今天给大家分享一篇近期发表在JACS上的研究进展，题为：Weak yet Decisive: Molecular Halogen Bond and Competing Weak Interactions of Iodobenzene and Quinuclidine。在该工作中，作者在低温下得到了碘苯和奎宁环卤键加合物的晶体，并通过高分辨率晶体衍射对其结构进行了表征和分析。该工作的通讯作者是来自德国多特蒙德工业大学的Carsten Strohmann和亚琛工业大学的Ulli Englert。
卤键（halogen bonds，XB）是一类广泛存在的非共价相互作用，通常是由Lewis碱和电正性的卤素原子之间形成的：前者被称为卤键受体（acceptor），而后者称为给体（donor）。卤素原子的电正性越强，则越倾向于拥有更大的受体结合常数。例如，Diederich等人研究了碘乙炔基苯和奎宁环（quinuclidine）形成卤键加合物的热力学。由于碘原子连接在电负性较高的sp杂化的炔基碳上，其结合常数可达25.0 ± 8 M−1。
对于碘苯而言，其苯环上没有吸电子取代基，因此仅能作为一种非常弱的卤键给体。目前为止，对于弱卤键相互作用形成加合物的研究仍然十分缺乏。为了填补这一空白，本文中作者对碘苯和奎宁环加合物的合成和表征进行了系统的探究。
卤键加合物能否形成，本质上是形成相互作用的焓有利和两底物自由度减少的熵不利综合作用的结果。由于本工作中探究的卤键强度非常弱，目标加合物只能在非常低的温度下合成得到（图1）。具体来说，加合物单晶的合成需要非极性正戊烷溶剂和-80℃的条件。
图1. 奎宁环-碘苯加合物的合成
在得到加合物单晶后，作者对晶体进行了高分辨率的衍射表征，最终得到的晶体中加合物的结构如图2所示。其中，N-I距离明显小于二者的范德华半径之和，支持了卤键的形成，但同时该距离又比普通卤键远得多。
图2. 晶体中加合物3的结构
为了进一步分析加合物的成键情况，作者从晶体衍射结果得到了实验上加合物的电子密度，并以此为基础进行了AIM（Atoms in Molecules）分析（图3）。结果显示，除了每个共价键具有成键临界点（bond critical points）外，N-I之间同样存在一个成键临界点，从而确证了作者预期的弱卤键的存在。
图3. 基于实验电子密度的AIM分析
注：红色曲线为电子密度梯度线，黑色线为成键路径，黑色点为原子核，蓝色点为成键临界点，绿色点为环临界点。
此外，作者也通过NOESY等表征方法探究了在溶液中该弱卤键相互作用是否仍然存在的问题。最终，结果表明在溶液中奎宁环和碘苯通过基于氮原子的相互作用而在空间上具有位置相关性。然而，由于卤键和N-π相互作用均能导致同样的实验结果，究竟是仅有其中一种相互作用还是二者皆有仍无结论。
图4. 体系中可能存在的几种相互作用
综上，作者合成了通过弱卤键相互作用形成的碘苯-奎宁环加合物，并通过分析晶体衍射得到的实验电子密度确证了这一目前最长的卤键。
