将取代基效应纳入Wade–Mingos二硼烷规则中

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Integrating the Substituent Effect into the Wade–Mingos Rules for Dicarboranes

取代基效应主导六元carborane（C?B?R?）结构选择而非传统Wade-Mingos规则，三角双锥型（B型）占89.1%，颠覆了W-M预测的八面体型（A型，9.1%）。提出P = nM + 1.1nH的取代基计数规则，结合connected-atom electronegativity（CAEN）实现高精度预测。

　　本研究重新审视了在富硼化学领域中长期被采用的Wade–Mingos规则，发现这些规则在预测某些取代系统的稳定结构时存在局限性。通过高通量计算方法对74613种六顶点二碳硼烷（C?B?R?）进行分析，研究团队提出了一种新的模型，即“种子与榫卯模型”（Seed and Mortise–Tenon model，简称SMT模型），以更准确地描述取代系统中电子效应与结构稳定性的关系。研究结果表明，取代基的电子效应，而非单纯的骨架电子对数量，才是决定这些分子的稳定结构的关键因素。这一发现为设计具有特定电子和几何特性的二碳硼烷分子提供了新的理论基础。

传统的Wade–Mingos规则基于多面体骨架电子对理论（PSEPT），认为当电子对数为n+1时，闭合的三角形面结构更稳定，其中n代表分子的顶点数。然而，这一规则在实际应用中往往忽略取代基带来的电子分布变化，从而无法准确预测所有情况下的分子结构。研究团队指出，即使在某些情况下，Wade–Mingos规则的电子计数仍然有效，但其预测的稳定性趋势却常常与实际计算结果不符。例如，许多研究表明，即使在传统规则预测为稳定结构的体系中，仅通过改变电荷或引入不同的取代基，结构也可能发生显著变化，偏离原有的预测范围。

本研究引入的SMT模型旨在解决这一问题。该模型通过结合取代基与骨架之间的相互作用，对取代系统进行系统性分析。通过对六顶点二碳硼烷进行高通量计算，研究团队构建了一个包含74613种结构的稳定性图谱。这些计算基于CBS-QB3方法，涵盖了多种取代基类型，包括氢、甲基、氯、氟、硝基、硫醇、氨基等。计算结果显示，传统的Wade–Mingos规则预测的八面体结构（标记为A）在大多数情况下并不占据主导地位，而另一种具有三角双锥几何结构的取代基（标记为B）则成为89.1%的体系中最稳定的结构。这一结果与经典规则的预测形成鲜明对比，表明在实际应用中，取代基的电子效应可能比骨架电子对的分布更为关键。

研究进一步提出了一种简单的取代基计数规则（P = n_M + 1.1n_H），该规则通过取代基的连接原子电负性（CAEN）来预测分子的稳定性。其中，n_M和n_H分别代表中等电负性和高电负性取代基的数量。这一规则在n_M + n_H ≤ 6的情况下表现出较高的预测准确性，能够有效地解释不同取代基环境下分子结构的偏好性。例如，当P = 0时，即所有取代基均为低电负性，Wade–Mingos规则仍然适用，预测的A结构具有高度的稳定性。然而，一旦引入中等或高电负性取代基，A结构的稳定性将显著下降，而B结构则成为主导。此外，对于高电负性取代基较多的体系，G结构也显示出一定的稳定性，表明取代基对分子结构的影响具有显著的多样性。

为了进一步验证这一规则的适用性，研究团队还分析了多个含苯基的二碳硼烷体系。结果表明，无论取代基的种类如何变化，这一规则都能保持较高的预测准确性。这表明，取代基的电子效应不仅影响分子的几何结构，还可能改变其反应活性和功能特性。例如，在某些情况下，取代基可能通过σ键或π键的相互作用，增强或削弱分子中某些部位的电子密度，从而影响其整体稳定性。这种电子效应在经典规则中并未被充分考虑，因此无法准确预测某些体系的结构。

此外，研究还发现，某些替代结构（如C、D、F和G）在特定取代基环境下具有较高的稳定性，但长期以来未被广泛接受或研究。这一现象可能与传统规则的高对称性有关，因为这些规则更倾向于预测具有理想几何结构的分子。然而，实验和计算结果均表明，这些替代结构在特定条件下确实可以稳定存在，说明传统规则的局限性。因此，研究团队强调，未来在设计和合成富硼化合物时，必须考虑取代基的电子效应，而不仅仅是骨架的电子对分布。

本研究的另一个重要发现是，取代基的电子效应可以通过一种新的分类体系进行量化。根据取代基的连接原子电负性，研究团队将取代基分为三类：低电负性（L）、中等电负性（M）和高电负性（H）。这种分类方法有助于更系统地分析取代基对分子结构的影响，并为未来的分子设计提供指导。例如，在低电负性取代基占主导的体系中，A结构的稳定性最高；而在高电负性取代基较多的情况下，B结构则表现出更高的稳定性。

为了实现这一新的预测框架，研究团队开发了一个高通量计算平台，能够高效地处理大量二碳硼烷结构，并计算其能量分布。这一平台不仅提高了预测的准确性，还揭示了取代基与骨架之间的复杂相互作用。例如，某些取代基可能通过电子供体或受体行为，影响分子中某些部位的电子密度，从而改变其整体稳定性。这些相互作用可能涉及σ键或π键的形成，也可能通过空间效应影响分子的几何构型。

在合成策略方面，研究团队提出了两种可能的路径。第一种路径是通过C–H活化和B–H官能化，使用五顶点二碳硼烷（C?B?R?）或硼碳环作为前体，逐步引入取代基，从而构建新的结构。第二种路径则是通过引入氧中心取代基，如Bpin或B?pin?，来实现B结构和G结构的合成。这两种策略均基于对取代基电子效应的理解，旨在克服传统规则的局限性，为合成新型二碳硼烷分子提供可行的方案。

研究的结论强调，取代基的电子效应在富硼化合物的结构预测中具有重要作用，而传统的Wade–Mingos规则仅关注骨架的电子对分布，无法全面反映分子的稳定性。因此，未来的富硼化合物研究需要引入更全面的模型，以考虑取代基对分子几何和电子性质的影响。本研究提出的SMT模型和取代基计数规则为这一目标提供了新的工具，使科学家能够更准确地预测和设计具有特定功能的分子结构。

此外，研究还指出，尽管经典规则在某些情况下仍然适用，但它们的局限性不容忽视。例如，Wade–Mingos规则仅适用于所有取代基均为低电负性的体系，而在其他情况下，其预测能力明显下降。因此，科学界需要不断探索和改进这些规则，以适应更广泛的分子体系。这不仅有助于提高结构预测的准确性，还可能为新材料、新药物和新反应的开发提供理论支持。

总的来说，本研究通过高通量计算和新的模型，揭示了取代基在富硼化合物结构预测中的关键作用。这一发现不仅拓展了传统规则的应用范围，还为未来的分子设计和合成提供了新的思路。通过结合取代基的电子效应和骨架的几何特性，研究团队建立了一个更全面的预测框架，使得科学家能够更精确地理解分子的稳定性，并设计出具有特定功能的新型分子。这些成果为富硼化学的研究和应用开辟了新的方向，同时也强调了在化学领域中，电子效应与结构稳定性的相互作用是不可忽视的重要因素。