氢键增强的过氧化氢与三氯化铟的配位作用

《Dalton Transactions》：Hydrogen bond enhanced coordination of hydrogen peroxide to indium trichloride

　　

金属中心对过氧化氢（H₂O₂）的配位是过氧化物酶和过氧化氢酶酶循环中的第一步。尽管这一过程在活细胞中容易发生，但由于过氧化氢与其他极性溶剂相比配位能力较弱，合成带有H₂O₂配体的分子配合物仍然具有挑战性。迄今为止，以过氧化氢为配体的配位化合物的结构信息仅由锌配合物和两个锡配合物的晶体结构代表。本工作证明，过氧化氢配合物可以从配位饱和的化合物（如氯化铟(III)）制备。醚类化合物如18-冠-6或乙醚溶解InCl₃，使其能够与H₂O₂相互作用。研究人员在不同条件下分离了三种带有过氧化氢配体的InCl₃配合物：[InCl₃(H₂O)₂(H₂O₂)]·18-冠-6、[InCl₂(18-冠-6)][(H₂O₂)InCl₄]和[fac-InCl₃(H₂O₂)_0.5(H₂O)_0.5(18-冠-6)]，为结构表征的H₂O₂配合物非常小的家族增添了宝贵的成员。这些配合物的晶体结构通过单晶X射线衍射（scXRD）分析表征。密度泛函理论（DFT）计算揭示了H₂O₂配体与醚分子之间的氢键增强过氧化氢与In(III)中心配位的关键作用。变温¹H NMR数据支持H₂O₂在醚溶液中与InCl₃的κ¹配位。

过氧化氢（H₂O₂）是细胞呼吸过程中产生的天然代谢物，其酶促还原的第一步涉及H₂O₂与酶活性位点的配位形成化合物0。然而，由于H₂O₂的配位能力弱于其他极性溶剂（如水），合成含有H₂O₂配体的分子配合物一直面临挑战。此前，仅有锌和锡的少量过氧化氢配合物通过晶体结构得到表征。为克服这一局限，研究人员尝试将合成方法扩展到配位饱和的化合物，例如固态三氯化铟（InCl₃），因为它更接近过氧化物酶Fe(III)中心的大小、电荷和极化能力。本工作表明，通过冠醚或乙醚溶解InCl₃，可以使其与H₂O₂反应，成功制备三种新型H₂O₂配合物。该研究揭示了氢键（hydrogen bond）对H₂O₂配位能力的增强作用，为设计过氧化氢配合物提供了新策略。论文发表在《Dalton Transactions》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：单晶X射线衍射（single-crystal X-ray diffraction, scXRD）用于确定配合物的晶体结构；密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算用于分析配位能和氢键作用；变温¹H核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）光谱用于研究溶液中的配位行为。所有合成均使用市售试剂，无特殊样本队列来源。

研究结果分为以下四个方面：

**Crystallization from InCl₃–H₂O₂–crown ether system**：在纯H₂O₂中，InCl₃不溶，但加入15-冠-5后得到歧化产物[InCl₂(15-冠-5)][InCl₄]（1），scXRD证实其阳离子呈五角双锥几何。改用18-冠-6则得到含水的过氧化氢配合物[InCl₃(H₂O)₂(H₂O₂)]·18-冠-6（2），其中H₂O₂以κ¹方式配位，与冠醚和氯形成氢键。水来自H₂O₂的催化分解。为减少水干扰，预先合成无水配合物[fac-InCl₃(18-冠-6)]（3），将其溶于纯H₂O₂后结晶出[InCl₂(18-冠-6)][(H₂O₂)InCl₄]（4），scXRD显示H₂O₂配位于[InCl₄]^-，冠醚的一未配位氧与H₂O₂形成短氢键（O···O距离2.557 ?），显著增强配位。

**Crystallization from InCl₃–Et₂O–H₂O₂–18-crown-6 ether system**：将18-冠-6和H₂O₂的乙醚溶液加入InCl₃的乙醚溶液，析出[fac-InCl₃(H₂O₂)_0.5(H₂O)_0.5(18-冠-6)]（5），scXRD确认H₂O₂/H₂O占位比为50/50。H₂O₂的远端OH形成更短的氢键（2.602 ?），与其更高酸性一致。乙醚虽能与In(III)竞争，但通过氢键活化H₂O₂，使其成为优势配体。

**¹H NMR spectroscopy**：在乙醚中，H₂O₂的质子信号随温度降低而向低场移动并展宽，表明形成氢键缔合物。加入等当量InCl₃后，H₂O₂信号进一步向低场移动0.1 ppm，且线宽从3.9 Hz增至41.9 Hz（-40°C），证实H₂O₂与In(III)发生κ¹配位，导致质子不等价和交换加快。

**DFT calculations**：以二甲醚（Me₂O）和乙醚为模型，计算分子静电势（MEP）和配合物形成焓。结果显示，H₂O₂与醚形成O–H···O氢键后，其氧原子的MEP最小值由-33.4 kcal mol^-1降至-45.8 kcal mol^-1（与一个Me₂O）或-56.1 kcal mol^-1（与两个Me₂O），碱性显著增强，甚至超过水。与[InCl₄]^-的配合物形成焓计算表明，未活化的H₂O₂仅形成极弱配合物（ΔH = -0.6 kcal mol^-1），而经醚活化后形成焓增至-4.0~-4.8 kcal mol^-1，In–OP距离缩短，几何趋向三角双锥。

讨论部分总结了氢键活化机制的核心作用：冠醚或乙醚通过氢键提高H₂O₂的碱性，从而增强其对Lewis酸（如InCl₃或[InCl₄]^-）的配位能力。这一原理与生物体系中的第二配位球稳定化类似。

研究结论翻译如下：本工作证明，使用纯过氧化氢和冠醚制备和结晶H₂O₂配合物的合成方法可以扩展到与配位饱和化合物（如固态氯化铟(III)）的反应。从InCl₃在H₂O₂中的分散体系加入18-冠-6后结晶出含水的过氧化氢配合物[InCl₃(H₂O)₂(H₂O₂)]·18-冠-6（2）。由于晶态InCl₃不溶于H₂O₂，研究人员提出18-冠-6配位促进了其溶解。预合成的InCl₃–18-冠-6加合物（3）能迅速溶于H₂O₂并重组，得到配合物[InCl₂(18-冠-6)][(H₂O₂)InCl₄]（4），其中H₂O₂配位于阴离子Lewis酸[InCl₄]^-。无水H₂O₂作为高极性溶剂促进了InCl₃歧化为[InCl₂]⁺[InCl₄]^-。从纯H₂O₂中结晶出[InCl₂(15-冠-5)][InCl₄]（1）证实了这一点。配合物1中缺少H₂O₂配体是因为15-冠-5的所有氧原子在In(III)配位后碱性降低，而在4中，一个未配位的18-冠-6氧与H₂O₂形成氢键，激活了H₂O₂，增强了其氧对[InCl₄]^-的配位能力，DFT计算支持这一结论。乙醚（Et₂O）成为溶解配位饱和前驱体并合成H₂O₂配合物的独特溶剂。尽管Et₂O通常在Lewis酸配位中胜过H₂O₂，但混合体系通过O–H_P···O氢键逆转了这一趋势，因放大了H₂O₂的碱性。这一原理使[fac-InCl₃(H₂O₂)_0.5(H₂O)_0.5(18-冠-6)]（5）从乙醚中结晶。值得注意的是，配合物2也可通过InCl₃/Et₂O与95 wt%水性H₂O₂反应制备，无需使用纯H₂O₂作溶剂。这种基于乙醚的路线显著提高了H₂O₂配合物合成的安全性和可及性。