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富勒烯的球形弯曲共轭体系相比其他经典有机分子非常独特，且这种特性可以被应用在主客体研究中。已经有一系列的超分子体系被报导过，例如将氢气，水，氧气，一氧化碳等装入C60开孔衍生物的空腔。其中水分子是最为熟知的客体小分子，通过反应溶剂或者后处理过程，在富勒烯衍生物孔径合适的情况下，会有且仅有一个水分子进入富勒烯的空腔。在这些化合物中，主客体的距离相当小从而具有非键相互作用（氢键、偶极相互作用和范德华力）。若在开孔边缘存在杂原子时，可以增强这些相互作用以及在一定程度上决定内部原子的取向。 最近，北京大学的甘良兵教授及其团队合成了有100%包封水分子的富勒烯衍生物，并且水分子与笼上酰胺碳基之间有明显的氢键相互作用。在之前，很少见到有富勒烯衍生物与包合物之间有氢键为主导的相互作用的例子，该化合物通过X-射线晶体学、高分辨质谱、核磁共振氢谱以及理论计算等方面，确定了氢键的存在并且解析了该氢键的性质。
首先，已知的具有一个环氧结构的化合物1作为原料，利用对甲苯磺酸催化完成开环反应，生成含有四个同分异构体的一组产物2，异构化是由于笼边缘其他基团与内酯基团的相对位置不同以及笼边缘酰胺基团的手型导致的。之后再在不同时长的加热条件下，分别使笼侧边的内酯基团脱羧并将亚胺基团水解，得到了最后的产物3和4。 晶体数据表明，酰胺羰基与内包水氧原子之间的距离为2.859 Å，说明存在氢键。在对晶体结构在M06-2X/6-31G**水平下优化进行DFT计算，得到的结果为2.955 Å，并且通过Multiwfn计算了氢键键能和弱相互作用，得知该氢键键能为-3.83 kcal/mol。同时，使用VMD可视化弱相互作用，如上图所示，明显看出呈现淡蓝色提示氢键的存在。该工作得到了一个完全包合水分子并且修饰基团与笼内水存在氢键的富勒烯衍生物，并且对氢键的性质作了实验与理论探究，对研究富勒烯领域主客体化学中，主客体相互作用的方式有了更进一步的了解。 论文信息 Synthesis of Open-Cage Fullerenes Containing a H-Bond between the Encapsulated Water Molecule and the Amide Moiety on the Rim of the Orifice Zhen Liu, Rui Gao, Zeyu Liu, Prof. Dr. Hong Fei Han, Dr. Jie Su, Prof. Dr. Peng Jin, Prof. Dr. Liangbing Gan European Journal of Organic Chemistry DOI: 10.1002/ejoc.202200854
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