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内嵌金属富勒烯是将金属原子或包含金属的团簇内嵌入富勒烯空腔中所形成的一类具有特殊结构的富勒烯。内嵌金属单元与外部碳笼通过电荷转移与结构匹配,从而稳定整个分子。由于具有独特的分子结构和性质,内嵌金属富勒烯在磁性、分子器件、量子信息处理及生物医药等领域具有广阔的应用前景。近几年,内嵌锕系金属富勒烯领域研究取得了阶段性成果,系统的实验研究和理论计算表明,内嵌锕系金属富勒烯电子结构和物理化学性质与内嵌镧系金属富勒烯有很大的不同。一方面,得益于富勒烯碳笼特殊的配位环境和金属U丰富可变的价态。本课题组利用富勒烯这个纳米容器稳定了一系列常规条件尚难以获得的具有特殊结构的U-非金属团簇,即U2C,U2C2,Sc2UC,U2N。另一方面,内嵌锕系金属独特的电子转移和金属与碳笼之间共价性质的相互作用,使得锕系金属能够稳定全新结构的碳笼。因此,继续新结构锕系团簇富勒烯的探索对于深入揭示锕系金属与碳笼相互作用本质以及认识团簇富勒烯形成机理都具有重要意义。此外,富勒烯的笼外化学修饰有助于深入理解富勒烯的化学性质,进而开发出具有特异性质和潜在应用的新型功能材料。内嵌金属富勒烯的电子结构和分子结构会影响其反应性。内嵌锕系金属富勒烯作为富勒烯家族的新成员,锕系金属富勒烯电子结构新颖,而化学反应性研究尚属空白。基于此,本论文立足于新型锕系团簇富勒烯的合成、分离和表征以及锕系金属富勒烯的化学反应性进行了以下几个方面的研究:（1）本工作采用直流电弧法首次合成了两个违反独立五元环规则的内嵌锕系团簇富勒烯并通过晶体学分析确定其分子结构分别为U2C@D2（10611）-C72和U2N@D2（10611）-C72。这是首次发现该碳笼结构可以被内嵌金属团簇稳定。此外,以往报道的该碳笼的结构都是通过衍生化得到的,这也是首次得到不含有衍生化基团的D2（10611）-C72碳笼的晶体结构。UXU（X=C、N）团簇分别形成了键角为178.9°和178.80°的线性构型,明显不同于U2X@Ih（7）-C80中UXU（X=C、N）团簇的弯曲构型。U=C键长度分别为2.042 （?）和2.067 （?）,U-N键长度分别为1.994（?） 和 2.079 （?）。U2C@D2（10611）-C72 和 U2N@D2（10611）-C72 表现出非常相似的UV-vis-NIR 光吸收特性。此外,U2C@D2（10611）-C72 和 U2N@D2（10611）-C72 电化学性质没有明显差异,表明内嵌团簇中非金属种类的不同不影响整个分子的电化学性质。相比于U2X@Ih（7）-C80（X=C、N）,发现非IPR碳笼中的相邻五元环与铀金属有着较强的相互作用,这种相互作用对内嵌铀金属团簇的价键构型产生了显著的影响。这一结果加深了我们对内嵌锕系金属团簇与不同构型的富勒烯碳笼的主客体相互作用的认知。（2）本工作以U3O8为金属原料,引入少量N2为氮源,利用直流电弧放电法合成了新的内嵌锕系金属团簇富勒烯U2C@D3h（5）-C78和U2N@D3h（5）-C78。并对其进行了全面的单晶X射线衍射分析以及紫外、电化学的表征。U2C@D3h（5）-C78和U2N@D3h（5）-C78的吸收特征相似,表明二者电子结构相似。U2C@D3h（5）-C78和U2N@D3h（5）-C78的电化学研究表明,二者具有非常相似的电化学行为,其电化学带隙值分别为0.82 V和0.81 V,表明二者的前线分子轨道以及HOMO-LUMO能带隙值类似。单晶X射线衍射分析清楚揭示了 U2N和U2C在C78碳笼中的线性构型,明显不同于U2C@Ih（7）-C80和U2N@Ih（7）-C80的弯曲构型,显示了碳笼结构对内嵌锕系金属团簇构型的显著影响。U=C键长分别为2.044（?）和2.027 （?）,U-N键长分别为2.001 （?）和2.044 （?）,与此前报道的U2C@Ih（7）-C80和U2N@Ih（7）-C80键长相似。U=C=U的角度为172.4°,U-N=U角度为174.4°,近似于线性结构,明显不同于此前理论预测的弯曲构型,但小于U2C@D2（10611）-C72与U2N@D2（10611）-C72中的键角。对比的结构分析表明,这些内嵌锕系金属团簇的线性构型是由碳笼形状,金属与碳笼以及锕系金属团簇的本征构型三者相互作用共同影响的结果。（3）通过 Th@C3v（8）-C82 和 U@C2v（9）-C82 与 2-金刚烷-2,3-[3H]-二氮杂环丙烷（AdN2）的光化学反应,本工作首次对内嵌锕系金属富勒烯进行了化学修饰。高效液相色谱（HPLC）和基质辅助激光解吸电离飞行时间（MALDI-TOF）分析表明,Th@C3v（8）-C82和U@C2v（9）-C82与2-金刚烷-2,3-[3H]-二氮杂环丙烷（AdN2）的光化学反应,分别得到了三个Th@C3v（8）-C82Ad异构体和四个U@C2v（9）-C82Ad异构体,显示出明显高于镧系同系物的反应性。成功分离得到了 Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）和U@C2v（9）-C82Ad（Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ）并进行了紫外光谱表征。单晶X射线衍射分析明确确定了 Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅰ）和U@C2v（9）-C82Ad（Ⅰ）的[6,6]开笼结构。此外,在室温条件下观察到了Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅱ）向 Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅰ）,Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅲ）向Th@C3v（8）-C82Ad（Ⅱ）转化。U@C2v（9）-C82Ad（Ⅱ）会向 U@C2v（9）-C82Ad（Ⅱ）,而U@C2v（9）-C82Ad（Ⅲ）会同时向 U@C2v（9）-C82Ad（Ⅱ）和 U@C2v（9）-C82Ad（Ⅱ）异构化。理论研究表明,Th@C3v（8）-C82和U@C2v（9）-C82中具有更近的金属原子到碳笼距离,将更多的电子转移到碳笼中,金属和碳笼的相互作用更强。所有这些差异导致了它们与镧系类似物相比具有更强的反应活性。Th-5f和U-5f轨道对占据分子轨道的重要贡献很好的解释了锕系金属与碳笼之间较强的相互作用。本工作研究首次揭示了锕系金属富勒烯的化学反应性,为这类新型富勒烯后续可能的功能化和应用打下基础。