1,2,4-噁二唑衍生物的质子转移：双质子转移与单质子转移

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Proton transfer of 1,2,4-oxadiazole derivatives: twin vs single proton transfer

研究取代三唑环为氧代二唑环的化合物HPOD及其甲氧基衍生物MPOD的激发态内分子质子转移（ESIPT）行为。结果表明，氧原子取代降低了α环的ESIPT倾向，β环的ESIPT完全被抑制，且溶剂极性显著影响荧光发射模式。单晶分析显示HPOD存在α-β环间的分子内氢键，密度泛函理论计算支持α环优先质子转移。

　　

Mongoli Brahma|Surabhi Verma|Kirti Yadav|G. Krishnamoorthy

印度理工学院古瓦哈提分校化学系，古瓦哈提，阿萨姆邦 781039，印度

摘要

3,5-双(2-羟基苯基)-1H-1,2,4-三唑（bis-HPTA）在激发态下会发生一种自我辅助的质子转移过程，即质子转移触发的质子转移（PTTPT）。通过合成2,2′-(1,2,4-氧杂二唑-3,5-二基)二酚（HPOD）及其甲氧基衍生物2-(3-(2-甲氧基苯基)-1,2,4-氧杂二唑-5-基)酚（MPOD），研究了用氧杂二唑取代三唑环的影响。还进行了密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT计算以验证实验结果。单晶分析显示HPOD具有平面结构，并且在两个单元中质子供体和受体之间存在氢键（分别标记为α环和β环）。α环中的氧杂二唑氮原子与碳原子相连，而β环中的氧杂二唑氮原子与氧原子和碳原子相连。尽管两个单元中都存在分子内氢键，但仅α环发生了激发态分子内质子转移（ESIPT-I），β环中没有发生ESIPT（ESIPT-II）。在非极性溶剂环己烷中，仅观察到异构体发射；而在其他研究的溶剂中，HPOD会发出正常发射和异构体发射两种信号。在二甲基甲酰胺和甲醇等溶剂中，还检测到了额外的阴离子。时间分辨和理论研究也支持了这些观察结果。甲氧基衍生物也发生了ESIPT。然而，通过将羟基替换为甲氧基，β环的断裂减少了α环上的ESIPT。理论模拟的振动光谱也表明，质子转移在HPOD的α环中更易发生。总之，更具电负性的氧原子取代降低了HPOD中的ESIPT倾向。

引言

氢键在自然界中无处不在；在与氢键相关的各种研究中，光子诱导的质子转移特别受到关注[1], [2], [3], [4], [5], [6]。激发态分子内质子转移（ESIPT）过程发生在光激发下，其中通过分子内氢键连接的供体/受体基团的酸碱性变化触发了从供体到受体的质子转移[7], [8], [9], [10], [11]。这一过程会导致异构体发射，并伴随着特征性的较大斯托克斯位移。除了异构体发射外，还可能观察到正常发射，从而产生双重荧光。异构体发射对周围微环境非常敏感，这使得ESIPT系统不仅在基础光物理研究中具有价值，而且在分子探针、传感、生物成像和光电子器件应用中也具有重要意义[12], [13], [14], [15], [16]。

由于其多样化的应用，对ESIPT分子的修改以及研究取代对ESIPT的影响始终是一个研究热点[17], [18], [19], [20], [21]。研究具有双分子内氢键环系统的ESIPT路径尤其令人兴奋[20], [22], [23], [24], [25], [26]。在这些系统中，质子转移可以同时进行，也可以分步进行，这取决于连接的取代基的性质或溶剂。时依赖密度泛函理论（TDDFT）计算表明，在3-(3-羟基吡啶-2-基)异喹啉-4-醇（PIQ）中促进了激发态双质子转移（ESDPT）[27]。据报道，2,5-二乙基-双(苯并噁唑基)-2,6-二羟基萘（DBBD）和一种取代的双吡啶二醇（H₂BP-(OH)₂DC-NH2）通过分步途径发生ESDPT[28], [29]。研究表明，较低电负性原子的取代有利于2,5-双(4,5-二苯基-1H-咪唑-2-基)苯-1,4-二醇（BDIBD）的分步ESDPT[30]。尽管N,N'-双(水杨基)-p-苯二胺（BSP）和苯并噁唑衍生物（双-2,5-(2-苯并噁唑基)氢醌）具有两个质子转移单元，但仅发生了单质子转移[31], [32]。而在2,5-双(4,5-二苯基-1H-咪唑-2-基)苯-1,4-二醇（BDIBD）中，由于存在两个质子转移单元，因此发生了连续质子转移[22]。

我们报道了一种新的激发态质子转移类型，即质子转移触发的质子转移（PTTPT），发生在3,5-双(2-羟基苯基)-1H-1,2,4-三唑（bis-HPTA，图1A）中[33]。Bis-HPTA具有两个分子内氢键环（α环和β环）。在非极性溶剂中，由于-NH单元和-N=三唑单元内的环状异构体的存在，β环中的分子内氢键较弱，在正常条件下不会发生ESIPT。激发后，首先沿α环发生ESIPT（ESIPT-I），形成单酮。结果，“NH”质子的酸碱性降低，从而减少了环状异构体，使得第二次质子转移（ESIPT-II）成为可能。在固态下，当环状异构体受到抑制时，β环也会发生ESIPT-II。然而，Li等人基于他们的理论计算认为在bis-HPTA中首先发生的是ESIPT-II[34]。但Li等人在他们的研究中完全忽略了竞争性环状异构体的影响。我们已经证明，在质子受体溶剂如N,N-二甲甲酰胺（DMF）中，β环上的ESIPT-II首先发生[35]。这是因为DMF是一种强质子受体，它与bis-HPTA的“NH”质子形成了分子间氢键，消除了环状异构体。最近，Xia等人使用非绝热表面跳跃动力学模拟和电子结构计算研究了bis-HPTA的激发态反应[36]。他们发现ESIPT-I的衰减路径无障碍，质子转移首先通过ESIPT-I途径发生，这与我们提出的机制一致[33]。Xia等人还研究了苯基取代对bis-HPTA的“NH”质子上ESIPT-I和ESIPT-II竞争途径的影响[37]。有趣的是，他们发现质子转移遵循无障碍的ESIPT-I衰减路径。

1,2,4-氧杂二唑是一个引人入胜的分子片段，已被用于许多生物学研究[38], [39], [40], [41]。在这项工作中，我们研究了用氧原子取代“NH”基团对bis-HPTA中ESIPT过程的影响。因此，我们设计并合成了2,2’-(1,2,4-氧杂二唑-3,5-二基)二酚（HPOD，图1B）及其甲氧基衍生物2-(3-(2-甲氧基苯基)-1,2,4-氧杂二唑-5-基)酚（MPOD，图1C）。与bis-HPTA类似，HPOD也具有两个通过分子内氢键连接的质子供体-受体单元，并形成了两个环，分别标记为α环和β环（图1B）。在不同溶剂中进行了紫外-可见吸收、稳态和时间分辨荧光研究。此外，还分析了单晶结构，并通过理论模拟了振动光谱和势能曲线以加强光谱分析。研究表明，电负性氧原子的取代显著影响了ESIPT。与bis-HPTA不同，HPOD仅沿α环发生ESIPT，而在MPOD中ESIPT的倾向进一步降低。

材料与方法

HPOD的合成方法遵循了类似分子的报道[33]。首先在二甲苯中将等摩尔的水杨酸和水杨酰胺与催化量的吡啶以及两当量的硫酰氯混合，然后在70°C下搅拌4小时（方案1）。随后，在甲醇中，在回流条件下，将此产物与等摩尔的羟胺盐酸盐和催化量的吡啶反应。18小时后，溶液……

晶体结构分析

HPOD和MPOD分别在室温下缓慢蒸发的条件下以无色、细针状和块状晶体的形式在甲醇中结晶。HPOD和MPOD分别属于P2₁/n和P2₁/c空间群。HPOD和MPOD的结构见图1，晶体学数据见补充信息（表S1和S2）。在HPOD中，两个苯环都相对于氧杂二唑环是平面的；在MPOD中，酚基单元也是平面的

结论

我们之前报道了bis-HPTA中的PTTPT现象，其中首先发生ESIPT-I，然后触发ESIPT-II。研究了用氧原子取代“NH”对PTTPT的影响。HPOD发出正常发射和一种异构体发射。尽管HPOD具有两个分子内氢键，但质子转移仅发生在其中一个环中。实验和理论计算表明，ESIPT仅沿α环发生，形成K1酮异构体。

CRediT作者贡献声明

Mongoli Brahma：方法学、形式分析、数据管理、概念化。Surabhi Verma：数据管理。Kirti Yadav：数据管理。G. Krishnamoorthy：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

资金来源

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作者感谢生物技术部（DBT）

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本文献给S. K. Dogra教授的84岁生日。作者感谢IIT Guwahati的Central Instruments Facility提供的Life-Spec-II仪器和NMR设备，以及IIT Guwahati的PARAM-ISHAN超级计算设施和计算机通信中心提供的高性能计算资源。作者还感谢印度生物技术部（DBT）对该项目（项目编号BT/NER/143/SP44675/2023）的财政支持。