氟代六元氮雜環(huán)化合物與水分子弱相互作用的理論研究

陳 玲，林珍義，肖 瑤，曾 義

（西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039）

六元氮雜環(huán)化合物作為一類典型的雜環(huán)芳香化合物在工業(yè)和藥物等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。常見的含一個和兩個氮原子的六元雜環(huán)化合物包括吡啶（Pyridine,Py）、噠嗪（Pyridazine,Pa）、嘧啶（Pyrimidine,Pm）和吡嗪（Pyrazine,Pz）（圖1）。這些化合物自身六元環(huán)上的π 電子和氮原子上的孤對電子lp (lone pair)可以作為電子供體與一些常見小分子發(fā)生弱相互作用而形成H···N 氫鍵復(fù)合物（Hydrogen bond,HB）或者H···π 復(fù)合物[1 ? 2]。氟原子由于強電負(fù)性和低極化率，其取代能在很大程度上影響這些分子的化學(xué)性質(zhì)，使分子上方的π 電子云出現(xiàn)正的靜電勢“π-hole”，從而調(diào)節(jié)和改變六元氮雜環(huán)化合物與小分子之間的弱相互作用。

圖1 含氮六元雜環(huán)化合物

2016 年Calabrese 等[3]運用脈沖射流傅里葉變換微波光譜法研究了五氟吡啶（C5F5N,5FPy）與水分子的轉(zhuǎn)動光譜，首次發(fā)現(xiàn)了5FPy···H2O 的lp···π 復(fù)合物（圖2（a））。在這個復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，水分子位于5FPy 平面上方。他們在MP2/6-311++G(d,p)的計算水平上還找到了一個OH···N 的氫鍵復(fù)合物（圖2（b）），計算結(jié)果也顯示lp···π 復(fù)合物為更穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該課題組之前還在三氟氯乙烯（C2F3Cl）與水分子[4]和氨分子[5]的轉(zhuǎn)動光譜實驗中檢測到了C2F3Cl···H2O 和C2F3Cl···NH3的lp···π復(fù)合物。Evangelisti 等[6 ? 9]在研究六氟苯與水的轉(zhuǎn)動光譜時也從實驗上確認(rèn)了類似的C6F6···H2O 的lp···π 穩(wěn)定構(gòu)型，而其他單氟苯、對二氟苯和1,2,3,4-四氟苯等不同氟原子取代的苯與水的光譜實驗確認(rèn)報道的是平面型的氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)。相對鹵代烴與水分子弱相互作用的大量研究，其他氟代六元氮雜環(huán)與水分子弱相互作用的實驗光譜研究和理論研究都相對較少。為此，本文采用密度泛函理論來系統(tǒng)研究五氟/四氟吡啶C5NF5-nHn(n=0,1)和四氟/三氟二嗪C5N2F4-nHn(n=0,1)與水分子之間的弱相互作用，考察不同氟原子取代下，氟代六元氮雜環(huán)化合物與水分子可能形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物的競爭效應(yīng)，尋找出穩(wěn)定構(gòu)型并計算出相互作用能（Interaction Energy,IE），并從分子水平進行電子結(jié)構(gòu)的進一步分析。

圖2 5FPy···H2O 的lp···π (a)和氫鍵復(fù)合物(b)

1 計算方法

文中所有結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型均采用密度泛函M062X 方法[10]和aug-cc-PVTZ 基組進行優(yōu)化。并對優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)進行相同計算水平上的振動頻率分析，所有的頻率均為正值，說明為局域極小點。幾何構(gòu)型優(yōu)化的收斂判據(jù)為“opt=tight”，計算積分使用（99,590）的積分網(wǎng)格。對文中復(fù)合物結(jié)構(gòu)使用Boys-Bernardi 平衡方法（CP）的基組重疊誤差（BSSE）[11]來進行相互作用能校正。我們課題組[12]運用該方法M062X/aug-cc-pVTZ 已經(jīng)系統(tǒng)研究了全鹵代不飽和烯烴C2ClnF4-n(n=0～4)與甲醛、二甲醚、氨和三甲胺之間的lp···π 和鹵鍵弱相互作用，計算得到的復(fù)合物相互作用能與實驗報道值吻合較好。對所有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的電子密度采用AIM2000 軟件進行AIM 分析[13]。所有計算都在高斯09 軟件下完成[14]。

2 結(jié)果與討論

五氟/四氟吡啶與水分子形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)列于圖3 和圖4，四氟/三氟二嗪與水分子形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物結(jié)構(gòu)列于圖5 和圖6。

圖3 五氟/四氟吡啶與水分子形成的lp···π 復(fù)合物，括號里為IE 值(kJ mol?1)和復(fù)合物的對稱性

圖4 五氟/四氟吡啶與水分子形成的氫鍵復(fù)合物，括號里為IE 值(kJ mol?1)和復(fù)合物的對稱性

圖5 四氟/三氟二嗪與水分子形成的lp···π 復(fù)合物，括號里為IE 值(kJ mol?1)和復(fù)合物的對稱性

2.1 氟代吡啶與水分子形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物

圖6 四氟/三氟二嗪與水分子形成的氫鍵復(fù)合物，括號里為IE 值(kJ mol?1)和復(fù)合物的對稱性

對于四氟吡啶可能的3 種同分異構(gòu)體分別用4FPy-I，4FPy-II 和4FPy-III 進行表示。圖3 顯示，5FPy-LP 的IE 值為?17.0 kJ mol?1，而4FPy-I-LP，4FPy-II-LP 和4FPy-III-LP 的IE 值約為?15 kJ mol?1左右，從這里可以看出氟原子個數(shù)的減少會使其相應(yīng)lp···π 復(fù)合物的IE 值降低。這4 個結(jié)構(gòu)的O··N 距離比較接近，均在0.3 nm 左右。4FPy-ILP、4FPy-II-LP 和4FPy-III-LP 的∠ONC3 鍵角分別為74.8°、79.3°和76.3°，大于5FPy-LP 的73.5°?！螼NC3 鍵角越大說明水分子的氧原子偏離吡啶六元環(huán)的程度加深，這樣不利于形成lp···π 復(fù)合物。

而在五氟/四氟吡啶與水分子形成的氫鍵復(fù)合物（圖4）中，相對于氟原子的個數(shù)對于氫鍵復(fù)合物的影響，其吡啶環(huán)上氫原子的位置對氫鍵復(fù)合物IE 值的影響更為顯著。5FPy-HB 的IE 值為?12.7 kJ mol?1。4FPy-I-HB、4FPy-II-HB 和 4FPy-IIIHB 中水分子的氧原子是與吡啶環(huán)上的氫原子和氮/氟原子形成C―H···O 和O―H···N/F 雙氫鍵，其IE 值顯著增大，分別為?23.1、?17.3 和?17.8 kJ mol?1，對應(yīng)的C―H···O 和O―H···F 氫鍵距離在0.22 nm 左右。而5FPy-HB 的中的O―H···F 氫鍵距離較大，為0.294 nm，這會在一定程度上削弱其氫鍵，使其IE 值下降?？梢姰?dāng)吡啶從全氟取代變?yōu)樗姆〈?，其相?yīng)的氫鍵復(fù)合物IE 值明顯大于相應(yīng)的lp···π 復(fù)合物。因此對吡啶而言，全氟取代是其lp···π 復(fù)合物比氫鍵復(fù)合物穩(wěn)定的前提條件之一。

2.2 氟代二嗪與水分子形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物

對于三氟二嗪C5N2F3H，由于環(huán)上氫原子位置的不同，三氟噠嗪有2 種同分異構(gòu)體，3FPa-I 和3FPa-II；三氟嘧啶有3 種同分異構(gòu)體，3FPm-I、3FPm-II 和3FPm-III-LP；三氟吡嗪只有1 種結(jié)構(gòu)3FPz。

由圖5 可知，對全氟取代的二嗪與水分子的lp···π 復(fù)合物，六元環(huán)上氮原子的增加增強了其水分子與配體環(huán)上π-hole 的弱相互作用，其4FPa-LP、4FPm-LP 和4FPz-LP 的IE 值分別為?21.2、?19.2 和?19.5 kJ mol?1，O···N 距離略大于5FPy-LP，尤其4FPz-LP 由于兩個氮的對位結(jié)構(gòu)使得到的4FPz-LP 結(jié)構(gòu)中水分子位于吡嗪環(huán)的上方中央，其兩個O··N 距離較長，為0.312 nm 和0.318 nm。但是4FPa-LP、4FPm-LP 和4FPz-LP 中的∠ONC2 鍵角約為63°～69°，明顯小于5FPy-LP(73.5°)，這有利于增強C5N2F4···H2O 的lp···π 弱相互作用。對于三氟取代的C5N2F3H··H2O 的lp···π 復(fù)合物，環(huán)上氫原子的取代對于3FPa-ILP 和3FPa-II-LP 的幾何構(gòu)型影響較小，相應(yīng)復(fù)合物的IE 值略微減小，約為?19 kJ mol?1。3FPm-ILP、3FPm-II-LP 和3FPm-III-LP 的∠ONC2 鍵角隨著氫原子的取代增加了4°～8°，其IE 值也減小為?16.5～?15.4 kJ mol?1。3FPz-LP 的O··N 距離增加為～0.323 nm，其IE 值下降為?16.4 kJ mol?1。

全氟取代的C5N2F4··H2O 氫鍵復(fù)合物（圖6）中，4FPa-HB、4FPm-HB 和4FPz-HB 的IE 值分別為?17.0、?12.8、?10.5 kJmol?1，都明顯小于各自三氟取代的C5N2F3H··H2O 氫鍵復(fù)合物?？梢姯h(huán)上氫原子的取代有利于水分子和配體的平面氫鍵作用，尤其是當(dāng)環(huán)上氫原子在氮相鄰位置時所形成的氫鍵復(fù)合物：3FPa-I-HB、3FPm-I-HB、3FPm-IIIHB 和3FPz-HB 氫鍵作用明顯增強，其相應(yīng)IE 值為?26.8、?24.8、?21.5 和?21.3 kJ mol?1。而其他的氫鍵復(fù)合物3FPa-II-HB 和3FPm-II-HB IE 值下降為?19.7 和?16.5 kJ mol?1，這就使得對應(yīng)的lp···π 復(fù)合物3FPa-II-LP（IE:?19.3 kJ mol?1）和3FPm-IILP（IE:?16.9 kJ mol?1）與氫鍵復(fù)合物成為了競爭性復(fù)合物。計算表明，對于氫原子不與環(huán)上氮原子相鄰的氟代二嗪，非全氟取代下的lp···π 復(fù)合物也具有在實驗上被檢測確認(rèn)的可能性。

2.3 靜電勢分析

為了從電子水平進一步闡釋氟代氮雜環(huán)化合物與水分子的lp···π 和氫鍵弱相互作用，我們分析研究了13 種氟代氮雜環(huán)化合物的靜電勢圖（圖7）。圖7 顯示，全氟取代的5FPy、4FPa、4FPm 和4FPz 分子上方的π 電子云顯示深藍(lán)色（藍(lán)色代表靜電勢為正值，紅色代表靜電勢為負(fù)值），說明形成了十分集中明顯的“π-hole”，有利于與水分子的氧原子形成lp···π 復(fù)合物。而對于四氟吡啶(4FPy-I、4FPy-II 和4FPy-III)、三氟噠嗪(3FPa-I 和3FPa-II)、三氟嘧啶(3FPm-I、3FPm-II 和3FPm-III)和三氟吡嗪(3FPz) 環(huán)上方為淡藍(lán)色，說明“πhole”正的靜電勢降低，進而lp···π 作用有所減弱。而氫原子的一端顯示明顯的深藍(lán)色區(qū)域，即為“σhole”，十分有利于氫鍵復(fù)合物的形成。

圖7 13 種氟代氮雜環(huán)化合物的靜電勢圖（藍(lán)色代表正值，紅色代表負(fù)值）

2.4 AIM 分析

對文中的氟代氮雜環(huán)化合物與水分子的lp···π 和氫鍵復(fù)合物進行了AIM 分析。圖8 中藍(lán)色圓圈標(biāo)注的即為復(fù)合物結(jié)構(gòu)中l(wèi)p···π 和氫鍵作用的鍵關(guān)鍵點（bond critical point,BCP）。表1 列出了這些結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的電子密度(ρBCP,au)及其拉普拉斯(?2ρBCP,au)值。由表1 可知，五氟/四氟吡啶的lp···π 復(fù)合物，ρBCP約為0.009 au，?2ρBCP約為0.04 au 左右，不同氟原子取代對lp···π 復(fù)合物的ρBCP和?2ρBCP影響不明顯。而在氫鍵復(fù)合物中，氟原子的取代對這2 個數(shù)值的影響則較為明顯。5FPy-HB 的AIM 分析顯示該結(jié)構(gòu)只有1 個OH···N 氫鍵的BCP，而其他的四氟吡啶氫鍵復(fù)合物則有2 個氫鍵作用BCP。其中4FPy-I-HB 的ρBCP和?2ρBCP最大，分別為0.030 (H···N:0.020 vs.H···O:0.010)和 0.122 (H···N:0.074 vs.H···O:0.048)。四氟/三氟二嗪與水分子lp···π 復(fù)合物的ρBCP在0.008～0.010 au 之間，?2ρBCP約為0.04 au 左右。相應(yīng)氫鍵復(fù)合物的ρBCP和?2ρBCP變化情況與四氟吡啶氫鍵復(fù)合物較為類似，3FPa-I-HB、3FPm-I-HB 和3FPz-HB 的ρBCP和?2ρBCP都相對較大，對應(yīng)于各自最大的IE 值。

圖8 氟代吡啶與水分子形成復(fù)合物的AIM 圖（藍(lán)色圓圈標(biāo)注的是lp···π 和氫鍵作用的BCP）

表1 所有復(fù)合物結(jié)構(gòu)的IE 值(kJ mol?1)，BCP 處的電子密度(ρBCP,au)及其拉普拉斯(?2ρBCP,au)值

3 結(jié)論

本文采用密度泛函M062X/aug-cc-PVTZ 計算水平研究了五氟/四氟吡啶C5NF5-nHn(n=0,1)和四氟/三氟噠嗪、嘧啶和吡嗪C5N2F4-nHn(n=0,1)與水分子可能形成的lp···π 和氫鍵復(fù)合物。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于環(huán)上含一個氮的吡啶分子，全氟取代是形成更穩(wěn)定lp···π 復(fù)合物的前提條件，5FPy-LP 的IE 為?17.0 kJ mol?1，大于5FPy-HB (～?12.7 kJ mol?1)。四氟吡啶隨著氫原子在環(huán)上的取代，3 種同分異構(gòu)體的lp···π 復(fù)合物IE 值均下降，約為?15 kJ mol?1，而氫鍵復(fù)合物IE 值明顯增加，在?23.1～?17.3kJ mol?1之間。全氟二嗪隨著環(huán)上氮原子的增加，其與水分子的lp···π 復(fù)合物4FPa-LP、4FPm-LP 和4FPz-LP 穩(wěn)定性得到增強，IE 值增大為?21.2～?19.2 kJ mol?1，且大于各自的氫鍵復(fù)合物(?17.0～?10.5 kJ mol?1)。不同于氟代吡啶，在三氟二嗪的同分異構(gòu)體中，當(dāng)環(huán)上的氫原子不與氮原子相鄰時，其相應(yīng)的三氟噠嗪和三氟嘧啶與水分子的lp···π 復(fù)合物與相應(yīng)氫鍵復(fù)合物具有相當(dāng)?shù)母偁幮裕銲E 值十分接近：3FPa-II-LP (?19.3 kJmol?1) vs.3FPa-II-HB (?19.7 kJ mol?1)，3FPm-II-LP(?16.9 kJ mol?1) vs.3FPm-II-HB (?16.5 kJ mol?1)，在實驗上都有被檢測確認(rèn)的可能。