碳环与富勒烯的完美邂逅：独特的pi-pi相互作用研究

碳环与富勒烯的完美邂逅：独特的pi-pi相互作用研究

碳环与富勒烯作为碳元素的两种关键同素异形体，其独特的几何和电子结构使其间的相互作用成为化学研究的热点。近期，北京科音自然科学研究中心的卢天和江苏科技大学的刘泽玉在《欧洲化学》期刊上发表了一篇关于碳环与富勒烯相互作用的全面研究，揭示了它们之间独特的pi-pi相互作用特征。

碳环-富勒烯二聚体

研究首先考察了碳环C_n（n=18, 20, 22, 24, 26, 30, 32, 34, 36）与富勒烯形成的二聚体C₆₀@C_n。通过Gaussian 16在ωB97XD/6-311G*级别下优化了这些二聚体结构，并确认了无虚频。研究发现，随着碳环尺寸的增大，富勒烯逐渐陷入碳环中，当碳环尺寸达到C₃₄时，富勒烯精确嵌入在碳环的正中央，形成完美的纳米土星（nano-saturn）结构。

通过IGMH方法分析发现，富勒烯和碳环之间的相互作用区域主要表现为绿色等值面，这表明相互作用区域的电子密度数值非常低，符合pi-pi相互作用的特征。

为了严格考察碳环和富勒烯的结合强度，研究使用ORCA程序精确计算了不同碳环与富勒烯形成二聚体的结合能。计算级别采用ωB97M-V/def2-QZVPP，结果显示从C₁₈到C₃₂，随着碳环尺寸的增大，结合强度近乎严格地线性增强。而从C₃₄变成C₃₆，结合强度反倒减弱，这与IGMH图所示的相互作用区域的变化相吻合。

碳环-富勒烯三聚体

研究还系统考察了一个富勒烯结合两个碳环（C₁₈至C₃₄）形成的三聚体结构。优化得到的结果显示，随着碳环的增大，两个碳环间的夹角逐渐减小，富勒烯越来越多地被两个碳环“吃”了进去，始终保持着紧密的接触和充分的pi-pi作用。当碳环大到C₃₄时，两个碳环之间完全平行并形成了全面的pi-pi相互作用。

研究还发现，碳环越大时协同效应越强，这是因为已有的一个碳环可以和另一个碳环形成pi-pi作用，特别是两个C₃₄碳环之间的相互作用格外强，因为它们能形成完整的遍及整个碳环的pi-pi作用。

一个富勒烯最多能结合多少个18碳环？

研究进一步探讨了一个有趣的问题：一个富勒烯最多能结合多少个18碳环？通过优化得到的富勒烯结合6个18碳环的结构显示，6个碳环构成了一个包围富勒烯的近乎理想的正八面体空间。每个碳环都与富勒烯产生了非常显著、充分的pi-pi作用，而且每一对相邻碳环之间也产生了特别显著的pi-pi作用。

计算结果显示，C₆₀@6C₁₈的总结合能高达-101.3 kcal/mol，已经达到了常规化学键的数量级。此体系中平均每个18碳环的结合能是-16.9 kcal/mol，体现出C₆₀@6C₁₈的形成过程的协同作用非常强。

总结

这项研究通过严谨的量子化学计算并充分运用Multiwfn实现波函数分析，首次预测了各种尺寸碳环与不同数目C₆₀富勒烯形成的复合物的结构，并深入探讨了相互作用强度和本质。研究揭示了碳环与富勒烯之间通过pi-pi作用表现出极强的亲合性，碳环体系以其特殊的环形几何结构以及独特的两套全局共轭的pi电子，还可以作为分子胶水将两个富勒烯牢牢粘合在一起。此外，研究还证明了一个富勒烯最多能结合6个18碳环，而且结合过程中有显著的协同性，结合越多越容易。这些发现不仅具有重要的理论意义，还可能为未来富勒烯的富集和储存提供新的思路。