ثنائي البوران

ثنائي البوران (6) ، المعروف باسم ثنائي البوران ، هو مركب غير عضوي صيغته الكيميائية B₂H₆ . وهو غاز سام للغاية ، عديم اللون، وقابل للاشتعال التلقائي ، وله رائحة حلوة نفاذة. ونظرًا لصيغته الكيميائية البسيطة، يُعد ثنائي البوران مركبًا أساسيًا من _{مركبات البورون} . وقد حظي باهتمام واسع النطاق نظرًا لبنيته الإلكترونية الفريدة. وتُستخدم العديد من مشتقاته ككواشف كيميائية مفيدة .

يتمتع ثنائي البوران بتناظر D _2h . أربعة هيدريدات طرفية، بينما يشكل اثنان جسرين بين ذرتي البورون. يبلغ طول روابط _{الجسر B–H 1.33 أنغستروم، بينما يبلغ طول روابط الطرفية} B–H 1.19  أنغستروم. يعكس هذا الاختلاف في أطوال الروابط اختلافًا في قوتها، حيث تكون روابط _الجسر B–H أضعف نسبيًا. ويُشير ضعف روابط _الجسر B–H مقارنةً بروابط _{الطرفية} B–H إلى بصماتها الاهتزازية في طيف الأشعة تحت الحمراء ، والتي تبلغ حوالي 2100 و2500 ^سم⁻¹  على التوالي. ^{[ 7 ]}

يصف النموذج المحدد بنظرية المدارات الجزيئية الروابط بين البورون وذرات الهيدروجين الطرفية كروابط تساهمية تقليدية ثنائية المركز وثنائية الإلكترون . إلا أن الرابطة بين ذرات البورون وذرات الهيدروجين الجسرية تختلف عن تلك الموجودة في جزيئات مثل الهيدروكربونات. تستخدم كل ذرة بورون إلكترونين في الارتباط بذرات الهيدروجين الطرفية، ويتبقى لديها إلكترون تكافؤ واحد لتكوين _روابط إضافية . تساهم ذرات الهيدروجين الجسرية بإلكترون واحد لكل منها. ترتبط حلقة B₂H₂ معًا بأربعة إلكترونات تُشكل رابطتين ثلاثيتي المركز وثنائيتي الإلكترون . يُطلق _على هذا النوع من الروابط أحيانًا اسم " رابطة الموز ".

يُعدّ المركب _B₂H₆ متساوي الإلكترونات مع المركب C₂H₂⁺⁶ ، وهو ما ينتج عن إضافة بروتونين إلى جزيء الإيثيلين _{المستوي} . ^{[ ٨ ]} يُعدّ ثنائي البوران أحد المركبات العديدة التي تتميز بروابط غير عادية كهذه _. ^{[ ٩ ]}

_{من بين} العناصر الأخرى في مجموعة البورون ، يُعرف الغاليوم بتكوينه مركباً مشابهاً هو _ثنائي الغاليوم ، Ga₂H₆ _. أما الألومنيوم فيُكوّن هيدريداً بوليمرياً، ( _AlH₃ ) ₙ _؛ وعلى الرغم من عدم استقراره، فقد تم عزل Al₂H₆ في الهيدروجين الصلب _وهو متماثل البنية مع ثنائي البوران. ^{[ 10 ]}

أدت الدراسات المكثفة لثنائي البوران إلى تطوير طرق تركيب متعددة. تتضمن معظم طرق التحضير تفاعلات _مانحات الهيدريد مع هاليدات البورون أو ألكوكسيداته . يتضمن التخليق الصناعي لثنائي البوران اختزال BF3 بواسطة هيدريد الصوديوم ⁽ NaH) أو هيدريد الليثيوم (LiH) أو هيدريد الليثيوم والألومنيوم ( LiAlH4 ): ^[ ₁₁ ^]

8 BF ₃ + 6 LiH → B ₂ H ₆ + 6 LiBF ₄

يجب أن يكون هيدريد الليثيوم المستخدم لهذا الغرض مسحوقًا ناعمًا جدًا لتجنب تكوّن طبقة واقية من رباعي فلوروبورات الليثيوم على سطح المادة المتفاعلة. بدلاً من ذلك، يمكن إضافة كمية صغيرة من منتج ثنائي البوران لتكوين بوروهيدريد الليثيوم ، الذي سيتفاعل مع BF3 _لإنتاج المزيد من ثنائي البوران، مما يجعل التفاعل ذاتي التحفيز . ^{[ 12 ]}

تعتمد طريقتان معمليتان على البدء بثلاثي كلوريد البورون مع هيدريد الليثيوم والألومنيوم ، أو من محلول إيثر ثلاثي فلوريد البورون مع بوروهيدريد الصوديوم . وتؤدي كلتا الطريقتين إلى مردود يصل إلى 30%.

4 BCl ₃ + 3 LiAlH ₄ ← 2 B ₂ H ₆ + 3 LiAlCl ₄

4 فرنك بلجيكي ₃ + 3 NaBH ₄ → 2 ب ₂ ح ₆ + 3 NaBF ₄

عند تسخين كلوريد القصدير (II) مع NaBH4 _، يتم اختزاله إلى قصدير عنصري، مكونًا ثنائي البوران في هذه العملية :

SnCl ₂ + 2NaBH ₄ → 2NaCl + Sn + B ₂ H ₆ + H ₂

تتضمن الطرق القديمة التفاعل المباشر لأملاح البوروهيدريد مع حمض غير مؤكسد ، مثل حمض الفوسفوريك أو حمض الكبريتيك المخفف :

2 BH − 4 + 2 H ⁺ → 2 H ₂ + B ₂ H ₆

وبالمثل، فقد تم إثبات أكسدة أملاح البوروهيدريد، ولا تزال هذه العملية ملائمة للتحضيرات على نطاق صغير. على سبيل المثال، باستخدام اليود كمؤكسد: ^{[ 13 ]}

2 NaBH ₄ + I ₂ → 2 NaI + B ₂ H ₆ + H ₂

تستخدم عملية تصنيع أخرى صغيرة النطاق بوروهيدريد البوتاسيوم وحمض الفوسفوريك كمواد أولية. ^{[ 14 ]}

ثنائي البوران هو كاشف شديد التفاعل ومتعدد الاستخدامات. ^{[ 16 ]}

يُعدّ ثنائي البوران ومشتقاته من الكواشف الأساسية في التخليق العضوي ، وتحديدًا في تفاعلات الهيدروبورنة . تتفاعل الألكينات عبر روابط B–H لتكوين ثلاثي ألكيل البوران، الذي يمكن تطويره لاحقًا. ^{[ 20 ]} يُستخدم ثنائي البوران كعامل مُختزل يُكمّل تقريبًا تفاعلية هيدريد الليثيوم والألومنيوم . يُختزل هذا المركب الأحماض الكربوكسيلية بسهولة إلى الكحولات المقابلة ، بينما تتفاعل الكيتونات ببطء.

تمّ تخليق ثنائي البوران لأول مرة في القرن التاسع عشر عن طريق التحلل المائي لبوريدات المعادن، لكنه لم يخضع للتحليل. في الفترة من عام ١٩١٢ إلى عام ١٩٣٦، أجرى ألفريد ستوك ، الرائد البارز في كيمياء هيدريدات البورون، أبحاثه التي أدت إلى تطوير طرق تخليق ومعالجة هيدريدات البورون شديدة التفاعل، والمتطايرة، والسامة في كثير من الأحيان. وقد اقترح أول بنية شبيهة بالإيثان لثنائي البوران. ^{[ ٢١ ]} وأظهرت قياسات حيود الإلكترون  التي أجراها إس. إتش. باور في البداية دعمًا لبنيته المقترحة. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ]}

بسبب تواصل شخصي مع ل.  باولينغ (الذي أيّد البنية الشبيهة بالإيثان)، لم يناقش هـ. إ  . شليسنجر وأ. ب. بورغ على وجه التحديد الرابطة ثلاثية المراكز ثنائية الإلكترون في مراجعتهما الكلاسيكية آنذاك في أوائل الأربعينيات. ^{[ 24 ]} ومع ذلك، تتناول المراجعة بنية D _2h الجسرية بتفصيلٍ ما: "من الجدير بالذكر أن هذه الصيغة تفسر بسهولة العديد من الخصائص الكيميائية للديبوران..." 

في عام ١٩٤٣، كان هـ. كريستوفر لونغيه-هيغينز ، حين كان لا يزال طالبًا جامعيًا في أكسفورد، أول من شرح بنية وروابط هيدريدات البورون. وتستعرض المقالة التي تناولت هذا العمل، والتي كتبها بالاشتراك مع أستاذه ر.  ب. بيل ، ^{[ ٢٥ ]} تاريخ هذا الموضوع بدءًا من عمل ديلتاي. ^{[ ٢٦ ]} وبعد ذلك بوقت قصير، تم تأكيد العمل النظري للونغيه-هيغينز من خلال دراسة بالأشعة تحت الحمراء لثنائي البوران أجراها برايس. ^{[ ٢٧ ]} وأُعيد تأكيد البنية بقياس حيود الإلكترون في عام ١٩٥١ بواسطة ك.  هيدبيرغ وف.  شوماكر، مع تأكيد البنية الموضحة في المخططات الموجودة في هذه الصفحة. ^{[ ٢٨ ]}

أكد ويليام نان ليبسكومب  الابن التركيب الجزيئي للبورانات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية في خمسينيات القرن العشرين، ووضع نظريات لتفسير روابطها. لاحقًا، طبق الأساليب نفسها على مشاكل ذات صلة، بما في ذلك بنية الكربورانات، والتي أشرف على أبحاثها روالد هوفمان ، الحائز لاحقًا على جائزة نوبل عام 1981. مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء عام 1976 لليبسكومب "لدراساته حول بنية البورانات التي ساهمت في فهم مشاكل الروابط الكيميائية". ^{[ 29 ]}

تقليديًا، يُوصف ثنائي البوران بأنه فقير بالإلكترونات ، لأن إلكترونات التكافؤ الاثني عشر لا تستطيع تكوين سوى ست روابط ثنائية المركز تقليدية، وهي غير كافية لربط الذرات الثماني جميعها. ^{[ 30 ] [ 31 ]} مع ذلك، يُظهر الوصف الأكثر دقة باستخدام الروابط ثلاثية المركز أن ثنائي البوران دقيق إلكترونيًا، إذ يوجد عدد كافٍ من إلكترونات التكافؤ لملء المدارات الجزيئية الرابطة الستة . ^{[ 32 ]} ومع ذلك، لا تزال بعض الكتب الدراسية الرائدة تستخدم مصطلح "فقير بالإلكترونات". ^{[ 33 ]}

نظراً لطبيعة تفاعل ثنائي البوران الطاردة للحرارة مع الأكسجين، فقد تم اختباره كوقود دافع للصواريخ . ^{[ 34 ]} يُعد الاحتراق الكامل تفاعلاً طارداً للحرارة بشدة. ومع ذلك، لا يكتمل الاحتراق في محرك الصاروخ، مما ينتج عنه أول أكسيد البورون ( BO ) وثلاثي أكسيد البورون ( B₂O₃ ₎ . يميل الأخير إلى الترسب على جدار غرفة الاحتراق والفوهة، مما يُغير من شكلهما الهندسي ويقلل من كفاءتهما. _[ ^{35 ] يُحاكي} هذا التحول الاحتراق غير الكامل للهيدروكربونات ، والذي ينتج عنه أول أكسيد الكربون (CO). كما ثبت أن التعامل مع ثنائي البوران صعب. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

تمت دراسة ثنائي البوران كمادة أولية لأغشية بوريد المعادن ^{[ 39 ]} ولتطعيم أشباه موصلات السيليكون من النوع p. ^{[ 40 ]}

ثنائي البوران غاز قابل للاشتعال التلقائي. تُستخدم عادةً نواتج الإضافة المتوفرة تجاريًا بدلاً منه، على الأقل في تطبيقات الكيمياء العضوية. تشمل هذه النواتج بوران-تتراهيدروفوران (بوران-THF) وبوران-ثنائي ميثيل كبريتيد . ^{[ 16 ]} يتم التخفيف من الآثار السامة لثنائي البوران نظرًا لعدم استقرار المركب في الهواء. وقد دُرست سميته على فئران المختبر. ^{[ 41 ]}

• هاينز، ويليام م.، محرر. (2011). دليل سي آر سي للكيمياء والفيزياء (الطبعة 92  ). مطبعة سي آر سي . رقم ISBN 978-1439855119.
• يرازونيس، س.، وآخرون. "ذوبانية ثنائي البوران في ثنائي ميثيل الإيثر وثنائي إيثيلين جليكول، وفي مخاليط من بوروهيدريد الصوديوم وثنائي ميثيل الإيثر لثنائي إيثيلين جليكول، وفي كبريتيد البوتيل الثالثي." مجلة البيانات الكيميائية والهندسية ، المجلد 7، العدد 3، يوليو 1962، الصفحات 337-339، doi:10.1021/je60014a004.

• كونستانتين، إم تي؛ ويبر، جيه كيو؛ يوويل، كيه جيه (1971). دليل ثنائي البوران . روكيتداين. NASA-CR-111126.
• شميدت، إيكارت دبليو (2022). "ديبوران". البوران . موسوعة الوقود السائل . دي جرويتر. ص 978 – 1013. دوى : 10.1515 / 9783110750287-012 . رقم ISBN  978-3-11-075028-7.

• بطاقة السلامة الكيميائية الدولية 0432
• قائمة الملوثات الوطنية – البورون ومركباته
• دليل الجيب الخاص بالمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) للمخاطر الكيميائية
• مستويات التوجيه للتعرض الحاد وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية