通过反离子工程对新合成的咪唑基功能化Saldach体系中的烯醇-亚胺/酮烯胺动态平衡进行微调：核磁共振（NMR）、分析方法和密度泛函理论（DFT）研究

《Journal of Molecular Structure》：Fine-tuning enol-imine/keto-enamine dynamic equilibrium via counteranion engineering in new imidazolium-functionalized saldach systems: NMR, analytical, and DFT investigations

离子液体配体设计与阴离子工程调控Fe(III)检测性能研究。通过Schiff碱缩合反应合成vanillyl-imidazolium基saldach配体3a-c，其异构体比例由阴离子类型决定：Cl?（3a）和PF6?（3b）呈现动态平衡，Tf2N?（3c）以72.5%的enol-imine为主。Fe(III)配合物在乙醇-水体系中显示pH响应特性，3c配体在pH>8.5时形成二阴离子结构，与Fe(III)结合后产生525nm特征吸收，检测限0.469ppm，优于硫氰酸根法。DFT分析证实Tf2N?配体因最软的ON供体口袋而具有最佳配位性能和传感灵敏度，为绿色化学检测体系提供新思路。

　　

Khalid Althumayri

沙特阿拉伯麦地那大学科学学院化学系，邮编30002

摘要

通过将香兰基咪唑离子液体与氯离子（3a）、六氟磷酸根离子（3b）和双三氟甲基磺酰亚胺（3c）反应，利用席夫碱缩合反应合成了新的咪唑基功能化的Saldach配体（3a-c）。这些产物通过FTIR、NMR、ESI-MS和元素分析进行了表征。反离子工程控制了烯醇-亚胺与酮烯胺的互变异构比例：3a更倾向于烯醇-亚胺形式（65.8%，K_T = 0.52）；3b则偏向酮烯胺形式（55.8%，K_T = 1.26）；而3c主要呈现烯醇-亚胺形式（72.5%，K_T = 0.38），在所使用的NMR条件下未检测到酮烯胺的NH信号。根据光谱数据，Fe(III)配合物（4a-c）形成了稳定的单核物种，其几何结构与O?N?四齿配位环境相匹配，这通过蓝移的C=N伸缩振动、Ar–O键的负位移、远红外区域的Fe–O/Fe–N键以及407/525 nm处的可见MLCT/d-d跃迁得到证实。在30%乙醇-水溶液（I = 0.04 M，25°C）中对3c进行pH滴定，发现其具有两个可离子化的质子（pKa1 = 6.79，pKa2 = 8.05），在pH值高于8.5时可能作为二阴离子配体与Fe(III)形成螯合物。光谱研究（λmax = 525 nm，298 K）显示I:1的化学计量比符合比尔定律，检测限为0.469 ppm，远低于硫氰酸盐检测方法，符合绿色分析理念。这些结果表明，通过反离子调控Saldach骨架的互变异构可以制备出高灵敏度和稳定性的pH响应型Fe(III)传感器，这些传感器可作为生物医学中铁物种分析的分子开关。补充的DFT（FMO和MEP）分析进一步证实了NMR结果，表明Tf?N?配体3c具有最柔软、极化的ON供体口袋，解释了其优异的Fe(III)结合能力和显色传感性能。

引言

Salen型和Saldach型的席夫碱是成熟的O?N?四齿配体，其烯醇-亚胺与酮烯胺之间的互变异构平衡强烈影响供体强度、电荷分布和配位行为。Saldach体系通常是通过1,2-环己二胺（dach）与水杨醛（Sal）衍生物的缩合反应形成的，生成亚胺或偶氮甲基（–C=N–）[1],[2],[3]。由于它们作为能够与多种金属离子配位的四齿配体[4,5]，因此被用于合成稳定的金属配合物和开发多种应用材料，包括催化和医学领域。

Saldach配体化学的一个关键方面是烯醇-亚胺与酮烯胺之间的平衡，这是一种互变异构现象，配体以两种可相互转化的形式存在[2,3]。这种平衡的重要性在于它对配体反应性和潜在应用（如催化[6]、材料科学[7]和生物医学研究[8]）的影响，因为在这些领域即使是微小的变化也可能产生显著影响。此外，该平衡还影响配体的电子和空间性质，从而在决定配体的反应性、稳定性和与金属离子的结合能力方面起着关键作用[6]。通过精细调节这些因素，研究人员可以定制配体的行为以适应特定用途。这些互变异构体的相对稳定性受多种因素影响，包括配体的取代模式、金属离子的存在以及周围溶剂，从而实现对配体性质的复杂调控。

值得注意的是，近年来烯醇-亚胺/酮烯胺互变异构体系因其广泛的技术应用而受到关注，包括在光记录、分子电子学和计算设备中作为分子开关的潜力，以及在药物化学、化学传感器和生物化学中的重要性。这些互变异构体系表现出不同的电子吸收和发射光谱，使其在各种应用中非常有用。此外，烯醇-亚胺/酮烯胺部分能够与多种金属阳离子配位，使其成为设计显色或荧光化学传感器和化学计量器的理想成分，用于检测金属阳离子[9]。

引人注目的是，将离子液体末端引入Saldach框架中结合了传统的配位化学和离子液体特性，包括改善的溶解性、两亲性和离子对。在这些体系中，反离子（例如：Cl?、PF??、BF??）可以显著影响微环境的极性、氢键形成以及Saldach配体中的烯醇-亚胺/酮烯胺分布[1],[2],[3],[10],[11],[12]。然而，NMR光谱是研究烯醇-亚胺和酮烯胺平衡的宝贵工具，可以观察到不同的1H/13C信号，以及通过HSQC等二维实验观察到的OH与NH质子及酚基与羰基之间的模式[3]。通过考虑关键的13C共振峰，可以计算出互变异构体比例和平衡常数，将光谱信息与潜在的互变异构机制联系起来。

在设计用于检测Fe(III)等金属离子的显色和荧光化学传感器时，考虑Saldach型配体的互变异构性非常重要。铁(III)在环境监测和生物医学诊断中至关重要；然而，目前的比色方法（如硫氰酸盐相关检测方法）通常具有较高的检测限和干扰[13]。研究表明，用咪唑基团功能化的Saldach配体可以作为pH敏感的Fe(III)螯合剂，在混合水/乙醇溶液中其效果取决于互变异构状态、配体的脱质子行为以及反离子的性质。

基于这些考虑，本工作的目标是：(i) 理性设计和合成具有不同反离子（Cl?、PF??和Tf?N?）的新型双咪唑基Saldach配体；(ii) 通过综合的1H/13C NMR和HSQC光谱分析以及互变异构常数计算，研究反离子调节对烯醇-亚胺/酮烯胺平衡的影响；(iii) 根据绿色分析原则，评估这种互变异构控制对Fe(III)结合和光谱检测的影响。通过关联反离子种类、互变异构体比例和Fe(III)传感性能，本研究旨在为设计可调的离子液体标记Saldach体系作为分子开关、化学传感器和催化活性金属配合物提供指导。

试剂和仪器

本研究中使用的试剂和溶剂由化学供应商提供，未经纯化直接使用。这些化学品的详细规格见电子补充材料（ESM）。此外，5-氯甲基香兰素（CMV）来自我们之前的工作[14]。用于制备本工作关键起始材料（香兰基咪唑离子液体VImILs，2a-d）的协议也包含在ESM中。

化学过程

图1展示了新型咪唑基功能化Saldach体系（3a-c）的合成步骤。首先，使用甲醛/HCl/ZnCl?作为氯甲基化混合物，从o-香兰素制备5-(氯甲基)-o-香兰素（CMV, 1）。随后，CMV作为烷基化剂用于1-乙基咪唑的季铵化，生成水杨醛咪唑氯化物盐2a，这是进一步反应的关键中间体。

结论

本研究表明，通过反离子工程可以轻松调节咪唑取代Saldach体系中的烯醇-亚胺/酮烯胺互变异构比例，这对配体的电子性质、配位性能和Fe(III)活性具有重要影响。NMR研究表明，氯离子和六氟磷酸根离子盐（3a, 3b）形成了烯醇-亚胺与酮烯胺的动态混合物，而双三氟甲基磺酰亚胺衍生物（3c）则显著倾向于形成烯醇-亚胺形式。

CRediT作者贡献声明

Khalid Althumayri：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源准备，方法学设计，实验实施，数据分析，概念化。

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