Фрагмент триборациклопропенил представляет собой циклический структурный мотив в химии бора , названный из-за его геометрического сходства с циклопропеном . В отличие от неплоских кластеров борана , которые демонстрируют более высокие координационные числа у бора (например, через 3-центровые 2-электронные связи с мостиковыми гидридами или катионами ), структуры типа триборациклопропенил представляют собой кольца из трех атомов бора, где заместители у каждого бора также копланарны кольцу. Соединения, содержащие триборациклопропенил, являются крайними случаями неорганической ароматичности . Они являются самыми легкими и наименьшими циклическими структурами, которые, как известно, демонстрируют связывающие и магнитные свойства, которые возникают из-за полностью делокализованных электронов на орбиталях симметрии σ и π . Хотя трехчленные кольца бора часто настолько сильно напряжены , что являются экспериментально недоступными, академический интерес к их отличительной ароматичности и возможной роли в качестве промежуточных продуктов пиролиза борана мотивировал обширные вычислительные исследования химиков-теоретиков . [1] [2] [3] [4] Начиная с конца 1980-х годов с масс-спектрометрической работы Андерсона и др . на кластерах из одного бора, экспериментальные исследования триборациклопропенилов в течение десятилетий ограничивались исключительно исследованиями в газовой фазе простейших колец (ионов B 3 ). [4] [5] [6] Однако более поздние работы стабилизировали триборациклопропенильную часть посредством координации с донорными лигандами или переходными металлами , что значительно расширило сферу ее химии. [7] [8] [9] [10]
Для газофазных спектроскопических исследований триборациклопропенилсодержащие соединения получаются посредством лазерной абляции борных мишеней и коллимации полученного плазменного облака в потоке инертного газа-носителя, такого как гелий. Затем интересующие заряженные молекулы отбираются по массе с помощью времяпролетной масс-спектрометрии. Добавление газов, таких как N 2 или CO, к газовому потоку дает соответствующие аддукты , в то время как добавление металлов, таких как иридий и ванадий, к мишени B дает соответствующие легированные металлами кластеры. [11]
Единственный изолируемый пример триборациклопропенил-аниона, который сохраняется в растворе и в твердом состоянии, был идентифицирован Брауншвейгом и его коллегами, которые синтезировали его путем восстановления аминоборана Cl 2 B=NCy 2 (Cy = циклогексил ) тонкодисперсным металлическим натрием в диметоксиэтане (ДМЭ). [7] Охлаждение полученного оранжево-красного раствора димерных видов Na 4 [B 3 (NCy 2 ) 3 ] 2 • 2 ДМЭ привело к образованию кристаллов, пригодных для рентгеновской дифракции , с помощью которой была определена структура. Хотя подробный механизм восстановления неизвестен, было высказано предположение, что субвалентные промежуточные соединения "R 2 N−B" участвуют в образовании таких кластеров бора. [12]
Из-за их особого статуса как простейших ароматических циклов электронная структура производных триборациклопропенила анализировалась с помощью различных методов вычислительной химии . Они варьировались от канонической теории молекулярных орбиталей до альтернативных формулировок связи, таких как адаптивная теория естественного распределения плотности, [13] квантовая теория атомов в молекулах , теория естественных орбиталей связи , естественные орбитали для химической валентности [14] и анализ функции локализации электронов . Расчеты NICS и кольцевого тока также использовались для характеристики ароматичности в таких системах с использованием магнитных критериев. [15] В целом, чрезвычайно малый размер этих циклов подразумевает, что их связывающие электроны испытывают существенное кулоновское отталкивание, что приводит к аномально высокой кольцевой деформации . [16] Этот эффект частично компенсируется стабилизацией, обеспечиваемой ароматической делокализацией.
B 3 + проявляет π ароматичность, связанную с его a 2 '' -симметричной HOMO . В своем синглетном электронном основном состоянии это система электронов Хюккеля 2π, аналогичная катиону циклопропения , но она слишком реактивна, чтобы ее можно было изолировать. Она треугольная, с симметрией D 3h - все ее атомы B и расстояния связей BB химически эквивалентны. Газофазные аддукты B 3 (N 2 ) 3 + и B 3 (CO) 3 + были вычислительно изучены с помощью теории ETS-NOCV (расширенное переходное состояние - естественные орбитали для химической валентности), которая анализирует изменения энергии и электронной плотности, возникающие при приготовлении молекулы из исходного состояния невзаимодействующих фрагментов. [17] Анализ разложения энергии ETS-NOCV предполагает, что аддукты N 2 и CO в первую очередь стабилизируются (на -83,6 и -112,3 ккал/моль соответственно) посредством σ-донорства экзоциклических лигандов в борное кольцо с высоким дефицитом электронов. В результате каждый из них был интерпретирован как фрагмент B 3 + , поддерживаемый дативной связью от N 2 или CO. Плотность электронной деформации, построенная из NOCV этой системы, вместе с зарядами, полученными из естественных заселенностей орбиталей связей, указывает на поток электронов из экзоциклического лиганда в кольцо, что вызывает сокращение всех эквивалентных связей ядра B 3 + примерно на 4 пм. Взаимодействия π-симметрии наблюдаются как со слабым σ-донором N 2 , так и с сильным π-акцепторным лигандом CO. Однако обратное π-донирование вне плоскости (из π-системы кольца B 3 в π-акцепторные орбитали каждого лиганда) менее стабилизирует, чем обратное π-донирование в плоскости, с прочностью -26,7 и -19,6 ккал/моль для системы [B 3 (CO) 2 + + CO]. Это говорит о том, что минимально-энергетическая конфигурация молекулы - это та, которая сохраняет максимальную π-ароматичность в ядре B 3 + .
Так же, как ароматические виды, такие как циклопентадиенильный анион и циклопропениевый катион, могут координироваться с переходными металлами, недавно было продемонстрировано, что кольцо B 3 + может связываться с металлическими центрами. [18] Лазерная абляция смешанной мишени B/Ir производит два изомера IrB 3 − , кольцо B 3 + , координированное с формальным анионом Ir 2- . Это псевдоплоский аддукт η 2 и тетраэдрический аддукт η 3 , последний из которых содержит ароматический триборациклопропениловый фрагмент. Оба почти идентичны по энергии и сосуществуют в сгенерированном кластерном пучке.
Расчеты показывают, что B 3 + может даже связывать атомы инертных благородных газов, образуя необычное семейство соединений B 3 (Rg) 3 + (Rg = инертный/благородный газ) с существенной прочностью связи (от 15 до 30 ккал/моль), которая возникает из-за σ-доничности p-орбитали Rg и значительной степени переноса заряда от Rg к B 3 + . Возможность новых соединений благородных газов , которые образуются экзотермически и спонтанно, является возможностью для экспериментальной работы. [19] [21]
B 3 обладает однократно занятой a 1 ' HOMO (a SOMO), которая состоит из σ-симметричных орбиталей, ориентированных к ядру кольца, связанных с σ-делокализацией и немного более короткими длинами связей BB по сравнению с B 3 + . Он парамагнитен с дублетным основным состоянием. [22] Он неполярный, плоский и треугольный, имеет симметрию D 3h .
B 3 − , с заполненной a 1 ' HOMO в симметрии D 3h , считается «дважды» ароматичным и относительно стабильным - он одновременно обладает высокоделокализованными σ и π электронами в своих HOMO и HOMO-1 соответственно. [23] [24]
B 3 R 3 2- , сформулированный с электронными связями B−R, а не дативными стрелками, является изоэлектронным по отношению к B 3 + . 8 электронов отведены триборациклопенильному ядру, 6 в σ-связывающих орбиталях и 2 в π-системе, что приводит к ароматичности Хюккеля. Единственное экспериментально охарактеризованное соединение этого класса — Na 4 [B 3 (NCy 2 ) 3 ] 2 • 2 DME, димер сложенных звеньев B 3 R 3 2- , которые сами по себе являются ароматическими. [7] Анализ естественных орбиталей связей показывает, что это соединение высоко стабилизировано (примерно на 45 ккал/моль) донорно-акцепторным взаимодействием локализованных орбиталей связей B−B с соответствующей антисвязывающей орбиталью B−N поперек кольца, в дополнение к связыванию электростатическим притяжением с мостиковыми катионами Na + , идентифицированными в кристаллической структуре. Расчеты DFT показывают, что HOMO и HOMO-1 являются антисимметричными и симметричными комбинациями π HOMO отдельного кольца соответственно — черта, общая с металлоценами . Как и ожидалось для видов со связями B−B, которые имеют формальный порядок связи MO , средняя длина связи BB 1,62 Å ближе к таковым катион-радикалов диборена (RB=BR), чем одинарные связи B−B примерно 1,75 Å.
Соединения, полученные из триборациклопропенила, были впервые идентифицированы по их отношению массы к заряду как переходные виды в масс-спектрометрии сложных смесей катионных борных кластеров. [5] Вскоре последовали исследования реактивного рассеяния с O 2 , выявившие относительно сильную связь внутри легких борных кластеров. [6] Впоследствии B 3 был выделен в матрицах замороженных благородных газов, и были зарегистрированы спектры электронного парамагнитного резонанса , которые подтвердили его геометрию D 3h . [22] Сверхтонкая связь неспаренного электрона с ядром 11 B дала оценку 15% s-орбитального характера для a 1 ' HOMO. Небольшие и неполярные кольца B 3 могли свободно кувыркаться и вращаться даже будучи заключенными в матрице.
В целом, триборациклопропенилсодержащие виды были слишком короткоживущими и производились в недостаточном количестве для инфракрасной спектроскопии в режиме пропускания . Однако диссоциация B 3 (N 2 ) 3 + инфракрасным светом и наблюдение за затуханием соответствующего сигнала массы к заряду с помощью масс-спектрометрии позволили зарегистрировать эффективный инфракрасный спектр B 3 (N 2 ) 3 + . [17] [25] Этот колебательный фотодиссоциативный спектр содержал только одну обнаруживаемую вибрацию с красным смещением 98 см −1 относительно газообразного N 2 , что предполагает высокосимметричный аддукт B 3 (N 2 ) 3 + со слегка ослабленной связью N≡N.
Отрицательно заряженные ионы, содержащие триборациклопропенил, оказались пригодными для изучения с помощью фотоэлектронной спектроскопии . По теореме Купмана , пренебрегая эффектами сильной электронной корреляции , кинетические энергии электронов, оторванных рентгеновскими лучами, могут быть отображены на энергии связи отдельных орбиталей и выявить молекулярную электронную структуру. [26] [27] Расщепление полученных спектральных пиков от « колебательной прогрессии » (согласно принципу Франка-Кондона ) указывает на то, как ионизация при разных энергиях изменяет конкретные колебательные частоты молекулы, и такие эффекты на связь интерпретируются в терминах изменений электронной конфигурации. В B 3 − наблюдалась необычно высокоинтенсивная и высокоэнергетическая полоса, соответствующая многоэлектронному или «встрясочному» переходу (связанное отсоединение электронов и электронное возбуждение), что предполагает сильную электронную корреляцию, присутствующую во фрагменте триборациклопропенил. [4] Для IrB 3 − колебательная прогрессия от растягивающих и дыхательных колебаний IrB 3 может быть назначена в наложенных спектрах обоих изомеров, присутствующих в кластерном пучке. По сравнению с вычислениями, минимальная энергетическая структура IrB 3 может быть сформулирована как тетраэдр с неповрежденной ароматической частью B 3 + . [8]
Реакционная способность соединений, содержащих триборациклопропенил, относительно недостаточно изучена, поскольку только один пример был получен в фазе раствора. Соединение, о котором сообщил Брауншвейг, Na 4 [B 3 (NCy 2 ) 3 ] 2 • 2 DME, является чрезвычайно мощным восстановителем с окислительным потенциалом -2,42 В по сравнению с парой ферроцен/ферроцений. В результате оно способно восстанавливать хлорбораны, образуя тетраэдрические кластеры B, а также восстанавливать PbCl 2 непосредственно до металлического Pb. Кроме того, оно будет подвергаться реакции раскрытия кольца в группе B 3 путем отщепления атомов хлора от гексахлорэтана . Этот уровень восстановительной способности примерно сопоставим со щелочным металлом и ранее не наблюдался ни для одной молекулы на основе органического каркаса. [7]
Хотя большинство примеров трехъядерных кластеров бора, легированных переходными металлами, не содержат ароматического триборациклопропенильного фрагмента, реакционная способность таких видов с малыми молекулами, вероятно, привлечет растущий научный интерес. В условиях масс-спектрометрии было продемонстрировано, что VB 3 + дегидрирует метан, давая продукты VB 3 CH 2 + и H 2 . Также действует второстепенная побочная реакция, которая производит VH + и устраняет B 3 CH 3 . [10]