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分子集群的自分類行為是一種高度復(fù)雜且精妙的分子級(jí)自組織現(xiàn)象，其中不同類型的分子基于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)性質(zhì)，能夠自發(fā)地選擇性聚集并有序地進(jìn)行組裝。自分類行為最早是在超分子化學(xué)領(lǐng)域得到觀察和深入研究，它主要表現(xiàn)為分子通過(guò)氫鍵、π-π 堆積、范德華力等非共價(jià)相互作用，形成具有特定結(jié)構(gòu)、功能和協(xié)同性的超分子組裝體。

圖 1 吳安心教授課題組自分類反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)研究系列代表性工作

近年來(lái)，這一概念被創(chuàng)造性地引入到有機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域，開創(chuàng)了“自分類反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”研究方向。在這一反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，反應(yīng)物和中間體能根據(jù)反應(yīng)活性、結(jié)構(gòu)特征及反應(yīng)選擇性自發(fā)形成多個(gè)相互獨(dú)立卻又協(xié)同作用的反應(yīng)序列。每個(gè)反應(yīng)序列都擁有獨(dú)特的反應(yīng)路徑和轉(zhuǎn)化模式，它們通過(guò)巧妙的反應(yīng)條件相互協(xié)作，最終高效合成目標(biāo)分子。自分類反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)高度的反應(yīng)序列集成和條件優(yōu)化，極大地提高了化學(xué)轉(zhuǎn)化的效率和精確性，避免了傳統(tǒng)有機(jī)合成中常見(jiàn)的反應(yīng)步驟繁瑣、分離困難和產(chǎn)物選擇性差等問(wèn)題，為現(xiàn)代有機(jī)合成提供了更加高效、綠色和可持續(xù)的解決方案。

反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)：化學(xué)反應(yīng)的“社交圈”

反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自我導(dǎo)向和自我組織原理，構(gòu)建起相互依賴的反應(yīng)序列，這些序列在同一環(huán)境中協(xié)調(diào)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)特定分子的高效合成。它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是自我導(dǎo)向性，反應(yīng)體系能根據(jù)分子電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑；二是自我分類特性，使多個(gè)反應(yīng)序列能在同一體系中并行而互不干擾；三是匯聚歸一的特點(diǎn)，所有平行反應(yīng)序列最終都能定向轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，確保了反應(yīng)選擇性。

圖 2 吳安心教授“碘 -DMSO 組合試劑系統(tǒng)介導(dǎo)下構(gòu)建雜環(huán)合成工具箱”的代表性結(jié)構(gòu)

圖 3 科學(xué)界普遍認(rèn)為 : 生命起源包含化學(xué)進(jìn)化與生命進(jìn)化兩個(gè)階段，而連接這兩個(gè)進(jìn)化的紐帶是微觀分子集群的自組織性

自組織全合成突破了傳統(tǒng)逐步操作的局限，通過(guò)合理設(shè)計(jì)反應(yīng)條件，使多個(gè)反應(yīng)序列在單一體系中兼容并行，實(shí)現(xiàn)一鍋法合成。這種方法將所有反應(yīng)步驟整合在同一容器中，省去了反復(fù)分離純化的繁瑣過(guò)程，顯著提高了合成效率。它不僅模仿了生物體內(nèi)酶的協(xié)同作用機(jī)制，還通過(guò)反應(yīng)步驟的精心配合，實(shí)現(xiàn)了不同反應(yīng)在統(tǒng)一環(huán)境中的順利進(jìn)行，克服了傳統(tǒng)合成中步驟繁瑣、分離困難和選擇性差等問(wèn)題，為有機(jī)合成提供了高效、綠色、可持續(xù)的新方案。

從理論到實(shí)踐：反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用

反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在含氮雜環(huán)合成中顯示獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。作為有機(jī)化學(xué)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，含氮雜環(huán)廣泛存在于天然產(chǎn)物、藥物與功能材料中。傳統(tǒng)方法通常需多步反應(yīng)，步驟繁瑣且產(chǎn)率低，而反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)策略成功實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜含氮雜環(huán)的高效合成，尤其在藥物化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)重要價(jià)值。

其中最具代表性的是5-羥基吡唑衍生物向并環(huán)化合物的轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程涉及分子骨架重排，通過(guò)環(huán)加成誘導(dǎo)的骨架躍遷機(jī)制在溫和條件下實(shí)現(xiàn)。在I2-DMSO體系中，該方法不僅適用于多種取代基團(tuán)，還保持良好的區(qū)域和立體選擇性，通過(guò)精確調(diào)控反應(yīng)條件獲得高達(dá)75%的產(chǎn)率。

這種自組織反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)突破傳統(tǒng)合成瓶頸，以一鍋式操作將多步反應(yīng)集成于單一體系，減少中間體積累，提高效率和產(chǎn)率，適合大規(guī)模生產(chǎn)與工業(yè)應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，該方法有望擴(kuò)展至其他雜環(huán)合成，并結(jié)合計(jì)算化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)，為新型功能材料和藥物開辟創(chuàng)新路徑。

現(xiàn)存困難與挑戰(zhàn)

盡管反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出廣闊前景，實(shí)際應(yīng)用中仍存在幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，涉及多個(gè)反應(yīng)序列時(shí)，反應(yīng)條件的優(yōu)化極為復(fù)雜，精確控制各反應(yīng)的兼容性是一大難點(diǎn)。其次，網(wǎng)絡(luò)中的活性中間體常具有不穩(wěn)定性，可能與溶劑或氣氛發(fā)生副反應(yīng)，影響產(chǎn)物選擇性和可重復(fù)性。雖然反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在簡(jiǎn)單化合物合成中表現(xiàn)出色，但面對(duì)天然產(chǎn)物等復(fù)雜分子時(shí)，反應(yīng)的多樣性和復(fù)雜性仍構(gòu)成挑戰(zhàn)。此外，如何在保持高效的同時(shí)確保反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)規(guī)模下的穩(wěn)定性和可操作性，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

未來(lái)展望：更廣闊的應(yīng)用前景

反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展將沿兩大方向：優(yōu)化現(xiàn)有反應(yīng)序列提高效率可靠性，以及探索新的網(wǎng)絡(luò)模型特別是在綠色化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理解加深，研究者將更注重通過(guò)調(diào)控反應(yīng)路徑和條件提高整體效率，減少副產(chǎn)物生成，增強(qiáng)選擇性。

在綠色化學(xué)和可持續(xù)合成方面，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一鍋法策略可大幅減少能源消耗、催化劑用量和溶劑使用，降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。未來(lái)研究將更多關(guān)注可再生資源、綠色溶劑和催化劑再生利用，促進(jìn)化學(xué)合成的可持續(xù)發(fā)展。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和人工智能技術(shù)將顯著提升反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)精度。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，科研人員能快速篩選最優(yōu)反應(yīng)路徑和條件，減少試錯(cuò)成本。這些技術(shù)的結(jié)合將使反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)更加高效精準(zhǔn)，能針對(duì)特定化合物進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

隨著技術(shù)進(jìn)步，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)將在有機(jī)合成、藥物開發(fā)和材料科學(xué)中發(fā)揮更大作用，為天然產(chǎn)物合成、新藥研發(fā)提供高效綠色的合成路徑。"分子系統(tǒng)-反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)"概念開創(chuàng)了嶄新研究領(lǐng)域，展示了化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的自組織能力，不僅深化了微觀世界認(rèn)識(shí)，也為解決實(shí)際問(wèn)題提供了新思路。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“反應(yīng)集群的自分類性在雜環(huán)合成中的應(yīng)用”（21032001），國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于分子間弱相互作用的自分類性等級(jí)構(gòu)筑雙層分子結(jié)構(gòu)體”(21272085），國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于分子集群的自分類行為構(gòu)建偶聯(lián)成烯的新型反應(yīng)體系”（20872042)， 成都硅寶科技股份有限公司、華中師范大學(xué)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)“復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的自分類性研究”（CCNU15ZX002）的支持。