纯D6d-C72全碳笼的分离与表征：最扁平IPR富勒烯的单分子结电导调控

《Nature Communications》：Pristine isolation of sixfold-symmetric oblate C72 fullerene validating the isolated pentagon rule and the spherical-saturation principle

　　

摘要

符合孤立五边形规则（IPR）的全碳笼已遍及 C₆₀–C₉₆ 系列被分离，其中 C₇₂ 是唯一例外的物种，其唯一的 IPR 同分异构体始终未能被分离。在此，我们报道了纯 D_6d-C₇₂ 的分离与结构表征。单晶 X 射线衍射和 ¹³C NMR 波谱确定了其六重对称性和高度扁球的几何构型，其短轴长度仅为 5.79 ?，使其成为最扁平的 IPR 富勒烯，同时也是已知的最短富勒烯管。为了阐明其形成机制——尽管它被预测在热力学上不稳定——我们提出了一种球饱和原理，通过基于氯化过程的能量指数定量比较富勒烯笼及其衍生物的实验稳定性。分析表明，D_6d-C₇₂ 的球饱和程度足够高，能够在碳烟中存活，而更低能量的非 IPR 的 C₇₂ 同分异构体则需要通过衍生化反应来稳定。由于其各向异性结构，D_6d-C₇₂ 形成了具有两个不同电导态的单分子结。仅经过 2.5 ? 的机械拉伸即可实现 147.9 的电导切换比，对应 59.2 ?^?1 的切换效率。这些发现填补了富勒烯化学中长久以来存在的空白，并将 D_6d-C₇₂ 确定为机械可控单分子电子器件中的有前景的分子组分。