溶液中卤键行为的理论研究

周芳芳，王金树，张玉平，郭成伟

（1. 承德石油高等专科学校 a. 石油工程系；b. 工业中心，河北  承德  067000；

2．吉林大学，吉林  长春  130012）

摘要：在B3LYP/6-311++G(d, p)-PP水平上对三种卤键结合体在气相和溶液中的性质等进行了理论计算。选择使用呋喃、丁酮、水（介电常数分别为ε=7.426, 18.246, 78.355）作为溶剂介质，并采用连续极化模型（PCM）中的积分方程形式（IEF-PCM）考虑溶剂化效应。结果表明随着溶剂极化性的增强，卤键相互作用能逐渐减小；由电子给体轨道到电子受体轨道的电荷转移量增加。正的复合物和单体的溶剂化能之差（ΔΔGsolv）表明溶剂的存在不利于复合物的形成，且随着溶剂极化性的增强，影响逐渐变大，这与逐渐减弱的分子间相互作用一致。此研究结果将为卤键在药物化学及材料设计等方面的应用提供很大帮助。

关键词：卤键；溶剂化效应；电荷转移；连续极化模型

Theoretical study on behavior of halogen bonging in solution

Wang jinshu^1a  Zhou fangfang^1a,2  Zhang yuping^1a  Guo chengwei^1b

(1. Chengde Petroleum College a. Department of Petroleum Engineering；b. Industrial Technology Center，Hebei，Chengde  067000；

2. Jilin University，Jilin，Changchun  130012，)

Abstract: A theoretical study on characteristics of three halogen bonding complexes in solution was carried out by B3LYP method at the 6-311++G (d, p)-PP level. Three solvents named tetrahydrofuran, butanone and water (with dielectric constant ε=7.426, 18.246, 78.355, respectively) were selected, and solvation effect was considered by the polarized continuum model (PCM) using the integral equation formalism variant (IEF-PCM). The results show that with the enhancement of the solvent polarizability, the interaction energies decrease, and that the amounts of charge transfer from electron donor orbital to acceptor orbital are increase. The positive value of the difference of solvation free energy between the complex and monomers (ΔΔGsolv) indicates a destabilizing effect occurs in the formation of the complexes in solution, and the effect tends to be obvious as the solvent polarizability increases, which agrees with the results of the interaction energy. This study would be very helpful for applying of halogen bonding in medicinal chemistry and material design.

Key Words: halogen bonding; solvation effects; charge-transfer; polarized continuum model

与氢原子类似，卤素原子X（X= Cl、Br、I）也可作为电子接受体与电子给体（N、O、S等）发生非共价相互作用，形成卤键^[1]。由于明显的方向性和较强的键强度^[2,3]，卤键在晶体工程、材料科学、药物设计、分子自组装等领域应用广泛^[4-7]，关于卤键作用的文章也是层出不穷^[8]。此外，脂肪族或者芳香族全氟取代烃是非常优异的合成子，经常用于生物体系、药物设计等领域^[9-11]。尽管在上述领域中具有重要的应用，然而在很长一段时间里卤键的研究主要集中于固相和气相，而考虑溶液中卤键作用的研究则很少。近年来，在溶液中以卤键结合的超分子自组装过程开始被报道^[12-15]，然而相对于氢键，卤键在溶液中的研究还相差很远。

在这篇文章中，我们采用连续极化模型中的积分方程变体（IEF-PCM）讨论了不同溶剂对卤键作用的影响^[16,17]。选用的卤键合成子为I-PFCs和一些常见的分子。选择的溶剂为实验室常用溶剂，即呋喃、丁酮和水，介电常数分别为7.426、18.246、78.355。通过高水平的量化计算，讨论在溶剂中卤键的相互作用能、分子内键长变化、溶剂化能等特征，从而揭示卤键在溶液中的行为。此研究将对溶液中卤键的理论研究提供重要的贡献，同时为卤键在药物化学及材料设计等方面的实验中提供可行性的预测。

1  计算方法

所有单体和复合物的优化都采用B3LYP泛函并在相同水平下计算得到复合物的频率为正值，证明其优化构型是稳定结构^[18]。采用6-311++G(d, p)-PP基组进行计算，其中赝势基组lanl2dz用来描述I原子的内核轨道，6-311++G(d, p) 用来描述除I原子之外的所有原子的轨道组成^[19]。相互作用能（ΔE）定义为复合物能量与单体结构能量之差。采用自然键轨道理论（NBO）来分析卤键的电荷转移过程和分子内C-I键的变化^[20]。采用IEF-PCM计算溶剂化效应，其中，采用联合原子拓扑模型（UA0）、缺省半径来构建分子孔穴。在298.15K时，溶液中复合物的溶剂化自由能利用以下公式得到：

其中，和分别表示存在和不存在连续溶剂场时溶质的静电能；表示溶剂化自由能中任何非静电项（即孔穴和色散-排斥作用）贡献的总和^[21]。以上计算均通过Gaussian09程序包完成^[22]。自然键轨道分析由包含于Gaussian09中的NBO3.0程序完成。

2  结果与讨论

2.1  结构参数与相互作用能

由于静电和电荷转移作用在卤键中的重要贡献，溶剂的极化性会对溶液中卤键的性质产生重要的影响。在气相及溶剂中复合物平衡结构的主要结构参数列于表1中。在气相中复合物平衡结构如图1所示，在其余溶剂中的结构与此相同，在此省略。

从表1及图1中可以看出，卤键在溶液中的作用角度θ_C-I···B接近180°，依然保持着良好直线型角度，这表示在介质中卤键的静电本质。为方便比较，我们将复合物的作用长度和相互作用能展现于图2中。从图2（a）中可以看出，在溶剂中，卤键的作用距离在2.870Å到2.984Å范围内，比在气相中短，且随着溶剂极化性的增强（即介电常数的增加），作用距离呈现减小趋势；然而在非常极化的溶剂中，作用距离趋于常数，这表明非常极化的溶剂对卤键结构的影响甚小。由图2（b）可知，复合物的键强度在-4.48kcal/mol到-2.04kcal/mol范围内，比在气相中弱大约1kcal/mol，且随着溶剂介电常数的增加，复合物的相互作用逐渐降低，键强减弱；这与作用距离的逐渐增加相一致。与在气相中的结果一致，在溶剂中含N化合物（MPY）产生的卤键相互作用比含O化合物（THF和BUT）更强。

表1 复合物平衡结构参数与相互作用能 单位：d_I…B：Å；θ_C-I···B：°；ΔE：kcal mol^-1

图1 B3LYP水平下气相中复合物的平衡结构，（a）PIP···MPY，（b）PIP···THF，（c）PIP···MEK，原子颜色：C-灰色，H-白色，F-绿色，I-紫色，O-红色，N-蓝色

图2 复合物体系的分子间作用长度d_I…B（a）和相互作用能曲线（b）

2.2  自然键轨道分析

NBO理论指出，复合物的稳定性部分依赖于复合物形成时轨道之间的电荷转移作用。键长的变化与键上电荷密度密切相关，成键轨道上电荷增加则键长变短，键能变大，键更加稳定；而反键轨道上电荷增加削弱了键的强度，产生相反的结果。复合物形成时，N（O）的孤对电子轨道上的电子大量进入C-I σ*反键轨道，从而使C-I键增加，电荷转移量越大，C-I键长增加的越多。在气相及不同溶剂中复合物形成时单体的C-I键变化列于表2，其变化趋势见图3所示。

表2 分子内C-I键键长变化Δd_C-I及分子间电荷转移量Δq  单位：Δd_C-I：mÅ；Δq：me

图3 复合物分子内C-I键键长变化Δd_C-I（a）和电荷转移量Δq（b）

可以看出，复合物形成时伴随着分子内C-I键的增长。在气相中，C-I键增长范围为9.3mÅ到23.9mÅ，在溶剂中键长增加更加明显。随着溶剂极化性的增强，分子内C-I键的增长变化呈现出增加趋势，最后趋于平缓，接近于常数。同样，由气相进入液相时，电荷转移量明显增加，且随溶剂极性的变化与键长的变化趋势基本相同，这说明溶剂虽然使卤键的的作用强度减弱，分子间作用距离减少，但却使电荷转移量增加，促进分子内C-I键的增长。值得一提的是，在复合物PIP···THF中，电荷转移量的变化趋势与电荷转移过程并不一致，这可能与复合物形成时的电荷重排有关。

2.3  溶剂化效应

为讨论溶剂对复合物能量的影响，在相同水平下计算得到的三种复合物的溶剂化自由能ΔG及它与单体溶剂自由能之和的差值ΔΔG，结果列于表3中，可明显看出，从呋喃到丁酮溶剂，复合物溶剂化能增加（其值更负），即随着溶剂极化性的增强，复合物的溶剂化能逐渐增强；但是在水中，其值却为正，说明溶剂化能减弱，这可能与他们在水中较小的溶解度有关。ΔΔG为正值，其值从2.14kcal/mol变化到2.71kcal/mol，说明由气相进入液相，复合物的相互作用能更弱，表明溶剂不利于复合物的形成，且溶剂极化性越强，不利影响越大。

表3 溶液中复合物的溶剂化自由能ΔG及它与单体溶剂自由能之和的差值ΔΔG  单位：kcal mol^-1

3  结论

本文从理论上计算了溶剂中卤键相互作用体系，得到卤键的键长、相互作用能、电荷转移量及溶剂化效应等特征，得到以下结论。

（1）在结构上，溶剂中的卤键依然保持良好的直线型，分子间作用距离比在气相中更短；在能量上，卤键作用强度在溶剂中变弱，且随着溶剂极化性增强，作用距离更短，键强更弱。

（2）在溶剂中，从N（O）孤对电子轨道到C-I σ*反键轨道的电荷转移量较气相中增多，且随着溶剂极化性增加呈现增加趋势；分子内C-I键键长变短，变化趋势与电荷转移量一致。

（3）在溶剂中，溶剂化效应的存在对复合物的形成产生不利的影响，随着溶剂极化性的增强，影响逐渐变大，最后趋于常数。

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