质子转移驱动的1,10-菲咯啉磺酸酯一水合物晶体工程：超分子相互作用、电子结构及抗菌活性

《Journal of Molecular Structure》：Proton-transfer-driven crystal engineering of 1,10-phenanthrolinium sulfanilate monohydrate: supramolecular interactions, electronic structure and antibacterial activity

　　•通过单晶X射线衍射分析，确定了1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物中由质子转移驱动的超分子组装现象。•Hirshfeld表面和相互作用能框架分析表明，静电作用和色散力是维持晶体堆积稳定的主要因素。•N–H···O、O–H···O、C–H···O以及π–π相互作用共同构成了稳定的三维氢键结构。•实验中的FT-IR、拉曼光谱和紫外-可见光谱研究结果与DFT及TD-DFT计算结果高度一致，进一步证实了质子转移行为。•与单独的前体成分相比，质子转移盐的形成显著提升了其抗菌活性。

引言
晶体工程已成为一种强大的策略，通过精确调控氢键、π–π堆叠和静电作用等分子间相互作用，实现功能性分子固体的合理设计。超分子合成子的概念为理解和预测多组分分子组装中的晶体堆积方式提供了可靠框架，使得人们能够系统地构建具有特定结构和物理化学性质的氢键结构[1]。在此背景下，通过酸碱相互作用形成的质子转移分子盐是一类重要的超分子体系，因为质子迁移通常能增强结构稳定性、改变电子分布，并在晶体框架中形成可预测的氢键模式[2]。在含氮杂环超分子受体中，1,10-菲咯啉因其刚性的平面芳香结构以及两个相邻氮供体位点所具备的强质子接受能力而处于核心地位。这些特性使得该化合物能够形成稳定的质子化物种，进而参与定向氢键作用和芳香堆叠相互作用，因此成为构建超分子盐和氢键网络的重要构件[3]。基于此，以菲咯啉为基团的质子转移组装体被广泛视为一种多功能晶体工程平台，可通过N–H···O、O–H···O和π–π相互作用的协同作用形成有序结构[4]。

磺胺酸则是一种理想的超分子合成子组分，因为它在同一分子内同时具有强酸性的磺酸基团和具有氢键活性的氨基功能团。在酸碱体系中，磺酸基团可作为高效的氢键受体和质子供体，有助于形成稳定的氢键网络以及具有复杂结构连接的含水超分子组装体[5]。这类酸碱组合在旨在设计具有可预测堆积结构及更强分子间稳定性的质子转移盐的晶体工程策略中尤为重要。

近年来，诸如Hirshfeld表面映射和相互作用能框架计算等结构分析技术的进步，极大提升了对分子晶体中超分子有序排列所依赖的分子间接触的定量描述能力。这些方法能够详细识别起稳定作用的相互作用类型，并评估它们对晶体堆积稳定性的贡献，从而更深入地理解决定三维组装形成的结构导向力[6]。将振动光谱学与密度泛函理论计算相结合的实验-计算方法，进一步强化了对质子转移超分子体系中电子结构特征及分子间相互作用行为的解读[7]。最近的研究还表明，将量子化学计算与实验研究相结合，对于理解化学性质多样的体系中的分子反应性和结构-性质关系具有重要意义[8]。

由芳香杂环和功能性有机酸构成的、受氢键引导的超分子组装体，其堆积拓扑结构往往由微小的构象变化和弱的分子间相互作用所决定。先前的晶体学研究表明，即使氢键几何结构和分子取向发生微小变化，也会显著影响分子晶体的超分子结构及其相应的物理化学性质[9]。同样，涉及氢键供体和受体的多晶型态和超分子盐体系，也通过结合单晶衍射、Hirshfeld表面分析及计算研究，为理解结构-性质关系提供了重要线索[10]。

尤其是早期关于氢键超分子有机盐和多晶型分子体系的研究，强调了N–H···O、C–H···O以及π–π堆叠相互作用等弱分子间相互作用在引导晶体堆积结构及稳定三维超分子框架中的作用[[11], [12], [13]]。除了传统的量子化学方法外，最近的进展表明，数据驱动和机器学习方法也能为理解分子行为和性质预测提供补充视角，进一步拓展了用于结构-性质研究的工具箱[14]。这些研究都表明，将晶体学分析、Hirshfeld表面映射和密度泛函理论计算相结合，是理解控制分子组装形成的分子间相互作用层次结构的有效策略。尽管已有大量基于菲咯啉的质子转移盐的结构研究，但将定量分子间相互作用分析、电子结构评估和生物性质测定整合在统一框架内的研究仍相对较少。特别是，采用晶体学、Hirshfeld表面分析、相互作用能框架分析、光谱学、计算方法以及抗菌性能评估相结合的方法来研究菲咯啉-磺酸体系的情况更为罕见。因此，质子转移引发的超分子有序排列、电子结构变化以及功能行为之间的关联尚未被完全阐明。在当代材料科学和分析研究中，建立可靠的结构-性质关系具有更为重要的意义，因为分子层面的结构理解已被成功应用于优化膜的性能以及开发先进的传感平台[15,16]。

尽管在杂环质子转移盐的晶体工程方面已取得显著进展，但对于质子转移引发的超分子有序排列如何影响菲咯啉-磺酸体系中的电子特性和功能行为，目前仍缺乏深入理解。据我们所知，目前尚无研究采用结合单晶衍射、Hirshfeld表面分析、相互作用能框架分析以及抗菌性能评估的集成方法来研究1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物。因此，本研究旨在报道通过混合溶剂体系缓慢蒸发法制备的一种质子转移超分子盐——1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物的结构特征。通过单晶X射线衍射分析，并结合Hirshfeld表面分析和相互作用能框架计算，研究了该晶体结构的超分子有序排列情况，以确定维持晶体堆积稳定的主要分子间相互作用。本研究的核心目标是探讨1,10-菲咯啉与磺胺酸之间形成质子转移盐后，是否会导致超分子有序排列和电子结构发生可测量的变化，进而影响其抗菌性能，从而为揭示结构-性质关系提供新的见解，而不仅仅局限于确定新的晶体结构。

材料
1,10-菲咯啉（纯度≥99%）和磺胺酸（纯度≥99%）均购自商业供应商，无需进一步纯化即可使用。N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和蒸馏水均按原样使用，所有试剂均为分析级。结晶过程在实验室常温条件下，使用由DMF、乙醇和水组成的混合溶剂体系进行。

1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物的合成与结晶
通过缓慢蒸发法获得了1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物的单晶。

晶体结构与质子转移分析
单晶X射线衍射分析表明，1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物属于单斜晶系，空间群为C2/c。晶体学数据及优化参数总结于表1中。经过优化后，该结构的可靠性指标良好（R1=0.0455，对应I≥2σ(I)；wR2=0.1417；GOF=1.082），且残余电子密度较低（+0.77/?0.26 e ??3），说明所得结构模型具有较高的可靠性。

结论
通过溶液法结晶成功合成了质子转移超分子盐1,10-菲咯啉磺胺酸一水合物，并通过单晶X射线衍射以及多种互补的光谱学、计算和生物学方法对其进行了表征。结构分析证实，质子从磺胺酸转移到1,10-菲咯啉，从而形成了由电荷辅助的N–H···O和O–H···O氢键所稳定的离子型组装体。

资助
作者衷心感谢乌兹别克斯坦共和国科学院的支持。本研究是在“盐碱土化学分析、开发提高植物抗非生物和生物胁迫能力的保护剂以及评估农用化学品性能”这一预算主题下进行的，相关研究工作由“盐碱土化学与多功能化合物合成”实验室、“氮肥、复合肥料及刺激剂。超分子化合物”实验室负责实施。

未引用参考文献
[17]

CRediT作者贡献声明
Gulshoda Khushbok kizi Toirova：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，研究，数据整理，概念构建。Khayit Khudaynazarovich Turaev：方法学，研究，数据整理，概念构建。A. Aditya Prasad：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，数据整理。Kuvonch Bakhtiyor ugli Kholturaev：验证，方法学，研究，数据整理，概念构建。Adkhamjon Sadullayevich Normamatov：利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢乌兹别克斯坦共和国科学院A. Sadikov生物有机化学研究所的“集体使用中心”在研究过程中提供的仪器支持。

Gulshoda Khushbok kizi Toirova|Khayit Khudaynazarovich Turaev|A. Aditya Prasad|Kuvonch Bakhtiyor ugli Kholturaev|Adkhamjon Sadullayevich Normamatov|Avazbek Bakhtiyarovich Ibragimov|Togasharov Akhat Salimovich|Shukurov Zhamshid Sultanovich|Yakubov Yuldosh Yusupbaevich|Abrorbek Khamidjanovich Ruzmetov|Aziz Bakhtiyarovich Ibragimov|Balakrishnan Chellakarungu