8.2.3 硼烷及其衍生物的结构

  1.乙硼烷(B2H6)的分子结构

(a) 


(b)

  乙硼烷曾被称为“缺电子”化合物,因为分子中只有12个价电子,故不可能像乙烷(C2H6)那样形成7根正常的共价键(那样需要14个价电子)。现已确定,B2H6分子中具有桥式结构。2个B原子和4个H原子同处一平面,另外2个氢原子位于平面的上方和下方,并与2个B原子等距离,形成氢桥。分子中的每个硼原子采取sp3杂化,其中两个杂化轨道分别与同一平面上的2个氢原子的ls轨道重叠形成2根B—Hσ键。2个B原子各用剩余的1个sp3杂化轨道,分别在平面上方和下方与氢原子的15轨道重叠形成2根B-H-B三中心二电子键,即3c-2e键,因此,在B2H6分子中,共有4根端基B-H。键,2根B-H-B 3c-2e键。

  2.较高级硼烷及其衍生物的结构

  硼烷及其衍生物的空间结构很复杂,一般具有以三角形面为基础的多面体骨架结构,主要类型有闭式(closo)、巢式(nido)和蛛网式(arachno)三种。
  (1)闭式结构。它的特点是由三角形面构成的多面体骨架呈完整的封闭状结构,形如笼子。
  (2)巢式结构。它可以看作是闭式多面体骨架去掉一个顶点的衍生物,是开口的或缺顶的多面体,形如鸟巢。
  (3)蛛网式结构。它可看作是闭式结构多面体骨架去掉两个相邻顶点的衍生产物,或由巢式多面体骨架再去掉一个相邻顶点的衍生物。


某些开(巢)式硼烷的结构

(蛛)网式(arachno)- 硼烷 
 敞网式(hypho)-硼烷

  3 .Wade规则

  Wade规则是预言硼烷、硼烷衍生物及其他原子簇化合物结构的规则。1971年Wade指出,硼烷、硼烷衍生物及其他原子簇化合物的结构决定于骨架成键电子对数。硼烷及其衍生物的结构类型与骨架成键电子对数的一般关系列于表8-6。
         表8-6 硼烷及其衍生的结构类型与骨架成键电子对数的关系  

化学式 结构类型 骨架成键电子对数
BnHn2- 闭式
(n顶点多面体)
n+1
    BnHn+4
   (BnHn4-)
巢式
(闭式多面体缺一顶)
n+2
   BnHn+6
  
  (BnHn6-)
蛛网式
(巢式点多面体相邻一顶)
n+3


  对于硼烷、硼烷阴离子和碳硼烷,其骨架成键电子的分布可用下式表示:
                           [(CH)a(BH)pHq]d-
  其中C,B为多面体骨架碳原子和硼原子,骨架顶点数n=a+p;q为n个端梢H原子以外的额外H原子数,d代表多面体骨架所带的电荷数;每个额外H原子贡献1个电子,每个BH贡献2个电子,每个CH贡献3个电子(分子中若有S和P则各贡献4个和3个电子)。因此,多面体骨架成键电子对数b可按下式计算:
                     b= (3a+2p+q+d)/2

  4.高级硼烷的成键要素

  (1)硼原子成键时可采取两种方式。其一,提供3个sp2杂不轨道和一个p轨道;其二,提供4个sp3杂化轨道。
  (2)硼原子的骨架键主要有3种:
  其一,二中心二电子硼硼键:B—B

  

  其二,闭合的三中心二电子硼键:其三,闭合的五中心六电子硼键:
  (3)可能的硼氢键有两种:

  其一,二中心二电子硼氢键:B—H 其二,三中心二电子硼氢硼桥键: