Theoretical Exploration of Noncovalent Interactions Between Sc3C2@C80 and ［12］Cycloparaphenylene Nanoring

doi:10.7503/cjcu20220457

Abstract

Abstract:

The encapsulations of fullerenes by carbon-nanorings are of great interest because of their unique molecular structure and special properties. The host-guest interaction between them can induce the orientation of metal ions and change the molecular electronic structure. However， due to experimental di?culties， there are many opportunities for the computational efforts to deeply research the intrinsic features of π-π noncovalent interactions of the fullerene?cycloparaphenylene（CPP） carbon-nanoring host-guest systems. Herein， the molecular carbon nanoring of ［12］cycloparaphenylene was used to hoop the C₈₀-based metallofullerene Sc₃C₂@C₈₀. The structures and properties of the host-guest complex were systematically characterized by density functional theory（DFT） calculations. It was found that ［12］CPP is deformed because of the asymmetrical attraction of ［12］CPP to Sc₃C₂@C₈₀. The centroids of Sc₃C₂@C₈₀ and ［12］CPP no longer coincide. The results also showed that the influence of rotation of Sc₃C₂@C₈₀ in ［12］CPP on the overall energy of the configuration is only 13.51 kJ/mol. Moreover， charge population analysis shows that 0.03 electrons are transferred from ［12］CPP to Sc₃C₂@C₈₀ during the formation of Sc₃C₂@C₈₀?［12］CPP. Weak interactions between host-guest systems can be further partitioned with the help of energy decomposition analysis（EDA）. EDA analysis shows that dispersion is dominant. These results provide theoretical support for the study of host-guest systems based on metallofullerenes.

Key words: Metallofullerene, Carbon-nanoring, Density functional theory, Weak interaction

CLC Number:

O641

TrendMD:

LIU Yang, LI Wangchang, ZHANG Zhuxia, WANG Fang, YANG Wenjing, GUO Zhen, CUI Peng. Theoretical Exploration of Noncovalent Interactions Between Sc₃C₂@C₈₀ and ［12］Cycloparaphenylene Nanoring[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220457.

Figures/Tables 12

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Geometry	d（Sc1—C1）/ nm	d（Sc2—C1）/ nm	d（Sc3—C1）/ nm	d（Sc2—C2）/ nm	d（Sc3—C2）/ nm	d（Sc1—Sc2）/ nm	d（Sc1—Sc3）/ nm	d（Sc2—Sc3）/ nm	d（C1—C2）/ nm
Bat ray cluster in C₈₀	0.209	0.223	0.224	0.214	0.214	0.336	0.337	0.416	0.129
Trifoliate cluster in C₈₀	0.209	0.224	0.224	0.213	0.214	0.362	0.371	0.397	0.130
Bat ray cluster in C₈₀?［12］CPP	0.208	0.227	0.227	0.212	0.211	0.354	0.378	0.394	0.128
Trifoliate cluster in C₈₀?［12］CPP	0.209	0.223	0.223	0.213	0.214	0.377	0.353	0.398	0.130
Bat ray ^［32］ in cluster C₈₀	0.200	0.229	0.222	0.215	0.201	0.341	0.371	0.399	0.129

Geometry	d（Sc1—C1）/ nm	d（Sc2—C1）/ nm	d（Sc3—C1）/ nm	d（Sc2—C2）/ nm	d（Sc3—C2）/ nm	d（Sc1—Sc2）/ nm	d（Sc1—Sc3）/ nm	d（Sc2—Sc3）/ nm	d（C1—C2）/ nm
Bat ray cluster in C₈₀	0.209	0.223	0.224	0.214	0.214	0.336	0.337	0.416	0.129
Trifoliate cluster in C₈₀	0.209	0.224	0.224	0.213	0.214	0.362	0.371	0.397	0.130
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Trifoliate cluster in C₈₀?［12］CPP	0.209	0.223	0.223	0.213	0.214	0.377	0.353	0.398	0.130
Bat ray ^［32］ in cluster C₈₀	0.200	0.229	0.222	0.215	0.201	0.341	0.371	0.399	0.129

System	IP/eV	EA/eV
Benzene	8.86	-2.10
［12］CPP	5.88	1.05
Sc₃C₂@C₈₀	6.68	2.87
Sc₃C₂@C₈₀?［12］CPP	6.15	2.63

System	IP/eV	EA/eV
Benzene	8.86	-2.10
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