异靛红衍生的席夫碱稳定性与反应性的实验与理论探索：从电子结构解析到金属配合物设计

本研究通过实验合成与DFT计算相结合，系统分析了异靛红衍生的两种席夫碱ISSB1和ISSB2的稳定性与反应性差异。研究揭示ISSB2因额外N-H基团增强电子离域而表现出更优的反应活性，其形成的Fe(III)配合物(ISSB2-Fe)和杂螺环衍生物(ISSB2-SP)在金属配位与有机合成中具有重要应用潜力，为功能性分子设计提供了理论指导。

　　

在有机化学和药物化学领域，异靛红(indoline-2,3-dione)作为重要的N-杂环骨架，其衍生物在染料、催化剂和药物设计中具有广泛应用。其中，异靛红衍生的席夫碱(Schiff base)因含有碳氮双键(C=N)而展现出独特的反应活性，可作为金属配体或合成杂环化合物的关键中间体。然而，目前对异靛红与不同胺类形成的席夫碱的稳定性与反应性差异缺乏系统研究，这限制了其在功能分子设计中的精准应用。

针对这一科学问题，国内研究人员在《Next Materials》发表了创新性研究。该工作选取两种典型席夫碱——异靛红-苯胺缩合物(ISSB1)和异靛红-苯肼缩合物(ISSB2)，通过实验合成与多尺度理论计算相结合，揭示了分子结构-电子性质-反应活性的内在关联。研究发现ISSB2因苯肼基团引入的额外N-H键显著增强了电子离域，使其成为更优越的金属配体和杂环合成前体，为功能性分子设计提供了新思路。

研究采用以下关键技术方法：实验上通过无催化剂条件合成ISSB2（产率94%），使用FT-IR、NMR和HRMS进行表征；理论上运用B3LYP/6-31+G(d)基组进行几何优化，结合FMO、MEP和Mulliken电荷分析；通过Multiwfn软件进行ELF、LOL和QTAIM拓扑分析；采用TD-DFT计算紫外光谱；基于Hirshfeld电荷的Fukui函数评估反应位点。

研究结果

3.1. 化学合成与表征
实验证实ISSB2合成无需催化剂（产率94% vs ISSB1的89%），FT-IR显示其特有的N-H伸缩振动(3400 cm^-1)和N-N伸缩振动(1279 cm^-1)。¹H NMR中ISSB2的N-H质子信号出现在δ 12.73 ppm，显著低于ISSB1的δ 9.07 ppm，表明更强的氢键作用。

3.2. DFT研究
3.2.1. 几何优化
ISSB2的C=N键长(1.308 ?)比ISSB1(1.281 ?)更长，反映更强的电子离域。优化的Fe配合物显示ISSB2能以三齿配体形式结合Fe(III)，而ISSB1仅形成双齿配位，证实ISSB2更优的配位能力。

3.2.2. 前线分子轨道(FMO)
ISSB2在所有溶剂中均表现出更窄的能隙（乙醇中2.7373 eV vs ISSB1的3.3918 eV），化学软度(0.3626)显著高于ISSB1(0.2948)，验证其更高的反应活性。

3.2.3. 分子静电势(MEP)
ISSB2在C=N区域呈现更集中的负电势（乙醇中-7.068×10^-3 a.u.），而ISSB1仅在羰基显示负电势，预示ISSB2更易受亲核攻击。

3.2.4. 振动分析
ISSB2的C=N伸缩振动(1545 cm^-1)较ISSB1(1653 cm^-1)红移108 cm^-1，进一步证实N-H基团增强电子离域。

3.2.5. Mulliken电荷
ISSB2的C13和N16原子电荷分别为-0.469和-0.372 a.u.，显著负于ISSB1的0.646和-0.214 a.u.，支持其更强的亲核性。

3.3. 拓扑分析
3.3.1. ELF与LOL
ISSB2在N-H区域显示更多红色高电子密度区（ELF>0.5），反映更强的共价特征。

3.3.2. QTAIM
ISSB2的N-H···O氢键具有部分共价性（?²ρ_BCP=0.0921 a.u., H_BCP=-0.0005 a.u.），而ISSB1仅为静电作用（H_BCP=0.0001 a.u.）。

3.3.3. Fukui函数
ISSB2的16N原子亲核攻击指数(f_r⁺=0.1068)和电荷密度差(CDD=0.0858)均高于ISSB1，证实其作为金属配体的优越性。

结论与意义
该研究通过多尺度分析首次揭示ISSB2因苯肼基团引入的N-H键产生三大优势：增强电子离域降低C=N键级、形成部分共价氢键、创造三齿配位位点。这使其既能构建稳定的Fe(III)配合物（结合能-22.9350 kJ/mol），又可作为高活性亲双烯体合成杂螺环化合物（ISSB2-SP能隙4.2526 eV）。研究成果不仅为选择性设计金属配合物和杂环化合物提供了分子基础，更建立了异靛红衍生物结构修饰与功能调控的理性设计策略，在催化、传感和药物开发领域具有广阔应用前景。