富勒烯是由全碳原子所组成的笼状结构,自1985年被发现以来就备受科学家们的青睐。由于其自身独特的化学和物理性质而被应用于太阳能电池、生物催化和生物医学等各个领域。根据拓扑学,在庞大的富勒烯家族中,non-IPR(Isolated Pentagon Rule)富勒烯异构体的数量要远大于IPR富勒烯异构体的数量,但由于non-IPR富勒烯存在相邻五元环使得碳笼表面局部张力过大而难以被分离、表征。目前,可以通过内嵌或外接衍生化的方式来稳定non-IPR富勒烯,从而获得高度活泼的中间体,进而来研究富勒烯的形成机理。本论文通过向改进后的石墨电弧中引入氯源的方法来合成含有氯化富勒烯的碳灰,并对其进行提取与分离,从而获得几个新型的氯化富勒烯衍生物,并结合X-射线单晶衍射和密度泛函对其几何结构及氯化过程进行了研究。本论文主要内容包括以下三个部分:第一部分:我们第一次分离和表征出了含两个七元环、两对相邻五元环的非经典富勒烯C70Cl6。该结构被X-射线单晶衍射明确地表征,并结合理论计算对其氯稳定化的过程进行推测;此外,通过结构的关联,dihepta-C70Cl6的发现也让人们意识到含有七元环的富勒烯可能是富勒烯形成过程中重要的中间体;第二部分:通过对氯化富勒烯碳灰的提取与分离,我们成功表征出了 IPR高富勒烯(C78),并以C78(2)Cl6的形式被分离和表征,该结构的捕获为双功能化的氯化富勒烯衍生物C78(2)Cl6(C5Cl6)提供了实验上的依据,同时C78(2)Cl6和高氯化物C78(2)Cl18,C78(2)Cl30具有相同的氯原子加成位点,极有可能是后两者的前驱体。该结构的捕获对于研究六苯并苯单元的IPR富勒烯外接功能化具有一定的指导意义;第三部分:我们采用高效液相色谱法分离并通过X-射线单晶衍射明确表征出含一对相邻五元环的富勒烯衍生物#23295C78Cl10。#23295C78上相邻五元环的张力可以通过键和氯原子而得到释放,很好地符合了张力释放原理和局域芳香性原理,最后,我们结合理论计算对氯化过程进行了详细地研究。