Borani
# Borani

I borani sono composti chimici costituiti da boro e idrogeno.

I più leggeri tra essi sono composti poco stabili e infiammabili - bruciano facilmente con una fiamma dal tipico colore verde - ma la loro stabilità cresce al crescere del peso molecolare; il decaborano, ad esempio, è un solido cristallino stabile, che non reagisce spontaneamente né con l'aria né con l'acqua.

La struttura chimica dei borani è a corredo carente di elettroni e non viene adeguatamente spiegata dalla formazione di legami covalenti classici; la struttura dei borani prevede infatti la formazione di legami chimici tricentrici (3c,2e), ovvero legami covalenti in cui il doppietto elettronico è esteso su tre atomi anziché su due.

## Storia

Fu il chimico tedesco Alfred Stock il primo a caratterizzare la serie dei borani per analogia con quella degli alcani. I borani rimasero tuttavia una curiosità da laboratorio fino alla seconda guerra mondiale, quando il boroidruro di uranio fu oggetto di indagine per la messa a punto di processi per l'arricchimento isotopico dell'uranio. Herbert C. Brown (Premio Nobel per la chimica nel 1979) iniziò a studiare i borani presso l'Università di Chicago nel 1942 all'interno di questo progetto. La struttura fu risolta da William Lipscomb premio Nobel per la chimica nel 1976.

I reagenti a base di borani sono oggi molto noti e sfruttati nella sintesi di composti organici; il boroidruro di sodio è un reagente comunemente utilizzato per ridurre aldeidi e chetoni ad alcoli.

Sia gli Stati Uniti che l'Unione Sovietica tra gli anni cinquanta e sessanta investirono parecchie risorse nello studio di carburanti ad alta energia basati sui borani da impiegarsi in aerei superveloci quali l'XB-70 Valkyrie. Lo sviluppo della tecnologia dei missili terra-aria rese però gli aerei superveloci poco convenienti e questi studi vennero accantonati. I borani sono ancora oggi usati per alimentare i motori dell'aereo SR-71 Blackbird.

## Struttura chimica

La struttura e la reattività chimica dei borani sono essenzialmente dipendenti dal fatto che il boro possiede tre elettroni spaiati da impiegare per la formazione di legami e quattro orbitali in cui allocarli. Nel legarsi a tre atomi di idrogeno come nella molecola del borano, $BH_3,$ al boro rimane un orbitale p vuoto; questa insaturazione rende la molecola molto reattiva: il borano infatti con facilità dimerizza diventando diborano, $B_2H_6,$ oppure forma clusters composti da numerosi atomi di boro. Le strutture più stabili sono caratterizzate da formula generale $[B_nH_n]^{2-}$ (n compreso tra 5 e 12), $B_nH_{n+4}$ e $B_nH_{n+6}.$

La formazione del dimero o dei clusters compensa la lacuna elettronica del boro attraverso il prodursi di legami detti tricentrici B-H-B, ossia legami in cui il doppietto elettronico lega tre atomi anziché due ed in cui ogni atomo di boro assume l'usuale geometria tetraedica

### Regole di Wade e Mingos

Tramite le regole empiriche messe a punto da Wade e Mingos, negli anni 1970, è possibile determinare in modo non ambiguo la struttura geometrica di un cluster, nota la sua formula bruta o il computo degli elettroni dello scheletro molecolare. Si tratta di deltaedri, poliedri a facce triangolari, la cui geometria è legata al numero di atomi di boro.

* diborano, $B_2H_6$
* pentaborano-[9], $B_5H_9$
* decaborano-[14], $B_{10}H_{14}$
* $B_{12}H_{12}^{2-}$

Ogni frammento B-H contribuisce con una coppia di elettroni al computo totale relativo all'intera struttura, mentre ogni singolo H contribuisce con un solo elettrone. Nel caso in cui siano presenti cariche negative, occorre anche tenere conto di queste.

| Struttura | Formula generale | Coppie elettroniche dello scheletro |
| - | - | - |
| closo- | $[B_nH_n]^{2-}$ | n+1 |
| nido- | $B_nH_{n+4}$ | n+2 |
| aracno- | $B_nH_{n+6}$ | n+3 |
| ifo- | $B_nH_{n+8}$ | n+4 |

I nomi delle strutture derivano dalla lingua greca e in italiano significano gabbietta (closo), ragno (aracno) e rete (ifo).

Facciamo un esempio pratico dell'applicazione delle regole di Wade e Mingos. Si voglia determinare la geometria molecolare di $B_5H_9.$ Dalla formula generale $B_nH_{n+4}$ si ricava che trattasi di $nido-B_5H_9.$ Ma analizziamo anche il problema dal punto di vista del calcolo delle coppie elettroniche: si possono distinguere 5 frammenti B-H, con un contributo di 5 coppie elettroniche, e altri 4 H che contribuiscono con due coppie; il computo totale risulta essere 5+2=7 coppie, che si accorda con la regola n+2 che identifica le strutture nido-.

La validità delle regole di Wade e Mingos è confermata dai calcoli degli orbitali molecolari. Infatti il computo totale degli elettroni corrisponde al totale riempimento degli orbitali leganti, con formazione quindi di una struttura stabilizzata.

## Applicazioni industriali

Il diborano viene prodotto industrialmente in quantità dell'ordine delle migliaia di tonnellate/anno. Trova impiego come agente drogante nei semiconduttori e come reattivo nelle sintesi di composti organici, sfruttando la reazione di idroborazione.

Viene preparato per reazione dell'acido solforico con il boroidruro di sodio; industrialmente viene sintetizzato riducendo il borace con alluminio e idrogeno usando come catalizzatore del cloruro di alluminio.

## Precauzioni

I borani sono considerati mediamente tossici ed i più leggeri tra essi sono facilmente infiammabili per esposizione all'aria. Per tale ragione spesso è necessario lavorare con i borani in condizioni particolari che prevedono ad esempio l'uso di linee da vuoto o atmosfere inerti.

