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近年来，随着碳笼的不断发现及其宏观量的大量合成，人们对碳笼及其掺杂型碳笼的研究已越来越广泛。Branz等人认为，根据掺杂的原子与碳笼相互作用的位置可以把杂碳笼分成三种类型。其一是生成夹心化合物，即杂原子包含于中空的碳笼中，如La@C60,Ca@C82等；其二是笼上取代，即碳笼笼上的C原子被一个或多个别的原子所取代形成杂碳笼，如C59N，C59O等；其三是杂原子置于笼外，通过各种形式非键相互作用力与碳笼紧密相连，如K3C60，Cs6C60等。在过去的十几年里，人们对以上三种杂碳笼研究得最广泛的是夹心型碳笼化合物，对它们的结构及电子特性的研究已经有了很大的进展。Smalley等用石墨和各种金属混合作靶，用激光气化超声速喷嘴的方法合成了多种金属夹心C60化合物：C60M（M＝La，Ca，Sr, Ba, K, Cs）等，在高碳笼中，ⅡA族和ⅢA族元素也已有很多内含于碳笼的实例，如La@C82,La2@C80,Y@C82,Sc2@C84，Ca@C82等，都是金属碳笼。在1991年Smalley等人最先发现了笼上取代的杂碳笼化合物。Smalley用激光蒸发含杂原子的石墨碳棒，发现了一种新型的杂碳笼化合物C60－nBn （n<6）， B原子取代了C60中的碳，打断原先碳笼的C－<WP=56>C键，并用B原子置换其中的一个C原子，即新键入的B原子与其邻近的三个C原子成键。C.N.R.Rao等和R.Yu等报道了N杂C60分子的存在，J.Mattay等在气相中发现了C59N，并用质谱检测出C59NH、C58N2，B.Nubber等用不同的方法制得宏观量的C59、C69N及其双体(C59N)2、(C69N)2。对第二种类的碳笼主要表现在B、N、Si等原子掺杂的碳笼。目前，理论上也有关于C60-nXn的报道。N.Kurita等人用Harris近似方法研究了C59X（X＝B、N、S）的结构和电子性质。S.A.Jansen[9]等人用扩展休克尔方法和MM2水平下的分子模拟方法对C60－xNx、C59B进行了理论研。Yang等人用LSDA等方法研究C59N，C59B的结构和电子性质，表明轨道的影响导致位置的选择性，置换原子的电负性影响了位置的选择性，且在置换处发生形变，C59N、C59B的最高占据轨道都是高度局域化的，C59N是优良的电子供体，C59B则的优良的电子接受体。掺杂C60（C59X），由于杂原子的掺入使C60笼发生畸变，电子结构也发生改变，由此引起化学及物理性质的改变。B的掺入使B位置处成为缺电子中心，在半导体中可作为空穴载体，掺入N后，由于N多电子可成为电子载体，使分子具有较大的偶极矩及引起分子内电荷转移加强，从而可能具有较大化学反应活性。由此掺杂C59X可能在超导、光电子器件、半导体以及有机合成方面有较大的应用前景。不仅非金属原子可以在碳笼上发生取代，一些金属原子也可以取代碳笼骨架上的碳原子形成杂碳笼化合物。Branz等人报道了金属搀杂的碳笼化合物C59M，M=(Fe，Co，Ni，Rh和Ir)。Qingyu Kong等人在2002年也合成了M=（Pt，Sm，Ni，La，Y，Rh）的金属搀杂的碳笼化合物。金属取代的杂碳笼化合物不同与非金属取代的碳笼化合物。非金属原子<WP=57>B，N等与C原子大小相差不大，电子结构相近，比较容易就可以搀杂进碳笼。金属原子半径较大，电子结构相差也大，要取代笼上的碳原子的难度相对B，N等原子要大的多。金属取代后的杂碳笼中，金属原子对整个分子的影响必定不同与非金属取代的杂碳笼分子，使其有这不同于一般碳笼化合物的奇异特性。为了进一步了解这些新型的碳笼化合物的性质、成键特性，本文利用量子化学中的密度泛函理论?(DFT)方法对C59M（M=Ni，Pd，Pt）进行研究。采用Gaussian98程序中的BLYP方法，选择LANL2DZ双Zeta基组，对C59M（M=Ni，Pd，Pt）的杂碳笼化合物结构进行了几何优化，并对各个团簇的几何和电子结构进行了深入研究。通过计算，得到的C59M的稳定构型仍然保持着碳笼的笼状结构，具有Cs的对称性，相对C60的Ih对称性有所降低。C-M的键长相对与普通化合物的C-M键长要短，键更牢固。金属原子M上集中了大量的正电荷，Mulliken分别为Pt：+0.662，Ni：+0.428，Pb：+0.478，说明C59M团簇中的M原子可以作为亲电反应的活性中心。C59M的最高占据轨道HOMO和最低空轨道LUMO的能隙值分别为0.50ev、0.60ev、0.66ev，比C60和C59Si的能隙要低，可以推测C59M比C60和C59Si的化学活性要高。金属原子M对分子轨道的影响主要集中的HOMO，HOMO-1和LUMO，LUMO+1的分子轨道上。HOMO-2，HOMO-3……的分子轨道基本是由原来骨架上的碳原子提供。在HOMO轨道中M原子的贡献分别达到12.9%、16.5%、15.0%，呈现较高的局域性。在小与HOMO-2轨道的占据轨道中，金属M原子对轨道的贡献逐渐减少，并且能量和C60的HOMO，HOMO-1……能量逐渐相近，甚至相等。所以，可以认为HOMO-2以下的轨道就是以前C60的HOMO，HOMO-1……轨道。可以参照C59M<WP=58>的HOMO-2，HOMO-3轨道图，可以看到C59M中大量的离域电子存在，而且和C60的轨道图相似。正是这些大量的离域电子存在使得C59M可以稳定存在。