对1,2-硫属唑类2-氧化物卤化产物的实验和计算研究

《New Journal of Chemistry》：Experimental and computational investigations of the products of halogenation of 1,2-chalcogenazole 2-oxides

卤素化反应机理及产物结构表征研究。采用DFT计算和单晶X射线衍射等手段，分析3-甲基-5-苯基-1,2-碲杂环嗪-2-氧化物、苯基-1,2-硒杂环嗪-2-氧化物及苯基-1,2-碲杂环嗪-2-氧化物的卤素取代行为，揭示卤素取代位点的空间位阻影响及产物分子组装规律。

　　
本研究聚焦于 iso-tellurazole 和 iso-selenazole N-oxides 的卤素取代反应及其超分子相互作用机制。研究通过实验与计算相结合的方法，系统探讨了氯、溴、碘等卤素取代对分子结构、热力学稳定性及氢键供体/受体能力的影响，揭示了卤素取代与分子超分子组装的内在关联。

### 1. 研究背景与意义
硫族唑啉 N-氧化物（如 1b 和 2）因其独特的超分子特性备受关注。这类化合物通过 Te?O 或 Se?O 氢键形成稳定的四聚体或无限链结构，在晶体工程、有机半导体等领域具有重要应用潜力。然而，硫族唑啉的氢键供体能力受限于 Se?O 氢键较弱的问题，因此通过卤素取代增强其电子效应成为研究重点。

### 2. 卤素取代反应的实验发现
#### 2.1 碘取代反应的典型性
以 1b 为代表的 iso-tellurazole N-氧化物与碘反应时，通过扩散结晶法成功获得异四聚体产物 1b2(1bI2)2。单晶结构显示分子通过 Te?O 氢键形成椅式构象的稳定四聚体，其中碘取代后的 Te?O 距离（2.10–2.17 ?）略长于氯代产物（约 0.1 ?），表明碘的引入对氢键强度有一定削弱作用。

#### 2.2 溴取代的复杂性
溴代反应面临诸多挑战：首先，直接使用 Br2 溶解在 CCl4 中时，易与溶剂发生副反应生成 HBr；其次，产物中常伴随四甲基铵溴盐的共结晶现象。通过引入三苯基膦等配体稳定中间体，最终获得 H1bBr3 单质晶体。X 射线结构分析显示，溴取代后分子仍保持椅式构象，但 Te–Br 氢键（约 2.57 ?）的强度接近 Te–Cl 氢键（2.41 ?），表明溴的取代并未显著降低氢键供体能力。

#### 2.3 氯代反应的多样性
在 7（苯基-1,2-硒唑啉-2-氧化物）的氯代过程中，出现了两种不同反应路径：低浓度下（<67 mM）优先发生 C3 氯代生成 H(3-Cl-7)Cl；高浓度下（>67 mM）则实现 Se 原子的氯代，形成 H(3-Cl-7)Cl3。这种选择性差异源于硒原子的电子结构：其较小的原子半径导致 C3 氯代时空间位阻更易克服，而 Se 原子的电负性（3.98）比 Te（2.1）更强，更易与 Cl? 形成强氢键。

### 3. 计算机模拟的深入分析
#### 3.1 电子结构演化
DFT 计算显示，卤素取代显著增强了硫族原子的正电性区域（Vmax 增大 30–50%）。以 1b 为例，氯代后 N 原子的 Vmax 从 92 kJ/mol 增至 102 kJ/mol，而 C 原子的 Vmax 也有类似提升（63 → 97 kJ/mol）。值得注意的是，不同卤素（Cl、Br、I）对 Vmax 的影响呈现梯度特征：I 取代后 N 原子的 Vmax 仅比 Cl 代产物高 5%，表明卤素原子尺寸增大导致的电子排斥效应逐渐抵消其电负性增强的优势。

#### 3.2 超分子组装的热力学
通过计算不同构象（椅式/船式）的吉布斯自由能（ΔG），发现：
- 对于 1b 系列化合物，椅式四聚体比船式稳定约 30–50 kJ/mol
- 当卤素取代密度超过 50% 时，船式构象因减少空间位阻反而更稳定
- 7 的四聚体（7?）在气相模拟中呈现负热力学稳定性（ΔG > 0），但通过引入 C3-Cl 增强剂可形成稳定异四聚体（7?(3-Cl-7Cl?)?）

#### 3.3 氢键供体能力的量化
通过分析 10?3 au 电子密度等势面，发现：
- Te 原子取代后，N 原子的 Vmax 增幅最大（如 1bI2 中 Vmax(N) = 99 kJ/mol）
- Cl 代产物具有最佳供体-受体平衡，其异四聚体能量最低（ΔG = -98.3 kJ/mol）
- Se 原子的取代产物（如 3-Cl-7）因硒原子的更大极化能力，使 C3-Cl 的 Vmax(N) 达到 126 kJ/mol，接近 iso-tellurazole 的水平

### 4. 关键科学发现
#### 4.1 卤素取代的电子效应分阶段
- **初级阶段**：Cl? 取代增强 Te 原子的供体能力（Vmax 增幅 54%）
- **次级阶段**：Br? 和 I? 取代因原子尺寸增大，电子排斥效应使 Vmax增幅分别降低至 21% 和 10%
- **极端情况**：当卤素取代密度超过 75% 时（如 3-Cl-7Cl?），分子可通过 C–Cl–Te 的多重氢键网络形成更稳定的异四聚体

#### 4.2 构象熵的调控作用
计算显示，船式构象的熵增（ΔS ≈ -700 J/mol·K）可有效补偿其焓变劣势（ΔH 负值减少约 10%）。这种熵-焓平衡机制解释了为何 1bBr2 等重卤素取代物更倾向形成船式四聚体。

#### 4.3 水分子的影响机制
实验发现，卤素取代产物对水分敏感。通过引入三苯基膦等配体，可形成 [Te–X–P] 复合氢键（X=Cl, Br），使产品在空气暴露下稳定性提升 3–5 倍。这种设计为开发环境稳定的超分子材料提供了新思路。

### 5. 应用前景与挑战
#### 5.1 有机半导体领域的应用
计算表明，卤素取代后的 H1bX3 分子其 LUMO 能级（-4.05 eV）与 HOMO 能级（-5.65 eV）差距缩小至 0.6 eV，更适合作为有机半导体材料的电子传输层。实验已验证 1bCl2 在 MeCN 中具有 >95% 的量子产率。

#### 5.2 生物传感器的开发
通过设计 3-Cl-7 的衍生物，其 Te?O 氢键距离（2.11 ?）与生物膜磷脂分子间隔（2.0–2.2 ?）高度匹配，在体外实验中表现出 87% 的离子选择性系数（K=0.87），适用于 H? 或 Br? 的实时监测。

#### 5.3 限制因素与解决方案
- **溶解度瓶颈**：通过引入苯环或醚键（如 3-Cl-7），分子极性降低 40%，DMSO 中溶解度提升 8 倍
- **稳定性问题**：在四氢呋喃中添加 5% 碳酸氢钾可使产品寿命延长至 72 小时
- **表征困难**：采用二维核磁共振（2D NMR）技术可解析 Se 原子取代模式，灵敏度为传统方法提高 3 倍

### 6. 方法创新与规范
研究团队建立了标准化实验流程：
1. **溶剂预处理**：CCl4 溶剂需经 5A 活性炭柱纯化，去除微量水分（<10 ppm）
2. **卤素源选择**：优先使用 SO2Cl2 在 CCl4 中反应，避免使用 Br2 因其与 CCl4 发生副反应（2 Br2 + 2 CCl4 → 4 CCl3Br）
3. **结晶控制**：通过调节温度梯度（-20℃ → 25℃）和溶剂挥发速率（0.5 mL/h），可获得单晶分辨率 >1.5 ? 的晶体

### 7. 未来研究方向
1. **多卤素取代**：探索 Cl/Br/I 混合取代对氢键网络拓扑结构的影响
2. **动态组装**：利用可控分解反应（如 1bBr3 在 DMSO 中加热至 150℃ 分解为单体）
3. **机器学习辅助**：基于 200+ 种已知结构的数据库，构建超分子组装预测模型（准确率已达 89%）

本研究不仅深化了对硫族唑啉 N-氧化物卤素取代规律的理解，更为功能导向的超分子材料设计提供了理论依据和实验范式。特别是发现 3-Cl-7 的船式四聚体具有 8.7×10?11 cm3/S2 的光学非线性系数，为新型非线性光学材料开发开辟了新路径。