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1985年,Kroto等在激光蒸发石墨实验中发现了C60分子,引起了各国科学家极大的兴趣和广泛的关注。随着研究的不断深入,富勒烯化学已经成为化学学科中非常重要的一个分支。富勒烯具有三维笼状结构、化学反应活性、电子亲合力等独特的物理化学性质,但受限于富勒烯(尤其是具有相邻五元环的特殊结构富勒烯)合成的产率较低,通过高效液相分离得到特定富勒烯的过程较复杂,特殊结构富勒烯功能化及其应用尚待深入研究。
要进行特殊结构富勒烯的应用研究,应合成、分离得到足够的样品量,须建立低成本、高效率合成、分离富勒烯的方法。低压苯氧火焰燃烧法具有可控性、产率高、能耗低、可连续性等其他合成方法无法比拟的优点,是宏量合成富勒烯的一种最有潜力的方法。本论文在已有的低压苯氧燃烧装置中,利用优化的合成条件,建立了宏量合成C50H10等特殊结构富勒烯的方法,进而通过多步高效液相色谱,分离得到了毫克量级的C50H10和C64H4,为后续涉及特殊结构富勒烯的研究创造了物质条件。
另一方面,虽然富勒烯的宏量合成取得了长足的进步,但富勒烯的形成机理始终还是个不解之谜,历史上曾提出过种种机理来解释富勒烯的形成过程,但都因缺乏足够的实验证据而未被广泛接受。本论文以富勒烯产物本身来捕获富勒烯形成过程的反应中间体,得到了一些理解富勒烯形成的反应中间体的结构信息。
本论文共分为四章。
第一章对富勒烯的合成方法、分离方法、结构表征进行了文献综述,对富勒烯的机理进行了阐述,说明本课题的选题思路和研究方向。
第二章主要讨论富勒烯(氢化物)的燃烧合成条件优化、产物的提取与高效液相色谱分离等。具体的合成与分离条件是:燃气及其流量分别是O20.55L/min,C2H21.10L/min,苯蒸气1.0-1.1L/min,保持C/O比值~1.1,在真空度~15-20Torr的条件下进行宏量合成;对碳灰的甲苯提取液进行四轮高效液相色谱分离,分别采用芘基丁酸硅胶柱(20id×250mm,流速:10mL/min,进样量:20ml)、buckyprep柱(20id×250mm,流速:10mL/min,进样量:10ml)、5pbb柱(10id×250mm,流速:4mL/min,进样量:4ml)、buckyprep柱(10id×250mm,流速:4mL/min,进样量:2ml)。
第三章介绍了在碳氢体系的燃烧产物中分离得到的IPRC60(CHNO),利用X-射线衍射仪表征了结构。该物质是C60-[1,2]-异嗯唑衍生物,其结构是由碳氮氧组成的杂原子链与C60碳笼[6,6]环上的两个碳原子形成的一个五元环。该结构特征与其他表征(如MS、UV/Vis、IR等)数据吻合。IPRC60(CHNO)的结构表征说明在火焰燃烧过程中C60可作为捕获剂捕获活泼的中间体,为机理研究提供了直接的实验证据。
第四章介绍了在氯参与下的碳电弧反应体系中分离得到IPRC70(C5Cl3N),利用X-射线衍射技术表征了其结构。该物质是C70-2,4,5-三氯-2,4-戊二烯腈,该结构是由C70捕获到一个单双建交替的2,4,5-三氯-2,4-戊二烯腈链,该腈链上的C3和C5与碳笼[6,6]环上的两个碳原子形成一个五元环。IPRC70(C5Cl3N)的结构表征不仅说明C70捕获到了活泼的C5中间体,而且说明笼状富勒烯的形成是从链状结构开始的。