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有机氟化物弱相互作用和构效关系 摘要 主要包含两部分内容。一部分是介绍含氟有机化合物的卤键和兀- 兀堆积等 弱相互作用，两种含氟亚胺异构体的分子问作用与性质的关系。另一部分是拓 扑指数法在定量结构性质中的应用，新的拓扑指数与烷烃、脂肪醇某些性质的 关系。 在超分子化学领域，卤键和兀一兀堆积作用是重要的。卤键在作用形式上与 氢键一样，近来得到较多的关注。i ；- 堆积作用在芳香化合物中广泛存在。它们 均可用于分了的识别和自组装。针对含氟有机化合物，分别介绍了卤键和7 【- 兀 堆积作用的特点、类型、进展及应用。合成了几种有机氟化物，分析其品体结 构，进一步认识卤键和7 【- 兀堆积作用。 对比研究两种含氟亚胺异构体的分子内、分子间和兀- 兀堆积作用，试图揭 示弱相互作用与化合物某些性质的关系。研究表明化合物的熔点、密度的大小 与晶体内部的作用强弱是一致的。同时发现了氟原子参与的弱相- 瓦作用。采用 密度泛函理论，得到两种化合物的前沿分子轨道。计算了前沿分子轨道的能级 差，分析了电子激发的难易程度。 在定量构效关系的研究中，拓扑指数法具有简便、有效的特点，因而得到 广泛的应片j 。基于核磁共振原理，建立了具有明确物理意义的拓扑指数。该拓 扑指数应用于烷烃标准熵、色谱保留指数和脂肪醇色谱保留指数的研究中，得 到了较好的拟合效果，相关模型可用于化合物性质的估计和预测。表明该拓扑 指数能够提取化合物的结构信息，将进一步得到应用。 关键词：卤键；7 【呱堆积；定量构效关系；拓扑指数 t h ew e a ki n t e r a c t l 0 i n so f f l u o r i n e c o n t a i n i n go r g a n i cc o m p o u n d sa n d s t r u c t u r e p r o p e r t yr e l a t l 0 n s h i p a b s t r a c t t h e r ea r et w op a r t si n t h i sp a p e r p a r t1 ：h a l o g e nb o n d i n g 兀- 兀s t a c k i n ga n d o t h e rn o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n so ff l u o r i n e c o n m i n i n g o r g a n i cc o m p o u n d sa r e i n t r o d u c e d f o rt w of l u o r i n e - c o n t a i n i n gi m i n ei s o m e r s ，t h er e l a t i o n s h i p so fw e a k i n t e r a c t i o n sa n ds o m ep r o p e r t i e sa l er e v e a l e d p a r t2 ：t o p o l o g i c a li n d i c e sa l ea p p l i e d t oq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p n e wt o p o l o g i c a li n d i c e sa r ed e f i n e d a n d t h e yc o n t a c tw i t hs o m ep r o p e r t i e so fa l k a n e sa n da l i p h a t i ca l c o h o l s h a l o g e nb o n d i n ga n d7 【- 兀s t a c k i n ga r ei m p o r t a n ti nt h ea r e a so fs u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y t h eh a l o g e nb o n d i n g ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h eh y d r o g e nb o n d i n g ，h a s r e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nr e c e n t l y t h e7 【一7 【s t a c k i n gi n t e r a c t i o n so fa r o m a t i c c o m p o u n d sa r ep r e v a l e n t b o t hh a l o g e nb o n d i n ga n d 兀一兀s t a c k i n ga r ea p p l i e dt o m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n ds e l f - o r g a n i z a t i o n f o r f l u o r i n e c o n t a i n i n go r g a n i c c o m p o u n d s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t y p e ，p r o g r e s sa n da p p l i c a t i o no fh a l o g e nb o n d i n ga n d 兀一兀s t a c k i n ga r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y i no r d e rt ou n d e r s t a n dh a l o g e nb o n d i n g a n d 兀一兀s t a c k i n g s o m ef l u o r i n e c o n t a i n i n go r g a n i cc o m p o u n d sa r es y n t h e s i z e da n d t h e i rc r y s t a ls t r u c t u r e sa l ea n a l y z e d t h ei n t r a m o l e c u l a r , i n t e r m o l e c u l a ra n d 兀一7 r s t a c k i n gi n t e r a c t i o n so ft w o f l u o r i n e c o n t a i n i n gi m i n ei s o m e r sa led i s p l a y e di nd e t a i l i ti sc l e a rt h a ts o m e p r o p e r t i e ss u c ha sm e l t i n gp o i n ta n dd e n s i t ya r ed e c i d e db yt h ei n t e r a c t i o n s w e a k i n t e r a c t i o n so ff l u o r i n ea t o m sa r ef o u n di nt h i sp a p e r t h ef r o n t i e rm o l e c u l a ro r b i t a l s a r eo b t a i n e dt h r o u g hd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) t h ee n e r g i e so fo r b i t a l sa r e c a l c u l a t e da n de l e c t r o n i ca c t i v i t i e sa r ed i s c u s s e d n e wt o p o l o g i c a li n d i c e sa r eb u i l ta c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fn u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e t h et o p o l o g i c a li n d i c e sa r ea p p l i e dt oa l k a n e sa n da l i p h a t i ca l c o h o l s t h e c a l c u l a t e dv a l u e sa r ei ne x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t ht h ee x p e f i m e n t a lv a l u e s i ts h o w s t h a tt h en e wt o p o l o g i c a li n d i c e sc a ng e ts t r u c t u r a li n f o r m a t i o no fc o m p o u n d sa n d w i l lb ea p p l i e dt om a n y c o m p o u n d s k e yw o r d s ：h a l o g e n b o n d i n g ；兀- 兀s t a c k i n g ；q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p ；t o p o l o g i c a li n d e x 有机氟化物弱相j i f 作j j 和构效关系 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也4 i 包含本人已用于其他学位 申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 木人签名：巧饫及 日期： 伽庐罗年月伪 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编学位论文。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍 然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名：前石反 导师签名： 删叩日 青岛科技人学研究乍学位论文 1 1 超分子化学简介 第1 章前言 p e d e r s e n 在1 9 6 7 年发现了冠醚，从而打开了人工客体分了研究的大门。 c r a m 发展了主客体化学的研究内容。l e h n 整合了分了堆积和主客体化学的成 果，提出了超分子化学( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 的概念【1 1 。l e h n 、p e d e r s e n 和c r a m 共同获得了1 9 8 7 年的诺贝尔奖。 超分子化学的研究对象是由分子问非共价键的相互作用将分子组织在一 起，形成比分子本身复杂得多的化学物种，即以分子间弱相互作用为基础，以 分子聚集体为研究对象。 由丁分子间作用力的多样性和复杂性，以及对于生命物质的重要作用和影 响，超分子化学的内容迅速地扩展，不仅包含化学各个分支，还包含物理学、 生物学等许多学科，逐渐形成新的学科领域。超分二f 化学是高于分了层次的化 学，是一个学科间高度交叉发展的科学领域，具有化学、物理和生物学等跨学 科的特色。作为一个新的科学领域，在其诞生、成长和成熟过程中，一些新的 概念和新的术语逐渐地发展形成。 超分子( s u p e r m o l e c u l e ) 是由两种或两种以上分子依靠非共价键的分子问作 用力结合在一起，形成复杂的、有组织的缔合体，并能保持确定的完整性，即 具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。由分子到超分子和分子 间键的关系，正如由原子到分子和共价键的关系一样。 分子间的相互作用是除共价键、离f 键和金属键以外，分了间相互作用的 总称。分子间相隔较远时，以吸引作用为主；相隔很近时，以排斥作用为主。 当分子相互接近并聚集在一起时，吸引作用和排斥作用达到平衡，使分子问作 用能处于最低点，而成为稳定的聚集体。 分子之问作用力，除了范德华力之外，还包括荷电基团问的作用、氢键、 卤键、疏水基团相互作用、弘兀堆积作用以及非键电子推斥作用等。 荷电基团间的静电作用，其本质和离子键相当，义称盐键。其静电吸引能 与相互作用基团间电荷的数量成正比，与基团电荷重心间的距离成反比。 有机氟化物弱相1 i j 作j 1 】和构效关系 氢键是分子间比较重要的相互作用。非键电子推斥作用是一种近程作用。 疏水基团相互作用是指极性基团间的静电作用使极性基团倾向于聚集在一 起，因而排挤疏水基团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。以 蛋臼质为例，在蛋白质分子中，疏水侧链基团如苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸 等较大的疏水基团，受溶液中水分子的排挤，使溶液中蛋白质分子的构象趋向 于把极性基团分布在分子表面，和溶剂分子形成氢键和盐键，而非极性基团则 聚集成疏水区，藏在分子的内部，这种效应即为疏水基团相互作用。 兀- 7 【堆叠作用是两个或多个平面型的芳香环堆叠在一起产生的能量效应。最 典型的是石墨层型分了问的堆叠，其中层间相隔距离为3 3 5 p m 。在其他小分子 组成的品体中，芳香环出现互相堆叠在一起的现象也= f 常普遍。兀兀堆叠作用和 芳香分子中离域分子轨道同相叠加有关。 超分子具有识别记忆功能、变换功能和传输功能。a 识别功能是指特定的 接受体对底物的选择作用。据此可以设计在能量上和空问上能够互相匹配的接 受体和底物，使它们相互选择而结合成超分子，并将信息存储在特定构造和成 键位置中。b 变换功能是指超分子具有特定的反应性能和催化作用。c 传输功能 是指底物分子具有通过生物膜等功能，其机理是作用物分子和膜中的分子缔合 成超分子，再解离和扩散完成。所以超分子的概念部分仍属于分子范畴，而部 分已超出传统化学的原子、分予层次，上s i g n 分二r 以上层次，即有序高级结构。 超分予化学并不局限在溶液中。结构化学家和晶体学家很快地了解到有机 晶体是一个完美的超分子，是在一个惊人的准确水平上，数以百万计的分子互 相识别、自行排列。如果说分子是由原子通过共价键构建而成，则固态的超分 子( 晶体) 是分子通过分子问的相互作用构建起来。晶体上程贝u 是通过分子堆积 了解分子问的相互作用，用以设计具有特定的物理性质和化学性质的新晶体。 晶体r t 程已成为一门利用分子或离子问非共价键的相互作用，合理地设计晶体 结构，以得到有价值晶体的学科。晶体工程和分子识别的概念非常相似，它们 都是以分子间的相互作用操纵超分子组装的技艺。结晶过程是一种高度精确的 分子识别的实例。品体工程的目的是沿着分子识别指引的途径进行超分了的自 发组装。晶体工程和分子识别是超分子化学的孪生子，都能使分子组分间的功 能得到多方面配合，优化分子问不同强度的、定向的和与距离有关的各种相互 作用。晶体工程已由结构化学家和物理化学家利用晶体学的知识加以发展，设 计新材料和固态反应。分子识别己由物理有机化学家模拟生物合成过程加以发 展、应用。 自组装是个含义较广的名词，既可适用_ 丁分子，也可适用于超分子。自组 2 青岛科技人学研究生学位论文 装是指一种或多种组分的分了，相互问能自发地结合起来，形成分立的或伸展 的分子或超分子。分了自组装是靠共价键，超分予自组装靠非共价键。超分子 自组装涉及多个分子白发缔合成复杂的超分子聚集体。山分子组成的品体，也 是一种超分子。超分子的特性既取决于组分在空间的排列方式，也取决于分子 间作用力的性质。分子晶体中分子排列结构和分子问作用力有关，也和堆积因 子有关。超分子化学为化学科学提供新的观念、方法和道路，用以设计和制造 自组装元件，开拓分子自组装途径，使具有特定结构和基团的分子自发地按一 定方式组装成所需的超分子，并进一步聚集成宏观的聚集体。 氢键是晶体工程中最常用的一种工具，通过分j f 间氢键的形成产生分子识 别效应，从而进入晶体工程，构筑出超分子结构。p h i l p ( 李1 2 1 7 阳s h e r r i n g t o n 等p j 在综述中都提到三聚氰酸( e y a n u r i ca c i d ) 与三聚氰胺( m e l a m i n e ) 以强的多重氢键 形成l ：l 的络合物品体。 o h 、n 儿n ，h n l h h n - h i n 冬n h 、n 儿社n ，h ll hh 。岁芎：荽专气静 二叫气瓮_ i i i i 弋廿，一一 h 、n 飞h 一广弋 近年米，晶体工程为了设计出新式样的晶体，对于那些能形成较强的和稳 定的分子问相互作用的有机化合物，如碳水化合物、羧酸和酰胺以及无机化合 物巾相似的物种产生很大的兴趣。通过研究，已在分子水平上，把识别的几何 学与超分子功能性和式样设计联系在一起。这些超分子式样又可以使晶体具有 特定的物理性质和化学性质。 在超分子化学的研究中，分子识别和自组装、分子间多种弱相互作用的加 合效应和协同作用是两个重要的科学问题。随着研究的深入，一方面超分子化 学的形成与发展极大地促进了对分子问多种弱相互作用力本质和规律的认识， 3 有机氟化物弱相兀作用和构效关系 另一方面随着对弱相互作用力及协同作用的探索，又极大地促进了超分子化学 以及生命、材料、信息等科技领域的快速发展。 1 2 有机氟化物的特性及作用方式 由于氟元素最大的电负性和极弱的可极化性，当氟原子取代了碳氢化合物 的氢原子以后，物理、化学性质会显著改变。而在微观上，氟原子的引入也极 大地改变了化合物的分子内和分子间的非共价弱相互作用力。与碳氢化合物相 比，含氟化合物的弱相互作用具有一些独特的模式和性质。因此，近二十年来， 关于含氟化合物自身之间及其与碳氢化合物问的非共价弱相互作用( 尤其是在 固相条件下) 研究，已成为超分子化学的研究热点之一。 具体来讲，氟原子或含氟基团的引入能显著地改变有机化合物的理化性质、 生物活性，这是由氟原子的以下独特性质决定的。 第一，氟原子半径与氢原子非常接近，使得氟原子代替分子中的氢原子后 整个分子体积变化不大，因而不会被生物体内的酶受体所识别，能毫无困难地 代替非氟母体进入生物体的代谢过程( 伪拟效应) 。 第二，氟原子的电负性是所有元素中最高的( c ：2 5 ，h ：2 1 ，f ：4 0 ) ，分子中 引入氟原子后电子云分布会发生偏移，使分子的偶极矩和酸碱性受到影响，邻 位基团的性质、分子构型也将发生变化。许多含氟有机化合物与相应的无氟化 合物棚比，往往化学性质、物理性质均有很大的变化，反应性也卡h 差很大。而 在代谢过程中，则农现为含氟底物与受体的结合方式不同于无氟底物，从而引 发代谢上的障碍或有时会导致复杂的化学反应而形成共价键，使受体不可逆失 活。 第三，碳氟键的键能很高( c f ：4 8 5k j m o l ；c h ：4 1 6k j m 0 1 ) ，而且氟原 子很难以正离子或自由基的形式离去。因此在生物代谢过程中往往不能以断裂 碳一氢键的方式来断裂碳氟键，从而使得含氟化合物虽然能够参与代谢过程， 但是又具有明显的抗代谢性并由此产生种种效应。一氟醋酸之所以剧毒，就是 因为它可伪拟醋酸进入生物体参与羧酸循环，与草酰醋酸结合产生叶氟代柠檬 酸，但由于c f 键的存在使得以后的代谢无法进行。 第四，氟原子的引入能增加有机分子的亲脂性。因而含氟化合物在生物体 内对膜、组纵的穿透能力增强，提高了含氟化合物在生物体内的吸收和传输速 4 青岛科技人学研究生学位论文 度，这在药物设计中尤为重要。 最近也有研究表明，由于含氟基团独特的亲脂性，当在生物大分子如蛋白 质中引入含氟基团后会影响蛋白质的折叠或蛋白质一蛋白质相互作用，从而改变 蛋白质的生理活性。所有这些特性使得含氟有机分子在药物化学、天然产物化 学和农药化学等领域有着独特的作用。例如在分子生物学中，含氟有机分子作 为探针或酶抑制剂对于研究小分子一大分子或大分子一大分子之间的相互作用有 着独特的作用。 含氟化合物的非共价弱相互作用可分为：苯基一含氟苯基的兀兀堆积、 r r x d ( 卤键x b ) 、c f h ( 弱的氢键w h b ) 、f f 以及c f 研作用h 7 1 。其中 卤键和兀7 【堆积是两种相对较强的非共价作用方式。在一定条件下，含氟化合 物和碳氢化合物问甚至可以分别通过这两种作用形成稳定的络合物品体。 碘、溴、氯原子都可以作为电子受体参与形成卤键。近年来还发现全氟烷 烃的氟原子也能作为电子受体和胺发生卤键作用。卤原子的极化能力在卤键形 成过程中起关键作用，而它们的极化能力和其电负性顺序正好相反，所以碘、 溴、氯、氟原子形成卤键的强度是逐渐递减的。其中，含氟碘、溴化物和碳氢 化合物之间的卤键作用在某些情况下足以克服它们之间非常微弱的亲合力而形 成络合物晶体。但由含氟化合物和碳氢电子供体间通过氟烷荩氯参与形成的卤 键还未得到相应的络合物晶体。 c f h ( 弱的氢键) 、f f 以及c f 7 【f 作用尽管是很小的非键作用力，但 由于其在超分子晶体结构中人量存在，数目众多，累积起来对晶体结构的排列 也能产生实质性的影响，进而可能改变其宏观的理化性质。因此，有关这方面 弱相互作用的研究也开始引起人们的重视。 然而，人们对含氟化合物的非共价弱相互作用的规律和机制、作用本质还 缺乏深入的了解。目前的研究主要集中在含氟卤代烷r f x ( x = b r i ) 与电子供 体间的卤键及苯基一全氟苯基的冗- 冗堆积作用方面，而对c - f h ( w h b ) 、f f 、 以及c f 7 【f 弱相互作用的关注较少，在某些方面，如f f 之间的弱相互作用 问题甚至还存在着争议。因此，对于含氟化合物的非共价弱相互作用无论在理 论上还是在实际应用方面都具有重大的研究价值。 1 3 定量构效关系的分子结构描述符 5 有机氟化物弱相互作用和构效关系 定量结构性质关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p ) 和定量结构 活性关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ) 是采用化合物的分了结构 描述符定量研究化合物的性质或生物活性。q s p r q s a r 分析的是结构和性质 活性的冈果关系，结构和性质活性的定量化规律。根据结构信息可以分为二维 定量构效关系( 2 d q s p r q s a r ) 和三维定量构效关系( 3 d q s p r q s a r ) 6 j f 究。 分子结构描述符的选择是一项重要的工作。具有明晰物理意义的分子结构 描述符可以定量描述化合物的性质活性，有助丁解释化合物性质的作用机理。 分子结构描述符通常分为以下三类：物理化学参数、分子拓扑指数和量子 化学参数。 物理化学参数大致分为三类：一般的物理化学参数，如熔点、沸点、密度、 熵、焓等；超热力学参数，如疏水性参数、h a m m e r 常数、t a f t 常数等；谱图 数据，如n m r 、i r 、m s 等。 分子拓扑指数是通过图论方法得到的，是定量表征化合物的重要手段。 量子化学参数通常分为描述分子电性作用的电子结构参数和描述分子空问 几何性质的空间儿何参数。电子结构参数丰要包括：e h o m o 、e l u m o 、原子静电 荷、分子静电势、键级、偶极矩等。空间几何参数主要包括：原子间距、键角、 分子体积、分子表面积等。 同物理化学参数和量了化学参数相比，分子拓扑指数直接从化合物的二维 平面结构计算出来，计算方法简单，不需要实验或复杂的量化计算，因此得到 了广泛的应用0 1 。 6 青岛科技大学研究生学位论文 第2 章卤键在有机氟化物中的应用 2 1 卤键的发展 m u l l i k e n 曾经论述过，电予密度从密集区到贫瘠区的供给是分。f 问发生相互 作用最普遍的方式。氢原予是常见的电二f 受体，氢键是在分了识别过程中常见的 分子间作用力。同样，卤素原子也可以作为电子受体，因为与氢键非常类似，在 研究其弱相互作用时便用“卤键”来定义。其相互作用也出现在晶体工程、超分 子化学、高值材料、药物设计等许多领域，引起了人们越来越多的关注。 早在1 8 6 3 年g u t h r i e 在研究n h 3 1 2 复合物的形成时，明确提出了卤原子与一 些电子供体之间有形成复合物的能力【l 。1 9 7 0 年h a s s e l 研究了一系列卤分子与杂 原子的相互作用f 心】。1 9 8 3 年d u m a s 等【b 1 首次用“卤键”描述在气相中卤素与电负 性元素之间的弱相瓦作用，但并没有意识到它所包含的深刻内涵和具有的普遍 性。1 9 9 9 年l e g o n 等注意到在r x y 型配合物中，b 和x y 之间存在着弱相互作用。 多数情况下，作为预反应配合物b x y 中的电荷重新分配的范嗣较小，属于 m u l l i k e n “外型”配合物，但也会形成产生实质性电荷转移的m u l l i k e n “内型”配 合物。更深入的研究发现r x y 类型的配合物与相应系列的r h x 配合物，不论 是在几何形状和作用半径，还是在分子问的键能和电荷重新分配的范同等方面都 存在着精确的相似性。为了强调与“氢键”的相似性，于是采用了更具普遍性的 “卤键”这一术语 1 4 , 1 5 】。近年来r e s n a t i 等针对含氟有机物的卤键作用，做了许多 t 作 1 6 q 8 1 。 卤键( h a l o g e nb o n d i n g ，x b ) 是作为l e w i s 酸的卤素原二f 与具有孤对电了或兀电 了的l e w i s 碱之间的= 1 f 共价相互作用，在作用方式上与氢键相似。通常情况下卤键 的表达形式为d x y 【1 9 2 0 ，其中x 是卤族元素( i ，b r ，c i ) ，d 为具有孤对电子( 象 n 、o 、s 、s e 、卤素阴离子等) 或兀电子的体系，y 可以是碳、氮、卤素等元素。 x 是电子受体，亦称卤键供体；而d 为电子供体，亦称卤键受体。当d 为卤素时， 卤键x x y 又叫做卤- - i 卤( h a l o g e n h a l o g e n ) 相互作用。 7 有机氟化物弱相互作川和构效关系 y 4 啊 d _ n l m , o , s , s c e l p - x 2 i ，b r ，c ly 2 c n g e “ 由于赢原子核岗同电子密度的并向异性，卤原子既可接受电子，又可给出电 子，但卣键专指卤素作为电子接受体的相互作用。卤原子的缺电子部位与富电子 的i 。e w i s 碱在最大静电吸引方向上相互作用。根据几何特点，卤一卤相互作用可分 为两种类型。卤原子之间的距离均小于两者的删d wa l 半径之和1 2 1 - 2 3 】。 野+ 。 u r m i n吩露二产e t y p ei ：0 】= 0 2t y p ei i ：o i 一9 0 。，0 2 - 1 8 0 。 般而言，卤键届于或m 相瓦作用，通常后者较前者弱。卤键 的强度取决。卤键供体、卤键受体以及周围环境等因素t 2 4 1 。对卤键供体，卣键强 度顺序为1 b r c i f ，卤族元素的电负性越大，卤键越弱。而卤键受体的电子 云密度决定卣键的强弱电f 云密度越大，卤键越强，因此不同杂化状态上的卤 键顺序为n ( s p 3 ) n ( s p 2 ) n ( s p ) - 0 ( s ，p o ( s p 2 ) 。在大多数情况下，氮原子比氧原 了和硫原子更易形成卣键。在dx - y 模式中，y 也影响卤键的强度，当y 是强吸 电子基，如全氟基团，卤键供体的电子云密度显著降低，从而使卤键供体更易接 受d 的孤对电予或电子，所形成的卤键越强。 dx 的距离在v a i ld e c w a a l s 半径和共价半径之间，距离越小相互作用越强。 多数情况下dx - y 的夹角接近1 8 0 。，卤键具有倾向干线形的几何特征。当电子供 体为孤对电子时，卤键发生在孤对电子轨道轴的方向。 l i a n t o n i o 等人口1 研究了芳香化台物的弱相互作用。全氟碘代苯为电子受体， 它与对称的二胺类化合物通过无限线性延伸的ni 卤键作用，自组装成共晶化台 物。 青岛科技人学研究生学位论文 + ff m p 1 0 8 - 1 1 0 。c m p 4 9 - 5 1 。c i 卜一一n fff m p 1 2 8 - 1 3 0 。c f idi n f i n i t ec h a i nf o r m e dt h r o u g hn lh a l o g e nb o n d i n g ( n 1d i s t a n c ei s2 9 3 5 ( 2 ) a c - n i a n g l e i s17 4 0 4 ( 7 ) o ) d r i v e n s e l f - a s s e m b l y o f l ，4 - d i i o d o t e t r a f l u o r o b e n z e n e a n d n n n n l t e t r a m e t h y l - 1a - p h e n y l e n e d i a m i n e 后来f o x 等人1 1 7 1 以全氟碘代烷烃为电子受体，通过n i 问的卤键作用，也得 到了共晶化合物。共晶化合物的熔点明显高于其组成原料。 f 骐f + if m p - 2 7 。c 二n 厂n m p - 5 5 。c 一脚n 厂n 。 f 弹p 厂n 。 m p 1 0 5 。c f f f o r m a t i o no fidi n f i n i t ec h a i nt h r o u g hn ih a l o g e nb o n d i n g ( n id i s t a n c ei s2 8 2 0 a ，t h ec - n i a n g l e i s16 6 。) d r i v e n s e l f - a s s e m b l y o fd i i o d o t e t r a f l u o r o e t h a n ea n d t m e d a ( n , n , n - t e t r a m e t h y l e t h a n e - 1 , 2 - d i a m i n e ) s a n t i s 等人f 2 6 1 则以全氟溴代苯为电子受体，研究了一系列n b r 卤键的共晶化 9 有机氟化物弱相i ：作j l j 和构效关系 合物。其中之一如下。 b r + 9 ff m p 7 1 - 7 8 。c m p 7 0 - 7 4 。c ，9 卧旷兮 甘一。 ff m p 1 1 0 - 1 1 5 。c n b rd i s t a n c ei s2 8 7 8 ( 1 ) a ，o r2 9 7 9 ( 1 ) aa n dt h ec - n b r a n g l ei s1 7 7 7 1 ( 4 ) 。o r1 7 6 4 0 ( 3 ) 。 相对于氮原予，氧原子是较弱的电子供体。p r o f e s s o rz h u 等人研究了o l 相 互作用，氧原子分别为s p 3 杂化( u p ) 和s p 2 杂化状态( d o w n ) 。值得注意的是，六甲基 磷酰胺s p 2 氧原子与相邻的两个碘原了通过氧桥形成无限长钳2 7 1 。 1 0 1 、 i 。 妙a 、 n 青岛科技人学研究乍学位论文 d o w n n = l ，2o r3 o i2 8 1 4 ( 1 2 ) a ，0 i c1 6 3 3 ( 3 ) 。f o rn = l ( u p ) ；o i2 8 6 4 ( il ) ao r2 8 3 5 ( 11 ) a ， 0 i - c17 7 o ( 8 ) oo r17 0 6 ( 9 ) 。f o rn = 2 ( d o w n ) 同年r e s n a t i d 、组也报道了o i 相互作用【2 8 1 。 ff o l2 7 5 4 ( 2 ) a ，o 1 - c1 7 0 3 1 ( 11 ) 。 一d ff 氯原子作为卤键供体的研究较少。x u 等人2 9 1 研究了一系列含有c = n c l 单元 的芳香化合物，它们通过分子问n c l 作用连接起来。在下图中，所有的氮原子 和氯原子都参与n c l 作用，每一个分子与周围的六个分子作用。 c i i n 众n c i 八於c i n c ii n t e r a c t i o n si nt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc y a n u r i c c h l o r i d e ( 2 , 4 ，6 - t r i c h l o r o - 1 ，3 ，5 t r i a z i n ) c a r b o na t o m sa r eo p e ne l l i p s o i d s ，n i t r o g e n sa r ec r o s s e de l l i p s o i d s ，a n dc h l o r i n e sa les h a d e d c r o s s e de l l i p s o i d s f o rc o n t a c ta ，d n o = 3 10 0 ( 3 ) a ，n c i c = 1 8 0 0 。；f o rb ，d n c 尸3 113 ( 2 ) a ， z n c i c = 1 7 2 9 ( 1 ) 。 有机氟化物弱相互作用和构效关系 p i g g e 等研究了x x 相互作用，加深了对卤键的认识。 2 2 卤键的应用 2 2 1 在液晶上的应用 b r u c e 研究了卤键在液晶上的应用3 ，n l ，n b r 的距离均不超过3 a ，n i c ，n b r - c 接近线形。 c n h 2 n + 1 ff n = 4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 n i2 811 ( 4 ) a ，n i - c16 8 4 。f o rn = 8 ；n i2 7 8 9 a ，n i - c17 7 9 。f o rn = 10 c n h 2 n + 1 n 12 7 4 6 ( 4 ) a ，n i c17 6 9 9 。o f t h ec o m p l e xw i t hn = 8 ，m = 3 c n h 2 n + 1 - - - - x ff ) ( = l o r b r 一 o c n h 2 n + n i2 8 1 2 a ，n i c1 7 5 0 9 。f o r n = 8 ；n b r 2 8 6 7 a ，n b r - c1 7 4 1 1 。f o r n = 8 2 2 2 识别手性化合物 1 2 c n h 2 n + 1 青岛科技人学研究生学位论文 f a r i n a 等报道了利用卤键识别手性化合物。( ) 鹰爪豆碱氢溴酸盐与外消旋的 1 ，2 一二溴六氟丙烷作用，所形成的晶体中，l ，2 一二溴六氟丙烷全部以( s ) 一形 式存在。两个分子之间形成了b r b 卜c 的卤键。理论上可以认为鹰爪豆碱氢溴酸 盐的溴离子是电子的供体，而1 ，2 一二溴六氟丙烷的溴原子是电子的接受体，通 过分子间电子转移形成卤键 3 2 , 3 3 】。 2 3 卤键参与的自组装 由于氟原子的较强的吸电子能力和较小的半径，在卤键的研究中多采用含氟 化合物。卤键同氢键一样可用于超分子的形成【3 4 1 。r e s n a t i d x 组证明卤键能有效地 克服氟碳化合物和碳氢化合物之问的低亲和力，并能驱动自组装【3 5 ，3 6 1 。 将卜列反应得到的产物溶解在乙酸乙酯中，室温下缓慢挥发。2 4 d x 时后得到 晶体。 c h o f n h 2 0 h - h c i | n a 2 c 0 3 ， e t o h h 2 0 f 我们通过晶体结构软件分析后，得到如下结果。晶体通过卤键和氢键相互连 接起来。对于卤键，i i 之间的距离为3 9 4 4 a ，低于碘原子v a nd e rw a a l s 半径和。 i 1 c 的角度分别为1 4 3 2 6 0 ，1 0 7 8 7 0 。此卤一卤相互作用属于t y p el i 型，并且每个 碘原子与邻近的两个碘原子相互作用，形成无限长链。相互作用及沿a 轴的晶体堆 积如下。 1 3 丫j 机瓤化物蜊川i j 怍j j 相构敛咒系 以邻苯一脏稿j 4 - 吡啶o i 醚为反应物，一 一问产物w 发生甲基化反心。经过两步 反应褂剑，“物。 q ：+ c l o h l l l 吼 c h 3 c o c h 3 静、游。游。静。 蒜 嗡。魄。晦 。谢谢、封。谢。彬谢、甜。糟 空u 固 u 缈 青岛科技大学研究牛学位论文 将上面得到的两种产物按等物质的量溶解在乙醇中，经过5 天缓慢蒸发溶剂 得到了橘黄色的片状品体。 我们由品体图看到毗啶环r 的氧原子提供孤对l 乜子与碘原子形成n 叶o 卤 键。i n 之问的距离为28 8 8 a ，远小于碘原子和氢原子的v a i ld e r w a a l s 半径2 承l ， 1 - - n c 夹角是1 6 72 。可能是四个氟原子的存在有利于降低碘原子的电子密度， 与台氟苯环相连的碘原子表现出较强的接受电子的能力。另外还有n h o 氢键。 两种弱相互作用将四个分了连接成环。 一l 固 u 有机氟化物弱相o i 作川和构散哭系 从咀上化合物的晶体结构图巾，可以看到卤键作为非键相互作用能使分子问 的结合更加紧密，并在微观l 呈现出独特的排列方式、堆积形状。碘原子的i b 负 性较小，常作为卤键供体，一般形成较强的卤键，在晶体的自组装中起到非常重 要的件用。 相刘卜氢键而言，卣键的研究包含更为丰富的内容。在晶体工程，f 口超分子化 学等方面，b l 键为分了聚集的设计和分子操纵开辟，新的途径，因而具有广阔的 发展空间。对f 卤键的研究，许多小组做出了开创性的工作，在实验和理论方面 均取得了较 的发展。特别是近十年，研究成果斐然。尽管如此，仍有许多问题 尚未解决。随着对卤键及非键弱相互作用的深入认识必将使卤键在超分于领域 发挥更大的作用。 青岛科技人学研究，卜学位论文 3 1 概述 第3 章芳香环之间兀一冗堆积作用 在各种弱棚互作用中，兀- 兀堆积作用是芳香体系的一种特殊空间排布，是一 种与氢键同样重要的非共价键相互作用。芳香环之间7 【7 c 堆积在自组装和分子 识别过程中具有重要作用。其强度处于1 - 5 0 k j r r l o l 的范围内，且多数在 1 0 k j m o l 。左右和以下。兀- 兀堆积作用起源于芳香环不同符号电子云之问的吸 引，一般分为面对面( f a c e t o f a c e ) $ h 边对面( e d g e o rp o i n t - t o f a c e ) 两种堆积方式 3 7 - 4 0 。完全正对的面对面堆积并小常见，一般情况是平面错位或滑移( o f f s e to r s l i p p e d ) 。在这两种作用中，面对面和边对确的距离均在3 3 3 8a 的范围。 占l 一天 含氟苯环一苯环之间的兀- 兀堆积作用 4 1 , 4 2 】在分子自组装过程中也是非常重 要的，在生物、化学和材料化学领域中人们发现芳香化合物之问的这种非共价 作用力影响着化合物堆积的结构和性质。在含五氟苯基的化合物中，氟原子的 存在使得整个含氟苯环上的电子云极大的分散，可以被看作是一个贫电子的芳 环，因此它可以与富电子的苯环形成弘兀堆积作用。通常这种堆积作用都是发 生在两个芳环“面一面”之间，两个芳环面的平均距离亦在3 4 3 8a 之间。 p a t r i c k 和p r o s s e r 【4 3 j 首次报道了苯( m p = 5 4o c ) 与六氟苯( m p = 5 0o c ) 以 1 ：l 的比例形成的共晶化合物( m p = 2 3 7o c ) 。具体可见苯、全氟苯、和它们两 者的共晶化合物的晶体排列示意酬鸭4 5 1 。 1 7 有机氟化物弱相j f 作用和构效关系 r 7 t 7 r ： k _ 卜制 一 + l 卜_ i h 劓 + - _ + i = l j 其中a 1 与b ) 分别是苯和伞氟苯晶体排列，c ) 图代表苯和全氟苯的其晶结构 排列，从上