新发现双环硼烷分子 B14H26：开拓硼化学新前沿

为解决硼烷（Borane）稳定结构难获取及新结构发现困难的问题，研究人员开展双环硼烷分子 B14H26的合成与结构研究。结果发现该分子，其结构稳定且独特。这一发现拓展了硼化学领域，为硼基纳米材料发展带来新契机。

　　在化学的奇妙世界里，碳基材料的发展一直备受瞩目，富勒烯和石墨烯的发现更是掀起了研究热潮。然而，与碳元素类似的硼元素，其相关材料的研究却面临诸多挑战。硼由于自身电子缺陷的特性，使得 “氢硼”（即硼烷）稳定结构的实现困难重重。传统构建硼烷的方法通常是原子逐个组装，需要在严格控制的条件下进行，这大大增加了新硼烷结构发现的难度。尽管二维硼基材料如硼烯（Borophene）及其氢化产物硼氢化物（Borophane）因硼 - 氢原子间形成的三维二电子（3c - 2e）键而展现出显著的稳定性，理论上也提出了多种氢化硼的潜在结构，但这些分子在实验中的实现仍是化学领域亟待攻克的难题。零维（0D）硼烷的实现，就像化学领域一座尚未登顶的高峰，吸引着众多科研人员不断探索，因为它一旦成功合成，将成为硼化学领域的重大突破。

在这样的背景下，来自东京大学固体物理研究所（The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo）、东京工业大学创新研究机构（Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology）和筑波大学纯应用科学研究所（Institute of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba）的研究人员，踏上了探索硼烷新结构的征程。他们成功发现了一种此前未被探索的双环硼烷分子 B₁₄H₂₆，这一发现如同在硼化学领域点亮了一盏明灯，为后续研究开辟了新的方向。该研究成果发表在《Communications Chemistry》上，引起了化学领域的广泛关注。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在合成方面，通过离子交换反应，将钇铬硼化物（YCrB₄）粉末与阳离子交换树脂在乙腈溶剂中混合搅拌，再经过过滤、加热蒸发等步骤得到目标产物。在表征技术上，利用质谱（Mass Spectrometry）确定分子的化学计量比，傅里叶变换红外光谱（FT - IR）分析分子结构，同时借助第一性原理计算（First - Principles Calculation）研究分子的电子结构和振动特性。

下面让我们详细了解一下研究结果。

• 确定化学计量比：研究人员在制备硼氢化物（Borophane）独立薄片时，意外发现了双环硼烷分子 B₁₄H₂₆。通过质谱分析，在 m/z = 178 处检测到显著峰，且与 B₁₄H₂₆分子的质谱模拟结果相符，从而确定了其化学计量比。同时，以 B₂H₂单元为基础构建分子结构，得到了八边形或富烯样七边形的双环结构，且这些结构通过 3c - 2e 键满足所有化合价，呈电中性。
• FT - IR 表征：对蒸发物种进行 FT - IR 光谱表征，发现其光谱特征既包含与硼氢化物（HB）薄片类似的 B - H - B 键振动模式信号，又在 1500 cm^-1以上和 1200 cm^-1以下区域有独特的肩峰。通过对八边形和富烯样七边形的 B₁₄H₂₆分子进行第一性原理计算，模拟出的振动模式频率与实验光谱特征相匹配，有力地支持了 B₁₄H₂₆分子双环结构的存在。
• HOMO 和 LUMO 计算：研究人员对 B₁₄H₂₆两种结构的分子轨道进行计算。结果显示，两种结构的最高占据分子轨道（HOMO）均为 σ 键型，最低未占据分子轨道（LUMO）具有 π 轨道特征。双环八边形结构的 HOMO（LUMO）能级相对于真空能级位于 - 6.89（ - 2.11）eV，双环富烯样七边形结构的 HOMO（LUMO）出现在 - 7.05（ - 1.84）eV。

研究结论和讨论部分，展现出这一发现的重大意义。传统合成硼烷的方法往往条件苛刻，且只能得到较为简单的硼烷结构。而 B₁₄H₂₆是在硼氢化物原子片蒸发过程中偶然发现的，其合成通过温和条件下的离子交换反应，打破了传统原子逐个合成的模式。这种分解机制为构建复杂硼烷结构提供了新的途径。

从结构稳定性来看，B₁₄H₂₆遵循 Wade 规则，是由十二面体硼烷衍生而来的。与传统的对称笼状结构硼烷如十硼烷（B₁₀H₁₄）和十二硼酸盐（[B₁₂H₁₂]^{2 -}）不同，它具有独特的双环结构，包含较大的八边形和富烯样七边形结构单元。这种结构使其稳定性并非依赖外部因素，而是源于自身独特的成键构型，这为探索更大的硼框架结构提供了新的思路。

在应用前景方面，B₁₄H₂₆较小的 HOMO - LUMO 能隙和离域的 π 电子体系，预示着它在能量存储和催化等领域具有潜在的应用价值。例如，其较高的氢含量使其有望用于储氢材料，而缺电子框架则为催化反应提供了可能的活性位点。

综上所述，双环硼烷分子 B₁₄H₂₆的发现，不仅丰富了硼化学的理论体系，也为硼基纳米材料等领域的发展提供了新的方向和机遇。它让科研人员看到了硼元素在材料科学领域的巨大潜力，相信在未来，随着对 B₁₄H₂₆及相关硼烷研究的不断深入，将会有更多令人惊喜的成果涌现，为化学领域的发展注入新的活力。