低周期原子掺杂硼团簇结构和稳定性的理论研究

Novel and abundant boron clusters arising from unique bonding of boron atom have received extensive attention in both theory and experiment. The task of this project aims to theoretically investigate the effect of heteroatom doping on electronic and structural bonding as well as thermodynamic stability of novel boron cluster (planar, cage, tube). By means of understanding the relationship between doping atom and boron clusters, we expect that the bonding and thermodynamic stability of boron cluster could be tuned by doping strategy. Furthermore, a series of promising boron and doping boron clusters with exotic electronic and structural properties will be designed. This project is expected to provide valuable structural search strategy and solid theoretical support for designing the novel boron and doping boron cluster and understanding of the growth mechanism and potential application of boron clusters.

硼原子的独特成键特性使硼团簇具有丰富而新奇的拓扑结构以及独特的成键模式，其潜在的应用价值吸引了广泛关注。本项目利用低周期原子掺杂来理论研究掺杂原子对新奇硼团簇（如平面、笼状、管状等）在热力学稳定性及成键模式等方面的影响。通过总结分析掺杂对硼团簇影响与掺杂原子特性之间的关联，建立有效掺杂方案，实现调控新奇硼团簇的成键模式以及热力学稳定性，进一步设计一系列具有奇特电子、几何结构的掺杂硼团簇体系。本项目预期通过低周期原子掺杂为新奇硼团簇成为有效建筑单元以及其潜在应用提供重要的理论铺垫，并为硼团簇生长机制提供有价值的理论依据。

硼原子缺电子特性使硼团簇具有丰富的几何结构和电子特性，这也促使新奇硼团簇的理论研究成为了分子科学的研究热点之一。本项目利用低周期原子（主要为碱金属/碱土金属）掺杂硼团簇来研究掺杂原子对新奇硼团簇在成键模式及稳定性等方面的影响。通过总结分析掺杂原子特性与掺杂对硼团簇改性之间的关联，建立有效掺杂方案，利用掺杂手段实现调控新奇硼团簇的成键模式以及热力学稳定性。本项目主要的研究要点及其科学意义包括：①利用硼环离域π电子体系为有效的配体环境，稳定了新奇的Be-Be相互作用，在Be2B7-和Be2B8结构中发现了超短的Be-Be非键相互作用（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 7841），该研究的科学意义在于理论预测新型原子团簇及原子间相互作用，拓展及丰富人们对于原子间相互作用能力的认知。②利用碱金属强的电荷转移能力，发现了静电作用对硼团簇结构演变的重要影响，其中Li2B12和Li3B12体系是目前报道中尺寸最小的硼双环和硼笼状结构，该项研究对硼团簇的生长模式和机理探索有着重要的启示作用（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4627）。另一方面，利用本项目的支持，本课题组针对掺杂新奇硼团簇体系建立了高效的初始搜索策略，主要涉及到方法、基组、优化参数设置、优化程序等方面。掺杂原子的特殊性致使一些新奇硼团簇的发现，项目中讨论了掺杂原子对主体硼团簇电子和几何结构的影响，进一步揭示硼团簇的生长机理和生长模式。本项目利用了低周期原子掺杂手段为新奇硼团簇成为有效建筑单元以及其潜在应用提供重要的理论铺垫，并为硼团簇的生长机制提供了有价值的理论依据。