繼2014年7月和12月首次發現“中國紅燈籠分子”——硼球烯B40-/0 (Borospherenes)和手性硼球烯B39- (Chiral Borospherenes)之后，山西大學分子科學研究所納米團簇實驗室翟華金、李思殿教授課題組通過廣泛的全局極小結構搜索和嚴格的第一性原理理論計算，最近又成功預測了新的硼球烯家族成員——籠狀手性B41+和B422+的存在，將硼球烯家族Bnq從n = 39-40擴展到n = 39-42 (q = n-40), 實現了硼球烯化學的又一重大突破。這項由山西大學學者獨立完成的科研成果已于近日在國際權威學術期刊《德國應用化學》上在線發表(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201501588)。
硼球烯家族Bnq (n = 39-42)及其結構衍生關系
以C60為代表的傳統碳富勒烯是由碳單鏈交織而成的籠狀分子，而以B40為代表的硼球烯團簇Bnq (C3 B39-、D2d B40-/0、C1 B41+與C2 B422+)則代表一類由硼雙鏈交織而成的新穎籠狀化學結構(看上圖)：這些立方籠狀分子含六個B6六元環或B7七元環表面，八個頂點各覆蓋一個B6平面三角形，12條雙鏈棱上則均勻分布著n個B3三角形，多面體總的棱數(E)、面數(F)和頂點數(V)符合歐拉公式(Euler's Rule): E = F + V - 2。硼球烯分子與化學上著名的立方烷C8H8 (Cubane)類似，可視其為立方硼烯(Cuborenes)，其中硼雙鏈等價于碳單鏈，表現典型的“雙鏈化學”特性。目前，課題組正在探討更大尺寸范圍內穩定硼球烯或其衍生物存在的可能性，開辟硼球烯化學新領域。
C1 B41+ (a)和C2 B422+ (b)硼球烯的s與p雙離域成鍵模式
Bnq硼球烯分子(B39-、B40、B41+與B422+)高度的熱力學和動力學穩定性源于其獨特的電子結構和化學成鍵(看上圖)：硼球烯表面n+8個B3三角形上各有一個三中心離域s鍵(n+8 3c-2e s)，12條硼雙鏈棱上各覆蓋一個多中心離域p鍵(12 mc-2e p)，分子中所有價電子均參與離域成鍵。這種s+p雙離域成鍵模型在已知穩定分子中尚屬首例。 已經發現的硼球烯系列分子均符合12 p軌道電子計數規則，具有立體芳香性。
課題組最新研究表明，與富勒烯類似，硼球烯分子可以作為分子器件，進行各種配體保護、化學修飾和金屬摻雜；基于硼球烯結構，可能形成類似于石墨烯和碳納米管的新穎硼平面和納米管材料。新穎硼納米材料在能量儲存(儲氫儲鋰)、半導體材料、催化等領域具有重要應用前景。硼球烯家族的發現預示著一個與碳富勒烯家族平行、具有廣闊應用前景的研究領域的興起。
以上研究成果得到國家自然科學基金、山西省國際合作項目、山西省“三晉學者”特聘教授支持計劃、山西大學引進高層次人才科研啟動基金及山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室的聯合資助。分子科學研究所在讀博士生陳強是論文第一作者。分子科學研究所穆躍文老師、呂海港老師、在讀碩士生張素燕、高婷婷、李海茹以及在讀博士生白慧、田文娟是論文的共同作者。
硼球烯家族相關鏈接：
1. 光明日報2014年7月14日頭版報道“中美科學家攜手發現全硼富勒烯”
http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-07/14/nw.D110000gmrb_20140714_5-01.htm
2. 硼球烯B40-/0的發現：
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.1999.html
3. 軸手性硼球烯 B39-的發現：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn506262c
4. 手性硼球烯B41+、B422+理論預測
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201501588
