▲第一作者：Sharmila Samaroo
通讯作者：Thomas Guarr，David P. Hickey
通讯单位：美国密歇根州立大学，霍兰德Jolt储能公司
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01291-1
01
研究背景
电网级储能应用（如氧化还原液流电池）依赖于氧化还原活性有机分子的溶解度。虽然具有氧化还原活性的吡啶鎓在低电位下的多种氧化还原态中表现出卓越的持久性（这是储能应用的理想特性），但它们在非水介质中的溶解度仍然很低，而且几乎没有实用的分子设计策略来提高溶解度。
02
研究问题
本研究分析了芳香环的 C-H 基团和 π 电子之间离散的吸引力相互作用（C-H···π 相互作用）在多大程度上可以描述 N 取代的吡啶鎓盐在非水溶剂中的溶解度。本研究发现每种吡啶鎓盐的 C-H···π 相互作用的数量与其在乙腈中的溶解度之间存在直接的相关性。这项研究中呈现的相关性突显了强静电相互作用与弱分散相互作用相互干扰的结果，显示了微小的结构变化是如何对吡啶鎓的溶解度产生巨大影响的。
▲图1|提高电解质在非水溶剂中溶解度的策略比较
要点：
1.溶解度是由特定化合物作为固体沉淀与同一化合物被溶剂分子包围之间的动态平衡来定义的。这种平衡取决于分子与自身（溶质-溶质）以及与大量溶剂（溶剂-溶质）之间的静电、离子和伦敦分散相互作用的复杂组合。在 NRFB ROM 的范围内，提高母体在非水介质中溶解度的策略是基于“同类相溶”的原理。因此，以往提高 ROM 溶解度的方法主要是通过引入亲水性（如寡醚链和小离子基团）或疏水性（如长石蜡链和大离子基团）取代基来促进溶剂与溶剂之间的相互作用，从而与所需溶剂相匹配（图 1），这在基于吩噻嗪、1,4-二甲氧基苯和醌基的 ROM 中得到了证实。与母体 ROM 相比，这种方法可将溶解度大幅提高 0.5 M 之多。然而，引入常见的增溶取代基往往会导致不利的电化学或物理化学特性。例如，加入大的官能团（如聚醚链）可能会提高母体化合物的溶解度，但也可能产生不理想的理化性质（如高粘度），不利于 NRFB 的操作。因此，仍有必要找出可用于改善 ROM 溶解性的更细微的结构特征。
▲图2|吡啶鎓 ROM 的合成与非水溶性
要点：
1.本研究中的吡啶鎓盐是通过一种市售的γ-吡喃酮进行模块化两步合成制备的。这种合成方法（图 2a）利用格氏反应与 2,6-二甲基-γ-吡喃酮生成稳定的吡啶中间体，然后与苯胺反应生成 1。
2.本研究利用不同的 4-芳基取代基（即苯基、对甲苯基、对甲氧基苯基或 2,4-二甲基苯基）生成了四种碱基吡咯烷酮，其中后一种吡咯烷酮证明了立体受阻芳基格氏试剂在克级规模上的成功应用。芘中间体的后续反应同样是模块化的，可以有效地与贫电子（对三氟甲基）、富电子（4-甲基和 2,4-二甲氧基）和苯胺衍生物以及几种脂肪族链进行反应。利用这种简单的两步合成法，可以在母体 N-芳基-4-芳基-2,6-二甲基吡啶结构中引入立体和电子多样性，并生成 24 种克级吡啶鎓盐（图 2b）。这种合成方法所提供的 4-取代基和 N-取代基的广度使我们能够系统地研究分子结构与吡啶鎓溶解度之间的关系。
3.利用这个具有电子和立体多样性的吡啶鎓盐库，本研究试图找出取代基效应与在极性烷基溶剂中的溶解度之间的关系。通过紫外可见分光光度法测量了吡啶鎓在纯乙腈中的溶解度（图 2b）。尽管吡啶鎓的分子结构和离子对保持一致，但其溶解度在 0.3 至 2.1 M 之间存在很大差异。此外，吡啶鎓的溶解度可分为三个区域（图 2c），即低溶解度（<0.75 M）、中等溶解度（0.75-2.0 M）和高溶解度（>2.0 M）。经初步检查，数据显示分子结构的微小变化导致溶解度急剧增加。
▲图3|实验性吡啶氧化还原电位可验证 DFT 优化结构
要点：
1.密度泛函理论（DFT）计算可被用于生成可能与测量溶解度相关的分子描述符。为了确保所有计算出的吡啶鎓结构都能准确反映其实验对应物，本研究将实验测得的单电子还原电位与 DFT 输出计算出的单电子还原电位进行了比较（图 3b）。值得注意的是，许多衍生物的完全可逆氧化还原电位是已知 ROM 中最低的（相对于 Fc/Fc+ 为-1.54 至-1.77）。测量的氧化还原电势与模拟的氧化还原电势之间的线性相关（图 3c，R2 = 0.86）证实了单个几何优化结构的有效性，而模拟参数正是根据这些结构确定的。
▲图4|传统的物理有机分子描述符与吡啶溶解度不相关
要点：
1.本研究从计算出的氧化态的几何优化吡啶结构中提取了一系列分子描述符，以确定分子结构与溶解度之间的相关性。选择描述符的目的是测试先前报告的小有机分子结构/溶解度关系的适用性。溶质极化性和分子偶极矩（分别描述电子变形性和电荷分布）是常用来描述溶质-溶剂相互作用对溶解度影响的两个参数。然而，吡啶鎓的极化性或偶极矩与溶解度的关系图（图 4a,b）并不能得出单变量相关性。此外，本研究还关注了其他几个常用的电子参数（例如，核心吡啶鎓结构中每个原子的天然成键轨道电荷），但都没有发现与溶解度有任何有意义的相关性。
2.与其他可逆化学反应类似，动态溶解度取决于沉淀形成的正向和反向速率常数。因此，本研究使用立体摩尔参数来描述 N-和 4-取代基的立体性对吡啶溶解度的影响。立体摩尔参数（B1、B5 和 L）定义了立体变化，其中 B1 是取代基距定义原子的最小宽度，B5 是取代基距定义原子的最大宽度，L 是取代基长度，如图 4c所示。遗憾的是，本研究没有发现使用立体醇参数的单变量相关性。最后需要指出的是，本研究曾多次尝试找出与溶解度相关的立体和电子分子描述符的线性组合，但没有找到多元模型。
▲图5| C-H···π相互作用通过破坏离子晶格提高吡啶鎓的溶解度
要点：
1.两种吡啶鎓衍生物的晶体结构分别代表了低溶解度和中等溶解度的物质，通过直接比较这两种衍生物的晶体结构，可以发现结构相似的衍生物之间的显著区别在于分散力。N-(p-tolyl)-4-phenyl-Me2Py+(15) 的溶解度较低，而 N-(p-tolyl)-4-(p-tolyl)-Me2Py+ (20) 的溶解度适中；它们相应的晶体结构都包含静电相互作用，但与 15 的晶格不同，20 的晶格包含 C-H···π 相互作用（图 5a,b）。这一比较揭示了这两种结构相似的吡啶鎓衍生物之间微妙而关键的差别，并表明微弱的分散力（特别是 C-H···π 相互作用）可能在决定溶解行为方面起着一定的作用。
2. C-H···π相互作用主要由吸引的London分散力组成，被定义为发生在 C-H 给体和芳香环的π 电子之间（图 5d）。最近，非共价的C-H···π 相互作用因其在分子识别、蛋白质结合和分子催化作用中的作用而引起了人们的极大兴趣。尽管非共价C-H···π相互作用比静电和氢键弱得多，但它们却能决定分子催化过程中的过渡态几何形状，在这种情况下，分子间距离接近范德华半径。在此基础上，本研究认为C-H···π 相互作用可能会在吡啶鎓盐的组装过程中破坏其溶解极限附近的静电相互作用（图 5e）。
▲图6|1H-NMR 证实溶解的吡啶鎓之间存在C-H···π相互作用
要点：
1. N-(p-trifluoromethylphenyl)-4-(2,4-xylyl)-Me2Py+ (13) 的 1H-NMR 比较实验表明，如图 6b 所示，对于溶解性较差的吡啶鎓盐，只能观察到下场移动（反映离子效应）。图 6c 和 d 分别概括了 14 和 13 质子移动的幅度和方向。这些图表说明 13 在浓度增加时完全没有 π 屏蔽效应，而 14 的 H-NMR 峰在浓度增加时同时表现出 π 屏蔽效应和离子相互作用。这些溶液中行为的比较证实，晶体堆积结构直接反映了与观察到的溶解度相关的分子间（溶质-溶液）相互作用。
03
结语
本研究提供了溶解度与化学结构之间的直接相关性，表明仅C-H···π相互作用就能对 ROM 的物理性质产生巨大影响。通过模块化合成方法，制备出了电子和立体多样性的吡啶鎓库。该分子类别为探究结构-溶解性趋势提供了一个结构上严格的框架。虽然传统上用作溶解度指标的分子描述符与观察到的溶解度趋势没有任何相关性，但本研究发现吡啶鎓的溶解度与相应晶格中观察到的C-H···π 相互作用的数量之间存在很强的单变量相关性。变浓度 1H-NMR 实验表明，溶解的吡啶鎓在浓度大大低于其溶解极限时会发生这些相互作用，从而表明吡啶鎓形成C-H···π 相互作用的倾向与其在极性钝化溶剂中的溶解度之间存在因果关系。这项工作突出表明，有必要扩展这种方法，以考虑基于分散的取代基效应，从而制备出具有理想理化特性的分子。最后，通过已知的经验关系（例如熔点和溶解度之间的关系），一些物理性质是相互关联的。在C-H···π相互作用与溶解度之间建立联系时，本研究的发现可能会为分子结构与其他相应物理性质之间的联系提供一座桥梁。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-023-01291-1
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