分子集群的自分類行為是一種高度復雜且精妙的分子級自組織現象，其中不同類型的分子基于其獨特的結構特征和化學性質，能夠自發地選擇性聚集并有序地進行組裝。自分類行為最早是在超分子化學領域得到觀察和深入研究，它主要表現為分子通過氫鍵、π-π 堆積、范德華力等非共價相互作用，形成具有特定結構、功能和協同性的超分子組裝體。

圖 1 吳安心教授課題組自分類反應網絡研究系列代表性工作

近年來，這一概念被創造性地引入到有機合成化學領域，開創了“自分類反應網絡”研究方向。在這一反應網絡中，反應物和中間體能根據反應活性、結構特征及反應選擇性自發形成多個相互獨立卻又協同作用的反應序列。每個反應序列都擁有獨特的反應路徑和轉化模式，它們通過巧妙的反應條件相互協作，最終高效合成目標分子。自分類反應網絡通過高度的反應序列集成和條件優化，極大地提高了化學轉化的效率和精確性，避免了傳統有機合成中常見的反應步驟繁瑣、分離困難和產物選擇性差等問題，為現代有機合成提供了更加高效、綠色和可持續的解決方案。

反應網絡：化學反應的“社交圈”

反應網絡通過自我導向和自我組織原理，構建起相互依賴的反應序列，這些序列在同一環境中協調進行，實現特定分子的高效合成。它的優勢主要體現在三個方面：一是自我導向性，反應體系能根據分子電子結構和反應活性自動選擇最優路徑；二是自我分類特性，使多個反應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，所有平行反應序列最終都能定向轉化為目標產物，確保了反應選擇性。

圖 2 吳安心教授“碘 -DMSO 組合試劑系統介導下構建雜環合成工具箱”的代表性結構

圖 3 科學界普遍認為 : 生命起源包含化學進化與生命進化兩個階段，而連接這兩個進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逐步操作的局限，通過合理設計反應條件，使多個反應序列在單一體系中兼容并行，實現一鍋法合成。這種方法將所有反應步驟整合在同一容器中，省去了反復分離純化的繁瑣過程，顯著提高了合成效率。它不僅模仿了生物體內酶的協同作用機制，還通過反應步驟的精心配合，實現了不同反應在統一環境中的順利進行，克服了傳統合成中步驟繁瑣、分離困難和選擇性差等問題，為有機合成提供了高效、綠色、可持續的新方案。

從理論到實踐：反應網絡的實際應用

反應網絡技術在含氮雜環合成中顯示獨特優勢。作為有機化學的關鍵結構，含氮雜環廣泛存在于天然產物、藥物與功能材料中。傳統方法通常需多步反應，步驟繁瑣且產率低，而反應網絡策略成功實現了多種復雜含氮雜環的高效合成，尤其在藥物化學領域展現重要價值。

其中最具代表性的是5-羥基吡唑衍生物向并環化合物的轉化，這一過程涉及分子骨架重排，通過環加成誘導的骨架躍遷機制在溫和條件下實現。在I2-DMSO體系中，該方法不僅適用于多種取代基團，還保持良好的區域和立體選擇性，通過精確調控反應條件獲得高達75%的產率。

這種自組織反應網絡突破傳統合成瓶頸，以一鍋式操作將多步反應集成于單一體系，減少中間體積累，提高效率和產率，適合大規模生產與工業應用。隨著技術發展，該方法有望擴展至其他雜環合成，并結合計算化學和機器學習，為新型功能材料和藥物開辟創新路徑。

現存困難與挑戰

盡管反應網絡展現出廣闊前景，實際應用中仍存在幾個關鍵挑戰。首先，涉及多個反應序列時，反應條件的優化極為復雜，精確控制各反應的兼容性是一大難點。其次，網絡中的活性中間體常具有不穩定性，可能與溶劑或氣氛發生副反應，影響產物選擇性和可重復性。雖然反應網絡在簡單化合物合成中表現出色，但面對天然產物等復雜分子時，反應的多樣性和復雜性仍構成挑戰。此外，如何在保持高效的同時確保反應網絡在工業規模下的穩定性和可操作性，將是未來研究的重點。

未來展望：更廣闊的應用前景

反應網絡的未來發展將沿兩大方向：優化現有反應序列提高效率可靠性，以及探索新的網絡模型特別是在綠色化學領域的應用。隨著對網絡結構理解加深，研究者將更注重通過調控反應路徑和條件提高整體效率，減少副產物生成，增強選擇性。

在綠色化學和可持續合成方面，反應網絡通過一鍋法策略可大幅減少能源消耗、催化劑用量和溶劑使用，降低環境負擔。未來研究將更多關注可再生資源、綠色溶劑和催化劑再生利用，促進化學合成的可持續發展。

計算機輔助設計和人工智能技術將顯著提升反應網絡的設計精度。通過機器學習和大數據分析，科研人員能快速篩選最優反應路徑和條件，減少試錯成本。這些技術的結合將使反應網絡設計更加高效精準，能針對特定化合物進行定制化設計。

隨著技術進步，反應網絡將在有機合成、藥物開發和材料科學中發揮更大作用，為天然產物合成、新藥研發提供高效綠色的合成路徑。"分子系統-反應網絡"概念開創了嶄新研究領域，展示了化學反應系統的自組織能力，不僅深化了微觀世界認識，也為解決實際問題提供了新思路。

致謝：感謝國家自然科學基金重點項目“反應集群的自分類性在雜環合成中的應用”（21032001），國家自然科學基金面上項目“基于分子間弱相互作用的自分類性等級構筑雙層分子結構體”(21272085），國家自然科學基金面上項目“基于分子集群的自分類行為構建偶聯成烯的新型反應體系”（20872042)， 成都硅寶科技股份有限公司、華中師范大學重點基礎研究專項“復雜化學反應系統的自分類性研究”（CCNU15ZX002）的支持。