，本文中我們期望用不同的多邊形環(huán)作為富勒烯的基本片段，構(gòu)造出一些非經(jīng)典富勒烯，并試圖尋找相對(duì)穩(wěn)定的非經(jīng)

3、典富勒烯結(jié)構(gòu)。
　　我們以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)生成程序?yàn)榛A(chǔ)，構(gòu)造出一系列(4,6)-非經(jīng)典富勒烯，并對(duì)它們的幾何結(jié)構(gòu)、成鍵特點(diǎn)、熱力學(xué)穩(wěn)定性以及芳香性等性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要工作和結(jié)論如下：
　　1.在本論文中，我們基于點(diǎn)群對(duì)稱(chēng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)生成程序，并利用該程序，構(gòu)造了一系列結(jié)構(gòu)非常漂亮的(4,6)-非經(jīng)典富勒烯，包括對(duì)稱(chēng)性為Ih的C120， C180，C240，C300，C360，C360’，C480和對(duì)稱(chēng)性為Oh或D4

4、h的C24，C48，C72，C96，C120， C144。所有的(4,6)-富勒烯大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由孤立的四元環(huán)和六元環(huán)構(gòu)成的富勒烯，另一類(lèi)是兩個(gè)或多個(gè)相連的四元環(huán)或/和六元環(huán)構(gòu)成的富勒烯。
　　2.分別用半經(jīng)驗(yàn)的PM6、DFTB和DFT方法對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)初始對(duì)稱(chēng)性為Ih的(4,6)-非經(jīng)典富勒烯優(yōu)化后對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有發(fā)生改變，而初始構(gòu)型為Oh對(duì)稱(chēng)性的富勒烯C48，C96，C120，C144優(yōu)化后對(duì)稱(chēng)性降低為D4h。此

5、外，我們的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于碳原子數(shù)較多的富勒烯如C240，用密度泛函方法很難進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
　　3.對(duì)(4,6)-富勒烯的能量研究表明：盡管Ih對(duì)稱(chēng)的(4,6)-富勒烯的結(jié)合能比Ih C60低0.13-0.32 eV，Oh對(duì)稱(chēng)的(4,6)-富勒烯的結(jié)合能比Ih C60低0.17-0.76 eV，但利用其基本結(jié)構(gòu)片段antikekulene，(4,6)-富勒烯有可能在實(shí)驗(yàn)中合成。此外，Ih C360’和Oh C72的原子結(jié)合能和能