2.7　四氢键体系

2.7.1　ADAD型同体二聚体

四氢键体系包括异体二聚体和同体二聚体。ADAD型单体形成同体二聚体。这类结合模式产生六个静电排斥二级作用。在氯仿中，二聚体HB-160和HB-161的结合常数仅为37L/mol和170L/mol^［37］。脲基衍生物31和32分别形成稳定的分子内六元环氢键，极大地提高了结构预组织特征，其二聚体HB-162和HB-163的结合常数显著提高^［37］。酰肼衍生物33也可以形成同体二聚体HB-164，其稳定性数据没有报道^［38］。由于两组氢键被苯环分离，中间的两个氢键不应该产生静电排斥二级作用，预期这一二聚体应具有较高的稳定性。

2.7.2　AADD型同体二聚体

AADD型同体四氢键二聚体内存在四个静电吸引二级作用和两个静电排斥二级作用。因此，二级作用总体上提高氢键二聚体的稳定性。HB-165是在自组装研究领域应用最广泛的AADD型同体四氢键二聚体^［39］，其结合强度高，单体34合成简单，R’和R"基团都容易修饰。单体34可以转化为互变异构体34'，二者的比例取决于两个取代基的性质及溶剂的极性。异构体34’也可以形成二聚体HB-165'，二者交换较慢，在¹H NMR图谱中显示出两套信号^［40］。由35形成的同体四氢键二聚体（HB-166）的稳定性更高^［41］，但单体的合成较复杂。35可以产生另外两个构型异构体35’和35"，它们都可以形成稳定的同体四氢键二聚体（HB-166’和HB-166"）。化合物34和35及其异构体都形成了一个稳定的分子内六元环氢键，使脲基的O、N氢键受体定位于骨架的同一侧，有利于分子间氢键的形成。

萘啶脲衍生物36也形成AADD型同体四氢键二聚体（HB-167），但其结合常数在氯仿中仅为105L/mol^［42］。分子内的稳定六元环氢键（HB-167'）极大地弱化了其形成分子间氢键的能力，因为分子间氢键的形成必须破坏这一稳定性更高的氢键。比较35和36形成的氢键二聚体的稳定性差异可以看出，有利的分子内氢键的引入对增强其稳定性的巨大促进作用。这种促进作用主要有两个方面，一是诱导单体采取有利的预组织结构，二是抑制不利的分子内氢键的形成。

2.7.3　DAAD·ADDA型异体二聚体

异体氢键涉及两个互补的氢键单体。化合物37和38形成DAAD·ADDA型异体二聚体HB-168，结合常数较低^［43］。化合物39和40形成的二聚体HB-169具有相近的结合常数^［42］。38和40分子内氢键的形成（HB-169'）应是一个重要的原因^［42］。另外，该氢键体系内存在两个静电吸引二级作用和四个静电排斥二级作用，总体上也弱化了二聚体的稳定性。

酰肼衍生物也是形成异体氢键二聚体的重要单体。例如，41和42形成非常稳定的二聚体HB-170^［44］，而43和44也可以形成相对稳定的HB-171^［45］。42中的环己烷限制了中间丙二酰基团的旋转，应该有利于分子间氢键的形成。而43不具备这一特征。另外，HB-171中间的两个氢键距离较远，难以产生有利的静电吸引二级作用，而两对远离的氢键形成共计四个静电排斥二级作用，也降低了二聚体的稳定性。41与45形成稳定性更高的二聚体HB-172^［44］，45的萘啶的刚性有利于二聚体的形成。46的异构体34形成高度稳定的二聚体HB-165，而其与45形成稳定性更高的异体二聚体HB-173^［44］，三氮唑脲单体（47）也可以与45形成稳定的氢键二聚体HB-174^［46］。

2.7.4　AADA·DDAD型异体二聚体

这类氢键二聚体文献报道的很少。设计DDAD型单体较为容易，化合物48和49是两个简单的例子。它们与互补的单体50形成稳定性较低的二聚体HB-175和HB-176^［47］。由于没有引入柔性链，化合物50中的二甲基苯基与杂环骨架间产生大的扭曲，抑制了杂环骨架的堆积，提高了其溶解性。这一结合模式稳定性较低的原因也主要有两个。一是48和49能形成分子内氢键（HB-177），其打开需要消耗能量。二是该氢键模式内产生有四个静电排斥二级作用和两个静电吸引二级作用。二级作用总体上不利于二聚体的形成。

2.7.5　AAAA·DDDD型异体二聚体

AAAA·DDDD氢键二聚体可以产生六个静电吸引二级作用，理论上可以形成四氢键体系中强度最高的结合体系。但DDDD单体51和AAAA受体52形成的此类氢键二聚体HB-178在氯仿中的结合常数仅为525L/mol^［48］，尽管51为质子化的吡啶衍生物。化合物51可以形成三个分子内氢键（HB-179），必须全部破坏才能形成分子间氢键。因此，51的结构预组织非常不利于分子间氢键的形成。形成有利的分子内氢键，使形成分子间氢键的四个供体同向排列，是构筑此类强氢键体系的关键。质子化的胍衍生物53和54即是这样的单体^{［49，50］}。两个化合物分别形成两个分子内六元环N—H…N氢键，正离子进一步提高了两个氢键的稳定性，整个分子形成非常稳定的带型DDDD预组织构象，与AAAA型单体55形成高度稳定的四氢键二聚体HB-180和HB-181，前者在加入10％ DMSO-d₆的CDCl₃中，结合常数仍高达3.4×10⁵L/mol。