对映体空间群中的结晶：2,3,4-三-O-乙酰基-α-D/L-木吡喃糖基溴化物的手性诱导与结构表征

本研究针对手性糖基溴代物结晶行为的特殊性，合成了2,3,4-tri-O-acetyl-α-D/L-xylopyranosyl bromides，通过X射线晶体学发现其对映体分别结晶于P41212和P43212对映异构空间群，揭示了溴原子螺旋排列诱导的空间群手性，为糖类化合物晶体工程与立体化学控制提供了新见解。

　　

在糖化学领域中，糖基溴代物作为重要的糖基化供体，自20世纪初被Koenigs和Knorr引入以来，一直在寡糖、糖缀合物及各种生物活性分子的合成中扮演关键角色。这类化合物不仅因其在糖苷键形成中的高反应活性而被广泛应用，还能通过其易断裂的碳-溴键转化为多种其他糖类衍生物，如 orthoesters、糖基磷酸酯、糖基胺和糖苷配基等，展现出极高的合成价值。然而，尽管其合成与应用被广泛研究，这些手性分子在固态下的结晶行为，尤其是其对映体在晶体堆积中如何选择空间群，以及其分子构象与晶体手性之间的关系，却鲜有系统探讨。特别是，能否通过对映体结晶实现对映形态空间群的精确控制，仍是一个未被深入探索的课题。

为了深入探究这一问题，Grzegorz Detlaff、Artur Sikorski、Jaros?aw Chojnacki和Beata Liberek的研究团队在《Carbohydrate Research》上发表了一项研究，他们选择2,3,4-三-O-乙酰基-α-D-木吡喃糖基溴化物及其L-对映体作为模型化合物，通过合成、晶体培养与结构解析，结合理论计算，系统揭示了对映体在结晶过程中对手性空间群的选择性及其背后的分子机制。

本研究采用的主要技术方法包括：以D-或L-木糖为起始原料，经吡啶/乙酸酐乙酰化及氢溴酸/乙酸溴代反应合成目标溴代糖；通过单晶X射线衍射（分别在291 K和120 K下收集数据）解析晶体结构，使用NoSpherA2程序进行非球面原子精修；利用密度泛函理论（DFT）在M06-2X/6-311+G**水平上优化分子几何并计算电子结构；通过剑桥晶体学数据库（CCDC）进行结构统计与比对分析。

2.1. 2,3,4-三-O-乙酰基-α-D- (I_D) 和 α-L-木吡喃糖基溴化物 (I_L) 的晶体结构

X射线晶体学分析表明，溴化物I_D结晶于四方晶系手性空间群P4₁2₁2，而其L-对映体I_L则结晶于对映异构空间群P4₃2₁2。这两个空间群构成一对镜像对映体，其晶胞参数分别为：I_D（a = 9.5391 ?, c = 31.506 ?），I_L（a = 9.4768 ?, c = 30.711 ?）。分子在晶胞中通过C–H···O短程相互作用形成“三明治”状二聚体，并进一步通过C–H···O键连接成螺旋阵列。这种螺旋堆积方式直接诱导了晶体空间群的手性，其中一个螺旋为右手性，另一个为左手性。值得注意的是，尽管手性化合物更常结晶于非手性Sohncke空间群（如P2₁2₁2₁、P2₁），但本研究中的对映体却罕见地选择了手性空间群，据CCDC数据库统计，仅有不到0.3%的结构属于P4₁2₁2或P4₃2₁2群，而该研究首次报道了糖类对映体结晶于对映形态空间群的案例。

在分子构象方面，I_D采用⁴C₁椅式构象（环扭曲参数Q = 0.574 ?, θ = 5.6°），而I_L采用其镜像¹C₄构象（Q = 0.554 ?, θ = 173.0°），这种构象选择使所有乙酰基处于平伏键取向，并允许异头效应充分发挥作用。

2.2. 2,3,4-三-O-乙酰基-α-D- (I_D) 和 α-L-木吡喃糖基溴化物 (I_L) 的分子内几何结构讨论

通过晶体结构数据与DFT优化几何的对比，研究者重点讨论了异头效应与乙酰基几何特征。异头效应表现为溴原子在异头碳上的轴向取向偏好，其理论解释涉及环氧原子孤对电子向C1–Br键的σ*反键轨道离域。晶体数据证实了这一效应：O5–C1键长（1.375–1.379 ?）显著短于C5–O5键（1.436 ?），而C1–Br1键长（1.976–1.990 ?）长于典型C–Br键（1.966 ?）。DFT计算优化结构（O5–C1: 1.372 ?, C1–Br1: 2.002 ?）与实验值高度一致。

乙酰基的几何结构表现出显著平面性，其共振效应导致非羰基氧原子呈现sp²杂化特征，C–O–C键角在115.8–117.3°之间，且羰基氧原子与相邻环碳上的氢原子形成分子内C–H···O相互作用（H···O距离约2.234–2.279 ?），这驱使乙酰基采取特定取向以稳定分子构象。

该研究通过综合运用合成化学、晶体学与理论计算，首次证实了一对糖类对映体能够分别结晶于对映异构空间群P4₁2₁2和P4₃2₁2，其手性由分子在晶体中的螺旋排列诱导产生。分子结构分析揭示了显著的异头效应，表现为O5–C1键缩短与C1–Br1键延长；乙酰基则因共振效应呈现平面几何，并通过分子内C–H···O作用稳定其取向。这一工作不仅提供了首例糖类对映体结晶于对映形态空间群的晶体学证据，加深了对糖类化合物固态行为与手性控制的理解，也为后续糖类晶体工程与材料设计提供了重要参考。