抗静电阴离子–阴离子非共价相互作用并非卤键：来自晶体结构中XO4?二聚体和寡聚体中X···O接触的证据

《International Journal of Molecular Sciences》：Anti-Electrostatic Anion-Anion Noncovalent Interactions Are Not Halogen Bonds: Evidence from X···O Contacts in XO4? Dimers and Oligomers in Crystals Structures

　　

本研究利用从剑桥结构数据库（Cambridge Structural Database，CSD）中检索得到的XO4?（X = Cl、Br、I）高卤酸根阴离子晶体结构，探讨常被解释为卤键(halogen bond)的阴离子–阴离子组装体的本质。分子静电表面势(molecular electrostatic surface potential，MESP)分析表明，孤立的XO4?阴离子沿O–X键延伸方向的卤素或氧原子上均不表现亲电σ-空穴(σ-hole)，因此不能作为常规的卤键或硫族键(chalcogen bond)给体。气相计算进一步显示，直接的阴离子–阴离子组装体在孤立状态下固有排斥且不稳定；然而当通过隐式溶剂模型引入介电屏蔽后，与晶体学 motif 一致的亚稳态二聚体和寡聚体排列变得可及。互补的量子理论“分子中原子”(quantum theory of atoms in molecules，QTAIM)、基于Hirshfeld分区的独立梯度模型(independent gradient model based on Hirshfeld partitioning，IGMH)、自然键轨道(second-order natural bond orbital，NBO)以及对称匹配微扰理论(symmetry-adapted perturbation theory，SAPT)分析表明，观测到的X···O和O···O接触是弱的环境辅助抗静电相互作用，源于介电屏蔽、极化、色散(dispersion)和给体–受体贡献的共同作用。结果表明，高卤酸根阴离子在晶体环境中的结构组织主要由集体环境效应和晶体堆积(crystal packing)效应主导，而非孤立阴离子之间的本征吸引相互作用。

该研究发表于《International Journal of Molecular Sciences》。研究背景方面，非共价相互作用(non-covalent interaction，NCI)是分子识别和超分子组装的基础，但并非所有此类接触都符合经典静电预期，特别是同号带电物种（如同为阴离子的XO₄^?高卤酸根阴离子）在晶体中常出现方向性X···O接触并形成二聚体、链状及更高维结构，这与经典库仑排斥相悖，以往常将其解释为卤键(halogen bond)或硫族键(chalcogen bond)；然而孤立的高卤酸根阴离子卤素或氧上缺乏亲电σ-空穴(σ-hole)，且气相下阴离子间强排斥难以稳定共存，因此这类阴离子–阴离子接触的本质、是否可归类为经典卤键或硫族键，以及环境（溶剂、晶体堆积）在稳定此类抗静电组装中的作用均不明确，有必要系统厘清。

研究人员针对该问题，以XO₄^?（X = Cl、Br、I）高卤酸根阴离子为对象，从CSD晶体结构提取二聚体和寡聚体几何构型，采用M06-2X泛函结合def2-TZVPPD基组进行能量优化（隐式溶剂SMD水模型，部分体系用极化连续介质模型(polarizable continuum model，PCM)对照），借助MESP表征静电势极值区域，用QTAIM、IGMH、NBO分析键路径、临界点和弱相互作用可视化与轨道贡献，用SAPT（PSI4程序，SAPT2+3(CCD)级别）在气相中对溶剂相优化几何进行能量分解（静电、交换、诱导、色散），并对代表性晶体（如CSD代码FOSROW的[Sn(H₂O)₃]²⁺·2(ClO₄^?）开展周期性边界条件DFT计算（VASP，PBE泛函，DFT-D3色散校正，固定晶胞ISIF=2与全弛豫ISIF=3），同时也以CH₃F、N₂、F₂、CO等小分子体系为模型考察负σ-空穴区域的方向性“抗静电”相互作用在溶剂中的表现。

主要关键技术方法包括：从CSD获取XO₄^?晶体中的二聚体和寡聚体几何并作SMD水模型下M06-2X/def2-TZVPPD几何优化与频率验证；MESP作静电表面势分析以判断σ-空穴(σ-hole)有无及电性；QTAIM与IGMH用于拓扑键路径、临界点及弱相互作用可视化；NBO二阶微扰分析给体–受体电荷转移能；SAPT2+3(CCD)在气相中对溶剂相几何做能量分解（静电、交换、诱导、色散）；周期性DFT（VASP，PBE+D3）对代表性高卤酸根晶体作固定晶胞与全弛豫计算以考察晶体堆积作用；部分体系辅以PCM对照及小分子模型（CH₃F等）SMD优化以类比负σ-空穴介导的抗静电接触。

研究结果如下：

3.1 负σ-空穴及其方向成键能力：研究人员以CH₃F等模型体系发现，虽C–F延伸方向σ-空穴电势为负（Vs,max = ?22.2 kcal mol^?1气相），但仍可沿此方向与正电区域（如N₂的π-亲电区、F₂端位亲电区）形成方向性接触；SAPT分解显示色散是主要稳定分量，感应(induction)次之；NBO揭示弱给体–受体（如σ(C–F)→RY*等）贡献；此类负σ-空穴驱动的方向接触不属于经典σ-空穴中心卤键，如N₂?FCH₃应归为π-中心pnictogen键，T型F₂?FCH₃为卤键但源于F₂的p-带亲电区而非F的负σ-空穴。

3.2 单体阴离子及其分子静电势：XO₄^?（X = Cl、Br、I）在卤素沿O–X延伸及氧沿X–O延伸处均出现σ-空穴，但电势全为负（气相及SMD水中Vs,max均为负值，如SMD水中Cl、Br、I上分别为?114.8、?99.8、?77.6 kcal mol^?1，氧上对应?113.2、?109.6、?110.6 kcal mol^?1），即无亲电σ-空穴，故不能作卤键或硫族键的亲电给体；溶液中氧σ-空穴极值趋势Br< />< />< />< />

3.3 二聚体和寡聚体阴离子：

3.3.1 ClO₄^?的二聚体与寡聚体：从CSD（ADAWAG、ADAGPC）提取的(ClO₄^?)₂在SMD优化下，一类弛豫为O–O共价桥连Cl₂O₈^2?（d(O–O)=1.385 ?），另一类保持非共价关联且能量低约332 kcal mol^?1；非共价二聚体中QTAIM显示多个O···O接触（d≈3.485–3.514 ?）及Cl···O接触（d≈3.934–3.944 ?，O–Cl···O≈159.8–159.9°），但MESP表明Cl上σ-空穴在0.001 a.u.等密度面未显现（更高密度0.0013–0.0015 a.u.才出现且电势仍负），氧σ-空穴沿Cl–O延伸为负；故X···O接触虽方向性但并非卤键；SAPT对溶剂相几何在气相分解得静电分量强排斥（73.8 kcal mol^?1），感应(?4.0)与色散(?3.0)不足以反转总正交互作用能(69.0 kcal mol^?1)；(ClO₄^?)₃、(ClO₄^?)₄优化后O···O距离（如四聚体中3.506–3.934 ?）长于晶体值但仍短于两倍氧范德华半径较多，MESP有单体重叠，QTAIM与IGMH显示弱O···O作用，但氯σ-空穴在界面区淬灭且全为负电；ClO₄^?二聚体结合能近零(?0.08 kcal mol^?1)，三、四聚体结合能为正(+0.75、+1.97)，逐步结合能由二聚微稳转为后续加单体耗能，显示强反协同性(anti-cooperativity)。

3.3.2 BrO₄^?二聚体：从ClO₄^?二聚构型替换得(BrO₄^?)₂两种SMD优化构型，单体分离较大（O···O≈4.41–4.61 ?，Br···Br≈5.08–5.34 ?），无共价键；QTAIM见少量O?O键路径，IGMH仅在极低等值0.0008 a.u.显极弱绿面；MESP界面区有两个极值（一负一正约?189.4与189.2 kcal mol^?1）源自单体O–Br延伸σ-空穴（均为负电势特征），无表面重叠；SAPT得总交互能51.7–56.3 kcal mol^?1，静电排斥主导(53.7–59.1)，感应(?1.6~?2.1)与色散(?0.5~?0.8)较小，交换近零；SMD下结合能不可靠（连续介质过稳二聚），气相或IO₄^?无此假象。

3.3.3 IO₄^?二聚体：从CSD（BEKNOY、WEMSUD、JOJZAL、HOHMOG05）提取(IO₄^?)₂有O···I与O···O两类接触，优化后O···O距离（如3.766 ?）长于晶体值(3.511 ?)且>1.21倍两倍氧vDW半径，O···I方向性（∠O–I···O近180°）提示σ-空穴中心接触但碘σ-空穴电势全负（Vs,max≈?115至?153 kcal mol^?1），故非卤键；QTAIM见O?O与O?I键路径（ρ_b小，?²ρ_b>0），IGMH需低等值才显弱面（O···O在0.014 a.u.可见，O···I在≤0.009–0.010）；结合能Conf1为正(+0.54)，Conf2–4为负(?1.65至?2.02)，但SAPT总交互能仍正（静电排斥为主，感应?4.3~?5.7、色散达?7.9部分抵消）；碘上非界面σ-空穴保留（负电势），参与接触的σ-空穴淬灭；PCM优化较SMD进一步分开单体、结合能仍微正，说明气相排斥，溶剂/介质屏蔽使亚稳态可达。

3.3.4 IO₄^?寡聚体：(IO₄^?)₃、(IO₄^?)₄从CSD构型SMD优化后，终端单体碘显三个负σ-空穴、中心单体两个（其余淬灭于O?I接触）；QTAIM辨识部分O?I（d≈3.267–3.319 ?，∠O–I?O≈178.5–179.2°）与若干O?O（略>3.1 ?），但有些几何合理的O?I/O?O未获QTAIM路径；IGMH显示O?O主导（较高等值0.013–0.014消失），O?I在较低等值(≤0.010)显现；结合能三聚?3.27、四聚?4.13 kcal mol^?1，逐步结合由二聚(?1.65)到三聚(?1.62)略降再到四聚(?0.86)明显减弱，呈弱负协同(negative cooperativity)；ClO₄^?寡聚则反协同更强（三、四聚总结合能正）。

3.3.5 IGMH等值面在探测弱阴离子–阴离子作用中的等值敏感性：对于(ClO₄^?)₂，IGMH在0.007 a.u.无面，降至0.004–0.005 a.u.方显弱绿面；(IO₄^?)₂某构型O?O在0.010 a.u.微显、0.006 a.u.更清，O?I需≤0.010；另一构型O?O在0.010显、0.006见附加O?O；主/次作用强弱与距离相关，低等值才露极弱作用，说明IGMH等值选取对弱阴离子体系很关键。

3.4 相互作用起源：SAPT分析：对所有XO₄^?二聚（用SMD优化几何在气相分解），静电分量强正（ClO₄^?二聚73.8、IO₄^?约48.9 kcal mol^?1），交换分量小至中等（Br体系≈0–0.1，IO₄^?某些构型达4.3–13.3）；感应稳定(?1.6至?5.7)随极化与接触类型变化（有O?I接触者较大），色散稳定(?0.5至?7.9)对重卤素（I）显著；总SAPT2+3(CCD)交互能全正，说明若无环境屏蔽这些二聚气相不稳定；稳定性次序大致(ClO₄^?)₂< 某些IO₄^?二聚 < BrO₄^?二聚 < 某些IO₄^{?二聚，反映静电排斥大小与色散/感应抵消程度差异。}

3.5 中性分子中富电子位点经溶剂介导的吸引：研究人员将CH₃F（C–F负σ-空穴）与CO（C/O负端）、N₂（N负σ-空穴）、HCN、H₂CO等在SMD水中优化得二聚（如C–F?C/O等方向沿负σ-空穴），气相排斥但溶剂中介稳定；QTAIM有关键路径与bcp（ρ小，?²ρ>0闭壳），MESP表面重叠；SAPT对溶剂相几何在气相分解得静电多正（0.19–1.41）、交换小正、色散稳定(?0.30至?0.43)、感应微负；总SAPT2+3(CCD)接近零或微正（仅H₃CF?OC负?0.04），而超分子结合能E_b全负（?0.21至?0.55）；表明溶剂介电屏蔽使负σ-空穴与富电子区可形成弱抗静电接触，但不属经典卤键/pnictogen键等，是环境介导的非共价关联。

第4部分晶体周期环境的影响：孤立(ClO₄^?)₂、(BrO₄^?)₂在大真空盒(a≈30 ?)弛豫均分居（强气相排斥）；周期性DFT对[Sn(H₂O)₃]²⁺·2(ClO₄^?)（CSD:FOSROW，六方P6₃）作固定晶胞与全弛豫均保持原Cl?O接触（d≈3.288–3.564 ?，∠O–Cl?O≈172.8–175.9°）与Kagome类二维阴离子网格，全弛豫晶胞微胀（a=b=7.121 ?，c=9.821 ?）仍六方；替换为[Sn(H₂O)₃]²⁺·2(BrO₄^?)后全弛豫致晶格更胀（a=b=7.228 ?，c=10.240 ?，体积增约9.6%）且对称性降为单斜P2₁，说明较大BrO₄^?与原堆积不匹配；周期计算能差：ClO₄^?全弛豫较固定晶胞仅稳~0.040 eV（实验结构近极小），BrO₄^?类似替换后全弛豫稳~0.512 eV伴明显重构；证实晶体周期堆积（阳离子、阴离子阵列、长程库仑与vDW）对稳定短阴离子–阴离子接触至关重要，隐式溶剂无法复现长程有序。

讨论部分总结：共价键卤素上亲电σ-空穴在气相分子卤键中明确，但即使σ-空穴为负电（如CH₃F的F），也可在溶剂等强极性环境下形成方向性“抗静电”非共价接触，然非经典卤键；孤立XO₄^?二聚/寡聚在气相因静电排斥不解离不稳定，隐式溶剂（SMD/PCM）可复现近似几何但拉远链序、偏差自晶体值，说明隐式介质缺晶体长程堆积协作；用溶剂相几何做SAPT得总交互能仍正，证明实测晶体motif需环境效应（介电屏蔽、极化、色散、晶体堆积、反离子吸引等）共同衰减库仑排斥方使弱阴离子–阴离子吸引（O?O、O?I等）得以体现；MESP证实卤素/氧σ-空穴全负电，故X?O接触不能分入卤键或硫族键（要求亲电σ-空穴）；QTAIM对弱扩散作用有时漏辨或误现键路径（同距接触有的有路径有的无），需辅以色散敏感IGMH多等值判据；寡聚结合能显示ClO₄^?反协同（加单体耗能），IO₄^?弱负协同但逐步稳度降；SMD对(BrO₄^?)₂结合能异常过稳暴露连续介电模型对高电荷阴离子弱对的局限（空腔重叠与过屏蔽）；抗静电阴离子组装稳定性敏感于介电环境，极性介质屏蔽库仑方可让弱NCI（色散、极化、诱导、微给体–受体）塑造近接触；结论明确：XO₄^{?二聚/寡聚在晶体中本征气相不稳定，需介电/晶体环境屏蔽后方成亚稳构型；X?O与O?O接触方向性虽存但卤素/氧无亲电σ-空穴，故非卤键(halogen bond)亦非硫族键(chalcogen bond)；这类组装宜称环境辅助抗静电阴离子关联，平衡源于介电屏蔽、极化、色散、晶体堆积等；QTAIM对弱阴离子作用有局限，须联合IGMH多等值与几何参数；隐式溶剂可稳定几何但无法替代周期晶体长程力；该结论框架或可推广至其他硫族、pnictogen、tetrel阴离子体系。}