用户速递|清华大学张韶光教授团队：巧用FT-IR读懂配体电子效应——FOLI10在双阳离子类卡宾配体σ受体能力评价中的应用

更新时间：2026-09-04 点击次数：56

关键词：FT-IR；CyNC；tetrylene；σ受体能力；惰性气氛手套箱

研究背景与思路

在均相过渡金属催化中，真正参与底物活化和化学键转化的是金属中心，但其反应性与选择性在很大程度上取决于周围的配位环境。即使使用同一种金属，仅改变配体，也可能使催化活性、反应选择性乃至反应路径发生明显变化。

从配体设计角度看，影响金属中心性质的因素通常可概括为立体效应与电子效应。立体效应主要决定底物接近金属中心的空间环境；电子效应则通过给电子或吸电子作用调节金属中心的电子密度，进而影响底物配位、活化以及催化循环中不同基元步骤的能垒。因此，准确评价配体的电子性质，是均相催化与配位化学研究中的基础问题。

对于常见的L型配体，研究者通常关注其给电子能力；本研究则聚焦一类具有明显受体性质的双阳离子tetrylene配体。这类配体可作为Z型配体接受金属中心的电子密度，因此，对其σ受体能力进行实验评价，是理解并进一步调控其电子性质的重要基础。

然而，“配体吸电子能力的强弱”本身并不是可直接读取的实验量。结构参数和理论计算能够提供重要信息，但若要为一系列配体建立直观、统一的实验比较尺度，还需要选择对电子环境足够敏感的光谱探针。

本工作选用环己基异腈（CyNC）作为红外光谱探针。CyNC的C≡N键对配位环境的电子变化十分敏感；当tetrylene配体的σ受体能力发生变化时，电子效应可通过配位骨架传递至CyNC，最终表现为C≡N伸缩振动峰ν(CN)的移动。由此，抽象的“配体电子效应”可以转化为 FT-IR 中可直接读取和比较的峰位。

本案例采用荧飒光学INSA FOLI10傅里叶变换红外光谱仪，对Ge、Sn和Pb系列双阳离子tetrylene配体体系进行测试，并通过比较ν(CN)的位置评价不同配体的电子效应与σ受体能力。

由于所研究的有机金属配合物对空气和水分敏感，荧飒光学FOLI10整机放置于惰性气氛手套箱内。从样品称量、溶液配制、KBr片滴样和溶剂挥干，到装样与FT-IR光谱采集，整个流程均可在手套箱中完成，从而尽可能减少样品与空气和水分接触。

仪器、试剂及样品

主要仪器及用具

本实验主要使用以下仪器与用具：

（1）荧飒光学INSA FOLI10 傅里叶变换红外光谱仪

（2）惰性气氛手套箱

（3）真空烘箱

（4）KBr 透射片

（5）分析天平

（6）干燥样品瓶

（7）滴样工具

（8）干燥镊子等

其中，FOLI10 直接放置于手套箱内部，用于空气和水分敏感样品的红外光谱测试。样品在手套箱中制备完成后无需再次密封并转移至箱外，可直接装入仪器采集光谱，从而减少样品与空气和水分接触的机会。

图 1 手套箱内 FOLI10 FT-IR 实物照片

溶剂及待测样品

样品溶剂为经过干燥处理的二氯甲烷（DCM）。本次测试的样品主要分为两组：

（1）第一组：Ge、Sn和Pb三种双阳离子tetrylene配体体系，用于比较主族元素变化对配体σ受体能力的影响。

（2）第二组：在Sn体系基础上进一步引入Mo(CO)₅、W(CO)₅和Cr(CO)₅片段，用于考察进一步配位对tetrylene配体电子性质的精细调节。

自由CyNC的ν(CN) = 2136 cm^-1，作为后续比较的参考值。

实验前准备

由于待测配合物对空气和水分较为敏感，正式实验前首先需要对KBr片进行充分干燥。实验所用KBr片提前置于真空烘箱中干燥；烘干完成后，将其放入手套箱小仓中过夜，再转移至手套箱内部保存备用。

这样处理有两方面考虑：一是KBr本身容易吸湿，受潮后会影响红外透过性能；二是对于空气敏感的有机金属配合物，应尽量避免由KBr片带入水分。

转入手套箱后的KBr片应保持透明，表面无明显雾化和污染。操作时使用干燥镊子夹持KBr片边缘，避免直接接触中央有效透光区域。实验所用DCM同样需提前干燥。因此，从KBr片、溶剂到待测样品，正式测试前均应尽可能保持干燥并处于惰性实验环境中。

样品溶液配制

全部样品制备过程均在手套箱中完成。称取约6 mg待测配合物，置于洁净、干燥的样品瓶中，加入约0.5 mL经干燥处理的DCM。轻轻振荡样品瓶，使配合物充分溶解，得到均一的待测样品溶液。

各系列化合物尽量采用相同的样品量、溶剂体积与操作方法。由于实验最终需要比较不同样品之间ν(CN)峰位的变化，因此保持系列样品制备条件一致十分重要。

本实验未采用常见的“固体样品与 KBr 粉末混合研磨后压片”方式，而是采用溶液滴样形成固体薄层后进行透射测试。制样流程为：DCM溶解样品 → 滴加至 KBr 片 → DCM 挥发 → 固体薄层透射测试。

KBr片滴样与溶剂挥干

取一片提前干燥好的 KBr 片，在手套箱内平放于洁净区域。用滴样工具吸取少量待测样品溶液，将其滴加至 KBr 片中央的有效透光区域。

首次滴样不宜加入过多溶液。滴加完成后，使 DCM 在手套箱内自然挥发；待溶剂挥干后，根据 KBr 片上的载样情况决定是否继续补加。若需增加样品量，建议采用“少量滴加 → DCM 挥干 → 再次补加”的方式逐步进行。

与一次加入大量溶液相比，少量、多次滴加更易控制最终固体层厚度，并可减少样品在 KBr 片上的局部堆积。待 DCM 完全挥发后，配合物以固体薄层形式留在 KBr 片表面，可直接用于 FT-IR 测试。

由于配液、滴样及挥干过程均在惰性气氛中完成，可尽量避免空气敏感样品在制样过程中发生氧化、水解或其他变化。

FT-IR 测试

本实验主要测试条件如下：

测试项目	条件
仪器	INSA FOLI10 FT-IR spectrometer
扫描范围	600–3500 cm^-1
测试方式	透射模式
透射载体	KBr 片
样品状态	DCM 挥干后的固体薄层
测试环境	惰性气氛手套箱

确认DCM完全挥发后，将KBr 片直接安装至手套箱内的 FOLI10 透射测试位置。按照常规流程采集背景和样品光谱，并保存完整的 600–3500 cm^-1 红外数据。

本实验以CyNC作为电子效应探针，因此在完整谱图基础上重点观察 C≡N 伸缩振动区域，并准确记录不同样品的ν(CN) 峰位。本系列配合物的主要 ν(CN) 信号集中在约 2180–2220 cm^-1区域。

与常规官能团定性分析不同，本案例关注的并非“是否存在C≡N吸收峰”，而是同一ν(CN)特征峰在不同配体体系中的峰位移动量。

实验结果与讨论

不同配体体系得到的 ν(CN) 数据如下：

样品体系	ν(CN) / cm^-1	相对 CyNC 的 Δν(CN) / cm^-1
游离CyNC	2136.0	0
Pb²⁺体系	2186.7	+50.7
Sn²⁺ 体系	2198.6	+62.6
Sn²⁺→Mo(CO)₅	2213.2	+77.2
Sn²⁺→W(CO)₅	2215.5	+79.5
Sn²⁺→Cr(CO)₅	2215.9	+79.9
Ge²⁺ 体系	2217.5	+81.5

图 2 SnPt配合物的IR谱图

图 3 不同体系 ν(CN) 标尺及其相关性分析

首先比较Ge、Sn和Pb三个体系。自由CyNC的ν(CN)为 2136 cm⁻¹；在不同tetrylen配体体系中，该特征峰均发生明显蓝移。Pb、Sn和Ge体系的ν(CN)分别为2186.7、2198.6 和2217.5 cm^-1。

σ 受体能力顺序：Ge²⁺ > Sn²⁺ > Pb²⁺

由此可见，三种双阳离子 tetrylene 配体的 σ 受体能力依次减弱。FT-IR 光谱探针的优势也由此体现：原本难以直接观察的配体电子性质，可通过 ν(CN) 峰位转化为可测量、可比较、可排序的实验结果。

进一步考察 Sn 体系时可以发现：当 Sn 端分别与 Mo(CO)₅、W(CO)₅ 和 Cr(CO)₅ 配位后，ν(CN) 由 2198.6 cm^-1 分别升高至 2213.2、2215.5 和 2215.9 cm^-1。这表明，除了通过 Ge、Sn、Pb 元素变化对配体电子性质进行较大幅度调节外，还可以利用 Sn 端的进一步配位实现更精细的 σ 受体能力调控。

实验获得的ν(CN)与理论计算得到的Hirshfeld电荷呈良好的线性相关关系，R² = 0.998。实验与理论之间的高度相关进一步说明，ν(CN)可作为该系列双阳离子tetrylene配体电子效应的有效实验探针。

配体电子效应的研究意义

在均相催化中，配体并非只是“固定”在金属周围的结构单元。配体既可通过电子效应改变金属中心的电子状态，也可通过立体效应控制底物接近金属中心的空间方式，两者共同决定催化体系的反应活性和选择性。

因此，现代均相催化剂设计的重要思路之一，就是通过有针对性地修改配体结构，对金属中心进行精细调节。传统配体化学的大量研究集中于膦、卡宾等给电子型配体；相比之下，能够接受金属电子密度的Z型配体提供了另一种调控路径。

本工作研究的双阳离子tetrylene即属于具有明显σ受体性质的配体。若能通过改变 Ge、Sn、Pb 元素或进一步配位，使其σ受体能力连续变化，就意味着可以在不直接改变催化金属本身的情况下，通过调节外围配体的电子性质控制整个催化体系的反应性。

因此，准确评价此类配体的电子效应不仅是配位化学中的结构表征问题，也可为后续均相催化剂设计与电子性质调控提供实验依据。在本案例中，FT-IR的核心作用正是为“配体电子效应”提供一把简单、直观的光谱标尺。

操作注意事项

KBr 片应充分干燥

KBr 容易吸湿。本实验采用“真空烘箱干燥 → 手套箱小仓过夜 → 转入手套箱使用”的处理流程。对于空气敏感样品，这一步不仅影响红外透射质量，也有助于减少由 KBr 带入的水分。

DCM 应经过干燥处理

待测配合物对空气和水分敏感，因此应使用经过干燥处理的 DCM 配制样品，并在手套箱中完成配液与滴样。

控制 KBr 片上的载样量

采用溶液滴样法时，样品量并非越多越好。若溶剂挥干后形成的样品层过厚，会导致红外透射强度下降，甚至出现部分吸收峰过强的情况。因此，少量、多次滴加更利于控制样品层厚度。

确认 DCM 充分挥发

每次滴样后均应等待 DCM 充分挥发，再进行下一次滴样或直接测试。这样既能减少残留溶剂对谱图的干扰，也有利于形成较稳定的固体样品层。

FOLI10 的应用价值

本案例表明，FT-IR 的用途并不限于常规官能团鉴定。通过引入CyNC这一统一光谱探针，抽象的σ受体能力可以转化为易于读取的 ν(CN) 峰位；Ge、Sn、Pb 配体体系之间的差异以及进一步配位带来的精细调节，均可在 FT-IR 峰位变化中得到直接反映。

FOLI10 可直接放置于手套箱中，对本研究涉及的空气敏感有机金属配合物尤为实用。从样品称量、干燥 DCM 配液、KBr 片滴样和溶剂挥干，到最终光谱采集，样品可始终处于惰性环境中，无需为 FT-IR 测试而转移至手套箱外。

这种测试方式既减少了空气敏感样品的转移步骤，也降低了样品短时间接触水和氧所带来的额外不确定性。实际操作中，获得可靠结果的关键并不一定在于复杂的仪器参数，而在于基础实验细节的严格控制，例如 KBr 片是否充分干燥、DCM 是否干燥并完全挥发、样品层厚度是否合适，以及不同样品的制备和测试条件是否保持一致。

当这些实验细节得到良好控制后，FT-IR 可从常规结构鉴定工具进一步拓展为研究配体电子性质的有效手段。

结论

本案例采用置于惰性气氛手套箱内的荧飒光学FOLI10 FT-IR，对一系列空气和水分敏感的双阳离子tetrylene配体体系进行了测试。

将约 6 mg 样品溶于0.5 mL干燥DCM，并采用KBr片滴样、溶剂挥干后透射测试的方法，可以在样品始终处于惰性环境的条件下完成整个FT-IR测试流程。

以CyNC的ν(CN)作为光谱探针，实验得到双阳离子tetrylene配体的σ受体能力顺序为 Ge²⁺ > Sn²⁺ > Pb²⁺。Sn端进一步配位后，ν(CN) 还会发生规律性变化，表明此类配体的电子效应可实现连续调控。

因此，本案例中的 FT-IR 不仅用于判断分子中是否存在特征基团，更重要的是将难以直接观察的配体电子效应与σ受体能力转化为可测量、可比较的光谱参数。对于均相催化研究而言，这种方法也为理解配体如何调节催化体系并进一步开展配体设计提供了直观的实验依据。

参考文献

[1] Chen, Liuyang.; Zhang, Shaoguang. Dicationic Tetrylene Ligands Modulate Pt0 π-Acid Catalysis. Angewandte Chemie Novit, 2026, 2, e70024. DOI: 10.1002/anov.70024.