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富硼硼氢化物的结构及稳定性研究

陈强  
【摘要】:近年来,有关富硼硼氢化物和纯硼类石墨烯的设计和研究已受到广泛关注,但富硼硼氢化物结构变化规律及目前预测到的最稳定纯硼类石墨烯α-sheet成键本质都还不甚明了。本文工作主要分为两大部分:采用密度泛函理论和从头算法,基于对相关裸硼团簇不饱和位点进行部分氢化得到一系列完美平面或准平面富硼硼氢化物,对它们的几何结构、电子结构、成键本质和热力学稳定性等性质进行系统研究;采用AdNDP程序对α-sheet成键本质进行分析。本文主要研究内容及结论如下: 1.π芳香性B16H6:中性类萘硼氢化物 采用从头算理论计算,对B16H6和B16H6-的电子结构和成键特征等进行系统研究。研究发现,对C2h B16的六个角硼位置加氢氢化后可以得到准平面的10π电子芳香性类萘硼氢化物C2v B16H6,在实验水平上该分子与完美平面D2h B16H6可能是无法加以区分的。详细的Adaptive Natural Density Partitioning(AdNDP)分析和NucleUS-Independent Chemical Shift(NICS)计算揭示了B16H6的π全局芳香性和σ岛芳香性本质。C2v B16H6-是与C2v B16H6类似的准平面结构,但其结构畸变要较C2v B16H6轻微一些。对中性C2v B16H6紫外吸收谱(UV)和阴离子C2v B16H6-光电子能谱(PES)的模拟便于将来的实验研究。 2.平面同心双环π芳香性硼氢化物—B18H3-,B18H4,B18H5-和B1sH62+ 基于广泛的密度泛函理论与波函数理论,本论文首次提出一系列由三角形和六边形图案交织而成的最小的具有六边形孔洞的完美平面同心双环富硼硼氢化物团簇D3h B18H3-,D2hB18H4,C2vB18H5-和D6h B18H62+.这一系列团簇都有着与[10]轮烯([1O]annulene)相同的离域π电子数目和相似的离域π分子轨道,满足Huckel(4n+2)芳香性规则,因此我们把这一系列化合物命名为borannulenes.详细的AdNDP分析结果显示,D3hB18H3-和C2vB18H5+是σ+π双重芳香性体系;D2h B18H4和D6hB18H62+是π芳香性σ反芳香性体系。Basin Hopping全局搜索表明,完美平面D6h B18H62+是体系的全局极小构型。此外,borannulenes体系的NICSzz及各向异性磁化率(AMS)计算结果表明,borannulenes都具有负的NICSZz和AMS值,这进一步揭示了该体系的π芳香性本质。最有望在实验室得以合成或表征的Cs B18H3-(较完美平面D3h B18H3-有轻微畸变)和D2hB18H4分别具有较大的第一垂直电子剥离能3.71eV和第一激发能1.89eV。对该体系富硼硼氢化物的研究可以进一步丰富硼化学和硼基材料科学。 3.全硼类石墨烯a-sheet成键本质 石墨烯是由六元环组成的蜂巢状二维晶体,在周期表中与碳相邻的硼是下一个最有可能形成类似于石墨烯稳定二维层状结构的元素。大量理论研究表明最稳定全硼类石墨烯具有由填充六边形和孔洞六边形均匀分布形成的a-sheet结构。采用AdNDP程序对a-sheet成键本质进行分析,结果显示,每个填充六边形中与孔洞六边形相邻的B3三角形区域都有一个3c-2e σ键;每两个临近填充六边形相接处存在1个4c-2e σ键;填充六边形上存在着1个7c-2eπ键,而孔洞六边形上则存在1个6c-2eπ键。计算表明,孔洞六边形和填充六边形上方0-2A都具有负的NICSv值,表现局域π芳香性本质。a-sheet中填充六边形作为π电子供体,孔洞六边形作为π电子“受体”的成键模型对体系起到稳定化作用。与石墨烯不同的是,在全硼石墨烯中并不存在定域的2c-2e键,其3c-2e键与4c-2e键中的电子都是完全离域的。新颖的离域σ/π键和作为π电子“受体”的孔洞六边形成键模型不仅拓宽我们对传统化学键的认识,也为今后设计纯硼纳米材料提供一定的思路。


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