萘醌由含两个羰基的醌式六元环与苯环稠合形成。稠合结构使分子同时具有醌式反应区域和苯并环区域，两部分通过连续π体系相互影响。醌式区域承担主要的电子接受和亲电反应功能；稠合苯环扩展分子轨道，并使取代基能够从不同位置调节醌环的电子性质。

        萘醌由此表现出两条重要反应路径：接受电子形成半醌及进一步还原态，以及接受亲核试剂的电子对形成新的碳—硫、碳—氮等共价键。羰基排列、取代位置、分子内氢键和反应介质共同影响这两类反应。

1 稠合芳环建立萘醌的电子结构基础

1.1 1,2-与1,4-羰基排列形成不同的醌式电子结构

        萘醌主要包括1,2-萘醌和1,4-萘醌两类基本骨架。1,2-萘醌的两个羰基相邻，1,4-萘醌的两个羰基位于醌式六元环的1、4位。羰基相对位置改变了醌式π体系的连接方式，也改变了单电子还原后两个含氧中心之间的空间关系。[2]

        以1,4-萘醌为例，C1和C4为羰基碳，C2=C3构成与两个羰基共轭的烯键；另一侧为与醌环稠合的苯并环。整个分子具有连续的π电子体系，但各位置的电子性质并不等价。C1～C4所在的醌式区域直接参与电子接受和亲核加成，而苯并环通过共轭改变受电子轨道和取代基电子效应。

同一种取代基位于醌环和位于苯并环时，对醌中心产生的电子效应可以明显不同。

1.2 单电子还原伴随π电子和分子几何重排

1,4-萘醌接受一个电子后形成半醌自由基阴离子：

NQ + e⁻ ⇌ NQ•⁻

其中NQ表示1,4-萘醌，NQ•⁻表示其半醌自由基阴离子。

        电子进入萘醌受体轨道后，新增电子密度分布于含羰基的共轭体系，并使C=O、C—C及C=C键级发生调整。单电子还原因此同时包含电子占据状态和分子几何结构的变化。

        White等在2025年结合循环伏安、量子化学计算和负离子光电子能谱研究1,4-萘醌及其自由基阴离子。 计算得到中性1,4-萘醌单重基态的气相绝热电子亲和能为2.035 eV；振动分析显示，自由基阴离子与中性分子之间的结构变化涉及环骨架变形、C—C伸缩和C=O对称伸缩。[1]

        这些结果表明，萘醌接受电子后发生的是整个稠合π体系的电荷与键级重组。羰基是受电子过程的重要组成部分，稠合碳骨架也参与还原态的结构弛豫。

1.3 相邻羰基使1,2-半醌具有不同的质子稳定结构

1,2-萘醌与1,4-萘醌的另一项差异来自两个羰基的空间排列。

Gopinath等比较了一组具有相近醌/半醌还原电位的邻醌型和对醌型萘醌衍生物。在其氧还原电催化实验中，1,2-萘醌型化合物表现出明显高于相应1,4-萘醌型化合物的催化活性。[2]

作者提出，1,2-萘醌单电子还原后，半醌中两个相邻含氧中心能够与质子形成五元环型氢键结构。该局部结构可稳定质子相关的半醌状态，并为后续氧还原提供质子转移条件。1,4-半醌的两个含氧中心相距较远，不能形成相同的局部五元环氢键结构。[2]

因此，羰基相对位置影响的不只是静态还原电位，还包括半醌形成后质子能够以何种空间结构与还原中心发生相互作用。

2 取代位置决定电子效应向醌中心传递的程度

2.1 醌环取代对还原电位的影响可明显强于苯并环取代

        萘醌分子包含两类不等价取代区域：含羰基的醌环和稠合苯并环。取代基距离醌式受电子中心不同，其诱导效应和共振效应传递到还原中心的程度也不同。

        Gopinath等研究一系列取代1,2-萘醌时，对甲氧基的位置效应进行了比较。在乙腈中，以未取代1,2-萘醌为参照，甲氧基位于醌环C4位时，还原电位负移约160 mV；甲氧基位于苯并环C6位时，还原电位仅负移约50 mV。[2]

        甲氧基的化学组成相同，而两个位置产生了不同的电位变化。这一结果说明，取代基对萘醌还原性的影响由取代基电子性质和取代位置共同决定。

3 分子内氢键直接改变萘醌的还原自由能

        Guerra等设计了三种取代萘醌模型，并以1,4-萘醌作为参照，通过羧酸模型4与不含羧酸的模型2及甲酯模型3比较分子内氢键对还原过程的影响[3]。

研究中1,4-萘醌及三种取代萘醌模型的分子结构。

        1为1,4-萘醌；2为2,3位取代萘醌模型；3为相应甲酯衍生物；4为能够形成分子内羧酸—羰基氢键的羧酸萘醌模型。引自Guerra等[3]，Chart 1。

3.1 氢键对还原态的稳定作用使还原电位正移

        萘醌接受电子后，含氧区域的负电荷增加。邻近羰基的质子供体如果能够形成分子内氢键，对还原态产生的稳定作用会随电子加入而增强。

        Guerra等在2024年合成了一种带羧酸基的1,4-萘醌模型，使羧酸质子能够与邻近的萘醌羰基形成分子内氢键。计算得到中性分子中羧酸氢与羰基氧之间的距离为1.58 Å；形成氢键的构象比未形成该氢键的构象稳定5.5 kcal·mol⁻¹。[3]

        在脱气四氢呋喃中，该羧酸萘醌模型第一次还原的半波电位为−0.86 V，相对于二茂铁阳离子/二茂铁（Fc⁺/Fc）参考电对。不含羧酸氢键的桥连对照物和相应甲酯对照物的第一次还原电位均约为−1.23 V，因此分子内羧酸氢键使第一次还原正移约370 mV。[3]

        这一对照实验将分子内氢键与一般取代基电子效应区分开来。甲酯保留了相近的碳骨架和羰基取代结构，却不能提供羧酸质子形成相同的氢键，因此没有出现相同幅度的电位正移。[3]

        单电子还原不仅改变萘醌的电子状态，也增强羧酸与醌羰基之间的分子内氢键，并使质子转移在能量上变得可行。计算得到两种能量接近的单电子还原结构4A•⁻和4B•⁻，分别对应未发生和已发生分子内质子转移的状态[3]。

分子内氢键萘醌模型电化学还原过程中的计算结构。

        ET表示电子转移，PT表示质子转移，PCET表示质子耦合电子转移；Rₒₕ表示氢键中氢原子与受体原子之间的距离。下方4′为不形成分子内氢键的构象。引自Guerra等[3]，Figure 1。

3.2 单电子还原增强氢键并引入质子转移

电子进入上述羧酸萘醌后，计算得到羧酸氢与萘醌羰基氧之间的距离由1.58 Å缩短至1.37 Å，显示还原态中的分子内氢键增强。[3]

单电子还原态存在两个热力学上接近的结构：

        计算显示4A•⁻仅比4B•⁻稳定约0.29 kcal·mol⁻¹，两种结构在实验条件下均具有热可及性。4A•⁻还可在电子转移后经质子转移（proton transfer，PT）转变为4B•⁻。[3]

        红外光谱电化学实验和计算结果共同支持该体系还原过程中发生可逆的电子和质子重新分布。[3]

这一研究显示，萘醌取代基对还原反应的影响包含不同层次：取代基改变醌环电子密度；空间位置决定是否能够形成分子内氢键；还原后增强的氢键又能进一步连接电子转移与质子转移。

4 醌式共轭烯键形成萘醌的亲核反应位点

4.1 C2和C3是1,4-萘醌的重要亲电位置

        1,4-萘醌的C2=C3双键与两个羰基共轭。羰基降低共轭烯键区域的电子密度，使C2和C3能够接受硫醇盐、胺等亲核试剂的电子对。

亲核反应与单电子还原具有不同的电子变化：

        Olson等指出，1,4-萘醌C2或C3保留未取代反应位点时，可与硫醇或胺亲核体发生1,4-还原性迈克尔加成。[5]

还原电位主要反映电子转移的热力学性质；亲核加成还受到亲核试剂强度、C2/C3取代状态、空间位阻和溶剂条件影响。

4.2 硫杂迈克尔加成同时伴随醌式键级重新排列

        Micheletti等以N-乙酰-L-半胱氨酸（N-acetyl-L-cysteine，NAC）为含硫亲核试剂，研究1,4-萘醌及多种取代衍生物的反应。1,4-萘醌、甲萘醌、白花丹醌、胡桃醌和萘茜均获得相应含硫加合物。[4]

        反应首先发生硫杂迈克尔型（thia-Michael-type）1,4-加成。硫原子向醌式共轭烯键的亲电碳形成C—S键，同时π电子重新排列，生成还原的萘氢醌型加成产物；该还原型产物随后可在反应体系中氧化，恢复醌式结构并形成稳定的硫取代萘醌。[4]

整体过程可表示为：

亲核进攻 → C—S键形成 → 萘氢醌型加成态 → 氧化恢复醌式结构

亲核成键与氧化还原因此可以连续发生在同一个萘醌反应过程中。

5 C2/C3取代状态控制迈克尔型硫亲核加成

萘醌是否保留C2或C3反应位点，会直接改变亲核体形成C—S键的条件。

Micheletti等在相同研究框架中比较了多种取代1,4-萘醌与NAC的反应：[4]

        劳松为Olson等在2023年的小分子硫醇研究中指出，而胡桃醌和白花丹醌的羟基位于苯并环5位。实验结果显示，羟基位于醌环C2和位于苯并环C5具有不同的反应结果。[4]

        C2羟基会同时改变醌式共轭体系的电子结构、酸碱平衡和C2/C3区域的反应条件。Micheletti等的实验确定了劳松在其反应条件下未生成NAC加合物，但该结果本身并不足以把反应缺失归因于单一电子因素。对具体羟基萘醌预测亲核反应时，需要同时考虑取代位置、离子化状态、互变异构和反应介质。[4]

6 硫醇加合物可以继续参与萘醌氧化还原过程

C—S键形成后，如果氧化产物重新形成醌式二羰基结构，新的硫取代萘醌仍具有氧化还原活性。

Olson等利用质谱、电子顺磁共振、紫外-可见吸收和氧消耗实验研究1,4-萘醌与谷胱甘肽、半胱氨酸等小分子硫醇的反应。硫醇加合过程中萘醌发生还原，随后还原的萘醌—硫加合物可发生再氧化并消耗氧。不同萘醌—硫醇加合物对后续H₂S氧化反应表现出增强、降低或保持活性的差异，具体结果取决于萘醌结构和硫醇种类。[5]

这一实验把萘醌的两类反应连接起来：

电子转移改变萘醌的氧化态；

亲核加成改变萘醌的共价结构；

加成产物重新形成醌式结构后，还可以继续进入新的氧化还原循环。

因此，萘醌与亲核体形成加合物并不代表氧化还原反应终止。产物是否继续具有电子转移能力，取决于加成以后醌式共轭二羰基结构是否恢复以及新取代基怎样改变其电子性质。

7 萘醌结构与反应性的对应关系

萘醌的电子转移和亲核反应由同一个醌式电子结构产生，但受到不同结构因素调节。

        萘醌的稠合结构使醌环与苯并环形成两个电子效应不同的取代区域。电子进入萘醌后，半醌形成伴随整个稠合骨架的电子和几何结构重组；取代基的位置决定其对还原中心的影响程度；邻近羰基的质子供体能够通过分子内氢键显著稳定还原态，并进一步连接电子转移和质子转移。

        醌环的电子缺乏性质同时使C2/C3成为亲核反应位点。硫亲核试剂形成C—S键时，醌式π体系发生重新排列；氧化恢复醌结构后，形成的硫取代萘醌仍可继续参与电子转移。

        判断一个萘醌衍生物的基础反应性时，可优先关注四项结构信息：羰基采用1,2-还是1,4-排列；取代基位于醌环还是苯并环；羰基附近是否存在可形成分子内氢键或发生质子转移的基团；C2/C3是否保留亲核反应位点。这些结构因素共同影响萘醌的还原电位、半醌稳定方式以及电子转移与共价加成倾向；实际反应路径还受到反应介质、亲核试剂、质子供体等条件影响。

8 萘醌类化合物电子转移、取代效应与亲核反应研究相关代表化学品

表1. 萘醌母体、取代萘醌与还原态对照物

表2. 天然、维生素K型及功能化萘醌

表3. 硫亲核加成与生物硫醇模型

注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] White N J, Tunstall W W, Vargas L A, Workman K T, Moldenhauer J, Gichuhi W K. Benzoquinone, 1,4-naphthoquinone radical anions, and their didehydro derivatives: electroanalytical and predicted negative ion photoelectron spectroscopic studies. Physical Chemistry Chemical Physics, 2025, 27(17): 8976–8993. DOI: 10.1039/D5CP00392J.

[2] Gopinath P, Mahammed A, Ohayon S, Gross Z, Brik A. Understanding and predicting the potency of ROS-based enzyme inhibitors, exemplified by naphthoquinones and ubiquitin specific protease-2. Chemical Science, 2016, 7(12): 7079–7086. DOI: 10.1039/C6SC02758J.

[3] Guerra W D, Odella E, Cui K, Secor M, Dominguez R E, Gonzalez E J, Moore T A, Hammes-Schiffer S, Moore A L. The role of an intramolecular hydrogen bond in the redox properties of carboxylic acid naphthoquinones. Chemical Science, 2024, 15(42): 17425–17434. DOI: 10.1039/D4SC05277C.

[4] Micheletti G, Boga C, Zalambani C, Farruggia G, Esposito E, Fiori J, Rizzardi N, Taddei P, Di Foggia M, Calonghi N. Synthesis of thia-Michael-Type Adducts between Naphthoquinones and N-Acetyl-L-Cysteine and Their Biological Activity. Molecules, 2022, 27(17): 5645. DOI: 10.3390/molecules27175645.

[5] Olson K R, Clear K J, Gao Y, Ma Z, Cieplik N M, Fiume A R, Gaziano D J, Kasko S M, Luu J, et al. Redox and Nucleophilic Reactions of Naphthoquinones with Small Thiols and Their Effects on Oxidization of H₂S to Inorganic and Organic Hydropolysulfides and Thiosulfate. International Journal of Molecular Sciences, 2023, 24(8): 7516. DOI: 10.3390/ijms24087516.

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