大环的三维构象对其分子识别及自组装性质具有重要影响，对其构象的调控可改变其性质及应用。大环快速的构象转化过程较为常见，但对大环构象转化过程的研究较为困难。尽管客体分子参与的大环体系的构象转换过程已被广泛研究，而缓慢的构象转化过程仍少有报道。对缓慢的构象转化过程的研究不仅有利于分子机器或器件的设计，同时其可作为重要工具分析大环主-客体作用的机制。此外，在缺乏外加物种条件下实现大环分子构象的可逆转化依旧面临重要挑战，从而阻碍了基于大环三维构象转化的相关应用的发展。

近日，龚汉元老师课题组通过片段偶联策略合成了环[4](1,3-(4,6)-二甲基苯)[4](4,6-(1,3)-间苯二甲酸甲酯) (OC-4)。在乙腈中，333 K下进行环合反应时，可获得室温下稳定的C2v和C4v对称性的两种大环阻转异构体，即C2v-OC-4和C4v-OC-4。而在甲苯中，373 K下进行环合反应时，可选择性获得C4v-OC-4。通过系列对比实验及理论计算可知C2v-OC-4和C4v-OC-4分别为动力学和热力学产物，该结论进一步通过在高温 (573 K) 下C2v-OC-4向 C4v-OC-4的定量转化得到证实。

在TCE-d2溶液中进行C2v-OC-4的热转化过程中，除C2v-OC-4和C4v-OC-4信号外，三套新出现的信号表明该转化过程为活性中间体参与的历程。5种OC-4大环在TCE-d2溶液中达到平衡，表明该过程为可逆过程。而在toluene-d8溶液中进行C2v-OC-4的异构化过程时，C2v-OC-4可完全转化为C1-，Cs-，C2-和C4v-OC-4，表明该过程为不可逆过程。上述结论进一步通过直接加热C4v-OC-4的TCE-d2和toluene-d8溶液得到验证。对核磁信号分析及理论计算，三个中间体大环分别具有C1-，Cs-，C2- 对称性，即C1-OC-4，Cs-OC-4和C2-OC-4。此外，通过中间体的俘获，获得了中间体Cs-OC-4的单晶结构，并通过机械分离获得了少量Cs-OC-4的晶体纯品，从而对其进行了液相核磁表征。

为进一步提高C4v-OC-4的逆转化率，将C4v-OC-4进行水解后再在室温下进行酯化反应，从而可获得5种对称性的OC-4阻转异构体混合物。结果表明，C4v-OC-4的转化率及不同对称性的OC-4的比例存在依赖于水解反应中所使用的碱的阳离子。当四丁基氢氧化铵作为水解步骤的碱时，C4v-OC-4的转化率及C2v-OC-4的生成率分别可达90.0%和33.6%。

C4v-OC-4具有更加开放的空腔结构，其可作为新型分子受体，与富勒烯 C60 或 C70形成 1:1 主客体复合物；或与直链烷烃衍生物形成准轮烷结构，在富勒烯分离及互锁结构构筑等领域具有潜在的应用前景，而C2v-OC-4则不具备相关性质。

本工作首次通过热和化学反应实现了具有刚性骨架结构的富碳大环阻转异构体间的互相转化，不仅为富碳大环化合物或阻转异构体的结构性能调控提供了新的思路，同时为基于构象转化的刺激性响应材料或超分子体系的构筑提供了研究基础。

相关工作得到了国家自然科学基金（92156009、21971022）、中央高校基本科研业务费专项资金、北京市教委的资助。感谢北京师范大学、伟德betvlctor体育官网对相关工作的大力支持。相关成果近期发表于期刊《Nature Communications》: Controlled interconversion of macrocyclic atropisomers via defined intermediates. Xin Sun, Jin-Ku Bai, Yu-Dong Yang, Ke-Lin Zhu, Jia-Qi Liang, Xin-Yue Wang, Jun-Feng Xiang, Xiang Hao, Tong-Ling Liang, Ai-Jiao Guan, Ning-Ning Wu and Han-Yuan Gong*. Nat. Commun. 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-50739-6。北京师范大学是该工作第一单位，孙鑫博士为文章第一作者，博士研究生白金库为论文第二作者，龚汉元教授为通讯作者。