1.5　非色谱分离法

高效液相色谱法是分离富勒烯和金属富勒烯的常规方法，也是能够获得高纯度的富勒烯、金属富勒烯和富勒烯衍生物的分离方法。实际上，目前为止，绝大多数的富勒烯、金属富勒烯和富勒烯衍生物都是通过这样的方法得到分离和纯化，进而进行结构表征的。然而，这种分离方法的弊端也是非常明显的，是一个费时费力的过程，不能实现快速而大规模的分离；另外，色谱设备昂贵，技术实用性差。可以说，从基础研究角度看，高效液相色谱分离法是适用而有效的；然而，从应用角度看，因为需要大量的富勒烯、金属富勒烯和富勒烯衍生物，高效液相色谱法难以满足需求。因此，当要进行大规模分离时，必须开发新的方法。在这个问题上，经过各国研究者的努力，目前已经取得了重要进展。下面介绍利用富勒烯、金属富勒烯的性质差异而进行的非色谱分离方法。这些分离方法包括用Lewis酸与富勒烯进行络合的分离、基于化学性质差异的分离、电解辅助分离、使用具有氧化还原活性的溶剂进行的分离以及使用氧化还原试剂的分离等。

1.5.1　使用Lewis 酸分离富勒烯和金属富勒烯

20世纪90年代起，G.A. Olah等进行了Lewis酸催化富勒烯的功能化反应。这些实验中，在AlCl₃催化下，富勒烯与其溶剂发生反应而产生多芳香烃富勒烯。结果显示，只有相对较强的Lewis酸才能催化这种反应，较弱的SnCl₄和TiCl₄不能催化该反应 ^[10]。他们对Lewis酸催化富勒烯功能化反应的一个关键成果是发现C₆₀和C₇₀之间的反应性差异。I. Bucsi等^[11]将C₆₀和C₇₀的化学反应活性差异转化为分离方法。在用CS₂和AlCl₃溶解富勒烯提取物时，反应活性更高的C₇₀沉淀下来而惰性较强的C₆₀仍在溶液中。过滤后，滤液经纯化可以得到纯度大于99.8%的C₆₀，回收率可以达到73%。这个方法也可以用于C₇₀的纯化。

2009年，S. Stevenson等对金属富勒烯与Lewis酸的反应特性进行了研究。他们重点考察了金属氮化物和金属氧化物富勒烯与Lewis酸的反应。结果显示，这些金属富勒烯比C₆₀和C₇₀具有更强的反应活性，金属富勒烯反应活性遵循如下顺序：Sc₄O₂@C₈₀>Sc₃N@C₇₈> Sc₃N@C₆₈> Sc₃N@D_5h-C₈₀> Sc₃N@I_h-C₈₀。这种富勒烯与金属富勒烯之间的巨大反应活性差异可以将金属富勒烯从富勒烯中分离出来，不同金属富勒烯间的活性差异可以实现单个金属富勒烯Sc₃N@C₈₀的分离与纯化^[12]。作为一种非色谱方法，该方法不需要特殊的色谱柱，也不需要收集高效液相色谱的组分。通常，使用Lewis酸纯化方法是有利的。通过调整反应时间和改变Lewis酸，可以将金属富勒烯提取物分成一系列不同类型的金属富勒烯。

2012年，K. Akiyama等^[13]研究了Lewis酸对其他类型金属富勒烯的反应。他们聚焦于研究纯金属富勒烯（M_x@C_n，x＝1、2、n>70）和金属碳化物富勒烯（M_yC₂@C_n－2，y＝2、3、4；n－2>68）与Lewis酸的反应。结果显示，Lewis酸TiCl₄可与金属富勒烯快速和选择性地反应。在10min内，金属富勒烯就会与TiCl₄发生复合而沉淀，从而实现与未反应的较低分子量的空笼富勒烯分离。更为重要的是，TiCl₄与金属富勒烯形成的复合物很容易分解而得到纯金属富勒烯。

2012年，Z. Wang等 ^[14]报道了金属富勒烯与TiCl₄的反应机理。他们发现，富勒烯和内嵌富勒烯与TiCl₄的反应活性差异与这些物种的第一氧化电位有关。氧化电位越低，反应活性越高。研究显示，所有第一氧化电位低于0.62V的金属富勒烯都可以用Lewis酸法实现与富勒烯的分离。紫外-可见吸收光谱研究显示，金属富勒烯向Lewis酸转移了电子，这个实验现象解释了金属富勒烯反应活性差异与氧化电位的关系。

2013，Z. Wang等^[15]进一步证明了TiCl₄可用于分离高活性、小带隙的金属富勒烯衍生物。尽管这些高活性、小带隙的金属富勒烯的产率高，但是不溶于通常的富勒烯的溶剂——甲苯或二硫化碳，而以聚合物的形式存在于烟灰中。他们通过调整电弧放电法的反应物，生成了稳定、可溶的三氟甲基功能化的金属富勒烯衍生物。在此基础上，选择性地将功能化的金属富勒烯衍生物Y@C_2n（CH₃）_m与TiCl₄络合来纯化Y@C_2n（CF₃）_m，从烟灰提取物中分离得到Y@C₇₂（CF₃）_m和Y@C₇₄（CF₃）_m（m＝1，3）的几个异构体。这种分离方法为不可溶的金属富勒烯的分离提供了机会。

2013年，S.Stevenson等^[16]的研究显示，Lewis酸CuCl₂倾向于与金属富勒烯强烈反应并沉淀出大多数金属富勒烯。CuCl₂的优点是它能够将沉降电位从0.62V降低到大约0.19V。优先沉淀第一氧化电位小于0.19V的金属富勒烯，可以实现高活性金属富勒烯与活性较低（即沉降电位大于0.19V）的金属富勒烯之间的分离。CuCl₂还可以分离不同类别的内嵌金属富勒烯。例如，利用CuCl₂，可以将Sc₄O₂@C₈₀从其他金属氧化物富勒烯和金属氮化物富勒烯中分离出来。Sc₃N@C₇₈（0.12V）可从与Sc₃N@C₆₈（0.33V）以及Sc₃N@C₈₀-D_5h（0.34V）和Sc₃N@C₈₀-I_h（0.62eV）形成的混合物中分离出来。CuCl₂还可以分离出Er₂@C₈₂的结构异构体。

Gd基内嵌金属富勒烯作为磁共振成像造影剂很有意义，因此，对Gd基内嵌金属富勒烯进行高效分离尤为重要。2014年，S. Stevenson等^[17]用11种不同的Lewis酸对其反应性进行了评价。目标是确定一系列的沉淀阈值，以便实现内嵌金属富勒烯的选择性沉淀、分离。他们发现CaCl₂在11种被测Lewis酸中的反应活性最低，但是选择性最高，只沉淀那些具有最低氧化电位的内嵌金属富勒烯。CaCl₂与Gd₃N@C₈₈的第一氧化电位（只有0.06 V）相匹配，使Gd烟灰提取物中Gd₃N@C₈₈易于沉淀。在ZnCl₂过量较大的情况下，经过数天的反应，得到了以Gd₃N@C₈₄（第一氧化电位0.32 V）为主要组分的金属富勒烯。留在溶液中的主要成分是较低分子量的空笼富勒烯以及Gd₃N@C₈₆（0.35V）和Gd₃N@C₈₀（0.58V）。实验研究显示，Lewis酸的反应活性自左至右依次增强：CaCl₂<ZnCl₂<NiCl₂<MgCl₂<MnCl₂<CuCl₂<WCl₄≪ WCl₆< ZrCl₄< AlCl₃< FeCl₃，而选择性则遵循相反的顺序。

因为Gd-金属富勒烯的沉淀阈值介于最低和最高的第一氧化电位之间，弱Lewis酸可以将不同Gd-金属富勒烯从提取物中分离出来。如果使用较弱的（如CaCl₂、ZnCl₂、NiCl₂）Lewis酸，Gd₃N@C₈₈可能是沉淀的优势物种。换句话说，只有活性最高的金属富勒烯才能用这种“弱Lewis酸”方法进行沉淀分离。

2015年，S. Stevenson等^[18]开发了一种分离混合金属氮化物富勒烯CeLu₂N@ C₈₀的方法。这种分离方法的第一阶段是使用一种弱的Lewis酸MgCl₂，选择性地沉淀那些具有极低的第一氧化电位的烟灰提取物（如Ce₂LuN@C₈₀和CeLu₂N@C₈₀）。由于CeLu₂N@C₈₀的电位低（0.1 V），是用Lewis酸法沉淀的优势物种。此时，大多数金属富勒烯和空富勒烯仍然在溶液中。因为在Lewis酸富集CeLu₂N@C₈₀样品中有少量的共沉淀的内嵌金属富勒烯，所以，在第二阶段的分离中，通过添加干燥的氨基硅胶到富集的CeLu₂N@C₈₀样品中，让第一阶段时残留到样品中的金属富勒烯和空富勒烯吸附到氨基硅胶上。过滤反应浆后，滤液中含有未反应的CeLu₂N@C₈₀。以类似的方式，使纯Gd₃N@C₈₈的非色谱分离成为可能。

1.5.2　基于化学性质差异的分离

在过去十多年中，对金属富勒烯化学性质的研究取得了巨大的进展，结果显示，它们的化学反应活性与空富勒烯的相比有很大的差异。不同的反应类型可以用于富勒烯、金属富勒烯的分离^[19]。研究显示，不同的富勒烯进行Diels-Alder环加成反应时，富勒烯的反应活性差异大。利用这种环加成特性，采用环戊二烯基功能化树脂的自填充柱，可以实现大规模的分离。研究表明，偶极环加成反应以及吡咯烷基的加成和消除能够简化氮化物团簇富勒烯的分离^[20]。从原理上讲，利用富勒烯和金属富勒烯以及金属富勒烯之间的化学反应特性差异进行分离是很有优势的，然而，化学反应必然导致目标富勒烯或金属富勒烯连上新的基团，去除这种化学键连接的基团通常是比较困难的，因此，用这种方法制备纯金属富勒烯是没有竞争力的。但是，如果最终目标是获得富勒烯或金属富勒烯的衍生物，将纯化过程与衍生化过程合二为一却是很有前景的。

1.5.3　电解辅助分离

金属富勒烯的电化学行为与富勒烯的电化学行为有显著差异。因此，可以利用这种差异对金属富勒烯进行选择性还原或氧化而将其从富勒烯混合物中分离出来。

第一种基于电解而分离金属富勒烯的方法是由M.D. Diener和J.M. Alford于1998年提出的^[21]。他们采用电弧放电法合成了Gd基内嵌金属富勒烯，并采用升华技术从烟灰中分离出富勒烯和金属富勒烯，然后用邻二甲苯溶解升华物。然而，升华物的相当一部分并没有溶解（约20%的Gd基内嵌金属富勒烯和10%的空富勒烯）。对初始升华物进行质谱分析，检测到常规有机溶剂提取物中没有检测到的一些富勒烯物种，也就是说，因部分富勒烯和金属富勒烯不溶于有机溶剂中，烟灰中含有的富勒烯和金属富勒烯物种的数量多于有机溶剂提取而得到的物种数。因此，一些特殊的空富勒烯（最突出的是C₇₄）和不溶于有机溶剂的金属富勒烯Gd@C₆₀和Gd@C₇₄可以通过这种升华方法得到分离。

在－1.0V（Ag/AgNO₃参比）下进行电解还原，悬浮在苯腈中的98%的不溶颗粒溶解。对溶解后的溶液的质谱测试显示，溶液中含有空富勒烯C₇₄以及金属富勒烯Gd@C₆₀和Gd@C₇₄。在0.4V下进行再氧化时，不溶性小带隙空富勒烯和Gd基金属富勒烯在Pt工作电极上聚合，从而与保留在苯腈溶液中的大带隙富勒烯分离。因为电极上的膜可以溶解在新鲜的苯腈中，电化学过程是可逆的。用亚铁盐对电解还原得到的阴离子进行再氧化，得到了以Gd基金属富勒烯为主的沉淀。重要的是，这种方法所提供的富勒烯是标准提取技术所无法获得的，而且也是可以规模化进行的。

2004年，T. Tsuchiya等根据富勒烯和金属富勒烯的电化学还原电位不同而开发了一种有效的电解还原分离技术^[22]。在他们的试验中，单金属和双金属富勒烯（如La@C₈₂和La₂@C₈₀）被还原，而具有更多负还原电位的空富勒烯仍未被还原。电解后将溶剂蒸发。未电解的富勒烯用丙酮/CS₂混合物进行处理，富勒烯溶于CS₂中，而金属富勒烯负离子则溶于丙酮/CS₂中。滤液在丙酮/CS₂溶液中用弱酸CHCl₂COOH进行再氧化，生成内嵌金属富勒烯的棕黑色固体。这里产生的棕黑色固体可以用二氧化硫进行提取。

1.5.4　使用氧化还原活性溶剂和试剂的分离

使用氧化还原试剂，甚至是富勒烯提取的溶剂，实现金属富勒烯的选择性还原或氧化，从而实现金属富勒烯的分离。自金属富勒烯研究的早期开始，研究人员发现，利用二甲基甲酰胺（DMF）、吡啶和苯胺等含氮有机溶剂来提取金属富勒烯是一种有效的方法^[23]。这些溶剂的特殊作用机理是以电荷转移为基础的。不带电的富勒烯在DMF中溶解度较差，而带负电的金属富勒烯的溶解度较高。由于这种行为上的差异，可以用来改进金属富勒烯的提取。此外，该方法允许提取标准溶剂不能提取的金属富勒烯。例如，M@C₆₀被苯胺有效地提取^[24]。DMF以中性形式提取空笼富勒烯，而La基金属富勒烯以阴离子的形式被提取出来。在溶剂蒸发前，在DMF溶液中加入盐，确保金属富勒烯在溶剂中保持阴离子状态。然后，带负电的金属富勒烯可以溶解在丙酮/CS₂混合物中，并以类似于电解辅助分离的方式处理。

J.W. Raebiger等开发了利用一系列氧化剂对金属富勒烯进行选择性氧化而实现高效选择性分离的方法^[25]，并成功地应用于Gd基和Tm基金属富勒烯的分离中。其方法的原理是，在极性溶剂中，富勒烯和金属富勒烯具有不同的氧化电位和溶解度。首先，将电弧放电的升华物用邻二氯苯进行溶解和索氏提取，分为可溶性和不溶性两部分。将不溶部分用环己烷和四氢呋喃进行冲洗并蒸干得到固体；将邻二氯苯溶液蒸干得到固体。将邻二氯苯溶液蒸干得到的固体分散到二氯甲烷和AgSbF₆中，搅拌让其反应，过滤并用CH₃CN、环己烷和甲苯冲洗，对所获得的固体进行质谱测试显示，里面主要是Gd@C₈₂。

Li@C₆₀的产率极低，分离相当困难。实际上，自从金属富勒烯受到广泛研究以来，Li@C₆₀并未得到宏量合成和精确的实验表征。2010年，S. Aoyagi等开发了选择性氧化内嵌金属富勒烯以实现Li@C₆₀的分离^[26]。在他们的工作中，将Li@C₆₀氧化为[Li@C₆₀]（SbCl₆），长出单晶并进行了单晶X射线衍射研究，首次确定了Li@C₆₀的分子结构，发现金属原子位于碳笼内的偏离中心的位置。

B. Elliott等首次用氧化还原试剂分离了金属富勒烯的异构体^[27]。研究发现，具有D_5h对称性的Sc₃N@C₈₀异构体（次要）的氧化电位比I_h对称性的异构体（主要）的氧化电位低0.27V，并提出用合适的氧化还原试剂选择性氧化D_5h异构体可用于异构体的分离。M.R. Cern等在2013年进一步改进了这种方法^[28]，他们使用乙酰基二茂铁[Fe（COCH₃C₅H₄）Cp]盐氧化金属富勒烯。分离出的富勒烯混合物中含有Sc₃N@C₆₈、Sc₃N@C₇₈、I_h-和D_5h-Sc₃N@C₈₀以及一些空的富勒烯。他们将富勒烯提取物溶于二硫化碳与过量[Fe（COCH₃C₅H₄）Cp]盐中并进行超声。混合物被沉积在硅胶柱上，用非极性的CS₂溶剂洗脱含有富勒烯杂质的中性Sc₃N@C₈₀-I_h，而氧化的Sc₃N@C_2n金属富勒烯则黏附在硅胶上。该氧化组分随后在甲醇中被CH₃SNa还原，然后用CS₂洗脱。在不同的富勒烯/盐比下重复了三次。M.R. Cern等描述的方法可以将Sc₃N@C₈₀-I_h、Sc₃N@C₇₈、Sc₃N@ C₈₀-D_5h和Sc₃N@C₆₈混合物分离开来。