从氧桥二聚体到氢键组装体：顺式二氧钒(V)席夫碱配合物自组装的立体控制

《Dalton Transactions》：From oxido-bridged dimers to hydrogen-bonded assemblies: steric control of self-assembly in cis-dioxovanadium(v) Schiff-base complexesOpen Access

　　

顺式二氧钒(V)（cis-VO₂⁺）结构单元是钒(V)配位化学中最基础的结构单元之一，然而控制其核数、自组装行为及结晶过程的因素仍未被充分理解。在本研究中，研究人员考察了来源于HSHED（N-水杨醛缩-N′-(2-羟乙基)乙二胺的单阴离子配位形式）的一类cis-VO₂⁺席夫碱配合物中的这些因素；HSHED近期被鉴定为具有潜在抗胶质母细胞瘤活性的配合物的前体。研究人员通过单晶X射线衍射表征了固态配位环境，通过多核NMR和紫外–可见光谱表征了溶液态行为，并利用密度泛函理论（DFT）计算进行了研究。该家族中先前报道的成员仅以含特征性共价O–V–O–V金刚石核的氧桥双核配合物形式结晶。为研究控制这一聚集过程的因素，研究人员设计了经立体修饰的配体以抑制氧桥的形成。本文呈现的新晶体结构包括氧桥二聚体[VO₂(3-OEt-5-Ad-HSHED)]₂，以及该家族中两个具有立体位阻席夫碱骨架的成员，它们经历不同的自组装过程，分别形成四聚体[VO₂(3-t-Bu-HSHED)]₄和二聚体[VO₂(3,5-di-t-Bu-HSHED)]₂。[VO₂(3-t-Bu-HSHED)]₄结晶为氢键连接的四核组装体，包含四个晶体学独立的单核配合物。该组装体容纳了四种不同的配体–金属立体异构体，这些异构体源于配体中心立体化学和金属配位化学的差异，同时每个钒中心均保持特征性的cis-VO₂⁺配位环境。该组装体在结晶过程中并未表现出强烈的立体化学区分，而是在共同的氢键网络内容纳了多种立体化学变体。利用⁵¹V和¹H NMR及UV-vis光谱进行的互补溶液研究表明，所有配合物在溶液中均形成单核物种。综上，这些结果表明该家族中的自组装受结构因素的层级控制：cis-VO₂⁺单元优先的局部配位几何被强烈保守，而立体效应将聚集过程从共价O–V–O–V金刚石核的形成转向氢键超分子组装。晶体结构表明，多种立体异构体被纳入同一氢键组装体中，提示cis-VO₂⁺单元的配位偏好与氢键网络在结晶过程中共同压倒了立体化学区分。

**论文解读文章**

**一、研究背景与科学问题**

顺式二氧钒(V)（cis-VO₂⁺）结构单元是钒(V)配位化学中最为基础且普遍存在的结构基元之一。与锕系元素（如铀、镎、钚）形成线性trans-二氧结构不同，钒(V)由于d轨道较为紧凑，倾向于形成O–V–O键角为105–115°的cis构型，这一几何特征深刻决定了其配合物的整体配位结构。剑桥晶体结构数据库（CCSD）检索显示，含有cis-VO₂⁺单元的配合物包括约450个四配位、约700个五配位和约130个六配位结构，均因cis-VO₂单元的存在而偏离理想几何。这类配合物在催化、材料和生物医学领域有广泛应用，其中含O,N,N-配位基元的席夫碱配合物尤其受到关注。

N-水杨醛缩-N′-(2-羟乙基)乙二胺（HSHED）及其衍生物是三齿席夫碱配体的代表。研究人员对此类配体尤为感兴趣，因为其顺式二氧钒(V)席夫碱配合物的邻苯二酚衍生物表现出显著的抗癌活性，且在稳定性与反应性上呈现根本性差异。结构-活性关系研究表明，当邻苯二酚配体解离后，会重新生成cis-VO₂⁺-席夫碱配合物；该衍生物单独测试时几乎无抗癌效果，但由非无辜配合物原位生成时却表现出抗增殖作用。然而，一个长期存在的难题是：文献中报道的诸多cis-VO₂⁺-席夫碱配合物，尽管部分以单核结构示意图发表，但X射线晶体结构分析表明，它们实际上均通过四元共价O–V–O–V金刚石核形成双核结构。这一固有条聚倾向限制了溶液中单核物种的获得，也影响了与血清蛋白等生物大分子相互作用的可能性。因此，理解并调控这些配合物的核数与自组装行为，对于设计具有更优生物活性的钒配合物具有重要意义。

**二、研究目的与总体发现**

本研究旨在探究立体位阻效应对cis-VO₂⁺-席夫碱配合物自组装的调控作用。研究人员设计了系列在酚醛环3位和/或5位带有不同体积取代基的HSHED衍生配体，考察其对氧桥二聚体形成的抑制能力。通过单晶X射线衍射、多核NMR（⁵¹V和¹H）、UV-vis光谱及DFT计算，系统研究了三个新配合物的固态结构与溶液行为。研究获得了三个关键结构：[VO₂(3-OEt-5-Ad-HSHED)]₂（1，含O–V–O–V金刚石核的氧桥二聚体）、[VO₂(3-t-Bu-HSHED)]₄（2，氢键连接的四核组装体）和[VO₂(3,5-di-t-Bu-HSHED)]₂（3，基于氢键的二聚体）。这些结果表明，3位叔丁基取代可有效阻断共价金刚石核的形成，使自组装转向氢键超分子网络；而仅有5位大体积取代基则不足以破坏二聚化。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键方法：单晶X射线衍射（SC-XRD）用于确定固态结构，数据分别在Cu Kα和Mo Kα辐射下于100 K收集；多核NMR光谱（⁵¹V和¹H）用于溶液态物种鉴定与核数判断，⁵¹V化学位移以VOCl₃外标（0 ppm）为参比；紫外–可见吸收光谱用于监测溶液中的物种变化与配位行为；密度泛函理论（DFT）计算采用BP86/def2-SVP(TZVP)级别进行几何优化，TPSSh/def2-QZVP(TZVP)级别进行单点能计算，并运用SMD连续溶剂模型和GD3BJ色散校正；能量分解分析（EDA）基于Multiwfn程序实现Shubin Liu方法，将二聚化能量分解为量子、电子和立体贡献。样品为三个新合成的钒配合物，合成方法涉及席夫碱配体缩合及与钒源（VOSO₄·xH₂O或VO(acac)₂）的配位反应。

**四、主要研究结果**

**1. [VO₂(3-OEt-5-Ad-HSHED)]₂·0.26H₂O（1）的晶体结构**

配合物1结晶于正交晶系Pbca空间群，每个不对称单元含半个二聚体分子。结构中两个单核单元通过平面的O–V–O–V金刚石核连接，钒氧双键（V═O）长度为1.592(3)和1.692(3) ?，桥键V–O为2.258(3) ?，V?V间距为3.0498(13) ?。二聚体内存在酚氧与氨基N–H之间的分子内氢键（Ophenolic?Namino，2.291(4) ?），同时桥氧与相邻二聚体的乙醇臂之间存在分子间氢键。该结构证明，即使酚醛环5位带有金刚烷基这种极大体积的取代基，只要3位取代基不足以产生位阻干扰，O–V–O–V金刚石核仍然能够形成。

**2. [VO₂(3-t-Bu-HSHED)]₄（2）的晶体结构**

配合物2结晶于三斜晶系P1?空间群，Z = 8。其结构与此前所有HSHED家族成员截然不同：四个晶体学独立的单核cis-VO₂⁺配合物通过氢键网络组装成四核结构，而不含任何O–V–O–V金刚石核。四个钒中心的τ值分别为0.531、0.387、0.517和0.342，表明它们处于畸变四方锥（SP，τ≈0）到畸变三角双锥（TBP，τ≈1）之间的不同几何构型。配体HSHED骨架上的手性胺中心产生R和S两种构型，四个分子中两个为R、两个为S。氢键分析显示存在三种类型的分子间氢键：氨基N–H?O═V、乙醇臂O–H?O═V以及相邻分子乙醇臂之间的O–H?O相互作用。这些氢键将四个单核单元连接为两个伪二聚对，再进一步组装为四核整体。与氧桥二聚体中特征性的酚氧?H–N氢键不同，2的氢键网络完全由N–H?O═V和O–H?O═V相互作用构成，体现了自组装路径的根本性转变。

**3. [VO₂(3,5-di-t-Bu-HSHED)]₂（3）的晶体结构**

配合物3结晶于单斜晶系P21/c空间群，不对称单元含一个完整分子。3位和5位的两个叔丁基均阻止了O–V–O–V金刚石核的形成，但不同于2的四核组装，3通过乙醇臂氧与相邻分子钒氧基（V═O）之间的分子间氢键（Ooxido?Oalcohol，2.7730(14) ?）形成二聚体。该氢键模式与氧桥二聚体中的酚氧-氨基氢键完全不同，且不涉及酚氧与氨基N–H的直接作用。τ值略大于0.5表明钒中心更偏向畸变TBP几何。此外，3位叔丁基的C–H与酚氧之间存在分子内非常规氢键（R1/1(6)环），氨基N–H与相邻分子钒氧基之间还存在长程链状氢键（C1/1(4)）。这些结果表明，3位叔丁基是破坏O–V–O–V核的关键因素，而5位叔丁基虽远离钒中心，但通过协同立体效应进一步限制了配位几何的多样性。

**4. DFT理论计算**

DFT计算表明，在气相中，[VO₂(HSHED)]和[VO₂(3-t-Bu-HSHED)]的二聚体均比单体更稳定（电子能变化分别为13.8和5.2 kcal mol^-1）；但在溶液相（DMSO和MeOH）中，单体均比二聚体更稳定（分别为4.4和11.9 kcal mol^-1），二聚化脱溶剂代价约为18.3和17.2 kcal mol^-1。能量分解分析显示，二聚化过程中量子项（Pauli排斥）均为较大的正值，而立体项（电子限域）为较大的负值，二者近乎抵消；静电源的负值（[VO₂(HSHED)]为?50.7 kcal mol^-1，配合物2为?58.0 kcal mol^-1）是驱动二聚化的主要稳定因素，与强氢键相互作用一致。3位叔丁基的引入增大了量子项的去稳定贡献（52.8 vs. 36.9 kcal mol^-1），从而削弱了二聚化的净稳定性。计算还预测，配合物2和3中氨基-酚氧氢键长度不对称性加剧（较长键达2.38–2.45 ?），表明立体应变确实干扰了稳定金刚石核的氢键网络。

**5. NMR与UV-vis溶液研究**

⁵¹V NMR研究表明，在DMSO-d₆中，配合物1、2、3均只显示一个信号（δ ?523.8、?532.3、?530.3 ppm），表明在非质子溶剂中为单一物种。在CD₃OD中，除钒酸根单体和二聚体的信号外，每个配合物还出现一个新信号（1：?440.0 ppm；2：?451.1 ppm；3：?448.2 ppm）。浓度依赖性⁵¹V NMR实验表明，两个主要信号的积分强度均随总钒浓度线性增长，证实在甲醇中观察到的两个物种均为单核物种。这意味着固态中的氧桥二聚体在甲醇溶液中解离为单核配合物，O–V–O–V共价核在溶液中被破坏。UV-vis光谱显示，在DMSO中配合物1在284和394 nm处有两个吸收峰；在MeOH中出现新的228 nm峰、504 nm宽峰和约370 nm肩峰，溶液颜色由黄色变为亮红色，与甲醇配位形成六配位加合物一致。研究人员进一步发现，配合物1在乙醇、1-辛醇、异丙醇和仲丁醇中均产生橙红色溶液，但颜色形成速率随醇的位阻增大而降低：乙醇 > 1-辛醇 > 异丙醇 > 仲丁醇，支持醇类配位机理。

**五、自组装的结构层级控制机制**

综合固态与溶液研究结果，研究人员提出了该家族配合物自组装的层级控制模型。cis-VO₂⁺单元的局部配位几何偏好被强烈保守，无论配体立体化学如何变化，每个钒中心均保持cis-二氧配位环境。聚集模式则取决于可用的稳定分子间相互作用：当共价O–V–O–V金刚石核形成被立体位阻阻断时，氢键提供了替代的自组装路径。这一路径对立体化学具有高度容忍性——配合物2的四核组装体同时容纳了四种不同的配体–金属立体异构体（R/S胺构型×TBP/SP-like钒几何），未表现出结晶过程中的立体化学区分。配合物3则因5位叔丁基的额外体积限制，仅形成一种配位几何的单核物种，简化了自组装过程，最终通过乙醇胺臂与钒氧基之间的氢键形成紧凑二聚体。

**六、研究结论与意义**

本研究得出以下核心结论：中等取代的席夫碱骨架（如3-乙氧基-5-金刚烷基）仍形成含O–V–O–V金刚石核的氧桥二聚体；3位叔丁基取代可有效破坏该共价金刚石核的形成，产生该系列中首批不含此结构单元的配合物。失去共价二聚化能力后，分子间氢键重新引导自组装形成超分子结构：[VO₂(3-t-Bu-HSHED)]₄形成罕见的氢键四核组装体，其中四个晶体学独立单核配合物通过N–H?O═V和O–H?O═V氢键连接，且H键网络可容纳多种立体异构体而不施加严格立体化学选择；[VO₂(3,5-di-t-Bu-HSHED)]₂则形成仅基于氢键的紧凑二聚体。溶液研究证实，固态中的氧桥二聚体在溶液中并不保留，所有配合物均以单核物种存在；甲醇中观测到的新物种是甲醇配位形成六配位加合物的结果，且加合物形成速率随醇的位阻增大而降低。DFT计算从能量学角度解释了上述实验现象：溶液中的二聚化存在显著的脱溶剂代价，而3位叔丁基通过增大量子排斥项削弱了二聚化的净 stabilization。总而言之，该家族配合物的自组装由结构因素层级控制：cis-VO₂⁺单元的固有配位偏好被强烈保守，立体效应则决定聚集是经由氧桥形成还是经由氢键缔合。这些发现为理解顺式二氧钒(V)-席夫碱化学中核数与超分子组织的控制因素提供了新的见解，并为设计具有可控组装行为的钒(V)及其他金属配合物提供了结构设计原则。