介绍
2-吡啶甲酰胺（Pyridine-2-carboxamide）是一类兼具生物活性与配位功能的氮杂环有机分子，在配位化学中则作为经典的 N,O - 双齿配体被广泛应用于过渡金属配合物的合成。能够在不改变化合物固有分子结构的前提下，通过分子间非共价相互作用调控固态材料的理化性质。
图一 2-吡啶甲酰胺
共晶体系的构筑与晶体结构
以丁二酸（C4）、戊二酸（C5）、己二酸（C6）三种烷基二元酸为共晶配体，与2-吡啶甲酰胺按 1:1 摩尔比投料，在 40~50℃的甲醇 - 水（体积比 1:1）混合溶剂中溶解搅拌后室温缓慢挥发，可分别得到三种共晶产物：吡啶 - 2 - 甲酰胺 - 丁二酸共晶（共晶 1）为无色片状晶体，吡啶 - 2 - 甲酰胺 - 戊二酸共晶（共晶 2）与吡啶 - 2 - 甲酰胺 - 己二酸共晶（共晶 3）均为无色针状晶体。单晶 X 射线衍射结果表明，烷基二元酸的碳链长度对共晶的超分子组装模式具有决定性调控作用，三种共晶呈现出截然不同的结构基元与堆积方式。
共晶 1 结晶于单斜晶系 C2/c 空间群，不对称单元包含两个完整的2-吡啶甲酰胺分子与两个半分子的丁二酸。其核心超分子基元为三聚体结构，一分子丁二酸通过 O-H・・・O 与 N-H・・・O 氢键结合两分子2-吡啶甲酰胺，形成对称的三聚体单元。丁二酸在晶格中同时存在两种构象 —— 线性伸展构象与扭曲约 80° 的近垂直构象，对应两种不同的三聚体单元，这种同一分子在单晶中共存两种构象的现象在共晶体系中较为罕见。两种三聚体沿 b 轴平行排列形成一维链，链间无显著分子间相互作用，层间距为 5.136 Å；一维链进一步沿 c 轴以 AA 型堆积形成二维结构，最终沿 a 轴堆叠形成三维晶体骨架。
随着碳链增长至 C5（戊二酸），共晶 2 结晶于正交晶系 Cmca 空间群，不对称单元由一分子2-吡啶甲酰胺与一分子戊二酸组成。此时超分子组装模式从三聚体转变为一维锯齿链结构：2-吡啶甲酰胺与戊二酸通过 R₂²(8) 与 R₂²(9) 两类超分子合成子，借助 N-H・・・O、O-H・・・O 与 O-H・・・N 多重氢键交替连接，延伸形成一维链状结构。多条一维链沿 a 轴平行排列构成二维层，两层反向平行的链状结构进一步形成V型双层基元，双层平面间距为 5.883 Å，层间无明显 π-π 堆积作用。
共晶的热学性质与振动光谱
三种共晶呈现出差异化的熔融与升华行为，且与原料单体的性质存在显著差异。2-吡啶甲酰胺、丁二酸、戊二酸、己二酸的熔点分别为 106、191、100、156 ℃，升华温度分别为 218、238、234、256 ℃。共晶 1 的熔点为 124 ℃，介于两种原料之间，熔融焓为 158 J/g，其升华温度约 217 ℃，略低于原料单体，这与分子间氢键对晶格能的调控作用相关。共晶 2 的熔点降至 80 ℃，低于两种原料单体，熔融焓为 118 J/g，但其升华温度提升至 261 ℃，高于所有原料组分。共晶 3 的熔点为 153 ℃，同样介于原料之间，熔融焓达 188 J/g，升华温度进一步升高至 289 ℃。
在拉曼光谱中，2920 cm⁻¹ 附近的吸收峰对应二元酸的 O-H 伸缩振动，三种共晶的该峰位几乎一致，表明不同碳链长度下 O-H・・・O 氢键的强度相近。而 3080 cm⁻¹ 附近对应2-吡啶甲酰胺的 - NH₂伸缩振动峰位随碳链增长呈现微弱红移：共晶 1 中 - NH₂仅一个氢原子参与 N-H・・・O 氢键，而共晶 2 与共晶 3 中 - NH₂的两个氢原子分别参与更强的氢键作用，因此振动频率降低，与晶体结构中氢键键长的变化规律一致。红外光谱的变化趋势与拉曼光谱相吻合，共晶 1 的 - NH₂伸缩振动约在 3500 cm⁻¹，共晶 2 与共晶 3 则红移至 3400 cm⁻¹ 附近；而 1750~500 cm⁻¹ 的羰基与骨架振动区域，三种共晶的谱图高度相似，说明羧基周围的氢键环境受碳链长度影响较小。
紫外吸收光谱测试表明，三种共晶在甲醇溶液中均在 217 nm 处呈现最大吸收峰，同时在 210 nm 与 260 nm 处存在两个弱吸收峰，吸收峰形与2-吡啶甲酰胺单体相似但强度有所提升。与单体的最大吸收波长（215 nm）相比，共晶的吸收峰发生了 2 nm 的红移，这一现象源于2-吡啶甲酰胺与二元酸之间的氢键作用改变了分子的电子云分布，降低了 π-π* 跃迁的能级差，与振动光谱的红移规律相互印证。
图二 共晶体在甲醇溶液中的紫外光谱与其原料相比
Hirshfeld 表面分析
借助 Hirshfeld 表面与二维指纹图，可以对共晶中的分子间相互作用进行可视化与定量化表征，直观反映碳链长度对相互作用模式的影响。三种共晶中，2-吡啶甲酰胺分子的最紧密相互作用均为 O・・・H 氢键接触，对应指纹图中的尖锐尖峰，de + di 约为 1.61 Å；而占比最高的相互作用为 H・・・H 接触，贡献了总 Hirshfeld 表面的 35%~41%。
共晶 1 中存在两种化学环境不同的2-吡啶甲酰胺分子，分别对应线性与扭曲构象的丁二酸，两者的 O・・・H 接触占比均为 26%，H・・・H 接触占比分别为 37.9% 与 36.4%。共晶 2 中 O・・・H 接触占比提升至 30.4%，H・・・H 接触占比升至 40.9%，C・・・H 与 C・・・C 接触占比则有所下降。共晶 3 中 O・・・H 接触占比为 29.5%，H・・・H 接触占比回落至 35.1%，C・・・C 与 C・・・N 接触占比有所回升，与二维层间弱 π-π 作用的存在相对应[1]。
图二 2-吡啶甲酰胺共晶体1–3的二维指纹图
参考文献
[1] LUO Y H, SUN B W. Co-crystallization of pyridine-2-carboxamide with a series of alkyl dicarboxylic acids with different carbon chain: Crystal structure, spectroscopy and Hirshfeld analysis[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014, 120: 228-236.