我校分子科学研究所在Angew. Chem. Int. Ed.发表硼球烯化学重要研究成果

　继2014年7月和12月首次发现“中国红灯笼分子”——硼球烯B₄₀^-/0 (Borospherenes)和手性硼球烯B₃₉^- (Chiral Borospherenes)之后，我校分子科学研究所纳米团簇实验室翟华金、李思殿教授课题组通过广泛的全局极小结构搜索和严格的第一性原理理论计算，最近又成功预测了新的硼球烯家族成员——笼状手性B₄₁⁺和B₄₂²⁺的存在，将硼球烯家族B_n^q从n = 39-40扩展到n = 39-42 (q = n-40), 实现了硼球烯化学的又一重大突破。这项由我校学者独立完成的科研成果已于近日在国际权威学术期刊《德国应用化学》上在线发表(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201501588)。

硼球烯家族B_n^q (n = 39-42)及其结构衍生关系

　　以C₆₀为代表的传统碳富勒烯是由碳单链交织而成的笼状分子，而以B₄₀为代表的硼球烯团簇B_n^q (C₃ B₃₉^-、D_2d B₄₀^-/0、C₁ B₄₁⁺与C₂ B₄₂²⁺)则代表一类由硼双链交织而成的新颖笼状化学结构(看上图)：这些立方笼状分子含六个B₆六元环或B₇七元环表面，八个顶点各覆盖一个B₆平面三角形，12条双链棱上则均匀分布着n个B₃三角形，多面体总的棱数(E)、面数(F)和顶点数(V)符合欧拉公式(Euler's Rule): E = F + V - 2。硼球烯分子与化学上著名的立方烷C₈H₈ (Cubane)类似，可视其为立方硼烯(Cuborenes)，其中硼双链等价于碳单链，表现典型的“双链化学”特性。目前，课题组正在探讨更大尺寸范围内稳定硼球烯或其衍生物存在的可能性，开辟硼球烯化学新领域。

C₁ B₄₁⁺ (a)和C₂ B₄₂²⁺ (b)硼球烯的s与p双离域成键模式

　　B_n^q硼球烯分子(B₃₉^-、B₄₀、B₄₁⁺与B₄₂²⁺)高度的热力学和动力学稳定性源于其独特的电子结构和化学成键(看上图)：硼球烯表面n+8个B₃三角形上各有一个三中心离域s键(n+8 3c-2e s)，12条硼双链棱上各覆盖一个多中心离域p键(12 mc-2e p)，分子中所有价电子均参与离域成键。这种s+p双离域成键模型在已知稳定分子中尚属首例。 已经发现的硼球烯系列分子均符合12 p轨道电子计数规则，具有立体芳香性。

　　课题组最新研究表明，与富勒烯类似，硼球烯分子可以作为分子器件，进行各种配体保护、化学修饰和金属掺杂；基于硼球烯结构，可能形成类似于石墨烯和碳纳米管的新颖硼平面和纳米管材料。新颖硼纳米材料在能量储存(储氢储锂)、半导体材料、催化等领域具有重要应用前景。硼球烯家族的发现预示着一个与碳富勒烯家族平行、具有广阔应用前景的研究领域的兴起。

　　以上研究成果得到国家自然科学基金、山西省国际合作项目、山西省“三晋学者”特聘教授支持计划、山西大学引进高层次人才科研启动基金及山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室的联合资助。分子科学研究所在读博士生陈强是论文第一作者。分子科学研究所穆跃文老师、吕海港老师、在读硕士生张素燕、高婷婷、李海茹以及在读博士生白慧、田文娟是论文的共同作者。

硼球烯家族相关链接：

1. 光明日报2014年7月14日头版报道“中美科学家携手发现全硼富勒烯”

http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-07/14/nw.D110000gmrb_20140714_5-01.htm

2. 硼球烯B₄₀^-/0的发现：

http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.1999.html

3. 轴手性硼球烯 B₃₉^-的发现：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn506262c

4. 手性硼球烯B₄₁⁺、B₄₂²⁺理论预测

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201501588