DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69109-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620468
تاريخ النشر: 2026-01-31
المؤلف: Qingyang Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق الكيرالية المحورية والأتروبيزوميرية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الأتروبيزومات متعددة المحاور، مع التركيز بشكل خاص على ثلاث فئات من الأتروبيزومات الثنائية المحاور من نوع LaPlente المستمدة من دوارات النفثالين وروابط الفينيل. تستكشف الدراسة التحويل الحراري والديناميكي للأشكال الجزيئية في المركبات 22-NB و 11-NB و 11-NB-8DMe، كاشفة عن علاقة مباشرة بين الديناميات الجزيئية والتزاوج الإلكتروني عبر الفضاء (TSC).
من الجدير بالذكر أن البحث يحقق الفصل المطلق بين الأشكال المتناظرة والمضادة في 11-NB-2DMe، باستخدام الفلورية المستحثة بواسطة TSC لتصور تجمعات الأشكال الديناميكية وسرعتها خلال التبلور المتسلسل. لا تعزز هذه الدراسة فقط الفهم لعلم الأتروبيزومات متعددة المحاور، بل تقدم أيضًا منهجية قائمة على الفلورية للتحليل في الوقت الحقيقي للديناميات الجزيئية، مع تداعيات لمجالات مختلفة في علوم الحياة والمواد.
مقدمة
تناقش المقدمة الأتروبيزومات، وهي فئة فريدة من المتماكبات المكانية تتميز بالدوران المقيد حول الروابط الفردية بسبب العوائق الستيرية، مما يؤدي إلى استقرار شكلي متميز يتأثر بحواجز الطاقة الدورانية. لهذه المتماكبات تطبيقات كبيرة في مجالات مختلفة، لا سيما في علوم الأدوية، حيث تعمل كمانعات إنزيم مستهدفة، وفي علوم المواد، حيث تساهم في تصميم الجزيئات الكيرالية والمحركات الجزيئية الاصطناعية. على الرغم من التقدم في دراسة الأتروبيزومات أحادية المحور، لا تزال الأبحاث حول الأتروبيزومات متعددة المحاور محدودة، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق لتعزيز الفهم لنظرية الكيمياء الفراغية والديناميات الشكلية.
عادةً ما تستخدم التحليلات الهيكلية للأتروبيزومات تقنيات مثل حيود الأشعة السينية أحادية البلورة، وطيف الرنين المغناطيسي النووي، والامتصاص الدائري، والتي لها قيود داخلية. بالمقابل، تقدم الطرق القائمة على الفلورية بديلاً واعدًا بسبب حساسيتها الفائقة ومرونتها. تشير النتائج الأخيرة إلى أن التزاوج غير التساهمي عبر الفضاء (TSC) في الجزيئات الملتوية المعوقة ستيرياً يمكن أن يؤثر على الهياكل الإلكترونية وينتج إشارات فلورية تعتمد على الشكل. تركز هذه الدراسة على بناء الأتروبيزومات الثنائية المحاور (أنظمة من النوع الرابع) من خلال دمج دوارين نفثالين مع رابط قائم على الفينيل، مما يمكّن من تعديل العوائق الستيرية واستكشاف تحويلاتها الشكلية الحرارية والديناميكية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من موردين تجاريين، بما في ذلك Leyan وEnergy Chemical وMacklin وAladdin وJ&K Scientific وBidepharm، وتم استخدامها دون تنقية إضافية. من الجدير بالذكر أن رباعي الفوسفين ثلاثي الفينيل بالاديوم تم الحصول عليه خصيصًا من Leyan (رقم الكتالوج 1021232، شنغهاي، الصين).
مرت المنتجات النهائية الناتجة خلال التجارب بعمليات تنقية صارمة، والتي شملت كروماتوغرافيا عمود السيليكا وإعادة التبلور، وتم تنفيذها ثلاث مرات على الأقل لضمان سلامة العينة. تم التحقق من فعالية التنقية باستخدام كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC). بالنسبة للتخليق والقياسات الضوئية، تم استخدام المذيبات من درجة HPLC مثل الأسيتونيتريل (ACN) والتولوين (Tol) و2-ميثيل تتراهيدروفوران (2-Me-THF).
نتائج
تتناول قسم النتائج تخليق وتوصيف الأتروبيزومات الثنائية المحاور، وبشكل خاص 22-NB و11-NB، باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) وكروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC). تكشف تحليل NMR أن 22-NB يقدم مجموعة واحدة من الإشارات، مما يشير إلى شكل مستقر، بينما يظهر 11-NB مجموعتين متميزتين من القمم تتوافق مع أشكاله المتناظرة والمضادة. تشير الدراسات الحاسوبية لأسطح الطاقة المحتملة إلى أن 22-NB لديه حاجز دوران منخفض يبلغ 31.2 كيلوجول/مول، مما يؤدي إلى تحويل سريع (t1/2 من 101 نانوثانية و186 نانوثانية)، بينما يمتلك 11-NB حاجزًا أعلى يبلغ 88.2 كيلوجول/مول، مما يؤدي إلى عمر نصف أطول يبلغ 1.8 دقيقة و6.0 دقائق لأشكاله.
تؤكد التحليلات الحرارية الإضافية أن الشكل المتناظر لـ 11-NB هو المفضل طاقيًا، حيث يظهر NMR ذو درجة حرارة متغيرة تحولًا في تجمعات الأشكال عند درجات حرارة منخفضة. بالمقابل، لا يظهر 22-NB أي تغييرات طيفية ملحوظة عبر نفس نطاق درجات الحرارة. تستكشف الدراسة أيضًا مشتقًا، 11-NB-8DMe، الذي يظهر شكلًا مستقرًا واحدًا بسبب العوائق الستيرية الشديدة في الشكل المتناظر، مما يؤدي إلى فرق طاقة كبير يفضل الشكل المضاد. تسلط هذه الدراسة الضوء على مبدئين رئيسيين لتحقيق فصل الأشكال: تقليل اختلافات الطاقة الحرة للسماح بالتعايش وضمان وجود حواجز تحويل كافية للحفاظ على حالات الأشكال المتميزة على مدى فترات زمنية ذات صلة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل الخصائص الضوئية لثلاثة أتروبيزومات—22-NB و11-NB و11-NB-8DMe-anti—بشكل منهجي لفهم هيمنة التزاوج عبر الروابط (TBC) مقابل التزاوج عبر الفضاء (TSC) في عمليات الفلورية (PL) الخاصة بها. أشارت النتائج إلى أنه بينما أظهر 22-NB خصائص النفثالين المعزول مع امتصاص أقصى يبلغ ≤ 290 نانومتر وعدم وجود TSC، عرض 11-NB انبعاثًا متأخرًا عند 354 نانومتر، مما يدل على تكوين TSC بين شظايا النفثالين الخاصة به. انخفض ذروة الانبعاث بشكل أكبر إلى 383 نانومتر عند التبريد، مما يشير إلى تعزيز استقرار TSC في بيئة صلبة. بالمقابل، أظهر 11-NB-8DMe-anti انبعاثًا مستقرًا عند 395 نانومتر، مما يبرز TSC القوي الخاص به. أسست الدراسة علاقة واضحة بين الهيكل والخاصية، مما يوضح أن الهندسة الستيرية تؤثر بشكل كبير على شدة واستقرار TSC، مما يسمح بالتعديل الدقيق لأطوال موجات اللمعان.
بالإضافة إلى ذلك، نجحت الدراسة في عزل الأشكال المتناظرة والمضادة لـ 11-NB-2DMe، محققة تصنيف الأتروبيزوم من الفئة 3 بسبب اختلاف الطاقة الحرة الأدنى وسرعات التحويل البطيئة. كشفت الدراسات الضوئية عن سلوكيات PL متميزة للأشكال، حيث أظهر الشكل المضاد انبعاثًا أقوى لـ TSC. قدمت الدراسة أيضًا نهج الفلورية النسبية لرسم خرائط تجمعات هذه الأشكال في الوقت الحقيقي أثناء التبلور، كاشفة عن رؤى حول تجمعات الأشكال الديناميكية وسرعات التبلور. يعزز هذا العمل الفهم للأنظمة الأتروبيزمية ويؤسس رسم الخرائط بالفلورية كأداة قوية لدراسة الديناميات الجزيئية في بيئات معقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69109-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620468
Publication Date: 2026-01-31
Author(s): Qingyang Xu et al.
Primary Topic: Axial and Atropisomeric Chirality Synthesis
Overview
This research investigates multi-axis atropisomers, specifically focusing on three classes of LaPlente-type biaxial atropisomers derived from naphthalene rotors and phenyl linkers. The study explores the thermodynamic and kinetic interconversion of molecular conformations in compounds 22-NB, 11-NB, and 11-NB-8DMe, revealing a direct relationship between molecular dynamics and electronic through-space conjugation (TSC).
Notably, the research achieves the absolute separation of syn and anti conformers in 11-NB-2DMe, utilizing TSC-induced fluorescence to visualize dynamic conformer populations and their kinetics during sequential crystallization. This work not only enhances the understanding of multi-axis atropisomer stereochemistry but also introduces a fluorescence-based methodology for real-time analysis of molecular dynamics, with implications for various fields in life and materials sciences.
Introduction
The introduction discusses atropisomers, a unique class of stereoisomers characterized by restricted rotation around single bonds due to steric hindrance, which leads to distinct conformational stability influenced by rotational energy barriers. These isomers have significant applications in various fields, particularly in pharmaceutical science, where they serve as targeted enzyme inhibitors, and in materials science, where they contribute to the design of chiral molecules and artificial molecular motors. Despite advancements in the study of monoaxial atropisomers, research on multi-axis atropisomers remains limited, highlighting the need for further investigation to enhance understanding of stereochemical theory and conformational dynamics.
The structural analysis of atropisomers typically employs techniques such as single-crystal X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and circular dichroism, which have inherent limitations. In contrast, fluorescence-based methods present a promising alternative due to their ultrasensitivity and versatility. Recent findings indicate that noncovalent through-space conjugation (TSC) in sterically hindered twisted molecules can influence electronic structures and produce conformation-dependent fluorescence signals. This study focuses on the construction of biaxial atropisomers (Type IV systems) by integrating two naphthyl rotors with a phenyl-based linker, enabling the modulation of steric hindrance and the exploration of their thermodynamic and kinetic conformational interconversions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their research. All reagents were sourced from commercial suppliers, including Leyan, Energy Chemical, Macklin, Aladdin, J&K Scientific, and Bidepharm, and were utilized without additional purification. Notably, tetrakis(triphenylphosphine)palladium was specifically acquired from Leyan (Catalog No. 1021232, Shanghai, China).
The final products generated during the experiments underwent rigorous purification processes, which included silica gel column chromatography and recrystallization, performed at least three times to ensure sample integrity. The effectiveness of the purification was verified using high-performance liquid chromatography (HPLC). For the synthesis and photophysical measurements, HPLC-grade solvents such as acetonitrile (ACN), toluene (Tol), and 2-methyltetrahydrofuran (2-Me-THF) were employed.
Results
The results section details the synthesis and characterization of biaxial atropisomers, specifically 22-NB and 11-NB, using X-ray diffraction (XRD) and high-performance liquid chromatography (HPLC). NMR analysis reveals that 22-NB presents a single set of signals, indicating a stable conformation, while 11-NB shows two distinct sets of peaks corresponding to its syn and anti conformers. Computational studies of the potential energy surfaces indicate that 22-NB has a low rotational barrier of 31.2 kJ/mol, leading to rapid interconversion (t1/2 of 101 ns and 186 ns), whereas 11-NB has a higher barrier of 88.2 kJ/mol, resulting in longer half-lives of 1.8 min and 6.0 min for its conformers.
Further thermodynamic analysis confirms the syn conformation of 11-NB as energetically favored, with variable-temperature NMR demonstrating a shift in conformer populations at lower temperatures. In contrast, 22-NB shows no significant spectral changes across the same temperature range. The study also explores a derivative, 11-NB-8DMe, which exhibits a single stable conformer due to severe steric hindrance in the syn conformation, leading to a substantial energy difference that favors the anti conformer. This research highlights two key principles for achieving conformer separation: minimizing free energy differences to allow coexistence and ensuring sufficient interconversion barriers to maintain distinct conformer states over relevant timescales.
Discussion
In this study, the photophysical properties of three atropisomers—22-NB, 11-NB, and 11-NB-8DMe-anti—were systematically analyzed to understand the dominance of through-bond conjugation (TBC) versus through-space conjugation (TSC) in their photoluminescence (PL) processes. The results indicated that while 22-NB exhibited characteristics of isolated naphthalene with a maximum absorption of ≤ 290 nm and no TSC, 11-NB displayed a redshifted emission at 354 nm, indicative of TSC formation between its naphthalene fragments. The emission peak further redshifted to 383 nm upon cooling, suggesting enhanced TSC stability in a rigid environment. In contrast, 11-NB-8DMe-anti showed a stable emission at 395 nm, highlighting its robust TSC. The study established a clear structure-property relationship, demonstrating that steric engineering significantly influences the intensity and stability of TSC, allowing for precise modulation of luminescent wavelengths.
Additionally, the research successfully isolated the syn and anti conformers of 11-NB-2DMe, achieving a Class 3 atropisomer designation due to its minimal free energy difference and slow interconversion kinetics. Photophysical studies revealed distinct PL behaviors for the conformers, with the anti conformer exhibiting stronger TSC emission. The study also introduced a ratiometric fluorescence approach to map the populations of these conformers in real-time during crystallization, revealing insights into the dynamic conformational populations and crystallization kinetics. This work advances the understanding of atropisomeric systems and establishes fluorescence mapping as a powerful tool for studying molecular dynamics in complex environments.