多轴阻转异构体在自然界中普遍存在，其复杂的立体构象不仅深化了立体化学认知，更揭示了分子阻转动态的基本原理。
然而，目前对多轴阻转异构现象的认识仍较为有限。
2026年1月31日，浙江大学张浩可、唐本忠、黄飞鹤、张鉴予在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Fluorescence mapping of atropisomer populations enabled by through-space conjugation》的研究论文，Qingyang Xu、Kangwei Luo、Yipu Wang为论文共同第一作者，张浩可、唐本忠、黄飞鹤、张鉴予为论文共同通讯作者。
在本文中，作者基于萘转子与苯基连接单元，系统探究了拉普兰特型双轴阻转异构体的三类结构：22-NB、11-NB与11-NB-8DMe，实现了热力学与动力学控制的分子构象互变，并阐明了分子动态与空间电子共轭效应的直接关联。
进一步地，在11-NB-2DMe中实现了顺反构象的绝对分离——其空间电子共轭诱导的差异荧光特性，使得通过时间序列结晶直接可视化动态构象分布与反应动力学成为可能。
本工作不仅为多轴阻转立体化学提供了基础机制见解，更建立了一种基于荧光的原位分析平台，为生命科学与材料科学领域的实时分子动态研究开辟了新路径。
阻转异构体（Atropisomers）是一类由于空间位阻限制单键旋转而产生的立体异构体，其构象稳定性由旋转能垒决定。这类异构体在生命科学到先进材料领域有着广泛的应用。例如，在药物科学中，阻转异构体通过利用构象选择性结合来充当靶向酶抑制剂，从而调节生物活性，其立体化学构型对药物疗效、药代动力学和生物利用度有着至关重要的影响。同样，在材料科学中，阻转异构现象是手性分子和人工分子马达设计的基础，推动了不对称催化和动态纳米技术的发展。
尽管取得了这些进展，目前的研究主要集中在单轴阻转异构骨架上，特别是I型体系，如联苯和联萘衍生物。虽然在单轴II型和III型阻转异构体方面也取得了显著进展，但对于自然界中存在的、具有更高阶立体化学复杂性的多轴阻转异构体的研究仍处于起步阶段。因此，研究这些体系至关重要，因为它有望拓展基础立体化学理论，并为理解支配生物和功能材料的构象动力学提供见解。
同时，阻转异构体的结构解析通常依赖于单晶X射线衍射（XRD）、核磁共振（NMR）波谱和圆二色谱（CD）。然而，这些技术本质上受到高结晶度、清晰可分辨的NMR信号或强手性光学活性等要求的限制，从而制约了它们更广泛的应用。相比之下，基于荧光的方法提供了超高的灵敏度和多功能性，可以克服这些限制。最近的研究证实，在空间位阻大的扭曲分子中，非共价的空间共轭（Through-Space Conjugation, TSC）通过空间轨道重叠来调控电子结构，从而产生构象依赖的荧光信号。此外，利用阻转异构体拥挤的拓扑结构，这种由TSC驱动的荧光方法可能成为一种强大的替代方案，用于结构分析和动态构象平衡的实时监测。
在本工作中，作者构建了一系列双轴阻转异构体（即IV型体系），通过将两个萘基转子与一个苯基连接基团整合而成。通过精确调控转子的空间位阻，本文获得了三种具有不同TSC特征的LaPlente分类阻转异构体。本文还实现了对22-NB、11-NB和11-NB-8DMe这三种化合物的构象在热力学和动力学上的精确调控，阐明了分子动力学、电子TSC和荧光信号之间的关联。
值得注意的是，本文成功地对11-NB-2DMe的稳定syn（顺式）和anti（反式）构象体进行了完全分离，并利用其由TSC引起的、构象依赖的荧光差异，成功实现了对稀溶液中syn/anti构象体比例的定量分析。所开发的荧光光谱方法进一步实现了对结晶驱动的构象体重分布过程的实时可视化，为阻转异构体动力学提供了高分辨率的观测手段。本工作不仅拓展了阻转异构体的多维立体化学框架，还建立了一种通用的原位方法，能够以高精度绘制阻转异构体的群体分布图。
图1： 阻转异构体的类型及热力学/动力学控制。a) 代表性阻转异构体类型。b) 22-NB、11-NB和11-NB-8DMe的化学结构。c) 这些阻转异构体的单晶结构和二面角。d) syn与anti构象体之间的自由能差(ΔG)和相互转化半衰期(t1/2)。e-f) 11-NB的变温核磁共振氢谱及其syn/anti比例。为便于清晰可视化，基于对称性考虑减少了氢原子数量，其中红色代表11-NB-syn，蓝色代表11-NB-anti。
图2：光物理性质和分子内空间共轭(TSC)。a-c) (a) 22-NB、(b) 11-NB和(c) 11-NB-8DMe-anti在2-Me-THF中的变温光致发光(PL)光谱，浓度c = 10 μM。插图为在室温(RT)和200 K下300 nm激发时拍摄的溶液照片。d) 使用IGMH(isovalue= 0.018 a. u.)分析了这三种化合物的激发态几何结构，以表征两个萘环之间的相互作用，其具体位置和特征在红色虚线框内突出显示。颜色表示临界点周围等值面上的相互作用特征和强度，如色标所示。e) 分子骨架柔性与TSC之间的关系。
图3：11-NB-2DMe的syn和anti构象体的分离与表征。a) 11-NB-2DMe的化学结构、单晶结构以及计算得到的自由能和半衰期。b-c) (b) 11-NB-2DMe-syn和(c) 11-NB-2DMe-anti在2-Me-THF中的吸收光谱和变温PL光谱，浓度c= 10 μM。d-e) δginter与sign(λ2)ρ的关系图。插图为11-NB-2DMe的优化激发态几何结构，其中通过IGMH(isovalue= 0.018 a. u.)分析的两个萘环之间的相互作用由红色虚线圈出。f-g) 气相中11-NB-2DMe的重组能与正则振动模式波数的关系图。插图：键长、键角和二面角对总重组能的贡献比例。h-i) 11-NB-2DMe阻转异构体光物理过程的示意图。激发态电子结构采用空穴-电子方法进行分析。
图4：11-NB-2DMe结晶动力学的可视化。a) 11-NB-2DMe在乙腈(ACN)中不同syn和anti比例下的PL光谱，浓度c= 10 μM。b) 11-NB-2DMe-syn和c) 11-NB-2DMe-anti在ACN中不同浓度下的吸收光谱。d) a图中相对PL强度(I365/I342)与syn比例的关系图。e) b图中11-NB-2DMe-syn在285 nm处的吸光度与浓度的关系图。f) c图中11-NB-2DMe-anti在285 nm处的吸光度与浓度的关系图。g) 11-NB-2DMe在ACN中不同结晶时间下的PL光谱。h) 结晶过程中syn和anti构象体的比例变化图。i) 结晶过程中syn和anti构象体的质量(m)变化图。j) 11-NB-2DMe结晶过程三个阶段的示意图。
综上，作者系统性地探索了基于萘基转子和苯基连接基的LaPlente型双轴阻转异构体，成功实现了对22-NB、11-NB和11-NB-8DMe等分子构象在热力学与动力学层面的精准调控，并首次清晰揭示了分子动态行为与电子“空间共轭”（Through-Space Conjugation, TSC）之间的直接关联。
通过巧妙的分子设计，研究人员不仅阐明了不同取代模式如何影响旋转能垒和构象稳定性，更关键的是，在11-NB-2DMe体系中实现了syn与anti构象体的绝对分离。这一突破使得利用二者截然不同的TSC诱导荧光信号成为可能，从而开创了一种非破坏性的、高灵敏度的原位分析方法。
该方法不仅能定量解析溶液中复杂的构象体比例，更能以前所未有的时空分辨率，实时可视化结晶过程中构象体群体的动态演变与再分配，揭示了其分阶段、有序列的结晶动力学机制。
本工作不仅为多轴阻转异构体这一复杂立体化学领域提供了深刻的机理洞见，更重要的是，它建立了一个普适性强、操作便捷的荧光映射平台。
Fluorescence mapping of atropisomer populations enabled by through-space conjugation. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-69109-5.
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