【人物与科研】陕西科技大学张金课题组：N-硫酰基-N-甲基苯胺的顺式硫酰胺构象倾向
导语
常规的酰胺键常以反式构象存在，但与之不同的是N-甲基酰胺由于空间位阻效应更倾向于以顺式构象存在。该类构象的转变为酰胺键周围取代基空间结构调控打开了大门，在药物化学、生物化学、分子识别和有机合成等领域有着广泛应用。硫代酰胺与相对应的酰胺相比，具有较独特的电子特性：硫原子的半径比氧原子更大；C=S比C=O键长更长；C=S键的极性比C=O键的极性更小。因此，对硫代酰胺的结构研究和理论计算具有极其重要的意义。近日，陕西科技大学张金课题组在该硫代酰胺构象研究领域取得了新进展，这一成果以“Preference of cis-Thioamide Structure in N-Thioacyl-N-methylanilines”为题发表于Organic Letters（Organic Letters, 2020, 22, 9500-9505）。
（图片来源：Organic Letters）
张金课题组简介
课题组自成立以来一直致力于有机合成方法学的研究，在惰性化学键活化、含氮杂环化合物的构建、羰基化反应等领域取得了一定进展。课题组在ACS Catal.、Org. Lett.、Chem. Comm.、J. Org. Chem.高等学校化学学报、有机化学等国内外知名期刊发表论文30余篇。课题组现有专任教师2名，博士研究生1名，硕士研究生9名。
张金副教授简介
张金，博士，硕士生导师，陕西科技大学化学与化工学院副教授。2007年毕业于西北大学应用化学专业，获理学学士学位。2012年获西北大学有机化学专业博士学位，师从史真教授、李剑利教授。同年就职于陕西科技大学化学与化工学院。2013年至2016年，在陕西科技大学从事博士后研究，合作导师为马养民教授。2018年至2019年，赴美国罗格斯大学—纽瓦克分校访问研究，合作导师为Michal Szostak教授。主要研究方向为有机合成新反应和新方法、羰基化反应、惰性化学键活化，目前已在ACS Catal.、Org. Lett.、Chem. Comm.、J. Org. Chem.、Tetrahedron、Tetrahedron Lett.、Bioorg. Med. Chem. Lett.、高等学校化学学报、有机化学等国内外知名期刊发表论文30余篇，授权国家发明专利6项。
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前沿科研成果
N-硫酰基-N-甲基苯胺的顺式硫酰胺构象倾向
酰胺键中氮原子与羰基之间由于nN→π*C=O的共轭作用，造成酰胺键的N-C(O)键有着双键的性质。虽然非环酰胺中的N-C(O)键一般以反式构象存在，但Itai等人发现N-甲基苯甲酰苯胺由于空间位阻的影响顺式构象是其优势构象。这个出乎意料的发现为控制酰胺键的几何构型打开了一扇新的大门，为酰胺键在药物化学、化学生物学、分子识别、有机合成化学等领域中的构型控制奠定了基础。
硫代酰胺作为酰胺的同形电子等配物吸引了人们广泛的关注，不仅因为含硫基团在药物分子中的广泛应用，而且硫代酰胺在电子特性方面也与酰胺相比也存在的独特之处，例如硫原子与氧原子相比具有更大的范德华半径（1.85 Å vs 1.40 Å，更长的C=X键长（1.64 Å vs 1.19 Å，HC=XNH2）和更低的电负性（S：2.58 vs O：3.44）。因此，对硫代酰胺构象的研究有着重要的意义。
（图片来源：Organic Letters）
首先，作者通过合成了六种硫代酰胺分子，并通过X射线单晶衍射得到了其中五种硫代酰胺单晶结构信息。作者发现硫代酰胺1-5在晶体中均以顺式构象存在。并且与相对应的酰胺分子相比，硫代酰胺N-C(X)键长更短；C=X键长更长；C-C(Ph)键长更长；C-C(S)键长和C-C(O)键长之间有良好的线性相关等特点。
（图片来源：Organic Letters）
接下来作者将硫代酰胺和相对应的酰胺通过理论计算研究进行了对比。N-C(X)键的缩短证明了酰胺的硫原子取代会使n→π*共轭加强。同时C=X键的伸长，C-C(X)键的缩短，C-C(Ph)键的伸长，n→Ar共轭的减弱也证实了这一点。
（图片来源：Organic Letters）
然后，作者用COSNAR法计算硫代酰胺键的共振能。硫代酰胺1-6的共振能在9.6-19.9 kcal/mol之间，高于酰胺7-12的共振能（9.8-15.4 kcal/mol）。
（图片来源：Organic Letters）
为了进一步了解硫原子取代后的影响，作者通过沿X-C-N-C二面角旋转获得了硫代酰胺1的详细旋转剖面。以1的X射线单晶衍射结构作为起始，在两个方向上进行旋转。1和相应的酰胺7比较，存在明显更大的旋转障碍。
为了进一步证实N-甲基硫代酰胺的顺式构象倾向，作者在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上测定了硫代酰胺和相对应酰胺的反式异构体的相对稳定性，结果表明在所有情况下，顺式异构体更稳定。硫代酰胺1的质子亲和力ΔPA（17.0 kcal/mol）大于相对应酰胺7的ΔPA（11.0 kcal/mol），这表明硫代酰胺的结构增强了硫原子的质子化。为了进一步拓展其应用前景，作者测定了芳环上单个取代基改变的衍生物13-16的RE值。这些研究同样很好地支撑了硫代酰胺的顺式构象倾向的结论。
（图片来源：Organic Letters）
总结：该研究证明并量化了硫原子的取代使得N-甲基硫代酰胺更倾向于以顺式构象存在。并讨论和量化了其空间效应，共振效应，旋转障碍，质子亲和力等性质。硫代酰胺这些引人注意的特性，包括光异构化，将促使N-甲基硫代酰胺作为顺式构象锁定在化学的各个方面广泛应用。相关研究成果发表于Organic Letters（Organic Letters, 2020, 22, 9500-9505）。研究工作实验部分由课题组的硕士研究生刘竹霖完成。