氟取代在非手性芘基查尔酮手性结晶中的作用：来自结构、光谱、剑桥结构数据库和密度泛函理论研究的见解

《Journal of Molecular Structure》：Role of Fluorine Substitution in the Chiral Crystallization of an Achiral Pyrene-Based Chalcone: Insights from Structural, Spectroscopic, CSD, and DFT Studies

　　

研究人员研究了氟取代对非手性芘基查尔酮(2E)-1-(4-氟苯基)-3-(芘-1-基)丙-2-烯-1-酮（FPPO）手性结晶行为的影响。尽管FPPO在分子水平上是非手性的，但它结晶于正交晶系的手性空间群P2₁2₁2₁。无客体FPPO分子呈现扭曲构象（φ ≈ 53°），其晶体堆积由C–H···O、C–H···F和C–F···π接触稳定。通过对剑桥结构数据库（Cambridge Structural Database, CSD）中22个相关类似物的比较分析，研究人员将FPPO置于PPPO（(2E)-1-苯基-3-(芘-1-基)丙-2-烯-1-酮）衍生物的构象多样性图谱中。傅里叶变换红外光谱（Fourier–Transform Infrared, FTIR）分析通过羰基谱带位移揭示了其与电子受体1,2,4,5-四氰基苯（1,2,4,5-Tetracyanobenzene, TCNB）的给体-受体相互作用。结合单晶X射线衍射、Hirshfeld表面分析、能量框架计算和密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）研究，该工作阐明了分子构象、分子间相互作用和晶体对称性之间的关系。

### **论文解读：氟取代对非手性芘基查尔酮手性结晶行为的影响研究**

**一、 研究背景、问题与意义**

芘基查尔酮是一类重要的共轭有机分子，结合了多环芳烃的电子丰富性和查尔酮结构的可调性。其刚性的π-体系、扩展的共轭和光物理响应性使其在光电器件、荧光传感器、非线性光学（Nonlinear Optics, NLO）和安全印刷油墨等领域具有广泛应用前景。其中，PPPO及其衍生物因其电荷转移特性和可变的晶体堆积模式而成为有机材料中有前景的骨架。然而，芘衍生物的结构变化常导致中心对称或结构多样的晶型，使得结构与堆积关系复杂化。尽管许多PPPO衍生物表现出与客体包合和竞争性分子间相互作用相关的多晶型或结构可变性，但非手性分子在手性空间群中结晶的现象仍不常见，其内在机制值得深入探究。

氟原子引入有机分子常能通过C–H···F和C–F···π等相互作用影响晶体堆积，并可能有助于稳定有机固体中的非中心对称排列。本研究聚焦于氟取代的PPPO衍生物FPPO。该分子在分子水平上虽为非手性，却在无手性溶剂、共形成物或模板的条件下，结晶于手性正交晶系空间群P2₁2₁2₁。这一不寻常的结晶行为为研究微小的结构修饰如何影响晶体堆积和对称性提供了契机。本研究旨在阐明氟取代在诱导和稳定FPPO手性晶体堆积中的作用，并深入理解π-共轭查尔酮材料中分子构象、分子间相互作用与晶体对称性之间的关系。相关研究成果发表在《Journal of Molecular Structure》上，对于理性设计具有特定对称性和堆积模式的功能有机晶体材料具有重要的指导意义。

**二、 主要关键技术方法概述**

本研究综合运用了多种技术方法。在合成与表征方面，通过Claisen–Schmidt缩合反应合成了FPPO，并利用FTIR、核磁共振（¹H NMR, ¹³C NMR, ¹⁹F NMR）和电喷雾电离质谱（Electrospray Ionization Mass Spectrometry, ESI-MS）确认了其结构与纯度。晶体学分析是核心：研究人员从纯溶剂和混合溶剂体系培养出FPPO单晶，使用配备Mo Kα辐射的Bruker D8 Quest衍射仪在120-122 K下收集单晶X射线衍射数据，并通过直接法解析和全矩阵最小二乘法精修获得晶体结构。此外，研究还进行了系统的对比分析：从剑桥结构数据库（CSD）中检索了21个（共22个分子构象）含有PPPO骨架的相关晶体结构进行构象和堆积比较；利用CrystalExplorer软件进行Hirshfeld表面分析和能量框架计算，以可视化和量化分子间相互作用及其能量贡献；通过FTIR光谱（特别是羰基伸缩振动区）比较FPPO、CPPO和PPPO的振动特征，并研究了FPPO与TCNB的给体-受体相互作用；最后，采用密度泛函理论（DFT）在B3LYP-D3/6-31G**水平上对PPPO、NPPO、MPPO、CPPO和FPPO进行了几何优化和前线分子轨道（Frontier Molecular Orbital, FMO）分析，以评估取代基对电子结构的影响。

**三、 研究结果与讨论**

**3.1 晶体结构解析与分子间相互作用**
从乙酸乙酯（FPPO–1）和乙酸乙酯/乙醇混合物（FPPO–2）中获得的单晶均结晶于手性空间群P2₁2₁2₁。两个结构具有几乎相同的分子构象（非氢原子叠加的均方根偏差为0.005 ?），表明该堆积排列在不同结晶条件下可重现。FPPO分子呈现扭曲构象，芘环与末端苯环的二面角约为53°。晶体堆积由多种分子间相互作用稳定：一个分子内C17–H17···O1接触，以及两个主要的分子间作用——来自相邻分子苯环的C21–H21···O1相互作用（H···O = 2.630 ?）和来自芘环的C2–H2···F1相互作用（H···F = 2.588 ?）。此外，还观察到一个方向性的C–F···π相互作用（F···π距离为3.677(2) ?）。C–H···O作用沿c轴呈锯齿状延伸，而C–H···F作用则通过ab平面扩展，形成了波状堆积图案。这些相互作用共同产生了非中心对称的堆积排列。

**3.2 基于CSD的构象多样性比较分析**
对CSD中22个PPPO相关分子构象的分析表明，PPPO骨架具有显著的构象灵活性，其芘-苯（Py–Ph）扭转角范围从3.0°到86.13°。这种可变性受晶体对称性、分子间相互作用以及是否存在共结晶客体分子的共同影响。无客体的PPPO衍生物通常结晶于单斜或三斜空间群，而含有TCNB或TCNQ等电子受体的给体-受体共晶则表现出更大的构象多样性。取代基效应也很明显：硝基取代的NPPO接近平面构型（Py–Ph = 3.33°），甲氧基取代的MPPO占据中间扭转范围（约17–42°），而氯取代的CPPO则存在两种多晶型（单斜C2/c，Py–Ph = 7.5°；正交P2₁2₁2₁，Py–Ph = 48.54°）。FPPO的Py–Ph扭转角（约53°）处于观察到的扭转分布的上半部分，与手性CPPO多晶型（JAHQAN01）相近，但FPPO是在无客体条件下结晶的。这表明FPPO的堆积行为源于分子构象和分子间相互作用的共同影响，而非仅由氟取代引起。

**3.3 Hirshfeld表面与能量框架分析**
Hirshfeld表面分析显示，FPPO中C···H、O···H和F···H接触对分子间相互作用的贡献分别为30.3%、8.1%和8.3%。与手性CPPO多晶型（JAHQAN01）相比，FPPO具有更大的C···H和O···H贡献，并出现了F···H接触（CPPO中对应为Cl···H，占9.7%）。能量框架计算表明，FPPO和手性CPPO多晶型中，最强的分子对相互作用（总能量E_tot约为-58至-38 kJ mol^-1）均由色散力主导，静电贡献增加了堆积的方向特异性。两者具有相似的分子中心距离和能量组成，表明氟取代保留了相似的堆积拓扑结构或相互作用层次。

**3.4 FTIR光谱分析**
FTIR光谱显示，FPPO在1648 cm^-1处有一个尖锐的单羰基伸缩振动峰，而PPPO和MPPO则显示出多个吸收峰，表明存在结构或环境异质性。当FPPO与电子受体TCNB形成复合物时，其羰基峰发生+9 cm^-1的蓝移（移至1657 cm^-1），同时TCNB的氰基峰展宽且强度减弱。这些变化表明FPPO与TCNB之间发生了显著的给体-受体相互作用。FPPO在自由态和复合态下均表现出单一、尖锐的羰基吸收，这与其高分辨率、无客体、手性的晶体结构所反映的均一性相一致。

**3.5 DFT计算分析**
DFT计算揭示了不同取代基对PPPO衍生物电子结构的影响。FPPO的最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）和最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）能隙（ΔE）为3.08 eV，与PPPO（3.09 eV）和CPPO（3.04 eV）相近。MPPO的能隙最大（3.13 eV），而强吸电子硝基取代的NPPO能隙最小（2.73 eV）。计算得到的电离能、电子亲和势以及全局硬度、软度、电负性、化学势和亲电性指数等分子描述符表明，氟取代仅对芘-查尔酮骨架的电子结构引入了适度的改变，保留了其整体的电子特征。

**四、 结论与总结**

研究人员成功从两种不同溶剂体系中结晶出FPPO，获得了两种结构等效、均结晶于手性空间群P2₁2₁2₁的晶型。C–H···O、C–H···F和C–F···π相互作用的组合稳定了其在固态下的非中心对称堆积。与CSD中22个相关结构的比较表明，该家族分子的构象对取代基身份、晶体对称性、客体包合和分子间相互作用敏感。虽然手性晶体堆积并非FPPO独有，但该氟化衍生物以无客体的形式形成了具有较大芘-苯扭转角和明确分子间作用网络的手性结构。结果表明，氟取代通过引入额外的方向性接触（尤其是C–H···F和C–F···π相互作用）有助于稳定这种堆积排列。Hirshfeld表面分析识别出C···H、O···H和F···H接触是分子间缔合的主要贡献者，而能量框架计算显示色散力主导晶格稳定。FTIR测量揭示了与TCNB相互作用时光谱的明显变化，这与给体-受体缔合一致。DFT计算提供的电子结构参数补充了实验观察，表明所研究的查尔酮衍生物具有可比的前线轨道特性。综上所述，这些结果展示了一个微小的结构修饰如何影响PPPO家族内的分子构象和晶体堆积。因此，FPPO例证了取代基效应、分子间相互作用与非手性有机分子中手性晶体结构出现之间的关系。