Recent Progress on Endohedral Metallic Fullerenes

doi:10.21127/yaoyigc20180004

Abstract

Abstract:

Endohedral metallic fullerenes (EMFs), featured by the encapsulation of metal ions, molecules and clusters inside the hollow sphere of carbon cage, have drawn great attention in the fullerene research field because of their unique structures and properties. In this minireview, we reviewed the most recent development in this area, focusing mainly on the large EMFs and magnetic EMFs. The relevance between the large carbon cage and cluster was discussed and the paramagnetism and single-molecule magnetism of EMFs, which are controlled by spin single electron and the coupling of f-shell of metal ions, were summarized.

Key words: endohedral metallic fullerenes, large endohedral fullerenes, paramagnetism, single-molecule magnetism

Yang Wei, Xiaomeng Li, Ning Chen. Recent Progress on Endohedral Metallic Fullerenes[J]. General Chemistry, 2018, 4(3): 180004-180004.

References

1	Kroto H. W.; Heath J. R.; O'Brien S. C.; Curl R. F.; Smalley R. E. Nature. 1985, 318, 162.
2	Shen W.; Bao L.; Wu Y.; Pan C.; Zhao S.; Fang H.; Xie Y.; Jin P.; Peng P.; Li F.-F.; Lu X. . J. Am. Chem. Soc.. 2017, 139, 9979.
3	Bao L.; Chen M.; Pan C.; Yamaguchi T.; Kato T.; Olmstead M. M.; Balch A. L.; Akasaka T.; Lu X. . Angew. Chem.. 2016, 128, 4314.
4	Sado Y.; Aoyagi S.; Izumi N.; Kitaura R.; Kowalczyk T.; Wang J.; Irle S.; Nishibori E.; Sugimoto K.; Shinohara H. . Chem. Phys. Lett.. 2014, 600, 38.
5	Wang Y.; Tang Q.; Feng L.; Chen N.. Inorg. Chem.. 2017, 56, 1974.
6	Tang, Q.; Abella, L.; Hao, Y.; Li, X.; Wan, Y.; Rodriguez-Fortea, A.; Poblet, J. M.; Feng, L.; Chen, N.. Inorg. Chem. 2016, 55, 1926.
7	Cai W.; Li F.-F.; Bao L.; Xie Y.; Lu X. . J. Am. Chem. Soc.. 2016, 138, 6670.
8	Abella L.; Tang Q.; Zhang X.; Wang Y.; Chen N.; Poblet J. M.; Rodríguez-Fortea A. . J. Phys. Chem. C. 2016, 120, 26159.
9	Akasaka T.; Okubo S.; Kondo M.; Maeda Y.; Wakahara T.; Kato T.; Suzuki T.; Yamamoto K.; Kobayashi K.; Nagase S. . Chem. Phys. Lett.. 2000, 319, 153.
10	Maeda Y.; Miyashita, J.; Hasegawa, T.; Wakahara, T.; Tsuchiya, T.; Feng, L.; Lian, Y.; Akasaka, T.; Kobayashi, K.; Nagase S.. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2143.
11	Popov, A. A.; Yang, S.; Dunsch, L.. Chem. Rev. 2013, 113, 5989.
12	Reich A.; Panthöfer M.; Modrow H.; Wedig U.; Jansen M. . J. Am. Chem. Soc.. 2004, 126, 14428.
13	Cai W.; Morales-Martinez R.; Zhang X.; Najera D.; Romero E. L.; Metta-Magana A.; Rodriguez-Fortea A.; Fortier S.; Chen N.; Poblet J. M.; Echegoyen L. . Chem. Sci.. 2017, 8, 5282.
14	Yang S.; Dunsch L. . Angew. Chem. Int. Ed.. 2006, 45, 1299.
15	Beavers C. M.; Jin H.; Yang H.; Wang Z.; Wang X.; Ge H.; Liu Z.; Mercado B. Q.; Olmstead M. M.; Balch A. L. . J. Am. Chem. Soc.. 2011, 133, 15338.
16	Fu, W.; Zhang, J.; Fuhrer, T.; Champion, H.; Furukawa, K.; Kato, T.; Mahaney, J. E.; Burke, B. G.; Williams, K. A.; Walker, K.; Dixon, C.; Ge, J.; Shu, C.; Harich, K.; Dorn, H. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9741.
17	Popov A. A.; Zhang L.; Dunsch L. . ACS Nano. 2010, 4, 795.
18	Krause, M.; Dunsch, L. Chem. Phys. Chem.. 2004, 5, 1445.
19	Chen, N.; Zhang, E.-Y.; Wang, C.-R.. J. Phys. Chem. B. 2006, 110, 13322.
20	Chen, N.; Fan, L.-Z.; Tan, K.; Wu, Y.-Q.; Shu, C.-Y.; Lu, X.; Wang, C.-R.. J. Phys. Chem. C. 2007, 111, 11823.
21	Zhang, L.; Popov, A. A.; Yang, S.; Klod, S.; Rapta, P.; Dunsch, L. Phys. Chem. Chem. Phys.. 2010, 12, 7840.
22	Wang C.-R.; Kai T.; Tomiyama T.; Yoshida T.; Kobayashi Y.; Nishibori E.; Takata M.; Sakata M.; Shinohara H. . Angew. Chem., Int. Ed.. 2001, 40, 397.
23	Lu, X.; Nakajima, K.; Iiduka, Y.; Nikawa, H.; Tsuchiya, T.; Mizorogi, N.; Slanina, Z.; Nagase, S.; Akasaka, T. Angew. Chem. Int. Ed.. 2012,51, 5889.
24	Kurihara, H.; Lu, X.; Iiduka, Y.; Mizorogi, N.; Slanina, Z.; Tsuchiya, T.; Akasaka, T.; Nagase, S.. J. Am. Chem. Soc.. 2011,133, 2382.
25	Chen, C.-H.; Ghiassi, K. B.; Cerón, M. R.; Guerrero-Ayala, M. A.; Echegoyen, L.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. . 2015,137 10116.
26	Krause, M.; Ziegs, F.; Popov, A. A.; Dunsch, L. Chem. Phys. Chem. 2007,8, 537.
27	Liu, F.; Wang, S.; Guan, J.; Wei, T.; Zeng, M.; Yang, S. Inorg. Chem. 2014, 53, 5201.
28	Wang, T.-S.; Feng, L.; Wu, J.-Y.; Xu, W.; Xiang, J.-F.; Tan, K.; Ma, Y.-H.; Zheng, J.-P.; Jiang, L.; Lu, X.; Shu, C.-Y.; Wang, C.-R. J. Am. Chem. Soc. 2010,132, 16362.
29	Chen, N.; Mulet-Gas, M.; Li, Y.-Y.; Stene, R. E.; Atherton, C. W.; Rodriguez-Fortea, A.; Poblet, J. M.; Echegoyen, L. Chem. Sci. 2013,4, 180.
30	Chen N.; Beavers C. M.; Mulet-Gas M.; Rodríguez-Fortea A.; Munoz E. J.; Li Y.-Y.; Olmstead M. M.; Balch A. L.; Poblet J. M.; Echegoyen L. . J. Am. Chem. Soc.. 2012, 134, 7851.
31	Yang, T.; Hao, Y.; Abella, L.; Tang, Q.; Li, X.; Wan, Y.; Rodríguez-Fortea, A.; Poblet, J. M.; Feng, L.; Chen, N. Chem. Eur. J. 2015,21, 11110.
32	Stevenson S.; Mackey M. A.; Stuart M. A.; Phillips J. P.; Easterling M. L.; Chancellor C. J.; Olmstead M. M.; Balch A. L. . J. Am. Chem. Soc.. 2008, 130, 11844.
33	Cai, W.; Bao, L.; Zhao, S.; Xie, Y.; Akasaka, T.; Lu, X. J. Am. Chem. Soc. 2015,137, 10292.
34	Curl, R. F. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 1566.
35	Chen, C.-H.; Abella, L.; Cerón, M. R.; Guerrero-Ayala, M. A.; Rodríguez-Fortea, A.; Olmstead, M. M.; Powers, X. B.; Balch, A. L.; Poblet, J. M.; Echegoyen, L. J. Am. Chem. Soc. 2016,138, 13030.
36	Yang S.; Wei T.; Jin F.. Chem. Soc. Rev.. 2017,46, 5005.
37	Wolf, M.; Müller, K. H.; Skourski, Y.; Eckert, D.; Georgi, P.; Krause, M.; Dunsch, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2005,44, 3306.
38	Smirnova, T. I.; Smirnov, A. I.; Chadwick, T. G.; Walker, K. L. Chem. Phys. Lett. 2008,453, 233.
39	Chen, L.; Carpenter, E.E.; Hellberg, C. S.; Dorn, H. C.; Shultz, M.; Wernsdorfer, W.; Chiorescu, I. J. Appl. Phys. 2011, 109 07B101.
40	Van Loosdrecht, P.; Johnson, R.; De Vries, M.; Kiang, C.-H.; Bethune, D.; Dorn, H.; Burbank, P.; Stevenson, S. Phys. Rev. Lett. 1994,73, 3415.
41	Zuo, T.; Xu, L.; Beavers, C. M.; Olmstead, M. M.; Fu, W.; Crawford, T. D.; Balch, A. L.; Dorn, H. C. J. Am. Chem. Soc. 2008,130, 12992.
42	[42]Popov A. A.; Chen N.; Pinzo?n J. R.; Stevenson S.; Echegoyen L. A.; Dunsch L. . J. Am. Chem. Soc.. 2012,134, 19607.
43	Popov, A. A.; Dunsch, L. J. Am. Chem. Soc. 2008,130, 17726.
44	Wang, T.; Wu, J.; Xu, W.; Xiang, J.; Lu, X.; Li, B.; Jiang, L.; Shu, C.; Wang, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 1786.
45	Westerstro?m, R.; Dreiser, J.; Piamonteze, C.; Muntwiler, M.; Weyeneth, S.; Brune, H.; Rusponi, S.; Nolting, F.; Popov, A.; Yang, S. J. Am. Chem. Soc. 2012,134, 9840.
46	Krylov, D. S.; Liu, F.; Avdoshenko, S. M.; Spree, L.; Weise, B.; Waske, A.; Wolter, A. U. B.; Buchner, B.; Popov, A. A. Chem. Commun. 2017,53, 7901.
47	Chen, C.-H.; Krylov, D. S.; Avdoshenko, S. M.; Liu, F.; Spree, L.; Yadav, R.; Alvertis, A.; Hozoi, L.; Nenkov, K.; Kostanyan, A. Chem. Sci. 2017,8, 6451.
48	[48]Liu F.; Gao C.-L.; Deng Q.; Zhu X.; Kostanyan A.; Westerström R.; Wang S.; Tan Y.-Z.; Tao J.; Xie S.-Y.; Popov A. A.; Greber T.; Yang S. . J. Am. Chem. Soc.. 2016, 138, 14764.
49	Leuenberger, M. N.; Loss, D. Nature 2001,410, 789.
50	Bogani, L.; Wernsdorfer, W. Nat. Mater. 2008,7, 179.
51	Wang, S.; Yang, S.; Kemnitz, E.; Troyanov, S. I. Angew. Chem., Int. Ed. 2016,55, 3451.
52	Yang, H.; Jin, H.; Hong, B.; Liu, Z.; Beavers, C. M.; Zhen, H.; Wang, Z.; Mercado, B. Q.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 16911.
53	Yang, H.; Beavers, C. M.; Wang, Z.; Jiang, A.; Liu, Z.; Jin, H.; Mercado, B. Q.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. Angew. Chem., Int. Ed. 2010,49, 886.
54	Wang, S.; Yang, S.; Kemnitz, E.; Troyanov, S. I. Inorg. Chem. 2016,55, 5741.
55	Che, Y.; Yang, H.; Wang, Z.; Jin, H.; Liu, Z.; Lu, C.; Zuo, T.; Dorn, H. C.; Beavers, C. M.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. Inorg. Chem. 2009,48, 6004.
56	Yang, H.; Jin, H.; Zhen, H.; Wang, Z.; Liu, Z.; Beavers, C. M.; Mercado, B. Q.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 6299.
57	Jin, H.; Yang, H.; Yu, M.; Liu, Z.; Beavers, C. M.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2012,134, 10933.
58	Zhao, P.; Guo, Y.-J.; Zhao, R.-S.; Zhao, X. Chem. Phys. Lett. 2016,644, 35.
59	Mercado, B. Q.; Jiang, A.; Yang, H.; Wang, Z.; Jin, H.; Liu, Z.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. Angew. Chem., Int. Ed. 2009,48, 9114.
60	[60]Zhao S.; Zhao P.; Cai W.; Bao L.; Chen M.; Xie Y.; Zhao X.; Lu X. . J. Am. Chem. Soc.. 2017, 139, 4724.
61	Yang, H.; Lu, C.; Liu, Z.; Jin, H.; Che, Y.; Olmstead, M. M.; Balch, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2008,130, 17296.
62	Chaur, M. N.; Valencia, R.; Rodríguez-Fortea, A.; Poblet, J. M.; Echegoyen, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2009,48, 1425.
63	Yang, S.; Dunsch, L. J. Phys. Chem. B 2005,109, 12320.
64	Chaur, M. N.; Melin, F.; Elliott, B.; Kumbhar, A.; Athans, A. J.; Echegoyen, L. Chem. Eur. J. 2008,14, 4594.
65	Zhang, J.; Fuhrer, T.; Fu, W.; Ge, J.; Bearden, D. W.; Dallas, J.; Duchamp, J.; Walker, K.; Champion, H.; Azurmendi, H.; Harich, K.; Dorn, H. C. J. Am. Chem. Soc. 2012,134, 8487.
66	Back P.; Sidler M.; Cotlet O.; Srivastava A.; Takemura N.; Kroner M.; Imamoğlu A. . Phys. Rev. Lett.. 2017, 118, 237404.
67	Wang, F.; Kivelson, S. A.; Lee, D.-H. Nat. Phys. 2015,11, 959.
68	Iqbal, Y.; Jeschke, H. O.; Reuther, J.; Valentí, R.; Mazin, I.; Greiter, M.; Thomale, R. Phys. Rev. B 2015,92, 220404.
69	Farrington B.; Jevric M.; Rance G.; Ardavan A.; Khlobystov A.; Briggs G.; Porfyrakis K. . Angew. Chem. Int. Ed.. 2012, 51, 3587.
70	Lu, X.; Akasaka, T.; Nagase, S. Chem. Commun. 2011,47, 5942.
71	Yannoni, C. S.; Hoinkis, M.; de Vries, M. S.; Bethune, D. S.; Salem, J. R.; Crowder, M. S.; Johnson, R. D. Science 1992,256, 1191.
72	Morley, G.; Herbert, B.; Lee, S.; Porfyrakis, K.; Dennis, T.; Nguyen- Manh, D.; Scipioni, R.; Van Tol, J.; Horsfield, A.; Ardavan, A. Nanotechnology 2005,16, 2469.
73	Suzuki, S.; Kawata, S.; Shiromaru, H.; Yamauchi, K.; Kikuchi, K.; Kato, T.; Achiba, Y. J. Phys. Chem. 1992,96, 7159.
74	Inakuma, M.; Shinohara, H. J. Phys. Chem. B 2000,104, 7595.
75	Misochko, E. Y.; Akimov, A. V.; Belov, V. A.; Tyurin, D. A.; Bubnov, V. P.; Kareev, I. E.; Yagubskii, E. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010,12, 8863.
76	Okubo, S.; Kato, T. Appl. Magn. Reson. 2003,23, 481.
77	Knapp, C.; Weiden, N.; Dinse, K.-P. Appl. Phys. A 1998,66, 249.
78	Sanakis, Y.; Tagmatarchis, N.; Aslanis, E.; Ioannidis, N.; Petrouleas, V.; Shinohara, H.; Prassides, K. J. Am. Chem. Soc. 2001,123, 9924.
79	Furukawa, K.; Okubo, S.; Kato, H.; Shinohara, H.; Kato, T. J. Phys. Chem. A 2003,107, 10933.
80	Morton, J. J.; Tiwari, A.; Dantelle, G.; Porfyrakis, K.; Ardavan, A.; Briggs, G. A. D. Phys. Rev. Lett. 2008,101, 013002.
81	Popov, A. A.; Chen, C.; Yang, S.; Lipps, F.; Dunsch, L. ACS Nano 2010,4, 4857.
82	Chen, C.; Liu, F.; Li, S.; Wang, N.; Popov, A. A.; Jiao, M.; Wei, T.; Li, Q.; Dunsch, L.; Yang, S. Inorg. Chem. 2012,51, 3039.
83	Feng, Y.; Wang, T.; Wu, J.; Zhang, Z.; Jiang, L.; Han, H.; Wang, C. Chem. Commun. 2014,50, 12166.
84	Zhang, Z.; Wang, T.; Xu, B.; Wang, C. Dalton Trans. 2014,43, 12871.
85	Fu, W.; Zhang, J.; Fuhrer, T.; Champion, H.; Furukawa, K.; Kato, T.; Mahaney, J. E.; Burke, B. G.; Williams, K. A.; Walker, K. J. Am. Chem. Soc. 2011,133, 9741.
86	Feng, Y.; Wang, T.; Wu, J.; Ma, Y.; Zhang, Z.; Jiang, L.; Ge, C.; Shu, C.; Wang, C. Chem. Commun. 2013,49, 2148
87	Ma, Y.; Wang, T.; Wu, J.; Feng, Y.; Li, H.; Jiang, L.; Shu, C.; Wang, C. J. Phys. Chem. Lett. 2013,4, 464.
88	Feng, Y.; Wang, T.; Wu, J.; Feng, L.; Xiang, J.; Ma, Y.; Zhang, Z.; Jiang, L.; Shu, C.; Wang, C. Nanoscale 2013,5, 6704.
89	Zhao, C.; Wang, T.; Li, Y.; Meng, H.; Nie, M.; Tian, J.; Wang, C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017,19, 26846.
90	Wu, B.; Wang, T.; Feng, Y.; Zhang, Z.; Jiang, L.; Wang, C. Nat. Commun. 2015,6, 6468.
91	Westerström, R.; Dreiser, J.; Piamonteze, C.; Muntwiler, M.; Weyeneth, S.; Brune, H.; Rusponi, S.; Nolting, F.; Popov, A.; Yang, S.; Dunsch, L.; Greber, T. J. Am. Chem. Soc. 2012,134, 9840.
92	Liu, F.; Wang, S.; Gao, C. L.; Deng, Q.; Zhu, X.; Kostanyan, A.; Westerström, R.; Jin, F.; Xie, S. Y.; Popov, A. A. Angew. Chem., Int. Ed. 2017,129, 1856.
93	Westerström, R.; Dreiser, J.; Piamonteze, C.; Muntwiler, M.; Weyeneth, S.; Krämer, K.; Liu, S.-X.; Decurtins, S.; Popov, A.; Yang, S. Phys. Rev. B 2014, 89, 060406.
94	Junghans, K.; Schlesier, C.; Kostanyan, A.; Samoylova, N. A.; Deng, Q.; Rosenkranz, M.; Schiemenz, S.; Westerström, R.; Greber, T.; Büchner, B. Angew. Chem., Int. Ed. 2015,54, 13411.
95	Liu, F.; Gao, C.-L.; Deng, Q.; Zhu, X.; Kostanyan, A.; Westerstro?m, R.; Wang, S.; Tan, Y.-Z.; Tao, J.; Xie, S.-Y. J. Am. Chem. Soc. 2016,138, 14764.
96	[96]Krylov D.; Liu F.; Avdoshenko S.; Spree L.; Weise B.; Waske A.; Wolter A.; Buechner B.; Popov A. A. . Chem. Commun.. 2017, 53, 7901.
97	[97]Liu F.; Krylov D. S.; Spree L.; Avdoshenko S. M.; Samoylova N. A.; Rosenkranz M.; Kostanyan A.; Greber T.; Wolter A. U.; Büchner B. . Nat. Commun, 2017, 8. 16098.