综述：富勒烯笼状结构中的受限碳键合

《Chemical Society Reviews》：Constrained carbon bonding inside fullerene cages

碳原子通过sp3等杂化形成多样结构，是化学和生物复杂性的基础。受限碳笼内碳原子与多类非金属及金属原子形成特殊键合，包括多中心碳-金属键、超原子态及显著供位键（如C?→金属）。电荷分散和库仑排斥降低促进金属配位优化，拓展传统有机化学的键合模型。本文系统综述碳笼受限空间中不同数量碳原子的键合机制，重点探讨电荷分布、排斥缓解、金属配位及构型优化，为开发新型碳基化合物提供理论支撑，并展望未来挑战与发展方向。

　　

碳是一种极其多功能的元素，可以通过sp、sp²和sp³杂化形成化学键，从而构建出多种多样的结构。这些结构正是化学和生物学复杂性与多样性的基础。因此，理解碳的键合方式对于掌握自然科学的基本原理至关重要。除了常规的化学键合方式外，被限制在碳笼结构中的碳原子还可能形成一些不寻常且看似难以预测的键合状态。在这些空间受限的环境中，被封装的碳原子可以与多种非金属原子（例如H、C、N和O）以及多种金属原子（例如Sc、V、Ti和Dy）发生键合，从而形成具有不同键合模式和碳氧化态的稳定簇。这导致了前所未有的键合现象，包括多中心碳-金属键、共价碳-金属键、超原子态以及显著的电子转移键（例如C₂ → 金属原子）。这些新的键合方式丰富了传统的有机化学中的碳键合模型。本文综述了近年来关于碳笼中不同数量碳原子的受限碳键合的研究成果，涵盖了诸如碳笼上的负电荷分布、库仑斥力的减弱、金属离子的协同作用最大化以及碳笼内金属原子最佳排列方式等关键方面。通过这些研究，我们有望在碳笼中发现新的碳键合方式，这对开发创新的碳基化合物具有重要意义。此外，本文还讨论了当前在碳笼受限碳键合领域面临的问题以及未来的发展方向，以更深入地理解碳键合的复杂性。通过这项全面的探索，我们希望推动碳化学这一令人兴奋的研究领域的发展。