p区元素(一):第13、14族

碳硼烷(carboranes)

/ CAR-bor-aynes /

拿一个硼烷笼来问:若把其中一两个硼顶点换成碳会怎样?碳比硼多一个价电子,所以这就像悄悄给一个缺电子簇的电子预算补上一笔。结果就是碳硼烷——混合的硼碳氢笼,结果它远比许多纯硼烷更稳定、更有用。

碳硼烷是簇化合物,其顶点由碳(以 C-H 单元)和硼(以 B-H 单元)混合而成。最著名的是二十面体 closo 碳硼烷 C2B10H12,一个由两个碳和十个硼组成的近乎完美的二十面笼。由于一个 C-H 顶点比一个 B-H 顶点多贡献一个骨架电子,你可以把用 CH 替换一个 BH 顶点(或换成 CH 同时去掉一个电荷)看作等电子置换:B6H6^2- 和假想的中性碳硼烷类似物拥有相同的骨架电子数和相同的形状。这正是韦德规则用同一套数法处理硼烷和碳硼烷的深层原因。这个二碳的二十面体碳硼烷甚至按两个碳在笼上离得多远而有三种异构体(邻、间、对)。

碳硼烷之所以重要,是因为它异常坚韧:邻碳硼烷 C2B10H12 不怕加热、也不怕许多试剂,因此用于耐热聚合物,并作为催化与药物设计中的刚性骨架。更妙的是,碳硼烷阴离子 CB11H12- 及其同类是已知最不亲核、配位能力最弱的阴离子之一,这使它们成为稳定极活泼阳离子、乃至构筑某些已知最强酸的珍品。而富硼的碳硼烷正被研究用于硼中子俘获治疗——一种利用硼-10 对中子之“胃口”的靶向抗癌疗法。

邻、间、对碳硼烷是 C2B10H12 的三种异构体。把邻碳硼烷加热到约 450 摄氏度会重排为间式,更强加热则到对式,因为两个碳逐渐迁移到笼的相对两侧。

把一个硼顶点换成更富电子的碳顶点,是一种等电子的小把戏,能保住笼形却调出更高的稳定性。

人们容易把碳硼烷想象成挂了几个硼的普通有机分子。它们不是:碳原子是离域缺电子簇的顶点,其键合遵循簇(韦德)数法,而非烷烃的规则。

又称
carbaboranes碳硼烷碳硼烷