继2014年7月和2014年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，山西大学分子科学研究所翟华金、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—手性硼球烯C1 B41+和C2 B422+的存在，将硼球烯家族Bnq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要突破。这项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)。
图1. 硼球烯家族Bn (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Bnq (C3 B39-、D2d B40-/0、C1 B41+与C2 B422+)则代表一类由硼双链交织而成的新颖化学结构(见图1)：这些立方笼状分子含6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，十二条硼双链棱上则均匀分布着n个B3三角形，多面体的总棱数(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，体现典型的“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。
图2. C1 B41+ (a)和C2 B422+ (b)硼球烯的σ与π双离域成键模式
Bnq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(见图2)：硼球烯表面n+8个B3三角形上各有一个三中心离域σ键(n+8 3c-2e σ)，12条硼双链棱上各覆盖一个多中心离域π键(12 mc-2e π)，分子中所有价电子均参与离域成键。硼球烯这种σ+π双离域成键模式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 π轨道电子计数规则，具有立体芳香性。
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、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(21243004, 21373130)、山西省国际合作项目(2013081018)、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。
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
5. 金属内嵌硼球烯Ca@B40理论预测
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201408738