氰基乙酰氨基甜菜碱——一种两性离子腈衍体的合成与表征

本研究发现甜菜碱盐酸盐与二氰胺钠在水溶液中反应意外生成了一种新型两性离子化合物——氰基乙酰氨基甜菜碱。通过单晶X射线衍射确定了其单斜晶系结构（空间群P21/c），结合红外光谱、核磁共振谱和密度泛函理论计算，揭示了该分子内电荷补偿的热力学优势。该研究为绿色溶剂离子液体（ILs）的开发提供了新思路，特别在替代含氟阴离子方面具有重要意义。

　　

引言背景

离子液体（ILs）作为熔点低于100°C的盐类，因其蒸气压可忽略、电化学窗口宽、极性可调等特点，成为传统溶剂的有力替代品。其中甜菜碱双三氟甲磺酰亚胺盐（[Hbet][NTf₂]）在无水体系中能溶解多种金属氧化物（如锌、铜、稀土等），形成稳定的甜菜碱-金属配合物。然而其阴离子[NTf₂]^?含氟、难降解且具有毒性，开发无氟环保的替代阴离子成为研究重点。

二氰胺（DCA^?）阴离子因其低粘度、宽电化学窗口和良好萃取能力成为理想候选。本研究尝试用DCA_?替代[NTf₂]^?制备新型甜菜碱基离子液体，却意外获得结晶性两性离子铵乙酰胺化合物。

合成方法与晶体表征

将甜菜碱盐酸盐（[Hbet]Cl）与二氰胺钠（NaDCA）按1:1.05摩尔比在30°C水溶液中反应4小时，经乙醇洗涤去除副产物NaCl后，得到油状物。室温静置后形成透明晶体聚集体，加入二氯甲烷（DCM）处理后获得适合衍射实验的条状单晶。

单晶X射线衍射显示晶体属单斜晶系空间群P2₁/c，晶胞参数为a=7.3365(2) ?，b=8.8351(3) ?，c=11.0977(4) ?，β=91.948(2)°。晶体存在绕a轴180°旋转的双晶现象（双晶组分占比26.8%）。粉末X射线衍射（PXRD）数据与单晶结构吻合。

分子结构与键合特征

晶体结构显示分子为两性离子构型，包含通过亚甲基桥连接的三甲基铵头部基团和氰基乙酰胺片段。关键键长数据表明：N⁺–C键长约1.50 ?；羰基C=O键长1.23 ?，符合典型酰胺特征；相邻C–N^?键（1.33 ?）短于标准C–N单键，显示共振离域；C≡N三键长1.16 ?，为典型腈基特征。键角分析显示三甲基铵氮原子呈近四面体构型（107°–112°），而酰胺片段键角（如N–C–N角174°）与二氰胺盐中观测值一致，证实共轭效应。

分子内存在弱氢键（H···O/N），键长2.35–2.48 ?；分子间氢键稍长（2.50–2.57 ?），共同稳定晶体堆积。电子定域函数（ELF）和Bader电荷分析进一步验证了电子在酰胺腈片段上的离域分布，三甲基铵氮带正电（+0.92），酰胺氮带负电（-1.28），氧原子电荷为-1.17。

反应机理推测

如方案1所示，反应可能经历以下步骤：二氰胺阴离子质子化形成二氰胺，质子转移至末端氰基形成亲电碳；甜菜碱羧基氧进攻亲电碳，经1,3-氧杂环丁烷中间体开环，最终生成目标产物和副产物异氰酸。密度泛函理论（DFT）计算排除了中间体(CH₃)₃N⁺–CH₂–C(=O)–O–C≡N存在的可能性。

光谱分析与理论验证

红外光谱（IR）在2133 cm^?1处显示强C≡N伸缩振动峰，1722 cm^?1处为酰胺C=O峰，1606 cm^?1处为N–C弯曲振动，支持两性离子结构。固体核磁共振（¹H MAS NMR和¹³C CP/MAS NMR）谱图与晶体结构一致。DFT优化结构与实验数据吻合良好，键级分析（ICOBI/ICOHP）确认N≡C三键（–ICOHP=19.72 eV）和C=O双键（–ICOHP=16.29 eV）的存在。

毒性评估与应用前景

基于Cramer规则和结构警报，Toxtree软件预测该化合物为高风险（III类）。ProTox 3.0和VEGA QSAR模型提示其具有生态毒性和神经毒性风险，可能透过血脑屏障。尽管存在毒性隐患，该两性离子骨架作为新型构建模块，其酯、环脲或硫代酰胺衍生物在改善水溶性和生物利用度方面具有潜力。

实验方法概要

合成采用水溶液反应-旋转蒸发-溶剂结晶路线。单晶衍射使用Rigaku Synergy S衍射仪（Mo-Kα辐射，100 K）。PXRD采用Cu-Kα₁辐射。光谱分析使用Bruker Vertex 70FTIR光谱仪和Bruker Avance III 800核磁共振仪。DFT计算通过VASP软件（PBE泛函）完成，毒性预测采用ProTox 3.0等工具。

结论

本研究意外合成并表征了一种新型两性离子氰基乙酰氨基甜菜碱，通过多技术手段揭示了其分子结构和形成机制，为绿色离子液体的设计提供了新的分子平台，同时警示了其潜在毒性风险。