手性硼球烯和金属硼球烯.doc

山西大学分子科学研究所发表手性硼球烯和金属硼球烯两项重要研究成果近日，山西大学分子科学研究所纳米团簇实验室与布朗大学化学系、清华大学化学系合作，在国际权威学术期刊美国化学会纳米(ACS Nano)和德国应用化学(Angew. Chem. Int. Ed.)上发表手性硼球烯和金属硼球烯两项重要研究成果，引起学术界广泛关注。山西大学是这些成果的第一作者单位。光明日报2014年12月22日科教新闻版头条以“手性硼球烯被成功合成实现硼化学和类富勒烯化学又一重大突破”为题报道了这些成果。 在美国化学会-纳米发表的论文轴手性硼球烯分子的实验与理论证据(Experimental and Theoretical Evidence of an Axially Chiral Borospherene，DOI: 10.1021/nn506262c)是继2014年7月发现“中国红灯笼分子”硼球烯B40 (Borospherene)之后，山西大学分子科学研究所翟华金教授、李思殿教授课题组与美国布朗大学化学系Lai-Sheng Wang教授、清华大学化学系李隽教授课题组紧密合作、协同创新，在该领域取得的又一重要成果。该项工作结合高分辨光电子能谱实验、全局极小结构搜索和严格量子化学理论计算，首次成功地在气相合成并表征了手性硼球烯B39-(Chiral Borospherene)，实现了硼化学和类富勒烯化学的新突破。手性是一种重要的立体异构现象，在化学、材料和生命科学领域具有广泛应用。手性物体与其镜像不重合。人的左手和右手是一对典型的手性对映异构体,二者互为镜像，但形似而实不同。1985年英美科学家首次观察到富勒烯分子C60，1991年成功合成并确认首例手性富勒烯C76，从此手性成为富勒烯、纳米管和二维纳米材料研究的重要内容。2014年7月山西大学、布朗大学、清华大学、复旦大学学者首次发现的硼球烯B40（即全硼富勒烯）是C60之后确认的第二个“自持”无机非金属笼状分子。手性硼球烯B39-的发现与手性富勒烯C76有着惊人的相似之处。B39-之于B40，恰如C76之于C60。手性B39-笼状分子由硼-硼双链交织而成，绕C3对称轴，在笼子的上部和下部分别均匀分布着三个B6六元环和三个B7七元环。实验中还同时观察到另一丰度较低的手性异构体C2 B39-，该分子由B40笼子腰上去掉一个硼原子优化而成，具有C2对称性。引人关注的是，手性硼球烯B39-与硼球烯B40均由稳定硼-硼双链交织而成，体现和双重离域成键特征，这种结构和成键模式在化学中属首次发现。与立方烷C8H8（Cubane）类似，B40 和B39-形成立方硼烯(Cuborenes)，其中硼-硼双链等价于碳-碳单链。手性硼球烯的发现表明硼球烯及相关纳米材料立体结构、化学成键和光电性质的多样性，预示着由硼-硼双链交织而成的手性硼纳米管和二维硼纳米材料存在的可能性。笼状手性硼球烯可以作为分子器件，进行各种化学修饰、金属掺杂和配体保护，在能量储存与转换、立体选择性催化和光电子器件等领域具有重要应用前景。课题组在德国应用化学发表的论文金属内嵌硼球烯MB40 (M=Ca,Sr)与金属外挂硼球烯M&B40 (M=Be,Mg)(Endohedral and Exohedral Metalloborospherenes: MB40 (M=Ca,Sr) and M&B40 (M=Be, Mg)，DOI: 10.1002/anie.201408738) 首次对“中国红灯笼分子”硼球烯B40 (Borospherene)进行了化学修饰，预测了金属内嵌硼球烯MB40 (M = Ca, Sr)和金属外挂硼球烯M&B40 (M = Be, Mg)的几何结构和光谱性质。 该成果为在实验上合成和表征金属硼球烯奠定了理论基础。1985年发现的富勒烯C60和金属内嵌富勒烯LaC60开辟了富勒烯化学新领域。该领域三十年来方兴未艾。 CaB40之于B40， 正如LaC60之于C60。 CaB40与SrB40具有完美的内嵌硼球烯结构，其中金属原子位于B40笼子的中心；而Be&B40 和Mg&B40属金属外挂硼球烯，金属原子以七配位形式覆盖于B40表面的B7七元孔洞上。碱土金属硼球烯是典型的电荷转移复合物M2+B402-，其中金属原子是电子供体，B40是电子受体。成键分析表明，与硼球烯B40类似，碱土金属硼球烯分子的所有价电子均参与沿硼-硼双链均匀分布的离域成键，形成典型的与双重离域体系。金属硼球烯预测为硼球烯作为结构单元的热力学和动力学稳定性提供了有力佐证，为硼球烯的进一步修饰和改性指出了可能途径。以上两项研究成果得到国家自然科学基金、国家重点基础研究专项、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和山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题基金联合资助。分子科学研究所在读博士生陈强、白慧分别是两项成果的第一作者。分子科学研究所吕海港老师、在读硕士生张素燕、李海茹以及在读博士生田文娟是论文的共同作者。有关研究工作参见下列网页：/doi/abs/10.1021/nn506262chttp:/onlinelibrary.wile