利用分子内氢键调控晶体中双吡啶基芳香二甲酰胺的构象

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作为一种具有明确方向性的非共价相互作用,氢键对晶体合成可以产生重要的影响。合理地设计氢键可以帮助人们获得预期的分子构象及排列方式,因而改变分子的化学反应活性或物理性质。柔性芳酰胺的构象变化提供了一种产生晶体结构多样性的方法,但有时需要通过合理的分子设计来提高局部构象的偏好。在本论文中,基于酰胺基团与烷氧基之间的分子内氢键,我们设计合成了一系列双吡啶基芳香二甲酰胺衍生物,并制备了它们的有机晶体和配合物。通过分析晶体中双吡啶基芳香二甲酰胺衍生物的结构特征,讨论了分子内氢键对分子构象的调控能力。在第二章中,我们将两个甲氧基引入到N,N’-双(4-吡啶基)间苯二甲酰胺(简称为bpi)上,希望利用分子内氢键限制部分分子内旋转。我们合成了4,6-二甲氧基-N,N’-双(4-吡啶基)间苯二甲酰胺(简称为dmbpi),进一步制备了9个含有dmbpi的有机晶体。单晶X射线衍射数据表明,由于分子内氢键的限制,这些晶体中的dmbpi分子均采用anti,anti-构象。然而,在27个含有bpi的晶体中,bpi分子呈现三种构象类型。基于密度泛函理论计算的结果,我们推测构象分布的显著差异可能是由于dmbpi不同构象之间的能隙明显大于bpi不同构象之间的能隙。这些结果表明,在芳酰胺上引入合适的氢键受体以形成分子内氢键是晶体中实现所需的分子构象的有效途径。在第三章中,我们将两个甲氧基引入到N,N’-双(4-吡啶基)对苯二甲酰胺(简称为bpt)上,设计合成了2,5-二甲氧基-N,N’-双(4-吡啶基)对苯二甲酰胺(简称为dmbpt),并制备了4个含有dmbpt的有机晶体和8个含有dmbpt的配合物。通过结构分析可知,在这些晶体中,dmbpt分子中90%的酰胺基团NH与甲氧基形成了预期的分子内氢键。在15个dmbpt分子中有13个采取anti,anti-构象,两侧同时形成分子内氢键。总体来说,在bpt分子上合理地引入氢键受体可以以很高的概率在不同晶体中获得具有anti,anti-构象的dmbpt分子,这进一步支持了第二章的结论——在有机晶体和配合物中,分子内氢键能够有效地限制芳酰胺中苯环与酰胺基团间的分子内旋转。另外,在这些配合物中,dmbpt-5是二维金属有机骨架(MOF),dmbpt-6是三维MOF。两个配合物可以在一个反应器中同时生成,二者在产物中的比例依赖于反应物的浓度。在结构关系上,dmbpt-6的三维网络可以看作是由多个dmbpt-5的二维网络通过形成新的配位键连接形成的。在第四章中,我们在bpt上引入了乙撑二氧基,设计合成了一个新的建筑块,N,N’-双(4-吡啶基)-1,4-苯并二噁烷-5,8-二甲酰胺(简称为bpbd)。我们制备了5个含有bpbd的有机晶体和5个含有bpbd的配合物。在这些晶体中,bpbd分子中79%的酰胺基团NH与乙撑二氧基形成了预期的分子内氢键。通过与第三章中dmbpt体系的结构分析结果进行比较可以发现,dmbpt显著地倾向于形成“N形”构象,而bpbd在一定程度上倾向于形成“Ω形”构象。这些结果表明,在bpt的不同位置引入氢键受体可以理性地调控分子的构象。
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