羧酸与肟组装体的相互作用能：结构与能量学启示

《Materials Today Communications》：Interaction Energies of Carboxylic Acid and Oxime Assemblies: Structural and Energetic Implications

　　

非共价自组装体的稳定性取决于其相互作用能，该参数在非共价预设计合成、分子识别及基于自组装的分离过程中具有重要应用价值。目前，关于自组装体相互作用能的系统数据仍较匮乏，难以预测组装体的稳定构型及其多晶型现象。本研究采用密度泛函理论（DFT）方法，结合DEF2TZVP基组与ωB97X泛函，对不同羧酸分子与甲醛肟的二聚体进行了计算。针对甲酸或乙酸的三类独立氢键组装模式，研究人员通过相互作用能解析了其相对稳定性差异。氟取代乙酸的环状或链状组装体的相互作用能与优化结构均受取代基调控。总体而言，羧酸同二聚体或异二聚体中，含两个O-H…O键的环状结构更为稳定；而甲醛肟则以离散O-H…O键结合的二聚体为主要稳定形式。针对三种氟乙酸的三聚体与四聚体计算表明，组装体呈现特征性线性链状或环状结构；特定体系中还存在辅助性的O-H…F或O…π相互作用。在此类三聚体和四聚体中，含两个O-H…O键的环状二聚单元作用减弱，而离散或分叉氢键作用显著。本研究明确证实：相同分子集合可形成多个相互作用能相近的组装体；且随着组装体分子数增加，多重弱相互作用对稳定观测结构的作用愈发关键。

该研究发表于《Materials Today Communications》，聚焦于非共价自组装领域的核心科学问题。当前，超分子化学虽已借助拓扑分析、合成子分析与图集符号等手段表征自组装特征，但针对组装体稳定性的定量预测仍存在瓶颈——缺乏系统的相互作用能数据，导致难以预判组装体的优势构型与多晶型行为，尤其对三聚体及以上高阶组装体的能量规律认知严重不足。羧酸与肟基团广泛存在于生命体系、功能材料及药物分子中，其组装过程的能量机制直接关系到晶体工程设计、分离纯化及应用性能调控，因此开展此类体系的相互作用能系统研究具有重要的基础与应用价值。

研究人员采用密度泛函理论（DFT）计算方法，选用Gaussian 9程序与GaussView 6可视化工具，以def2-TZVP基组联合ωB97X泛函开展几何优化与能量计算。为消除基组叠加误差，采用原子分组策略处理多组分体系。通过计算甲酸二聚体与链状体的能量验证方法可靠性，并以6-311+G(d,p)基组进行预优化后开展高精度计算。相互作用能通过组装体总能量与各单体能量差值获得，同时结合频率计算验证结构收敛性并校正零点振动能，最终基于G = E_DFT+ ZPE + TS公式计算吉布斯自由能。

研究结果首先揭示羧酸二聚体的能量规律。甲酸三种二聚体（R₂²(8)环状、链状、含C-H^…O作用的环状）中，R₂²(8)构型最稳定，能量比链状低90.0 kJ/mol。乙酸的R₂²(8)环状二聚体（synthon IV）能量达-151.8 kJ/mol，显著高于含C-H^…O作用的环状异构体（-49.2 kJ/mol）。氟代乙酸系列中，环状二聚体稳定性随氟原子数增加而降低（单氟-99.6 kJ/mol、二氟-88.9 kJ/mol、三氟-81.9 kJ/mol），但均远高于对应链状结构。苯甲酸二聚体的理论优化结构与实验晶体数据高度吻合，验证了计算方法的准确性。异二聚体研究显示，甲酸-苯甲酸环状异二聚体比链状异二聚体稳定55.2 kJ/mol；m-氨基苯甲酸体系中，中性分子的R₂²(8)二聚体比两性离子二聚体更稳定，解释了其多晶型形成机制。热力学参数进一步证实，环状二聚体的吉布斯自由能显著低于链状结构，自发形成倾向更强。

三聚体组装呈现更丰富的结构多样性。甲酸三聚体以分叉氢键形成线性链状结构（R₂¹(4)图集符号），能量为-114.3 kJ/mol，比二聚链状体稳定65.9 kJ/mol。乙酸三聚体保持类似线性链状，而二氟乙酸三聚体则形成含辅助O-H^…F作用的R₃³(8)环状结构。三氟乙酸三聚体出现独特环状构型，除O-H^…O键外，还存在羰基氧与羧基碳的O-C_π-CO2相互作用（n-π*作用）。研究表明，三聚体中传统R₂²(8)二聚单元的重要性下降，取而代之的是依赖取代基特征的新型氢键模式与弱相互作用。

四聚体组装的能量与结构特征进一步凸显取代基效应。甲酸与乙酸四聚体均为线性链状，乙酸四聚体能量达-152.8 kJ/mol，高于此前报道值。氟代乙酸四聚体中，单氟与二氟衍生物呈锯齿形链状，而三氟乙酸形成含三个O-H^…O键的双环结构（R₃³(10)图集符号），所有CF₃基团向外排列，无显著氟原子参与作用。Reduced密度梯度等值面分析证实，氢键与范德华作用共同维持组装体稳定性，四聚体能量并非低阶组装单元的简单加和，几何因素与多重弱相互作用的协同提升了高阶组装的稳定性。

甲醛肟组装体系表现出独特规律。其同二聚体中，离散氢键结合的链状结构比R₂²(6)环状结构稳定20 kJ/mol。但与羧酸形成的异二聚体能量差异显著：与甲酸形成的异二聚体能量达-172.5 kJ/mol，远高于甲酸自身二聚体（-138.4 kJ/mol），预示两者更易形成共晶；而与乙酸的异二聚体能量仅为-94.1 kJ/mol，低于乙酸自身环状二聚体（-151.8 kJ/mol），故优先发生乙酸自组装。甲醛肟三聚体与四聚体分别采取线性链状与锯齿形排列，能量随分子数增加而升高，显示其更倾向于形成高阶组装而非低阶二聚体。

讨论与结论部分指出，羧酸二聚体优先形成R₂²(8)氢键合成子，但高阶组装的能量不再与低阶单元成整数倍关系，源于多重弱相互作用的引入。同二聚体与异二聚体极小的能量差可为双组分组装体的选择性分离提供依据，而不同构型的能量差异亦能解释腐蚀抑制剂的效率差异。取代基可显著调控三聚体与四聚体的结构与稳定性，氟代乙酸体系的结构多样性揭示了复杂组装模式的预测难度。尽管气相计算未考虑溶剂与晶体堆积效应，但通过构建溶剂化组装单元仍可区分分子间的竞争结合偏好。该研究建立的相互作用能数据库为预测同类分子组装体的相对稳定性提供了定量基准，对晶体工程、功能材料设计与分离科学具有重要指导意义。