环硼氮烷
环硼氮烷 | |||
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IUPAC名 1,3,5,2,4,6-Triazatriborinane 1,3,5,2,4,6-三氮杂三硼烷(仅预选[1]) | |||
别名 | 环硼氮六烷 硼氮六环 无机苯 硼嗪 | ||
识别 | |||
CAS号 | 6569-51-3 | ||
PubChem | 138768 | ||
ChemSpider | 122374 | ||
SMILES |
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InChI |
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InChIKey | BGECDVWSWDRFSP-UHFFFAOYAU | ||
ChEBI | 33119 | ||
性质 | |||
化学式 | B3H6N3 | ||
摩尔质量 | 80.50 g·mol⁻¹ | ||
外观 | 无色液体 | ||
密度 | 0.81 g/cm3 | ||
熔点 | −58 °C(215 K) | ||
沸点 | 53 °C(326 K) | ||
磁化率 | -49.6·10−6 cm3/mol | ||
危险性 | |||
NFPA 704 | |||
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。 |
环硼氮烷(英语:Borazine)是一种非极性[2]的无机化合物,化学式为B3N3H6。该环状化合物的结构中有三个B-H单元和三个N-H单元交替出现。它是苯的等电子体,故有时被称为无机苯。与苯一样,环硼氮烷是一种具有芳香气味的无色液体。[3]
合成
[编辑]在1926年,化学家Alfred Stock和Erich Pohland通过乙硼烷与氨的反应合成了环硼氮烷。[4]
环硼氮烷可以通过乙硼烷和氨按1:2比例在250-300°C下反应合成,转化率为50%。
- 3 B2H6 + 6 NH3 → 2 B3H6N3 + 12 H2
- 6 NaBH4 + 3 (NH4)2SO4 → 2 B3N3H6 + 3 Na2SO4 + 18 H2
在两步法中,三氯化硼先转化为三氯环硼氮烷:
- 3 BCl3 + 3 NH4Cl → B3Cl3H3N3 + 9 HCl
再使用硼氢化钠还原:
- 2 B3Cl3H3N3 + 6 NaBH4 → 2 B3H6N3 + 3 B2H6 + 6 NaCl
结构
[编辑]环硼氮烷与苯为等电子体,具有相似的性质,因此有时也被称为无机苯。由于硼和氮之间的电负性差异,它们并不完全相同。X射线晶体学结构测定表明,环硼氮烷内的键长都等于1.429Å,与苯性质相同。[6]然而,环硼氮烷并没有形成完美的六边形。硼原子的键角为117.1°,氮原子的键角为122.9°,使分子具有D3h对称点群。
与氮的电负性(鲍林标度3.04)相比,硼的电负性(2.04)以及硼的缺乏电子和氮的孤对电子有利于环硼氮烷的内消旋体结构。
芳香性
[编辑]由于环硼氮烷与苯的相似性,因此对其芳香性进行了许多计算和实验分析。环硼氮烷的π电子数遵从4n+2规则,B-N键长相等,表明其可能是芳香族化合物。然而硼和氮之间的电负性差异导致电荷共享不均,从而导致键具有更大的离子特性,因此预计其电子离域比全碳类似物差。环硼氮烷的标准生成焓变化量ΔHf为−531 kJ/mol,热稳定性非常好。
自然键轨道
[编辑]自然键轨道理论(NBO)分析表示环硼氮烷中的芳香性较弱。[7]在NBO模型中,环中的B-N键略微偏离原子核轴,B和N的电荷差异较大。核独立化学位移(NCS)分析提供了一些进一步的证据,证明基于B-N π键对磁屏蔽的贡献的芳香性。基于NBO轨道的计算表明,该 π 键允许产生微弱的环电流,在一定程度上抵消了环硼氮烷中心模拟的磁场。一个小的环电流确实表明存在一些离域现象。
电子局域函数
[编辑]电子局域函数(ELF)对环硼氮烷中的成键进行拓扑分析,表明环硼氮烷可以认为是芳香族化合物。然而,基于电子盆地的分叉值差异,环硼氮烷中的键合比苯的键合离域性更差。较大的分叉值表示电子离域性较好,有人认为当该分岔值大于0.70时,其离域性就足以指定化合物为芳香族化合物。[8]对于苯,该值为0.91,但环硼氮烷的π系统在ELF值为0.682时分叉。[9]这是由于B和N之间的电负性差异,产生键的相互作用力比苯中C-C的相互作用力弱,导致电子在B-H和N-H单元上的定域化增加。分叉值略低于0.70的极限值,表明其有中等的芳香性。
性质与用途
[编辑]水解
[编辑]环硼氮烷很容易水解,生成硼酸、氨和氢气。
聚合
[编辑]在70°C下加热环硼氮烷会放出氢气并形成聚环硼氮烷:
- n B3N3H6 → [B3N3H4]n
卤化氢和卤素
[编辑]- B3N3H6 + 3 HCl → B3Cl3N3H9
- 环硼氮烷与氯化氢的加成反应
- B3Cl3N3H9 + NaBH4 → (BH4N)3
- 使用硼氢化钠还原
环硼氮烷与溴的加成反应无需催化剂。其对硼进行亲核攻击,对氮进行亲电攻击。
陶瓷前体
[编辑]环硼氮烷也是其他潜在陶瓷的起始材料,例如碳氮化硼。环硼氮烷也可用作前体,在铜[10]、铂[11]、镍[12]、铁[13]等催化表面使用化学气相沉积法(CVD)生长六方氮化硼(h-BN)薄膜和单层。
其他用途
[编辑]聚环硼氮烷已被提议作为氢燃料电池汽车应用的回收储氢介质,使用“单罐”工艺进行消化和还原以重新生成硼烷氨。[14]
在其他B-N型化合物中,混合的氨基-硝基取代环硼氮烷已被预测优于碳基炸药,如CL-20。[15][16]
参考资料
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延伸阅读
[编辑]- Sneddon LG, Mirabelli MG, Lynch AT, Fazen PJ, Su K, Beck JS. Polymeric precursors to boron based ceramics (PDF). Pure Appl. Chem. 1991, 63 (3): 407–410 [2023-01-25]. S2CID 53629042. doi:10.1351/pac199163030407. (原始内容存档 (PDF)于2012-02-08).
- Jeon JK, Uchimaru Y, Kim DP. Synthesis of novel amorphous boron carbonitride ceramics from the borazine derivative copolymer via hydroboration. Inorganic Chemistry. August 2004, 43 (16): 4796–8. PMID 15285647. doi:10.1021/ic035254a.
- Paetzold P. New perspectives in boron-nitrogen chemistry - I (PDF). Pure Appl. Chem. 1991, 63 (3): 345–350 [2023-01-25]. S2CID 53659373. doi:10.1351/pac199163030345. (原始内容存档 (PDF)于2012-07-16).
- Islas R. Borazine: to be or not to be aromatic. Structural Chemistry. 2007, 18 (6): 833–839. S2CID 95098134. doi:10.1007/s11224-007-9229-z.