内嵌金属富勒烯（EMFs）具有独特的主客体相互作用，对于单金属富勒烯（mono-EMFs），锕系金属离子与碳笼之间的相互作用比基于镧系元素的EMFs更加的复杂。
近日，18新利体育 放射医学与辐射防护国家重点实验室谌宁教授课题组成功合成一例基于钍的新型单金属富勒烯，Th@D5h(6)-C80，并对其分子与电子结构进行了表征分析，这是第一个高对称性的D5h(6)-C80碳笼能被单个金属离子稳定的例子。相关工作发表在Chemical Communications杂志上（DOI:10.1039/d1cc02339j）。
研究团队使用真空电弧放电法合成内嵌Th的一系列内嵌金属富勒烯化合物，并分离纯化得到了单金属内嵌富勒烯Th@D5h(6)-C80。单晶X-射线衍射法确认其分子结构为Th@D5h(6)-C80。晶体结构表明，钍原子的主要占有位点Th1，远离了碳笼中心和C5轴，倾向于碳笼的一侧。Th1位于[6,6]键的下方，所处的“配位环境”与先前理论计算提出的金属与碳笼上三个五元环相互作用的模式不同，金属位点明显不同于先前实验报道的Th@C3v(8)-C82，Th@Td(19151)-C76和Th@C1(28324)-C80。此外，Th-C的距离是目前报道的基于钍的单金属富勒烯中最短的一例。
Th@D5h(6)-C80的前线分子轨道计算表明，该分子所有的HOMO轨道电子分布来源于C80碳笼，几乎没有Th原子的贡献，且Th原子的价电子轨道（7s、6d和5f）都为空的，表明钍离子为+4价。进一步，理论计算分析了Th@C80异构体的相对能量，优化结果表明具有D5h对称性的结构，能量最低。
此外，由于D5h(6)-C80碳笼的高对称性，碳笼中存在几个等效的Th原子的位点，模拟了四个可能存在的金属位点的初始位置和最终位置；几何上的优化结果表明了Th原子位于“pyracylene motif”下[6,6]键的下方的合理性，与晶体学上的位置一致。
本工作得到的锕系内嵌单金属富勒烯Th@D5h(6)-C80，是目前报道的第一个单个金属离子能稳定D5h(6)-C80碳笼的例子。该工作进一步证实了锕系金属原子与纳米碳笼的相互作用的独特性，对于探索具有新颖的分子和电子结构的锕系金属富勒烯具有启发作用。
18新利体育 放射医学与辐射防护国家重点实验室、材料与化学化工学部硕士生闫影静、庄嘉欣和西班牙罗维拉-威尔吉利大学Roser Morales-Martínez为共同第一作者，国重室谌宁教授和西班牙罗维拉-威尔吉利大学Antonio Rodríguez-Fortea教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目和江苏省杰出青年基金项目的经费支持。
文章链接：https://doi.org/10.1039/d1cc02339j