Salen型配体及其铁配合物的手性行为与外消旋化：一项X射线晶体结构研究

《Crystals》：Chiral Behavior and Racemization of Salen-Type Ligands and Their Iron Complexes: An X-Ray Crystal Structure Study

　　

手性Salen型金属配合物在多种应用中具有前景，但其晶体常表现出复杂的手性行为。研究人员研究了含有1,2-二苯基乙二胺（1,2-diphenylethylenediamine）部分的氯取代Salen型配体及其铁配合物的晶体结构，揭示了多种手性现象。使用(1S,2S)-、(1R,2R)-和外消旋（racemic）起始胺合成配体，仅得到外消旋配体。在由FeSO₄·6H₂O (1)形成双核氧化Fe^III-O-Fe^III配合物的过程中，观察到配体发生类似的外消旋化。相反，与FeCl₃络合时，即使在铁(III)配合物(2)中也保持了光学活性的(1S,2S)-构型。为阐明这些结构特征，通过Hirshfeld表面分析（Hirshfeld surface analysis）量化了分子间相互作用。此外，采用生成式AI（Gemini, Google）进行数据解读，以讨论手性结构特征与Hirshfeld表面分析之间的相关性。

**论文解读：Salen型配体及其铁配合物的手性行为与外消旋化**

**研究背景与问题**

Salen型配体因其合成简便、高稳定性和可调结构，在配位化学和材料科学中广泛应用，尤其在不对称催化和光功能材料领域，手性Salen型金属配合物具有重要价值。然而，这类配合物在晶体中常表现出复杂的手性行为，尤其是含有1,2-二苯基乙二胺（1,2-diphenylethylenediamine）骨架的配体，其亚胺C=N键在溶液中可能发生可逆断裂，导致手性中心的外消旋化。现有研究对光学活性化合物的外消旋化现象关注较少，因为其合成价值有限，但理解分子手性在加热、络合及结晶过程中的保持、反转或聚集机制，对于设计功能性手性结构至关重要。因此，本研究旨在通过系统解析氯取代Salen型配体及其铁配合物的晶体结构，阐明金属离子配位对手性稳定性的影响，并揭示外消旋化发生的条件。

**研究内容与结论**

研究人员利用单晶X射线衍射（SCXRD）技术，研究了由3,5-二氯水杨醛与不同光学纯度的1,2-二苯基乙二胺合成的Salen型配体，以及相应的铁配合物。结果表明，无论使用(1S,2S)-、(1R,2R)-还是外消旋起始胺，自由配体均结晶为外消旋混合物，表明在溶液或结晶过程中发生了完全外消旋化。当使用FeSO₄·6H₂O作为铁源时，所得的双核氧桥联铁(III)配合物（1）同样为外消旋体，表明铁(II)氧化为铁(III)的过程并未抑制配体外消旋化。相反，使用FeCl₃与手性二胺直接络合，得到的单核铁(III)配合物（2）完全保留了(1S,2S)-绝对构型，结晶于非中心对称空间群P2₁。这些发现表明，金属离子配位能有效刚性化配体骨架，抑制亚胺键的可逆裂解，从而阻止外消旋化。该论文发表在《Crystals》上，为理解Schiff碱配体的动态立体化学行为提供了罕见实例，强调了金属模板化组装对结构稳定化的重要作用。

**关键技术方法**

本研究主要采用以下关键技术方法：1) 单晶X射线衍射（SCXRD）用于确定晶体结构、空间群及绝对构型（Flack参数）；2) Hirshfeld表面分析（Hirshfeld surface analysis）用于量化分子间相互作用，通过归一化接触距离（d_norm）和二维指纹图（2D fingerprint plots）评估不同接触类型（如H…H、Cl…H等）的占比；3) 生成式AI（Gemini, Google）辅助数据解读，利用其分析二维指纹图的视觉特征，探讨手性结构与Hirshfeld表面分析结果之间的相关性。所有化学试剂均购自商业来源（如Kanto Chemical、FUJIFILM Wako Pure Chemical等），无需进一步纯化。

**研究结果**

**3.1 晶体结构**：通过SCXRD分析，发现自由配体（无论起始胺为外消旋、(1S,2S)或(1R,2R)）均结晶于三斜晶系中心对称空间群P-1，且晶胞参数一致，表明仅得到外消旋晶体。配合物1（由FeSO₄·6H₂O合成）结晶于单斜晶系中心对称空间群C2/c，为外消旋混合物，其配体呈现扭曲的方锥几何构型，扭曲角较大（如Fe1–O1–C10–C28 = ?146.8°），归因于桥联结构。配合物2（由FeCl₃与(1S,2S)-二胺合成）结晶于单斜晶系非中心对称空间群P2₁，Flack参数为0.069(13)，确认绝对构型保持；其配体骨架近平面（扭转角接近0°或180°），形成六配位扭曲八面体几何构型。

**3.2 晶体堆积与Hirshfeld表面分析**：通过Hirshfeld表面分析，量化了各晶体中分子间接触的贡献。

**3.2.1 3,5-Cl配体外消旋体**：研究显示，自由配体晶体中H…H接触占30.3%，Cl…H/H…Cl接触占28.0%，C…H/H…C接触占17.3%，H…O/O…H接触占6.4%。这些接触反映了对映体之间的异手性识别，平衡的分布是稳定外消旋晶体的拓扑特征。

**3.2.2 配合物1（外消旋）**：该外消旋配合物中，Cl…H/H…Cl接触跃升至34.8%，成为主导相互作用，表明金属模板化后，刚性化的手性配合物通过卤素介导的异手性互锁进行识别。H…H接触占23.7%，C…H/H…C接触占23.1%，提供了补充稳定化。

**3.2.3 配合物2（手性）**：在手性配合物中，Cl…H/H…Cl接触进一步增至37.3%，H…H接触占23.2%，C…H/H…C接触占18.8%。三价铁中心的高静电表面电位增强了外围C–Cl键的极化，使卤素接触成为主导，实现了高效的手性互补锁钥互锁机制。

**讨论总结**

讨论部分首先回顾了相关文献中1,2-二苯基乙二胺衍生的铁(III)配合物及非铁金属配合物的结构特征，指出大多数文献报道的配合物保留了起始胺的手性，但本研究中观察到的配体外消旋化现象较为罕见。其次，分析了手性转换机制：自由配体因亚胺键可逆断裂而发生外消旋，而FeCl₃的强配位作用锁定了手性骨架；FeSO₄体系中的氧化过程并未直接影响外消旋化，但外消旋起始胺导致产物为外消旋体。最后，通过AI驱动的Hirshfeld表面分析特征提取，揭示了从自由配体到铁配合物，卤素接触（Cl…H）的单调递增（28.0%→34.8%→37.3%）可作为手性判别的直接定量指标，反映了从松散自组装到刚性异手性互锁的转变。研究结论翻译如下：

在本研究中，通过单晶X射线衍射系统地研究了1,2-二苯基乙二胺衍生的Salen型配体及其铁配合物的立体化学行为。有趣的是，尽管使用对映体纯的二胺作为起始原料，自由配体却以外消旋混合物的形式结晶。在由铁(II)前体合成的氧桥联二聚铁^III配合物(1)中，观察到胺部分在结晶前或结晶过程中发生了类似的外消旋化。相反，直接利用铁(III)盐进行的络合使得所得配合物(2)完全保持了起始原料的绝对构型。这凸显了在没有氧化还原途径的情况下，金属配位有效地刚性化了手性骨架并抑制了外消旋化。这些发现提供了Schiff碱配体动态立体化学性质的一个引人注目且罕见的例子，强调了金属模板化组装对结构稳定性的深远影响。