利用分子天平评估溶液中苯二聚体相互作用的研究

研究人员报道了一项结合实验与计算的研究工作，以1,4/1,6-二苄基取代环辛四烯（cyclooctatetraene, COT）为分子天平模型，用于评估溶液中苯二聚体的相互作用。该工作通过在多种常用有机溶剂中考察1,4-与1,6-二苄基COT异构体之间的平衡实现目标。核磁共振（NMR）测量表明，无论溶剂种类如何，苯基处于邻近状态的1,6-COT异构体始终比空间位阻更小的展开态1,4-COT更稳定，稳定能约为0.3 kcal·mol−1。计算研究将1,6-COT中芳香基团间的伦敦色散（London dispersion, LD）作用鉴定为主要稳定驱动力。

本研究由研究人员发表于《Chemistry – A European Journal》，围绕芳香体系非共价相互作用（noncovalent interactions, NCIs）在生化、材料、催化等领域的核心作用展开。传统观点认为苯二聚体以π-π堆积或σ-π作用为主，但近年高精度气相研究表明其本质是范德华复合物，电荷转移、诱导、交换排斥及伦敦色散（LD）作用占主导，且解离能显著高于溶液环境。然而，气相数据无法直接外推至溶液，因熵效应与溶剂作用会显著削弱NCIs；现有分子天平模型多含极性基团，易引入偶极干扰，难以准确量化苯二聚体本身的溶液相行为。为此，研究人员开发了无键偶极的非极性COT分子天平，旨在排除极性干扰，精确测定溶液中苯二聚体的真实相互作用强度与本质。

研究中采用的关键技术方法包括：首先通过CREST构象搜索结合ωB97X-D4/def2-TZVPP级密度泛函理论（DFT）计算，对1,4-与1,6-COT异构体的能量面、构象分布及非共价相互作用进行全维度解析；其次利用对称性适配微扰理论（SAPT）与独立梯度模型（IGM）的非共价相互作用（NCI）绘图，定量拆解LD、静电、诱导等作用的贡献；实验上采用¹H-NMR光谱监测异构体平衡，结合变温实验获取热力学参数，并在12种常见有机溶剂中考察溶剂效应对平衡的影响；合成路径以1,5-环辛二烯为起始原料，经锂化、苄基溴捕获及碘氧化构建目标COT体系，并通过反相HPLC纯化得到单一异构体。

研究结果部分如下：

1 引言

研究回顾了苯二聚体的气相结构特征——倾斜T形（TT, C_s对称）与平行位移形（PD, C_2h对称）为势能面双极小，解离能约2.7–2.8 kcal·mol⁻¹，远高于溶液相值。现有分子天平（如Wilcox、Shimizu、Cockroft等体系）虽揭示了溶液相NCIs被显著衰减（可达80%），但因含极性基团，无法排除偶极与溶剂特异性作用干扰。COT体系因高对称性、无键偶极、NMR信号灵敏等优势，成为理想的无干扰模型。

2 结果与讨论

计算结果表明，1,6-COT的最稳定构象与气相苯二聚体高度相似：TT型中心苯距5.89 Å、滑移角103.8°，PD型苯距3.86 Å、夹角66.5°，二者总SAPT作用能分别为2.7 kcal·mol⁻¹与3.1 kcal·mol⁻¹，与气相苯二聚体数据吻合。NCI绘图与ISAPT（片段间SAPT）分析证实，LD作用是稳定1,6-COT的主要驱动力，静电与诱导作用贡献微弱，与气相苯二聚体作用机制一致。

实验合成获得纯品1,4/1,6-COT，变温NMR显示40 °C以上可快速达到平衡，浓度无关性验证其为分子内相互作用主导。热力学参数测定结果为ΔH = −0.52 ± 0.03 kcal·mol⁻¹，ΔS = −0.722 ± 0.081 cal·mol⁻¹·K⁻¹，ΔG = −0.30 ± 0.09 kcal·mol⁻¹（313 K），与Wilcox体系及含大体积DEDs（分散能给体）的COT体系数据一致，表明苯本身即为强效DEDs。

溶剂效应研究显示，除乙腈外，所有溶剂中1,6-COT均更稳定，ΔG波动于−0.23 kcal·mol⁻¹（苯-d₆）至−0.37 kcal·mol⁻¹（甲醇-d₄）之间。低极性溶剂中1,6-COT优势更高，源于其较小的溶剂可及表面积（SASA：482.5 Ųvs 1,4-COT的573.6 Ų）降低了溶剂-溶质不利作用，且更小的分子体积减少了溶剂笼空腔形成的熵代价。值得注意的是，平衡常数与传统溶剂参数（如溶剂极化率SP、极性-极化率SPP）无明显相关性，进一步印证体系无极性基团干扰，苯二聚体的LD作用在宽范围溶剂中保持恒定。

3 结论

研究证实1,4/1,6-二苄基COT分子天平可有效模拟溶液中苯二聚体相互作用。计算与实验一致表明，无论溶剂极性如何，折叠态1,6-COT始终比展开态1,4-COT稳定约0.3 kcal·mol⁻¹，该稳定能源于苯环间的LD作用。溶液相相互作用强度较气相（约2.7 kcal·mol⁻¹）衰减近90%，凸显了溶剂环境对非共价作用的显著削弱效应。该无极性干扰模型为精准量化芳香体系在溶液中的LD作用提供了可靠平台，对理解蛋白质折叠、DNA碱基堆叠及不对称催化中的非共价调控机制具有重要意义。