碳硼烷(carboranes)
/ CAR-bor-aynes /
拿一個硼烷籠來問:若把其中一兩個硼頂點換成碳會怎樣?碳比硼多一個價電子,所以這就像悄悄給一個缺電子簇的電子預算補上一筆。結果就是碳硼烷——混合的硼碳氫籠,結果它遠比許多純硼烷更穩定、更有用。
碳硼烷是簇化合物,其頂點由碳(以 C-H 單元)和硼(以 B-H 單元)混合而成。最著名的是二十面體 closo 碳硼烷 C2B10H12,一個由兩個碳和十個硼組成的近乎完美的二十面籠。由於一個 C-H 頂點比一個 B-H 頂點多貢獻一個骨架電子,你可以把用 CH 替換一個 BH 頂點(或換成 CH 同時去掉一個電荷)看作等電子置換:B6H6^2- 和假想的中性碳硼烷類似物擁有相同的骨架電子數和相同的形狀。這正是韋德規則用同一套數法處理硼烷和碳硼烷的深層原因。這個二碳的二十面體碳硼烷甚至按兩個碳在籠上離得多遠而有三種異構體(鄰、間、對)。
碳硼烷之所以重要,是因為它異常堅韌:鄰碳硼烷 C2B10H12 不怕加熱、也不怕許多試劑,因此用於耐熱聚合物,並作為催化與藥物設計中的剛性骨架。更妙的是,碳硼烷陰離子 CB11H12- 及其同類是已知最不親核、配位能力最弱的陰離子之一,這使它們成為穩定極活潑陽離子、乃至構築某些已知最強酸的珍品。而富硼的碳硼烷正被研究用於硼中子俘獲治療——一種利用硼-10 對中子之「胃口」的靶向抗癌療法。
鄰、間、對碳硼烷是 C2B10H12 的三種異構體。把鄰碳硼烷加熱到約 450 攝氏度會重排為間式,更強加熱則到對式,因為兩個碳逐漸遷移到籠的相對兩側。
把一個硼頂點換成更富電子的碳頂點,是一種等電子的小把戲,能保住籠形卻調出更高的穩定性。
人們容易把碳硼烷想像成掛了幾個硼的普通有機分子。它們不是:碳原子是離域缺電子簇的頂點,其鍵結遵循簇(韋德)數法,而非烷烴的規則。