基于微波光谱的硫中心非共价相互作用的研究进展

卢 涛，徐玉高，王 贞，李小龙，靳 堰，李炆芹，冯 刚*

(1.重庆大学化学化工学院，重庆 401331；2.贵州医科大学生物与工程学院，贵州 贵阳 550025)

化学键是化学学科基础研究的核心问题.根据成键机制的不同，除了典型的共价键、离子键和金属键外，化学键还包括各种分子间和分子内非共价的次级键.这些非共价相互作用(也称为弱相互作用)虽然在能量上远低于共价键，但在超分子化学、生命科学和晶体工程等领域中发挥着极其重要的作用.

目前，关于含硫非共价相互作用的研究主要依赖于剑桥晶体结构数据库或蛋白质结构数据库和理论计算以及光谱法.晶体结构数据库和蛋白质结构数据库为研究者们提供了各种非共价相互作用的统计数据，并且有助于理解这类非共价相互作用在晶体结构或蛋白质结构中的作用.然而，晶体结构数据和蛋白质结构数据通常是在凝聚态下获取的，这些非共价相互作用信息往往会受到其他相互作用以及晶体或溶剂效应的影响[5].理论计算方法可以直观地给出模型体系的几何结构、非共价相互作用的类型、相关结构参数和能量以及内部动力学过程等信息，利用这些信息可以直接与从晶体结构数据库的统计分析中获得的结构特征和方向性信息进行比较.然而，随着模型体系尺寸增大和柔性增加，理论计算通常会给出许多能量非常接近的稳定构象，难以确定其优势构象，因此理论计算的可靠性需要相应的实验数据进行验证.

气相条件下研究非共价相互作用不会受到晶体或溶剂效应的影响，有利于获取更加准确和详细的分子结构、非共价相互作用的类型和能量特征等信息[6-7].高分辨转动光谱是精确解析非共价相互作用分子团簇体系的几何结构的有效方法之一[8].傅里叶变换微波光谱技术[8-9]是获取分子团簇转动光谱的主要方法，具有很高的光谱分辨率和检测灵敏度，不仅能够区分团簇的不同构型、分析互变异构动力学，还可以通过对光谱谱线的遂穿裂分和核四极超精细结构的观测获得大振幅运动的动力学和结构信息.

当前，一些综述和专著章节总结了转动光谱结合理论计算方法研究非共价相互作用的进展[7-8,10-14].本文总结和更新了采用微波光谱探究含硫非共价相互作用的进展，重点结合本课题组近期的研究结果，展示微波光谱结合理论计算研究如何帮助识别和描述分子团簇中的此类弱相互作用，以阐明含硫非共价相互作用的结构和能量特征.

1 微波光谱简介

傅里叶变换微波光谱技术，包括腔增强的脉冲喷射傅里叶变换微波光谱(PJ-FTMW)[15-16]和宽频的啁啾脉冲傅里叶变换微波光谱(CP-FTMW)[17]，是获取微波光谱的主要方法.详细的仪器技术原理可参见文献[9,15-17]，在此简要介绍本课题组构建的PJ-FTMW仪器及其信号采集原理.

本课题组基于Balle-Flygare傅里叶变换微波光谱技术[15]和Grabow等[16]设计的同轴共振方法构建的PJ-FTMW仪器[18]结构如图1所示.仪器主要部件包括超声射流束源、微波调制、时序控制、信号采集、Fabry-Pérot共振腔和真空系统等.该仪器的工作频段为2～20 GHz, 频率测量精度小于3 kHz，分辨率达到5 kHz.仪器采集微波光谱信号的步骤包括：1) 试样以脉冲形式(约0.5 ms)随着载气经电磁阀喷射进入Fabry-Pérot共振腔，产生超声射流；2) 施加特定频率的微波脉冲(0.2～1.0 μs)极化超声射流中的分子体系；3) 被极化的分子体系由高转动能级弛豫至低转动能级，产生自由感应衰减信号，即时域信号；4) 时域信号被检测器接收，经快速傅里叶变换得到频域谱图.为了获得更高的信噪比，通常需要对同一个频率点进行成百上千次的信号累加.实验中可通过调节微波功率、微波脉冲频率、共振镜面位置、采集点累加次数等来优化光谱信号，以获取目标体系及其同位素取代物的微波光谱.

2 含硫非共价相互作用

氢键通常可以表示为D—H…A，其中：D为质子供体，一般为电负性较大的原子，如O、N、F等；A为质子受体，一般由含有孤对电子或电负性较大的原子或具有较大电子云密度的基团如π电子体系等组成.当D和/或A为S原子时，则称之为硫氢键.D—H…A氢键作用的强度与D和A的电负性相关，通常D或A的电负性越大，氢键作用越强.由于S原子的电负性(2.58)比O原子(3.44)和N原子(3.04)的弱，因此理论上硫氢键要弱于氧氢键或氮氢键.然而，一些研究却证实酰胺与蛋氨酸或半胱氨酸之间的N—H…S氢键具有和N—H…O氢键相近的作用能量[19]；CH3OH与(CH3)2S之间的O—H…S氢键和CH3OH与(CH3)2O之间的O—H…O氢键的作用能量相当[20]；而H2S二聚体中的S—H…S氢键比H2O二聚体中的O—H…O氢键要弱[21]，符合S原子的电负性小于O原子的事实.作为氢键质子供体(S—H)时，硫氢键也表现出一些特异性：H2S与吲哚或3-甲基吲哚以S—H…π 氢键作用，不同于H2O与吲哚或3-甲基吲哚以N—H…O氢键作用，并且S—H…π的作用能量比N—H…π或O—H…π的均要大[22]；硫醇也主要以S—H…π 氢键与芳香化合物作用，但与N—H…π或O—H…π氢键不同，S—H…π氢键中S—H基团指向的并不是芳香环的中心[23].

当S原子与电负性较大的原子或基团共价相连时，其表面会产生正静电势区域(称为σ-穴或π-穴).图2展示了SO2和2,2,4,4-四氟-1,3-二硫杂环丁烷(C2F4S2)的分子表面静电势.SO2分子有两个正静电势区域，均垂直于分子平面，为π-穴；C2F4S2分子中的每个S原子有两个正静电势区域(σ-穴)，近似位于C—S共价键的延长线上，与共价键的夹角在150°～180°之间.这些正静电势区域可以与作为电子供体的路易斯碱发生相互作用形成硫键.2019年，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对硫键进行了明确的定义[24]，即分子中的氧族元素原子(O、S、Se、Te、Po)上的一个亲电区域与同一或不同分子中的亲核区域之间的吸引作用被称之为硫键.目前，硫键的作用本质仍颇具争议：有研究者认为硫键是σ-穴或π-穴作用的一种[12-13]，来源于供体分子中相应σ键或π键反方向处的正静电势区域和受体的n孤对电子或π电子的相互吸引.部分研究发现硫键的作用特点与静电相互作用有很好的相关性[25-26]；还有一些研究认为色散(dispersion)和n→σ*轨道离域(orbital delocalization)是硫键的主要贡献[27-28].

此外，分子中的S原子还能与烯烃或芳香烃形成非共价相互作用，包括S原子的孤对电子(简写为LP(S))与缺电子烯烃(如三氟一氯烯烃)或芳烃(如六氟苯和五氟吡啶)形成的LP(S)…π作用，以及S原子与富电子烯烃或芳香烃间的相互作用(S…π相互作用).研究发现，S原子能够以几乎相同的稳定能量与富电子或缺电子的芳香烃相互作用，而O原子只能与缺电子的芳香杂环形成LP(O)…π作用[29-30]，因此有研究者称S为原子“变色龙”.关于LP(S)…π和S…π作用的本质仍存在争议.

由此可见，含硫非共价相互作用具有多种形式，表现出一些特殊的结构和能量性质.当前对含硫非共价相互作用的研究还不够深入和全面，因此有必要总结含硫非共价相互作用的研究进展，归纳其成键规律、讨论其作用本质.

2.1 硫氢键

硫氢键通常被认为具有色散特征，其强度比O—H…O、O—H…N、N—H…O或N—H…N等传统氢键的相互作用弱，对蛋白质和功能晶体等的影响较低.然而，正如Biswal等[31]指出的，硫氢键可以像传统氢键一样强，具有类似的静电特性，能够影响许多蛋白质、多肽和有机晶体的结构和功能.

H2S与 H2O 类似，既可以作为氢键质子供体(S—H)，也可以作为质子受体.然而，直到2018年，Arunan课题组[21]研究了H2S同源二聚体的微波光谱，才证实其结构类似于H2O二聚体，两个H2S分子通过一个S—H…S氢键连接在一起，对应的键长和键角分别为277.8(9) pm和175(7)°.对于H2S…H2O二聚体，微波光谱实验观测到H2S分别作为质子供体和质子受体的两个结构.O—H…S和S—H…O氢键的键长分别为259.7(4)和219.5 pm.S—H…S、O—H…S和S—H…O氢键的键长均大于H2O二聚体中O—H…O氢键的键长(195.1 pm)，表明硫氢键的强度弱于O—H…O氢键.H2S作为质子供体，也可以与具有π电子的分子(如烯烃、炔烃和芳香烃)形成氢键复合物.此前，Arunan课题组研究了H2S分别与乙烯(C2H4)[32]、苯(C6H6)[33]和苯乙炔(PhCCH)[34]所形成复合物的微波光谱，证实H2S均通过S—H…π氢键与这些不饱和烃分子连接在一起.如图3所示，H2S分别与 C2H4和 C6H6的作用方式类似于H2O复合物，但是H2S与PhCCH的作用方式不同于H2O与PhCCH：H2S分子位于芳香环上方，其中一个H原子指向苯环中心，另外一个H原子指向与苯环相连的炔基的C原子；而H2O通过一个O—H…π(炔基)氢键和一个C—H…O氢键与PhCCH形成共平面的复合物.已有研究表明S—H…π氢键的作用能量均要比C—H…π、N—H…π和O—H…π氢键强[22].

同样地，硫醇既可以作为质子供体，也可以作为质子受体，是另一类适合于研究硫氢键的模型分子.微波光谱研究表明硫醇分子通常可以形成分子内硫氢键，例如C—H…S和S—H…X (X=N、O、F、S和π)[35-40].Juanes等[41]研究了2-呋喃甲硫醇(FM)分子的微波光谱，观测到两个构象(GG′和GG)，最稳定构象GG′中存在一个分子内S—H…O氢键，而构象GG中存在一个分子内S—H…π氢键.对于2-噻吩甲硫醇(TM)分子的微波光谱研究显示，实验上只观测到一个具有分子内S—H…π氢键的GG构象，未观测到具有分子内S—H…S氢键的GG′构象[42].当分子中同时存在两个—SH基团时，两个—SH基团之间可以形成S—H…S氢键，其键长在277～317 pm之间.S—H…S氢键的键角由于存在分子内束缚而偏离线性程度比较严重，其键角范围为97°～117°[43-45].

Juanes等[41-42]研究了FM、TM、2-呋喃甲醇(FA)和2-噻吩甲醇(TA)与H2O的异源二聚体，发现侧链及环上引入S原子均可显著影响其与H2O之间的相互作用方式：FA与H2O之间形成一个O—H…Ow氢键和一个Ow—H…O氢键，TA与 H2O 则以一个O—H…Ow氢键和一个Ow—H…π氢键形成的结构最稳定；FM通过一个Ow—H…O氢键和一个Ow—H…S氢键与H2O发生相互作用形成复合物，TM与H2O以Ow—H…π和Ow—H…S氢键相结合(图4).虽然这4种二聚体中的非共价相互作用主要是以静电力为主导，但是随着S原子个数增加，色散力的贡献逐渐增大.最近，Saragi等[46]探究了苯硫酚(PhSH)同源二聚体和三聚体中π…π堆积和S—H…S氢键之间的协同平衡.其中，二聚体以苯环相互平行的结构最稳定；三聚体则以3个S—H…S氢键和3个C—H…π氢键相结合，结构上具有C3对称性.而在苄硫醇(PhCH2SH)同源二聚体中，分子间相互作用为一个较强的S—H…S氢键以及一个S—H…π弱氢键和一个C—H…π弱氢键[47]，不存在π…π堆积；其中S—H…S氢键的键长为275 pm，稍短于PhSH二聚体(284 pm)和H2S二聚体(277.8(9) pm)中S—H…S氢键的键长.这些研究直观反映了取代基效应在调节π…π堆积和硫氢键结构的重要性.

硫醚中的S原子通常是作为质子受体参与形成氢键.(CH3)2S与甲醛(H2CO)形成C—H…S氢键[48]，且作用强于(CH3)2O与H2CO之间的C—H…O氢键.而(CH3)2S与CHF3形成的C—H…S氢键[49]则比(CH3)2O与CHF3之间的C—H…O氢键要弱[50].最近，本课题组研究了(CH3)2S与甲酰胺(HCONH2)复合物的微波光谱，证实该复合物的最稳定构象具有Cs对称性，两个单体之间形成了一个N—H…S 氢键和两个次级C—H…O相互作用，其中N—H…S氢键要弱于(CH3)2O…HCONH2复合物中的N—H…O氢键(图5).

由于二硫键(S—S)对蛋白质的折叠和结构稳定性有重要作用，本课题组研究了二乙基二硫醚(DEDS)分别与H2O、H2CO和HCONH2形成的二元团簇的微波光谱[51]，详细分析和表征了这3种二聚体中的氢键，获得了这些氢键的详细结构特征(图6)：DEDS…H2O和DEDS…HCONH2团簇中分子主要是通过O/N—H…S—S氢键结合在一起，C—H…O氢键对稳定团簇起辅助作用.相反地，DEDS…H2CO团簇中C—H…O氢键对团簇的稳定起主导作用，而C—H…S—S氢键作为次级相互作用辅助团簇的稳定.DEDS…H2CO团簇中的非共价相互作用以色散力为主，不同于其他两个团簇(以静电力为主).这主要是因为H2CO中的H原子是比OH和NH弱的质子供体.此外，通过比较团簇中的DEDS亚单元与DEDS单体的结构参数，发现分子间氢键的形成诱使分子骨架结构发生了改变.

通过上述例子，可以发现S原子作为质子受体和供体时，硫氢键的强度有时与氧氢键强度相当，甚至比氧氢键还强，违背了氢键强度与O和S原子的电负性大小保持一致趋势的事实.这说明质子供体和受体原子的电负性不是决定氢键作用强度的唯一因素，质子供体和受体原子的原子电荷和极化率在决定氢键强度方面也可能起着重要的作用.

2.2 硫 键

本节只讨论以S原子为缺电子中心的硫键，目前其微波光谱研究主要集中在SO2复合物体系.在SO2…HCN复合物的微波光谱实验中首次发现SO2作为硫键供体参与形成复合物[52].而在之前的研究中，当SO2与较强的路易斯碱形成复合物时，通常是SO2两端的O原子上的孤对电子参与形成氢键或卤键.随后，更多以SO2作为硫键供体参与形成复合物的微波光谱研究被报道.SO2中的S原子能够与H2O[53]、CH3OH[54]、(CH3)2O[55]中O原子上的孤对电子形成S…O硫键，其键长分别为282(2),285(2)和287(3) pm.SO2还能与(CH3)2NH[56]、(CH3)3N[57]和吡啶[58]中N原子上的孤对电子形成S…N硫键，其键长分别为234(3),226(3)和261(3) pm.另外，在SO2…CO 团簇中也观察到S…C硫键，其键长为349(2) pm[59].根据其所处的分子环境不同，S原子不但能作为硫键供体还能作为硫键受体.例如SO2上的S原子作为硫键供体能够与H2S[60]、(CH3)2S[61]上的S原子形成S…S硫键，其键长分别为367(3),300.8(3) pm.相较之下，S…N硫键最短, S…O硫键次之，S…S硫键最长.SO2还能够与具有π电子的乙炔 (C2H2)[62]、乙烯 (C2H4)[63]、丙烯 (C3H6)[64]和丙炔 (C3H4)[65]以及苯 (C6H6)[66]、甲苯 (C7H8)[67]和呋喃 (C4H4O)[68]形成S…π硫键.最近，本课题组研究了SO2与苯并呋喃(BZF)形成的异源二聚体的微波光谱，结果表明两个单体也是通过S…π硫键结合在一起的.NBO分析结果表明，SO2…BZF复合物中S…π硫键的二阶微扰稳定能(E(2))为8.2 kJ/mol，明显大于SO2…C6H6复合物中S…π硫键的(5.6 kJ/mol)，但是要比SO2…C4H4O 复合物中S…π硫键的能量(10.4 kJ/mol)小.在这3种复合物中，SO2与C6H6、C4H4O和BZF的质心距离分别为348.5，343.0和331.9 pm.对于上述SO2硫键复合物，其最稳定构象中硫键的朝向几乎都垂直于SO2分子平面，这是由于SO2分子中的S原子参与形成硫键的正电荷区域是π-穴导致的.并且由于SO2分子两端的O原子上的孤对电子也能够参与形成氢键或卤键，因此在上述一些SO2复合物的微波光谱中观察到了以硫键为主、次级弱氢键为辅的分子间相互作用拓扑几何结构，这有助于进一步增强硫键团簇的稳定性.在上述SO2复合物的微波光谱研究中，实验上都只观察到一个构象.最近，本课题组对SO2与环己醇(CHO)的二聚体进行了微波光谱研究，实验观测到4个构象的微波光谱，每个构象都是以一个S…O硫键作为主相互作用，C—H…O和O—H…O氢键作为次级相互作用(图7)[69].S…O硫键的键长范围为263.8(5)～284.8(5) pm，其键能范围为 20.3～26.7 kJ/mol.该研究结果有助于从分子水平层面理解分子间相互作用的拓扑几何与分子团簇的构象偏好之间的关系.

CS2也可以作为硫键供体与路易斯碱形成硫键复合物.目前，微波光谱研究包含CS2分别与H2O[70]、NH3[71]和(CH3)2O[72]形成的复合物.对于CS2…H2O和CS2…(CH3)2O复合物，CS2均是通过一个S…O硫键与H2O和(CH3)2O发生相互作用结合在一起，其键长分别为319.7(1)和289(5) pm.而CS2与NH3形成的复合物具有C3V对称性，存在一个S…N硫键，键长为333.8(10) pm.

最近，Gougoula等[73]研究了OCS…(CH3)3N复合物的微波光谱，证实OCS分子中的S原子上存在一个正电荷区域，与(CH3)3N分子中N原子上的孤对电子形成了S…N硫键，其键长为306.3(2) pm，比SO2…(CH3)3N复合物中S…N硫键的键长增加了80.3 pm，这表明OCS分子中的S原子被极化程度较低，即OCS是一种比SO2更弱的硫键供体.由于OCS分子中S原子上的正电荷区域位于分子轴延长线近S原子端，所以OCS…(CH3)3N复合物中S…N硫键的键角十分接近于180°，不同于SO2…(CH3)3N复合物中S…N硫键近乎垂直于SO2平面的结构.另外，SF6…NH3复合物[74]中SF6和NH3也是通过一个S…N 硫键相互作用结合在一起的，NH3分子的C3轴与SF6分子的一个C3轴是共轴的.

C2F4S2是另一个理想的硫键供体分子，—CF2的强吸电子效应使得C2F4S2分子中的S原子被高度极化，在2个S原子上共存在4个相同的正电荷区域，即存在4个σ-穴，这4个区域都是形成硫键的位点(图2).基于红外光谱和拉曼光谱的研究揭示了该分子形成硫键复合物的性质[75-76].本课题组系统研究了C2F4S2分别与H2O、H2S、NH3、CH2F2、CH3X (X=F、Cl、Br、I) 和(CH3)2CHNH2(IPA)形成的复合物来理解硫键的结构(图8)和作用能量特征[77-80].对于C2F4S2…H2O复合物[77]，1个S…O硫键将C2F4S2和H2O稳定结合在一起，其键长为291.2(5) pm.在该复合物中，实验观测到由H2O围绕它的C2轴内转动引起的谱线裂分，并测得内转动的能垒为87.4(2) cm-1.对于C2F4S2…H2S 复合物，实验观测到的构象与C2F4S2…H2O 复合物的结构类似，2个亚单元是通过1个S…S硫键结合在一起，其键长为354.483(4) pm，略小于其对应2个原子的范德华半径之和(360 pm).不同于C2F4S2…H2O复合物，在C2F4S2…H2S复合物中并未观察到由于H2S绕其C2轴进行内转动而产生的谱线裂分，主要是由于其内转动能垒较高(2 040 cm-1).而C2F4S2…NH3复合物通过1个S…N硫键相互作用而稳定存在，其键长为291.2 pm[80].对于C2F4S2…IPA复合物而言，实验观察到2个构象[79].有趣的是，由于IPA单体存在trans和gauche2个稳定构象，且trans构象比gauche构象稳定，但是实验观察到C2F4S2…IPA复合物的2个构象中涉及IPA单体的gauche构象的能量比trans构象的能量低；而且在这2个构象中，C2F4S2与IPA是通过1个S…N硫键和1个或者2个C—H…O弱氢键稳定结合在一起的，其键长范围为273.1～285.9 pm.在C2F4S2…CH2F2复合物[78]中2个单体主要通过1个S…F硫键、2个F…F和2个C—H…F 相互作用结合在一起，其中S…F键长为297.59(6) pm.同样地，在C2F4S2…CH3X (X=F、Cl、Br、I) 复合物的最稳定构象中均存在1个S…X硫键、2个F…X和2个C—H…F相互作用.S…X硫键和F…X相互作用的能量在C2F4S2…CH3X复合物中随着卤素原子半径的增加而减小，C2F4S2…CH3X 复合物的总相互作用能也随着卤素原子半径的增加而减小.

本课题组采用B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP方法对上述各种硫键化合物的最稳定构象重新进行结构优化和频率计算，随后在SAPT2+3/aug-cc-pVDZ理论水平上对每种复合物进行能量分解分析.结果表明，上述所有硫键复合物的总相互作用能量在-3.3 kJ/mol (SF6…NH3) 至-69.4 kJ/mol (SO2…(CH3)3N)之间，总相互作用能量大小的总体趋势为：S…C

3 总结及展望

本文总结了采用微波光谱研究含硫非共价相互作用的最新成果.针对不同含硫非共价相互作用的类型，分析讨论了不同供体或受体对含硫非共价相互作用的强度、成键特征及其本质的影响.微波光谱研究可以直接给出含硫非共价相互作用的结构细节，结合其他光谱方法和理论计算，提供了详细的构象偏好、分子结构和作用能量特征等信息.这些研究有助于更好地理解各种弱相互作用的本质，为进一步的应用研究提供基础.

当前，微波光谱研究含硫非共价相互作用仍然局限于相对较小尺寸和简单的模型体系.所研究的团簇大多数是二聚体.对于在分子识别、蛋白质结构和晶体材料中具有重要应用意义的大尺寸、更接近于实际的团簇体系的研究还几乎空白，限制了人们对含硫非共价相互作用的认识和全面理解.宽带转动光谱[17,81]、微波双共振光谱[82]、弱相互作用团簇的构象搜索[83]和色散校正密度泛函[84-85]等方法的发展使得大尺寸的复杂含硫分子团簇体系的研究成为可能.

此外，LP(S)…π、S…π等类型的分子间相互作用的研究也有待深入.对于S…π相互作用的研究主要是基于理论计算和蛋白质或晶体结构数据库识别，有关该类型相互作用的结构特征、能量和物理化学本质的研究甚少.最近本课题组采用微波光谱和量子化学理论计算方法研究了DEDS与BZF形成的二元复合物，初步认识了S…π相互作用和C—H…O、O—H…π和C—H…π氢键对构象稳定的贡献，且能量分解分析表明色散力是其主要作用成分.而LP(S)…π和S…π相互作用的成键机制尚待揭示.本课题组前期阐述了S—S形成氢键的特征和机制，但是关于S—S参与形成的其他类型的非共价相互作用的实验研究仍然匮乏，比如S—S与羰基形成的n→π*作用.因此，完善各种类型S—S非共价相互作用，从而完整阐述S—S非共价相互作用的成键机制的研究也亟待开展.