硫族与氮族键合作用的最新进展

《Canadian Journal of Chemistry》：Recent developments in chalcogen and pnictogen bonding

　　

本综述全面概述了硫族键合（ChB）与氮族键合（PnB）的最新研究进展，重点关注其在晶体工程、阴离子结合、生物应用及催化领域中的作用。研究人员概述了通过电子调控和取代基调节来增强这些非共价相互作用的关键设计策略，并考察了它们对分子组织与反应活性的影响。本总结阐明了硫族键与氮族键在从生物分子识别到材料开发和催化过程等不同领域中日益增长的重要性。

**论文解读：硫族与氮族σ-hole相互作用的最新进展**

**一、研究背景与意义**

超分子化学研究由弱可逆非共价相互作用维持的分子组装体，其中氢键（HB）、金属配位、π-相互作用等是经典驱动力。σ-hole相互作用作为一类特殊的非共价作用，源于14–17族元素共价键延伸方向上正静电势区域与Lewis碱之间的方向性吸引。其中，硫族键合（ChB）和氮族键合（PnB）分别涉及硫族（S、Se、Te）和氮族（P、As、Sb、Bi）原子作为σ-hole供体。尽管这类相互作用早已被认知，但其对水分和空气的敏感性长期限制了研究深度。近年来，随着对σ-hole本质理解的深入，ChB和PnB已在晶体工程、阴离子识别、仿生组装及催化等领域展现出巨大潜力。σ-hole相互作用的强度可通过主族元素的原子尺寸、极化率和取代基吸电子能力加以调节，例如ChB强度遵循S < Se < Te次序，PnB强度遵循P < As < Sb < Bi次序。此外，ChB和PnB供体可在同一分子骨架中容纳多个σ-hole，为多齿协同识别和选择性结合提供了结构基础。然而，该领域仍面临分子骨架多样性不足、协同效应利用不充分、溶液相稳定性欠佳等挑战，亟需系统梳理近年来的研究进展。

**二、研究内容概述**

该综述发表在《Canadian Journal of Chemistry》，系统总结了近五年来ChB和PnB在四个关键领域的研究进展。论文首先阐述了σ-hole相互作用的静电模型及其额外贡献，包括极化、色散力、疏水效应和轨道重叠（特别是Lewis碱HOMO向σ*反键轨道部分电荷转移）等。随后，研究人员分四部分详述了应用进展：晶体工程中ChB和PnB对固态组装方向的引导；阴离子识别与结合中的选择性和多齿协同策略；生物系统中的天然存在、仿生结构和药物活性；以及催化应用中不同氧化态催化剂的效能。论文通过典型案例分析，既展示了这些新兴相互作用的巨大潜力，也指出了当前存在的固有局限。

**三、主要技术方法**

研究人员综合运用多种实验与计算技术表征和评估ChB和PnB。单晶X射线衍射（SCXRD）是最广泛使用的结构确定方法，用于直接观察固态中的ChB/PnB几何特征。固态核磁共振（SSNMR），包括⁷⁷Se和¹²⁵Te交叉极化魔角旋转（CP/MAS）技术，为难以获得高质量单晶的体系提供补充表征手段。溶液态NMR滴定（如¹H、¹⁹F、³¹P NMR）用于测定阴离子结合常数。脉冲场梯度自旋回波（PFGSE）NMR用于评估溶液中的组装行为。密度泛函理论（DFT）计算、分子静电势（MEP）表面分析、QTAIM分析等计算方法用于阐明σ-hole深度、键合性质和相互作用能。此外，扫描隧道显微镜（STM）、粉末XRD、紫外-可见光谱和电化学方法也在具体研究中使用。蛋白质数据库（PDB）和剑桥结构数据库（CSD）检索用于发现天然生物分子中的ChB/PnB。

**四、研究结果**

**4.1 晶体工程中的ChB**

Vargas-Baca课题组合成了异碲唑鎓N-氧化物衍生物，通过NTe–ON或NTe–OPh ChB形成环状三聚体或四聚体结构，并可捕获客体分子。Bonifazi课题组开发的碲吩并噻吩类衍生物经双CTe–N ChB组装成一维超分子聚合物，其中吡啶基衍生物5Pyr制造的薄膜晶体管显示空穴迁移率为8.8 × 10^?5 cm² V^?1 s^?1的p型半导体特性。Fourmigué课题组报道了一系列芳香族双硒氰酸酯ChB供体，经C≡NSe–N≡C ChB形成一维结构；其中1,2-双(硒氰酸甲酯基)-丁二炔经ChB模板化实现固态1,4-聚合，属首次报道。Bryce课题组利用⁷⁷Se和¹²⁵Te SSNMR对ChB供体进行研究，发现共晶形成时化学位移和各向异性偶合张量发生规律性变化，可区分不同多晶型。

**4.2 晶体工程中的PnB**

Naka课题组合成了Pn桥连二苯砜（28–30），发现光激发可在28和29中形成新的CPhPn–O=S PnB并增强30中已有PnB，抑制结构弛豫从而产生光致发光现象。Cozzolino课题组的乙基锑杂环化合物35通过OSb–O和Sb–N PnB形成环状超分子结构，PFGSE NMR证实溶液中存在闭环单体与二聚体的平衡。同一课题组合成三齿Bi基PnB供体37，与三齿受体38共晶时形成三重NBi–NPy PnB连接的二聚体。Resnati和Murray等报道了5,5-二卤代巴比妥酸衍生物的晶体结构，其中亚胺氮原子作为PnB供体、C(sp2)和C(sp3)作为四键供体，形成N–O和C–O紧密接触。

**4.3 阴离子识别与结合**

设计策略方面，Navarro-García等报道了以苯或全氟苯为间隔基的三脚架硒吩受体（40、41），后者经77Se NMR证实Se原子参与ChB结合Cl^?和Br^?，而前者仅通过HB作用，证明吸电子取代基可开启ChB供体能力。Beckmann等设计四齿Sb基PnB受体，其Cl^?结合常数（2140 M^?1）较双齿类似物（76 M^?1）显著提高约28倍，展示了多σ-hole协同效应。Se基类似物（44、45）虽经晶体结构确认阴离子配位，但NMR未显示化学位移变化，表明Se供体在该骨架中结合力弱。协同结合系统中，Kuhn等将HB与PnB结合的三芳基Sb/Bi受体对Cl^?的结合常数达58–115 M^?1，远高于无HB的母体化合物。Tse等比较了三/四齿Te ChB供体与I XB供体对卤化物的亲和力，发现XB > ChB > HB趋势，且混合供体体系对Cl^?具有优先选择性。阴离子传感方面，Hein等开发了首个基于ChB的伏安阴离子传感器（51、52），响应强度顺序为Te > Se > H。Ghosh等将硒代咪唑鎓单元引入Ru(II)配合物构建荧光传感器（54），对碘离子和磷酸根具有选择性，对磷酸根显示“开启”型荧光响应。阴离子萃取研究中，Docker等开发的含有苯并-15-冠-5的ChB受体可同时结合铵阳离子，从氯仿中定量萃取NH₄I（>95%）和NH₄SCN（>95%）。Islam等报道三脚架硒代咪唑鎓ChB供体（56）可从纯水中选择性沉淀I^?。Pramanik等开发四齿Se基受体（57）用于去除ReO₄^?（作为⁹⁹TcO₄^?的非放射性替代物），疏水类似物Se4Do-PF6在约5 ppm低浓度下经液-液萃取实现约93%提取效率。还可用于水中碘去除（容量658 mg g^?1）。

**4.4 生物系统**

天然存在方面，Carugo对PDB数据库的检索发现约23%的含硫蛋白结构中存在涉及甲硫氨酸和二硫键的ChB，以S–O接触为主。Frontera、Biswal和Chopra课题组的更大规模调查鉴定了1749个Se/S–O/S相互作用，相互作用能范围?0.8至?7.8 kcal/mol，与弱或中等HB相当；并在细菌蛋白3S9X中确认了硒代甲硫氨酸与半胱氨酸之间的Se–S ChB。Bauza等对S-腺苷甲硫氨酸核糖开关的分析鉴定出多个S/Se–O ChB，相互作用能达?7.8至?19.5 kcal/mol，并可稳定RNA关键结构基序。Frontera课题组在As(III) S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶中发现As–O=C PnB稳定底物结合位点。仿生结构方面，Haberhauer课题组设计的苯并碲唑酰胺类分子经Te–O ChB和HB协同自组装形成双螺旋结构，计算的Te–O ChB结合能为?11至?12 kcal/mol。Yan课题组基于苯并硒二唑的氮杂肽衍生物（66–68）通过ChB与HB组合，可根据取代基不同分别组装成三种主要生物二级结构。Ams课题组合成的亚胺连接苯并噻二唑（BTD）衍生物（69）证明单体可仅通过S基ChB定位后共价锁定，实现类似DNA的自我复制。细胞摄取与转运方面，Mugesh课题组证明Se和Te相对O和S具有更优的细胞摄取效率，且与ChB能力相关。Matile课题组的计算分析表明硫原子的σ-hole参与硫醇介导的细胞摄取，并证实PnB可抑制该途径从而阻断胞质递送和病毒入胞。药物生物活性方面，Ebselen（71）的Se原子可与亚硝酸根阴离子形成Se–O ChB，增强其反应性并促进N-亚硝化反应。苯并异噻唑啉酮（72）的抗微生物活性源于硫原子形成S–O ChB的能力，S→O替换显著降低药效。Guidez和Aaker?y课题组对有机硫族化疗药物的研究表明含Te物种的抗癌活性高于Se类似物，暗示ChB能力与疗效相关。

**4.5 催化应用**

硒(IV)催化剂方面，Wirth和Nachtsheim合成咪唑并吡啶取代的硒鎓盐（74、75），双阳离子催化剂74b和75b在Povarov环加成中活性明显高于单阳离子类似物；带有弱配位BArF₂₀^?阴离子的75b实现约70%产率，而三氟甲磺酸根的74b仅得40%。Ke等报道了氧硒环戊鎓催化的Povarov环化-转移氢化串联反应，其中硒盐77先作为ChB供体活化N-芳基亚胺促进环加成，再经自由基途径介导氢转移，展示了自主串联双功能ChB催化。碲(IV)和碲(VI)催化剂方面，Pale和Mamane证明三芳基碲鎓催化剂78可通过Te–O ChB活化N-卤代琥珀酰亚胺，在芳烃溴化中5分钟内实现定量产率，并在分子内溴烷氧基化和内酯化反应中转化率超过90%。Manche?o课题组利用碲鎓盐79–81原位生成三苯甲游基阳离子用于羰基-烯环化和C–H官能团化反应。Wang等首次报道Te(VI)基ChB催化剂82–83，发现六价态通过单一增强σ-hole释放显著催化潜力；在二氟环丙烯氰化反应中产率达43%–91%，而传统Lewis酸B(C₆F₅)₃、Sc(OTf)₃和TMSOTf仅约20%转化率。催化剂82b在糖苷化反应中实现约80%产率和>20:1 β/α选择性，而四价类似物84b活性可忽略。锑(III)和锑(V)催化剂方面，Gabba?等证实通过几何约束增强二氯锑硼烷化合物85的路易斯酸性，在亚胺和喹啉衍生物的转移氢化中显著改善产率。Gabba?还开发了自活化金催化剂88，借助骨架内Au–Cl–Sb(V) PnB避免使用光敏银盐，在N-炔丙基-4-氟苯甲酰胺环异构化中经2小时获得约30%转化率，而锑(III)衍生物89不足3%。Matile等将聚乙二醇型取代基引入锑硼烷催化剂（92–94），首次实现PnB催化在水相喹啉转移氢化中的应用，催化趋势与σ-hole深度相关。该组随后报道了首个水相合成PnB酶体系，通过链霉亲和素突变体筛选使生物素化锑硼烷辅因子95的催化转化率从11%提升至超过40%。铋(III)和铋(V)催化剂方面，Dash和Vanka的计算研究表明五种Bi(III)催化剂在1-氯异色满转化中较Sb(III)类似物具有更低活化能垒。Zhu等对三芳基氮族(V)邻苯二酚盐的计算却发现Sb(V)比Bi(V)对氯离子形成更强的PnB，偏离了P < As < Sb < Bi的PnB强度趋势，表明铋的PnB催化能力受到稳定性、金属特性、Pauli排斥和抗衡阴离子配位等多种因素的综合影响。

**五、结论与展望**

该综述表明，过去十年间ChB和PnB在晶体工程、阴离子结合与识别、仿生系统开发和催化领域的应用取得了长足进步。ChB和PnB被策略性地整合到含多个σ-hole的分子骨架中，实现对相互作用强度的精细调控，促进复杂超分子和仿生结构的高效组装。这种理性设计方法已在阴离子选择性结合和催化性能提升方面取得成果。然而，当前仍面临多重挑战：即使存在多个σ-hole，周围位阻效应可能阻碍方向性并限制催化应用范围；多个相互作用间的负协同效应可削弱总体强度并降低组装效率；引入溶液相应用时还存在内在的结构稳定性问题。解决上述局限需要开发更多利用协同效应的多样化分子骨架，以充分释放σ-hole相互作用在晶体工程、阴离子结合、仿生系统发展和催化领域的全部潜力。