導讀

開孔富勒烯的合成與性質研究是富勒烯化學中重要的研究領域。通過碳籠表面的開孔，可以將小分子裝入碳籠內部的空腔中，使得開孔富勒烯成為“分子容器”。目前，能在較溫和條件下裝入小分子的開孔富勒烯的合成步驟都較長，而且可內包的小分子主要是氫氣和水，這類包合物的實際應用還有待深入探索開發。

甘良兵課題組基于富勒烯過氧化物的選擇性制備與轉化，探索開孔富勒烯的選擇性合成路線（Acc. Chem. Res.2019, 52, 1793-1801）。在之前的工作中，他們合成了一系列可內包水的開孔富勒烯，但都需要較長的合成步驟。最近他們發現，前期工作中得到的開孔富勒烯過氧化物1可以與苯胺在不同條件下反應，分別得到開孔富勒烯3和4，即從C60經三步反應可以得到具有19元環孔徑的開孔富勒烯。另外他們還通過改變反應條件得到了化合物2a和2b，為反應的機理研究提供了重要數據。

圖1 開孔富勒烯的簡潔合成

在得到開孔富勒烯3之后，課題組對其內包小分子的性質進行了研究。他們發現化合物3不僅可以在常溫常壓下包入水分子，也可以在較溫和條件下包入氧氣。測定結果顯示在常溫、50個大氣壓的氧氣氛圍中攪拌5小時，化合物3中有75%裝入了氧氣。包入氧氣后的化合物O2@3可以釋放所包合的氧氣分子，動力學研究測試結果顯示在37 oC時釋氧過程的半衰期為73 min，釋氧過程的活化能是18.8 kcal·mol-1。

圖2 化合物2裝氧、釋氧過程示意圖

甘良兵課題組的研究結果表明開孔富勒烯在遞氧材料方面有潛在應用價值。許多醫療手段，例如組織體外培養、活性氧物種（Reactive oxygen species, ROS）殺菌和腫瘤的光動力治療（Photodynamic therapy, PDT）中均需要充足的氧氣供應，目前文獻報道較多的遞氧材料主要有修飾的血紅素、碳氟化合物和金屬過氧化物等。開孔富勒烯作為分子納米材料為遞氧材料提供了新的研究方向。

該工作以Concise Synthesis of Open-Cage Fullerenes for Oxygen Deliver為題發表在Angewandte Chemie International Edition 上（Zishuo Zhou, Hongfei Han, Zijing Chen, Rui Gao, Zhen Liu, Jie Su*, Nana Xin, Xiaobing Yang and Liangbing Gan*），共同第一作者是甘良兵課題組的博士研究生周子碩與訪問學者韓紅斐，分析測試中心的蘇婕老師解析了所有新化合物的單晶結構。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和教育部的資助。

來源 | 北京大學 編輯 | 化學加