1,2-二碘四氟苯与吡啶衍生物的共晶体：吡啶氮作为双分支受体，与邻位二碘卤素键供体相互作用

《Crystal Growth & Design》：Cocrystals of 1,2-Diiodotetrafluorobenzene with Pyridine Derivatives: Pyridine Nitrogen as a Bifurcated Acceptor with Ortho-Diiodo Halogen Bond Donors

卤素键供体1,2-二碘四氟苯（12tfib）与不同碱性芳香氮受体形成1:1或1:2配合物，其中三个晶体显示罕见的双卤素键氮原子受体的结构。通过机械化学研磨和溶液结晶获得8种新固相，量子化学计算和CSD数据库分析表明正交二碘供体易诱导氮原子双功能受体构型，且分子电负性势和抗协同效应影响配位模式。

　　
本研究系统探讨了1,2-二碘四氟苯（12tfib）作为卤素键供体在结晶工程中的行为规律。通过机械研磨和溶液结晶相结合的方法，将12tfib与14种不同碱性的芳香族氮基团进行配位筛选，发现其复合物形成规律与供体分子结构特征存在显著关联。研究团队特别关注了邻位双碘供体分子在形成新型复合物中的独特优势，以及氮原子作为双功能受体的罕见现象。

**实验方法与筛选体系**
研究采用1:2至1:2.5的供体-受体摩尔比进行机械研磨筛选，同步通过溶液结晶获得单晶结构。选择吡啶类衍生物作为受体分子，覆盖pKa值从2.1到9.6的广泛范围，其中包含3种弱碱性（pKa<4）、9种中等强度（4.85≤pKa≤6.72）和2种强碱性（pKa>7.5）的受体。与同类供体13tfib、14tfib和135tfib进行对比，发现12tfib的复合物形成存在显著差异。

**主要发现与结构特征**
1. **复合物比例与碱性的相关性**
- 弱碱性受体（pKa<4）无法形成稳定复合物
- 中等碱性受体（4.85≤pKa≤6.72）主要形成1:1比例复合物
- 强碱性受体（pKa>7.5）倾向于形成1:2比例复合物

2. **双功能受体形成的特殊现象**
在7例复合物中观察到氮原子同时与两个碘原子形成卤素键（图3、4），这种构型在CSD数据库中仅占2.2%。计算显示双功能受体形成的四聚体在气相中比两个单体复合物更稳定（能量差约28.87 kJ/mol），但晶体堆积限制导致该构型仅在特定条件下实现。

3. **供体分子结构的双重影响**
- 邻位碘原子的空间排布（60°夹角）导致受体分子存在两种竞争性结合模式：对称双齿配位（ψ角75-125°）和单齿配位（ψ角<75°）
- 强碱性受体（如dmap）与12tfib形成1:2复合物时，两个碘原子分别与受体不同氮原子配位，形成非对称的卤素键网络（图1d）
- 计算显示受体碱性越强，对供体电子效应的影响越大，导致自由碘原子的MEP最大值下降幅度达28%（表2）

**对比分析与其他供体的差异**
与14tfib、13tfib等类似供体相比，12tfib展现出更复杂的配位模式：
- 形成双功能受体复合物的概率是其他供体的5-10倍（12tfib占35%，14tfib仅2%）
- 1:2复合物比例（3例）显著高于13tfib（1例）和135tfib（7例）
- 空间位阻效应在12tfib复合物中尤为明显，导致平均卤素键角比14tfib小约5°（表1）

**结构稳定性与能量计算**
量子化学计算表明：
- 邻位碘原子形成的双齿配位具有更宽的势能低谷（能量差<5 kJ/mol）
- 双功能受体形成的四聚体在气相中比单体复合更稳定（ΔE=28.87 kJ/mol）
- 受体碱性增强时，第二个卤素键的形成能降低幅度达40%（表2）

**结晶工程启示与应用前景**
研究揭示了邻位双卤素供体的特殊配位优势：
1. 空间位阻较小（平均间距2.9 ?）允许双功能受体形成
2. 电子效应叠加（双碘原子同时作用）增强配位稳定性
3. 溶液结晶法可调控结晶动力学，优先形成高配位数的稳定结构

实验发现当与强碱性受体（如dmap）形成1:2复合物时，晶体中存在两种亚型：
- α型：两个受体分子围绕供体分子形成平面三角构型（图1d）
- β型：供体分子间通过碘-碘接触形成八面体超分子结构（图3b）

该研究为设计新型卤素键供体提供了重要依据：
- 邻位双碘结构有利于形成高配位数复合物
- 受体碱性需达到pKa>6.5才能触发双功能受体形成
- 溶剂体系选择（如DCM/Hexane混合溶剂）可调控结晶路径

**结论与展望**
本研究证实12tfib作为新型卤素键供体具有以下特性：
1. 形成复合物的比例与受体碱性呈正相关（pKa>6.2时成功率达100%）
2. 邻位碘原子间距（60°）允许形成双功能受体配位模式
3. 受体分子碱性增强时，供体电子效应衰减更显著

未来研究可着重以下方向：
- 开发具有三齿配位能力的氟碘苯衍生物
- 探索双功能受体在药物传递中的构效关系
- 优化结晶条件以获得更多高配位数复合物

该研究不仅完善了卤素键供体的设计理论，更为功能导向的晶体工程提供了新策略。特别值得注意的是，12tfib在形成双功能受体复合物时，其邻位碘原子的空间排列与电子效应协同作用，创造了比传统供体更优的配位环境。这种特性在开发新型离子液体和超分子材料中具有重要应用价值。