內嵌金屬團簇富勒烯因其結構的多樣性在近二十年間得到了飛速的發展，單金屬氰化物團簇富勒烯是其中重要且特殊的一個分支，它的發現打破了以往內嵌金屬團簇富勒烯需要內嵌至少兩個金屬原子的認知。然而目前僅有基于C76和C82碳籠的原始單金屬氰化物團簇富勒烯被報道。同時，在大碳籠富勒烯C84的24種遵守“獨立五元環規則” (IPR) 異構體中，C2v(17)-C84異構體因其能量低于一些已被報道的C84異構體，預期應當能穩定存在，但目前為止仍未有實驗上的報道，因此被認為是“消失的”C84異構體。實驗上如何捕獲這種“消失的”富勒烯異構體成為極具挑戰性的工作。
近日，中國科學技術大學楊上峰教授課題組與廈門大學謝素原教授課題組合作，通過合成、分離及表征新型氰化物團簇富勒烯DyCN@C2v(17)-C84，成功捕獲了“消失的”的C2v(17)-C84異構體。此外，還合成了其他3種基于C84碳籠的單金屬氰化物團簇富勒烯MCN@C2(13)-C84 (M = Y, Dy, Tb)，這也是基于C84碳籠的原始單金屬氰化物團簇富勒烯的首次報道。有意思的是，在DyCN@C2v(17)-C84中，內部的DyCN團簇構型區別于傳統的線性金屬氰化物，呈現特殊的三角形。這一特殊構型的內嵌金屬氰化物團簇可以轉移電荷到碳籠上，從而使得 “消失的”C2v(17)-C84異構體得以穩定下來。進一步地，通過對所得到的兩種C84異構體的結構進行分析，發現C2v(17)-C84異構體可以由C2(13)-C84異構體通過兩步Stone-Wales轉變得到。最后，通過對比MCN@C2(13)-C84 (M = Y, Dy, Tb)和DyCN@C2v(17)-C84的單晶結構，揭示了金屬氰化物團簇富勒烯的分子內金屬-碳籠相互作用可以通過改變內嵌金屬種類或外部碳籠異構體類型兩種方式進行調控。該工作不僅加深了人們對內嵌金屬團簇富勒烯的認識，還為捕獲新型富勒烯異構體提供了新的思路。
這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是中國科學技術大學博士研究生官潤南和陳木青副研究員，中國科學技術大學陳木青副研究和楊上峰教授、廈門大學謝素原教授為論文的共同通訊作者。