ChevalRita 最近，论坛上的一篇帖子 单晶中靠自由基-芳环相互作用稳定的羟基自由基？？？ 引发了我的兴趣。在这篇JACS Au文中，作者在乙醇溶液、空气条件下让取代的水杨醛和丙二腈反应，生成了一类DCP自由基。这种自由基会直接沉淀，而滤液再缓慢蒸发，则会得到另一种晶体，被作者指认为DCPH和羟基自由基的共结晶产物。 作者对此的主要证据包括：单晶的差分傅里叶（作者认为）表明OH周围只有一个H；晶体呈现EPR活性；晶体与TEMPO、DMPO等自由基捕获剂放在一起能够通过质谱（对于DMPO是EPR）检测出OH自由基加合物；晶体可以用于某些需要活性氧的反应，且活性高于过氧化氢等。 此工作如果属实，不免令人啧啧称奇。这是因为OH自由基众所周知具备相当高的反应活性，难以生长在单晶中。更何况，无论是晶体还是溶液，都充满了能让OH自由基发生反应的东西：活泼氢、可以加成的pi体系等。作者将这个晶体的存在归结为OH自由基与相邻结构的氢键、自由基-pi相互作用等的共同贡献，但这真的足以稳定这么一个高度活泼的物种吗？另外，我们还会对如下事实感到奇怪：明明是从乙醇溶液里重结晶，乙醇的C-H比水的O-H容易攫取得多，为什么偏偏结晶过程中是攫取混入的微量水的O-H生成了OH自由基，而不是和乙醇反应生成乙醛？这些都促使我们不得不进行深入思考。 接下来，就让我们仔细检查一下这篇文章。 单晶结构中的DCPH真的是DCPH吗？ 在搞懂单晶中的“OH”是什么之前，让我们先来验证其他部分的指认对不对。以下是作者提供的晶体结构，OH自由基位于1个芳环的正下方，并与一个相邻氨基形成氢键，同时作为氢键给体与另一分子的氰基有一定相互作用。从几何结构来看，DCPH中间的苄基碳原子明显偏离平面，符合DCPH而不是DCP的特征。 在M06-2X/TZVP水平下，对DCPH、DCP、以及DCPH在N-上被攫氢生成的自由基DCP(N)进行结构优化，与单晶对比： 主要观察C-NH2,键长以及氨基邻位和对位的C-C键键长。在计算结果中，DCPH与单晶结构符合良好；DCP自由基接近平面型，显然不符合测出来的晶体结构。而N-自由基DCP(N)虽然是非平面，但键长也不符合晶体结构数据。因此，文中报道的晶体中有机部分可以确定是DCPH。 DCPH中关键化学键的键能如何？ DCPH中存在多种可能与OH自由基反应的位点，其中最主要是苄基C-H键和氨基N-H键。原文作者假设，这个晶体的生成过程中DCP自由基的碳原子攫取水的氢原子，这也涉及到C-H键能的问题。以下是在M06-2X/def2-TZVP//M06-2X/TZVP水平下得到的DCPH和水的关键键解离自由能： DCPH → DCP + H ΔG = 71.9 kcal/mol DCPH → DCP(N) + H ΔG = 95.4 kcal/mol HOH → OH + H ΔG = 108.5 kcal/mol 显然，DCPH相关化学键比水中的化学键弱得多。在热力学上如果想发生作者建议的过程，则晶体至少要能为OH提供36.6 kcal/mol（这还仅仅是考虑到氢原子转移，而没有考虑加成反应或其他副反应）的稳定化；而且这仅仅是个热力学的考虑，实际上必然还需要更多稳定化能来确保结晶动力学过程中OH能以足够寿命存在。 DCPH能提供如此多的稳定化能吗？ 从晶体结构中抽取了包含一个OH自由基和4个DCPH分子的团簇。这些DCPH从前后左右上五个方向将OH团团围住，可以认为包含了足够多的可能和OH相互作用的位点。为了表现晶体结构，在构型优化时固定了所有DCPH分子末端NEt2氮原子的位置。 为了衡量这个框架结构能给OH带来多少稳定化作用，分别对整体和(DCPH)4框架进行M06-2X/def2-TZVP单点计算，以气相OH作为能量零点，得到的稳定化能为： (DCPH)4 + OH → Cluster ΔE = -17.7 kcal/mol 把OH塞进这个框架里只能带来17.7 kcal/mol的稳定化能，远远达不到我们上面的估计。这样一来，这个结构在热力学上一定是不稳定的。 另外，为了进一步知道某些单独的相互作用能带来多少稳定化，还抽取了较小的团簇。例如这个表现自由基-pi作用的团簇Cluster_pi： 它所提供的稳定化能由以下反应的电子能量变化定义： DCPH + OH → Cluster_Pi ΔE = -5.4 kcal/mol 所有氢键作用可以由3个DCPH构成的Cluster_HB描述： (DCPH)3 + OH → Cluster_HB ΔE = -13.8 kcal/mol 因此，从团簇的角度来看，这些相互作用远远无法为OH提供足够的稳定化能力。 那么，有没有可能是包含OH的团簇虽然热力学不稳定，但动力学稳定呢？由于晶体结构中OH与DCPH的氨基氢原子形成氢键，让我们看一下OH沿着这根氢键攫取DCPH氨基氢的能垒： 过渡态结构见上，能垒只有7.2 kcal/mol耶！看来“动力学稳定”的假说也不太站得住脚了。 晶体中呢？ 虽然使用团簇的计算告诉我们DCPH团簇无法有效稳定OH，但还有一种可能是晶体特有的某些堆叠效应做出了决定性的贡献。使用CP2K结合PBE-D3BJ/MOLDZVP-MOLOPT-SR-GTH和r2scan/DZVP-MOLOPT-SR-GTH水平和222的k点，从晶体结构的211超晶胞出发进行构型优化，结果发现，保持存在OH、没有发生氢原子转移的结构根 本 优 化 不 出 来！这个结构根本不是势能面上的极小值点，而是会立刻发生氢转移，生成水和DCP(N)。 以r2scan泛函的结果为例，三个“OH”无一幸免。 重新审视实验结果 根据上述结果，可以判断DCPH和OH自由基无论是团簇里还是在晶体里都无法有效共存，并且很容易生成DCP(N)。但我们已经判断出了晶体中的有机物确实是DCPH，因此，足以高度怀疑，晶体结构中的“OH”不是羟基自由基，而是水，是单晶解析时少指认了一个H！ 虽然我并不熟悉晶体解析，不过坛友 @世界人民大团结 也在先前的讨论中指出“差傅里叶里面0.914700 0.896400 0.441800位置应该是个氢 也就是说作者指认的·OH更像是个水”。如果他说得有理，则与上述推论完全一致。 那么，如果这只是一个平平无奇的水合晶体，为什么还能有EPR信号、还会与OH捕获剂反应呢？ 关于EPR 由于我怀疑孤立的OH自由基是否会产生如同正文图中那样的单峰（而不是被H裂分），我决定仔细观察作者给出的晶体的EPR图： 作者没有提到对应的g因子是多少。 再让我们翻到SI的Figure S1，这里是作者给出的DCP自由基的EPR图形： 看起来似乎有点相似。但不知出于何种原因，这两张图的x坐标尺度不同，导致我们无法直接对比。总而言之，由于谱图质量不佳（严重展宽）且横坐标不统一，根据EPR无法判断自由基的归属，有可能“包含OH的自由基”的EPR谱图仅仅是因为混入了一部分DCP自由基。这可能是因为不小心混入，也可能是因为样品本身就具有异质性，是多种晶体的混合物，用去测量单晶的仅仅是其中一种。 关于捕获实验 遗憾的是，作者在SI里并没有给出捕获实验的细节。而为了验证捕获实验的有效性，我们必须知道它是在有氧还是无氧环境下做的、有无除水、是否进行了避光等。我的一个猜想是，混入的DCP自由基（或者它歧化产生的类醌物种）在样品制备过程中受到光照，产生了足以氧化水的激发态，从而产生了OH自由基；又或许是空气中的氧气在氧化DCPH时产生的活性氧物种最终生成了OH自由基。 综上所述，我们可以得出结论： 实验报道的“包含OH自由基”的晶体高度可疑，可能只是DCPH和水的共结晶，且成分可能具有异质性。计算表明原文主张的“包含OH自由基”的晶体无法存在。EPR证据无法有效证明OH自由基的存在。观察到的类OH反应性可能是由于杂质、操作过程中发生的其他反应所致。为了进一步验证文中结论，至少以下实验是必要的： 在严格无水无氧、避光条件下对“含OH的晶体”进行自由基捕获实验。 对各种晶体更加精密的EPR测量。 在自由基捕获实验中加入已经确定的DCP晶体，观察捕获量与DCP自由基浓度是否相关。
Chrysoberyl 听说过一些计算晶体学的方法，可以利用量子化学计算，基于已有的晶体结构，对晶胞内的电子密度进行更精确的归属与优化，从而实现更高质量的精修。一篇相关的工作如下，计算包名叫 NoSpherA2： https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d0sc05526c Olex2（晶体学常用的可视化精修软件）官方也在油管上提供了配套的使用教程： https://www.youtube.com/watch?v=fidBw8sI1Wk 或许可以通过计算将 O 原子指定为羟基和水分子的两种晶体结构，比较其 R 值，来从晶体学的角度判断哪种结构更合理？
ChevalRita 仔细检查文中的化合物表征数据，这里重点关注DCP自由基。 高分辨质谱m/z = 372.1565，符合以下离子： 对应于自由基的M+，也可以对应于自由基被氧化产生的醌的M+H+.作者随后给了个M.W. = 372.410乍看起来令人惊讶，因为和m/z之间的差异很大；但其实这里作者是把同位素平均后的分子量写上去了。 虽然作者将它指认为自由基，但核磁峰是锐利的。文字描述里没给积分，但作者贴了图： 这里图注的意思似乎是DMSO里化合物变成了DCPH，核磁也跟DCPH符合。类似地，碳谱对应的其实也是DCPH： 此外，作者也没有给出DCP自由基的单晶。也就是，作者对于以沉淀的形式分离出来的“DCP自由基”的表征只有个EPR！ 今天对本文实验进行了重复。结果发现，与作者记录的生成橙红色沉淀（“DCP自由基”）不同，过滤得到的是一个亮黄色沉淀。它的溶液同样是亮黄色的，在空气中比较稳定，但如果在纸或TLC板上吹干，则会分别变成粉红色和深红色，有可能对应原文中提到的橙红色物质。TLC板上的深红色物质在DCM/EtOH=3:1展开体系中呈现一个拖尾的色斑。在展开剂里加入1滴NEt3后，TLC板子一旦与展开剂蒸汽接触，深红色物质就会褪色变回黄色，展开后得到1个极性较小的点，呈现淡黄色，在DCM/EtOH=5:1并添加NEt3的展开体系中Rf0.8。这个小极性点暴露在空气中会重新变成红色，重新变红的点展开后情况与初次展开相同。这些观察提示红色物质和亮黄色物质可以通过氧化还原可逆变化。可能是DCPH/DCP自由基的氧化还原对，也可能是醌与自由基或醌与DCPH的氧化还原对。 鉴于原文给出的表征信息也不足以区分醌与DCP自由基，这就要求我们补充以下实验，以确认相关物质究竟是什么： 设法重复得到橙红色物质。 对橙红色物质和亮黄色物质分别测固体EPR和除氧条件下的溶液EPR。原文是在DMSO里测的，但根据核磁DMSO中大部分都会变成DCPH，因此可能需要对比多种溶剂，特别是CCl4等不含可攫取H的溶剂。 使用EPR对橙红色物质的自由基进行定量。
