自巴斯德（1848年手动拆分酒石酸盐外消旋体）的开创性工作以来，超分子手性在生物学、不对称催化和材料科学等领域都发挥着重要作用。自发去外消旋或对称破缺已被应用于从外消旋体系中分离出单一手性区域。然而，单一手性是否可以得到取决于所研究体系的层级与范围，在研究体系的层级、尺度或区域不确定的情况下，不能简单的定义“对称破缺”。

近日，上海交通大学张绍东团队通过醛氨缩合与酮-烯醇异构化串联，构筑了一对具有螺旋桨几何结构的手性分子笼消旋体——即(P)-和(M)-DC-1，并通过该外消旋体的多级组装阐述了“对称破缺”的内涵。

图1. 非对称笼外消旋体通过多级组装形成单一手性双螺旋结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究人员发现非对称笼在结晶时形成具有中心对称的外消旋化合物（racemic compound）---即(P)-和(M)-DC-1，然而该中心对称结构是由单一手性的双螺旋组成的。两个同手性的(M)-DC-1（一级结构）首先通过自组装形成超分子二聚体（二级结构），然后进一步组装形成单一手性单螺旋-1（三级结构），该单螺旋-1与(P)-DC-1形成的单螺旋-2通过缠绕形成单手性的双螺旋（四级结构），从而实现了超分子层级的“对称破缺”（图1）。

图2. 非对称笼外消旋体在晶体中的错位排列。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究人员通过晶体结构进一步研究了笼DC-1分子各向异性和错位堆积对形成独特的超分子结构的影响。经过分析发现，由于DC-1分子的各向异性几何结构（非对称螺旋桨结构），两个对映体不能在同一个平面内堆积，这种结构的不匹配通过破坏DC-1分子的排列，从而导致层与层之间连续性的破裂，以至于在一个晶胞内形成包含两个周期的错位12层（图2）。此外，每个DC-1周围都有6个相反手性的分子笼，他们通过弱π-π相互作用交错堆叠，这些作用力提供了分子笼DC-1在结晶过程中错位堆积的驱动力。

图3. 具有螺旋位错的非对称笼晶体实现了“对称破缺”式组装。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究人员还发现，在晶体生长过程中，非对称笼分子层与层之间的错位排列（frustrated packing）会促进螺旋位错晶体的形成（图3），即在单晶的形貌层面上出现了“对称破缺”式的左旋或右旋的局部不规则排列，而这些螺旋位错晶体均由DC-1分子的外消旋混合物形成。

该工作展现了具有各向异性特征非对称笼的特殊性，其可作为一类特殊的超分子组装基元，用于探索区别于传统构筑单元（如球体、柏拉图多面体、阿基米德多面体等）所构筑的超分子结构。

该研究工作得到了变革性分子前沿科学中心培育基金的资助，发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202103821