近日，我院王雪峰教授、许兵副教授课题组在氮气活化方面的研究成果“Cleavage of the N≡N Triple Bond and Unpredicted Formation of the Cyclic 1,3-Diaza-2,4-Diborete (FB)2N2 from N2 and Fluoroborylene BF”作为热点文章在国际知名期刊《德国应用化学》上发表。
N2是自然界中大量存在的气体，N≡N三键是最强的化学键，其键能高达946kcal/mol，通常情况下N2分子非常稳定。自古以来对N2的开发和利用一直是科学界的研究热点，直到20世纪初期Haber-Bosch工艺才开发出将大气中的氮转化为氨及相关的化学肥料。但该工艺需要在高温和高压下才能实现氮气和氢气转化为氨，必然带来高耗能和环境污染。研究发现大量的过渡金属及其配合物适用于氮气活化，但由于过渡金属元素稀缺，反应条件苛刻，以及对环境不友好，寻找过渡金属催化剂替代品成了当务之急。硼烯BR（Borylene）作为主族p区低价元素化合物，具有类似过渡金属元素的电子结构。即B原子上除了一个成键的价电子，还剩下一对孤对电子和空p轨道。这个结构特点使得BR能像过渡金属一样，催化活化一些小分子，特别是难以活化的氮气分子。
研究团队利用在低温基质隔离条件下原位产生无配体的自由硼烯BF，在氮气基质中和N2分子反应。N2既作为反应气体，也作为隔离基质。在线采集红外光谱和量子化学理论计算证实，该反应得到三种产物，分别为FB(μ-N)2BF(A)、线型异构体 FB=N–N=BF (B)和环状 FB(h2-N2) (C)。主要稳定产物FB(μ-N)2BF中NN键长达到1.847Å，表明BF将N2分子完全裂解，这为利用卤代自由硼烯催化N2分子在工业化应用方面奠定了一定的理论基础。
同时，研究团队近期在磞烯相关的化学反应研究方面取得了一系列研究成果。作为配体，磞烯可与过渡金属形成很强的多重化学键，系列研究为深入了解元素多重键提供了重要依据，研究成果分别发表于Inorg. Chem. 2019, 58, 13418−13425；Inorg. Chem. 2019, 58, 2363−2371；Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 25577-25583。
该研究项目由同济大学和德国柏林自由大学合作完成，论文第一作者为许兵副教授，通讯作者为王雪峰教授和德国柏林自由大学Sebastian Riedel 教授。研究工作得到国家自然科学基金委、国家留学基金委（CSC）以及德国研究基金（DFG）共同资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202106984
