可互变异构的黄素配体，用于构建一级和二级配位球

《Inorganic Chemistry》：Tautomerizable Flavin Ligands for Constructing Primary and Secondary Coordination Spheres

黄酮素衍生物配体all LH通过双齿配位和动态tautomerization实现Fe(II)八面体配合物的精准调控，外源氢键稳定异构选择性，电化学响应揭示配体红氧化活性与配位模式切换机制。

　　在自然界中，黄素（Flavins）是一种广泛存在的有机辅因子，它在生物系统中能够介导质子和电子的转移。黄素的核心结构是异咯嗪（isoalloxazine）环系，这一结构赋予了其显著的电化学和光化学特性，以及通过与周围残基形成氢键的能力。为了在有机金属体系中利用这些特性，我们开发了一种基于黄素的双齿配体（allLH），该配体能够同时与过渡金属的主配位层和次配位层相互作用。这种配体在与Fe(II)配位后形成了八面体结构的复合物（allLH）?FeX?（X = Cl, Br, OTf），其稳定性来源于配体与金属配位的伪卤素之间的外层氢键作用。当allLH脱质子后，会发生互变异构化，形成异咯嗪形式（isoL），从而生成一个氢键结合的水合复合物（isoL）?Fe(OH?)?。此外，将allLH?FeCl?与钴ocene反应，可引发配体的互变异构化，形成包含两种不同互变异构形式的配体（allLH和isoL）与FeCl?的复合物，并进一步与CoCp?形成离子对，这一过程展示了黄素骨架的氧化还原响应特性。

本研究提出了一种创新的方法，将黄素作为多功能配体平台，用于构建具有可调性协调环境的过渡金属复合物。这一策略不仅拓展了黄素在合成化学中的应用，还为模拟生物体系中的反应机制提供了新的思路。通过合理设计配体结构，使得黄素能够同时参与主配位和次配位作用，实现了对金属中心周围环境的精细调控。这种多功能配体平台的开发，有助于提升催化反应、能量转换和化学传感等领域的性能，同时也为生物启发型反应设计提供了新的工具。

黄素因其独特的结构和功能特性，成为一种极具潜力的配体设计材料。黄素分子具有一个融合的三环异咯嗪核心，并在N(10)位置带有烷基取代基。在生物系统中，如旧黄酶（Old Yellow Enzyme, OYE），这一核心通过特定的氢键网络，实现了对质子和电子的精准传递。此外，黄素还表现出显著的光化学反应性，例如在蓝光照射下，核黄素（Riboflavin）会裂解其核糖侧链，生成如光黄素（Lumichrome）或7,8-二甲基异咯嗪（7,8-Dimethylalloxazine）等产物。这一光化学反应导致芳香结构的重新排列，形成不同于异咯嗪的咯嗪（alloxazine）结构，该结构缺乏N(10)侧链。因此，当黄素衍生物缺乏N(10)取代基时，它们可以以两种互变异构形式存在：咯嗪（紫）和异咯嗪（绿），这两种形式在结构和化学行为上表现出显著的差异。

基于黄素的这种互变异构特性，我们设计并合成了一种新型的黄素衍生配体（allLH），它能够在过渡金属中心周围构建主配位和次配位环境。我们设想，N(10)可以作为主配位点，根据质子化状态切换为L型或X型供体，而N(1)则可以参与氢键作用，根据互变异构状态作为供体或受体。这种切换来源于嵌入在异环中的二氮杂丁二烯（diazabutadiene）部分的构型变化（如顺式与反式）。如果我们能够成功实现allLH的互变异构化，特别是在过渡金属配位状态下，这种灵活性将为构建能够适应不同反应条件的动态配体平台提供可能。

尽管黄素具有许多吸引人的特性，但其在有机金属体系中的应用仍较为有限。这可能是由于黄素环系中存在多个供体原子（如四个氮原子和两个氧原子），使得金属配位的选择性成为一大挑战。例如，Fukuzumi及其团队报道了一种Ru(II)复合物，其中黄素配体通过N(1)和N(10)进行配位，限制了互变异构化，从而阻碍了次配位相互作用。其他已知的结构则倾向于通过O(4)和N(5)进行配位，使得N(1)和N(10)未被配位。因此，这些先前的系统未能有效利用黄素在配位化学中的关键特性。

在本研究中，我们成功合成并表征了一种基于黄素的配体（allLH），该配体能够实现Fe(II)的特异性配位，同时保留互变异构化驱动的氢键能力。所形成的复合物（allLH）?FeX?（X = Cl, Br, OTf）表现出八面体几何构型，并且通过外层氢键作用与金属配位的伪卤素或水分子相互作用。通过单晶X射线衍射分析，我们确认了该配体的配位模式为基于异咯嗪的中性L?型配位。在晶体结构中，N(10)–C(10a)和N(5)–C(4a)的平均键长分别为1.329(3) ?和1.323(3) ?，均与C=N双键特征相符，进一步支持了二氮杂丁二烯部分的顺式构型。值得注意的是，两个allLH配体中的N(1)–H基团均参与与铁配位的氯离子之间的氢键作用，形成了非共价相互作用，使得每个氯离子与N(10)和N(py)原子处于同一平面上，从而形成八面体结构。

为了进一步探讨allLH的互变异构化行为，我们设计了两种合成路径来制备含有异咯嗪形式的复合物（isoL）?Fe(OH?)?。其中，第一种路径通过在有机溶剂中引入碱和水，实现了对N(1)–H键的脱质子化。第二种路径则是直接对（allLH）?FeBr?进行脱质子化，得到相同的产物。单晶X射线分析证实了互变异构化过程的成功，并揭示了复合物中两个不同互变异构形式的配体与Fe(II)之间的相互作用。这些结构数据表明，当allLH发生互变异构化时，其配位模式发生了显著变化，从L型转变为X型，同时氢键作用也发生了相应调整。这一过程不仅展示了黄素在金属配位环境中的动态特性，也为设计具有响应性配位行为的新型配体提供了理论依据。

在电化学分析方面，我们对（allLH）?FeCl?进行了循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）研究，以探究其氧化还原活性。在乙腈中，我们观察到了两个不可逆的氧化峰，分别位于0.53 V和1.04 V。由于这些氧化特征在自由allLH的CV中并未出现，因此可以归因于金属中心的氧化行为。此外，我们还观察到了多个还原事件，这可能与配体的氧化还原行为或金属中心的电子转移有关。为了进一步探讨这些电化学行为的机制，我们对（allLH）?FeCl?进行了钴ocene还原实验，得到了一个NMR静默的、顺磁性的产物，该产物的晶体结构显示了两种不同互变异构形式的配体与FeCl?的共存，以及钴ocene的配位。这表明，钴ocene的还原作用可以诱导allLH的互变异构化，并进一步改变其配位模式。这一发现强调了allLH作为氧化还原响应平台的潜力，以及其在构建动态金属配位环境中的重要性。

本研究通过合成和表征黄素衍生的配体，成功构建了具有可调性协调环境的金属复合物。这种新型配体平台不仅保留了黄素的氧化还原活性和互变异构特性，还能够通过氢键作用调节其在金属中心周围的环境。这一成果为开发具有生物启发特性的合成体系提供了新的思路，并有望在催化、能量转换和化学传感等领域产生深远影响。此外，我们还探讨了配体在不同配位状态下的行为变化，以及其在金属中心周围的氢键作用如何影响整体的电子结构和反应性能。这些研究结果不仅拓展了黄素在有机金属化学中的应用，也为未来设计具有更高功能性和响应性的配体平台奠定了基础。