金属富勒烯Gd@C₈₂在核磁造影剂以及抗癌药物方面的重要应用,使金属富勒烯Gd@C₈₂成为研究的焦点。目前金属富勒烯研究主要有两大难点,一方面,金属富勒烯的制备与分离过程复杂,很难实现宏量制备。另一方面,由于其反应活性位点较多,金属富勒烯衍生化过程中生成的产物种类复杂。本文围绕金属富勒烯Gd@C₈₂的宏量制备及其衍生物的选择性合成展开,主要包括以下三部分:金属富勒烯Gd@C₈₂的合成:实验发现,电弧放电法宏量制备金属富勒烯时,以GdNi合金与石墨粉混合烧结的碳棒（合金与石墨比例12:1）做阴极,在电流强度与氦气分别为140A和600Torr的条件下,得到的烟炱中金属富勒烯Gd@C₈₂的含量最高。分离时,通过引入对金属富勒烯Gd@C₈₂具有高选择性氧化的TiCl₄,通过一步氧化过程,实现了在原有工艺设备基础上,Gd@C₈₂提取效率的有效提升。高效液相色谱纯化中,根据色谱柱各自对富勒烯的选择特性,配合使用Buckyprep和Buckyprep-M两种色谱柱,得到了高纯的Gd@C₈₂。为金属富勒烯Gd@C₈₂衍生物的合成奠定了物质基础。金属富勒烯Gd@C₈₂与3-（2-吡啶基）-5,6-二苯基-1,2,4-三嗪的反应:通过优化,确定了最佳的反应条件和分离方法。循环分离得到了高纯的Gd@C₈₂三嗪单加成衍生物K1和K2。衍生物K1、K2的质谱同位素分布与模拟结果十分吻合,分子量均为1423.894。综合K1、K2的HPLC分离曲线、UV-vis-NIR吸收光谱和电化学测试数据进一步确定K1、K2两者结构十分接近。此外,与金属富勒烯Gd@C₈₂相比,衍生物K的氧化还原电位整体负移,表明衍生物更不易得到电子被还原。电子自旋共振谱模拟发现,主产物K1和K2的g因子分别为2.0157,2.0159。自旋哈密顿参数中,衍生物在轴向对称性（D值）和球面内对称性（E值）的磁能级偏差相同,反映了衍生物K1和K2分子的电子云偏移情况相同。进一步说明主产物衍生物K1和K2加成位点相同。与原始Gd@C₈₂相比,衍生物K1和K2在轴向和面内,两个方位的磁能级偏差明显增大,表明衍生化后碳笼π结构破坏,内嵌金属与外部碳笼间的电子分布的对称性降低。结合金属富勒烯Gd@C₈₂电负性和局部张力（POVA）应变分布,确定了K1和K2为加成在C1,C2位置上的手性异构体。金属富勒烯Gd@C₈₂与3,6-二-2-吡啶-1,2,4,5-四嗪和3,6-二苯基-1,2,4,5-四嗪反应中,分别得到了3,6-二-2-吡啶-1,2,4,5-四嗪单加成羟基化衍生物D和3,6-二苯基-1,2,4,5-四嗪单加成衍生物E。分别确定了Gd@C₈₂与两种四嗪分子反应的最佳反应条件。同时HPLC、UV-vis-NIR吸收光谱、电化学性质以及ESR谱图中衍生物D和E的特征信号相差较大,表明衍生物D和E两者结构不同。ESR模拟得到的衍生物自旋哈密顿参数中,衍生物D和E的g因子分别为2.0203和2.0157。综合比较模拟得到的四嗪衍生物D和E的自旋哈密顿参数发现D的轴向和面内对称性磁能级小于E。这是由于D中羟基的存在减弱了金属富勒烯中Gd的电子云的偏移。结合金属富勒烯Gd@C₈₂电负性和局部张力（POVA）应变分布和质谱数据,确定了D和E的结构,相关晶体正在培养中。在钙钛矿太阳能电池研究中,衍生物D的钙钛矿太阳能电池性能最佳,开路电压Voc为0.83V,总效率PCE达到了4.23%,明显高于Gd@C₈₂。这一研究为拓宽Gd@C₈₂衍生物在钙钛矿太阳能电池的性能提供了理论基础。