对称性破缺现象因其有可能揭示自然界中同手性的起源而一直备受关注。在人工构建的体系中，利用对称性破缺现象能够无需对映纯前体而制备手性材料，因此在降低成本和扩大应用方面具有独特的优势。对称破缺通常发生在自组装过程中，其中非手性分子自发地采用无中心的堆积或外消旋体被去消旋化。虽然对称性破缺的形式多种多样，但是以前的报道大多集中在溶液中的离散分子聚集时自发出现的同质手性，而在受到限制的环境中（例如，在固态中）的对称性破缺现象仍缺乏探索。
对分子间相互作用的精准操控在设计固态对称破缺体系中起着关键作用。卤素键作为一种重要的弱相互作用，由于其独特的方向性、可调性和疏水性，在有机晶体工程中得到了广泛的应用。特别是卤素键可以调节分子堆积的螺旋度以及促进外消旋体的手性拆分，从而实现超分子手性的调控。因此，在固态对称性破缺体系中引入卤素键可能是一个有利的策略。
近日，上海交通大学邱惠斌教授研究团队联合浙江理工大学沈程硕特聘副教授研究团队共同报道了基于氮杂螺烯的卤素键共晶的制备，并通过从共晶中移除卤化物诱导了独特的固态对称性破缺过程。利用氮杂螺烯与碘氟苯之间的卤素键合相对较弱的特性，通过真空加热处理将共晶中的卤化物完全去除。然后，剩余的氮杂螺烯自发地重新排列成有序的手性聚集体，实现了巧妙的固态重排和对称性破缺过程。值得一提的是，在微量的手性引发剂存在的情况下，对称性破缺的手性可以通过“固体手性界面诱导效应”被精准控制。
研究人员选择了多种碘氟苯类似物作为卤素键供体，成功制备了基于氮杂螺烯的卤素键共晶。如图1所示，4-氮杂[6]螺烯（4N6H）与1,4-二碘四氟苯（1,4-2IFB），1,2-二碘四氟苯（1,2-2IFB）和1,3,5-三氟-2,4,6三碘苯（3IFB）分别产生了具有层状堆积，人字堆积和交联堆积结构的卤素键共晶（图1）。其中，不同强度的C–I•••N卤素键对于氮杂螺烯的多样化堆积起到了至关重要的定向和介导作用。
图1. 卤素键调控的P-4N6H与卤化物的共晶结构。
由于卤素键合作用相对较弱，通过加热可以完全去除共晶中的卤化物。如图2所示，TGA曲线表明共晶在加热过程中的第一段失重与相应卤化物的重量完全匹配。但是由于卤化物的沸点较高，常压下加热去除卤化物后的聚集体失去了结晶性。因此，研究人员开发了在真空下加热移除卤化物的方法，以大大降低卤化物的移除温度。这一方法获得了显著的成效。三种共晶在移除相应的卤化物后，残余的P-4N6H均进行了有序的重新排列，生成了单晶。
图2. 卤化物被去除后多个共晶的固态重排。
值得一提的是，在移除3IFB后，共晶的形貌由片状变为了紧密排列的规整块状结构。如图3所示，EDS结果表明，块状结构区域的碘元素含量显著减少，而氮元素含量维持不变。这说明块状结构是由移除3IFB后残余的P-4N6H重新排列形成的。根据形貌图片中片状和块状结构交界处的锯齿状边缘和两种晶体中分子的堆积方式对比，研究人员推测出3IFB的去除产生了一定的自由空间，从而允许残余的P-4N6H通过相邻分子间的C–H•••N作用进行重新排列，生成新的单晶。
图3. 去除3IFB后P-4N6H的固态重排。
随后，这种通过移除卤化物来诱导氮杂螺烯有序重排的策略被应用于在溶液中具有动态螺旋结构的2-氮杂[4]螺烯（2N4H）分子。如图4所示，在C–I•••N卤素键的介导下，2N4H与三种卤化物形成了多样化的共晶。其中，P和M构象的2N4H在共晶中以同等数量被固定，表现出整体消旋性。在移除相应的卤化物后，残余的2N4H表现出了不同的重排倾向。特别地，在40 °C 的真空加热条件下将1IFB去除后2N4H重排产生了手性聚集体。相比之下，具有较高移除温度的1,4-2IFB和3IFB离去后只能诱导残余的2N4H产生消旋的聚集体或者失去结晶性。
图4. 卤素键调控的2N4H与卤化物的共结晶以及在去除卤化物后2N4H的固态重排。
2N4H的固态对称性破缺现象伴随着手性逐渐被放大的过程。如图5所示，随时间变化的XRD图谱揭示了对映纯的手性聚集体逐渐生成，同时原有的共晶的特征峰逐渐消失。相对应地，新出现的手性信号也逐渐增强。多次重复实验表明，两种手性聚集体的产生是随机的。根据实验结果，推测固态对称性破缺的机理可能为在1IFB被移除后，残余的2N4H分子通过重排随机地生成单一手性核，随后通过分子间的C–H•••π作用使得分子以同一构象进行有序堆积，逐渐生成同手性的聚集体。
图5. 2N4H的固态对称性破缺。
这种固态对称性破缺的产生依赖于两个主要因素。如图6所示，第一个因素是合适的卤素键强度。较弱的分子间卤素键使得卤化物移除温度较低，为残余的氮杂螺烯重排生成单一手性聚集体提供了先决条件。而较强的分子间卤素键使得卤化物只能在较高的温度下被移除，促使了残余的氮杂螺烯分子倾向于进行整体消旋的排列。第二个重要的因素是同质化的结构。长程有序的均一晶体结构有利于分子间相互作用的传递。单一的均质结构将生成同一手性的聚集体。而多个非均质结构将随机的生成两种手性的聚集体，使得整体倾向于消旋化。
图6. 影响固态对称性破缺的主要因素的示意图。
通过添加微量的手性引发剂，固态对称性破缺的手性能够被精准控制。如图7所示，在2N4H/1IFB的共晶体系中添加0.01当量具有固定手性的4N6H后，对称性破缺产生相应的单一手性。这可能是由于在固态界面上特定手性的4N6H选择性结合单一构象的2N4H生成手性核，随后通过分子间相互作用进行手性传递，手性逐渐被放大并最终产生对应的同手性聚集体。
图7. 固态对称性破缺的手性控制。
综上所述，本研究提出了一种基于具有动态手性的螺烯分子的固态对称性破缺的策略。通过简单的真空加热处理，卤化物可以被从共晶中去除，使残留的氮杂螺烯重新有序排列成同手性聚集体。并且还提出了一种新型的“固体手性界面诱导效应”，进一步实现了对手性的精准控制。这种策略广泛适用于具有动态手性构象的各种分子，将显著提高基于消旋前驱体制备手性有机材料的效率，大大扩展应用范围。
该工作发表于Nature Communications。上海交通大学化学化工学院博士研究生梁君聪为该论文的第一作者，上海交通大学化学化工学院邱惠斌教授、浙江理工大学化学与化工学院沈程硕特聘副教授为本文的通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、上海市教委、上海交通大学项目的经费资助，特此感谢。
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Halogen bond-modulated solid-state reordering and symmetry breaking of azahelicenes
Juncong Liang, Fuwei Gan, Guoli Zhang, Chengshuo Shen & Huibin Qiu
Nat. Commun., 2025, 16, 3788, DOI: 10.1038/s41467-025-59222-2
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