动态共价化学

动态共价化学(DCvC)是化学家采用的一种合成策略，用于从离散的分子构建块制造复杂的超分子组装体。DCvC允许访问复杂的组件，例如共价有机框架、分子结、聚合物和新型大环。不要与动态组合化学混淆，DCvC仅涉及共价键相互作用。因此，它仅包含超分子化学的一个子集。基本思想是快速平衡允许多种不同物种共存，其中可以选择具有所需化学、药物和生物学特性的分子。例如，添加适当的模板将使平衡向形成更高稳定性复合物的组分转移（热力学模板效应）。建立新平衡后，修改反应条件以停止平衡。然后通过通常的实验室程序从反应混合物中提取模板的最佳粘合剂。使DCvC在超分子化学中有用的自组装和纠错特性依赖于动态特性

动态系统是可以可逆组装和拆卸的离散分子组件的集合。系统可能包括导致竞争反应的多种相互作用物质。

在动态反应混合物中，多种产物处于平衡状态。分子组分的可逆组装产生产物和半稳定的中间体。反应可以沿着动力学或热力学途径进行。动力学中间体的初始浓度高于热力学产物，因为与热力学途径相比，较低的活化势垒(ΔG‡)提供了更快的形成速率。动力学路径在图1中以紫色能量图表示。随着时间的推移，中间体平衡到全局最小值，对应于最低的整体吉布自由能(ΔG°)，如图1中反应图上的红色所示。产物重新平衡到最稳定产物的驱动力是简称热力控制。产品与任何平衡状态的比率由产品的自由能的相对大小决定。人口和相对能量之间的这种关系称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

方案1展示了热力学模板的概念。热力学模板是一种试剂，它可以通过降低与其他产品相关的吉布自由能(ΔG°)来稳定一种产品的形式。环烷C2可以通过二醇与氯溴甲烷在氢化钠存在下的不可逆高度稀释反应制备。然而，二聚体是由酸催化（三氟甲磺酸）转缩醛化引起的不同大小的聚缩醛大环之间的一系列平衡的一部分。无论起始材料是C2、C4还是高摩尔质量产物，平衡最终都会产生跨越许多大环和低聚物的产物分布。

DCvC中使用的反应必须产生热力学稳定的产品，以克服自组装的熵成本。反应必须在构件之间形成共价键。最后，所有可能的中间体必须是可逆的，并且反应理想地在允许分子中其他地方的官能团的条件下进行。可以在DCvC中使用的反应是多种多样的，可以分为两大类。交换反应涉及分子间反应中的一种反应伙伴用相同类型的键合取代另一种反应伙伴。这方面的一些例子显示在方案5和8中，在酯交换和二硫化物交换反应中。第二种类型，形成反应，依赖于新共价键的形成。一些例子包括Diels-Alder和Aldol反应。在某些情况下，反应可能与这两个类别有关。例如，席夫碱的形成可以归类为在羰基和伯胺之间形成新的共价键。然而，在两种不同胺的存在下，反应变成交换反应，其中两种亚胺衍生物在平衡中竞争。交换和形成反应可以进一步分为三类：

• 碳-碳之间的键合
• 碳杂原子之间的键合
• 杂原子-杂原子之间的键合

碳原子之间的键形成形成非常热力学稳定的产物。因此，它们通常需要使用催化剂来改善动力学并确保可逆性。

羟醛反应通常用于有机化学中以形成碳-碳键。反应产物共有的醛-醇基序在合成化学和天然产物中普遍存在。该反应利用两种羰基化合物生成β-羟基羰基。催化总是必要的，因为动力学产物和起始材料之间的活化屏障使动态可逆过程太慢。已成功使用的催化剂包括酶醛缩酶和基于Al2O3的系统。

二烯和烯烃的[4+2]环加成已被用作DCvC反应。这些反应在高温下通常是可逆的。在呋喃-马来酰亚胺加合物的情况下，逆环加成反应可在低至40°C的温度下进行。

烯烃和炔烃复分解是指碳-碳键形成反应。在烯烃复分解的情况下，键在两个sp2杂化碳中心之间形成。在炔烃复分解中，它在两个sp杂化碳中心之间形成。开环复分解聚合（ROMP）可用于聚合和大环合成。

常见的动态共价构建基序是碳中心与杂原子（例如氮或氧）之间的键形成。由于碳和杂原子之间形成的键不如碳-碳键稳定，因此它们提供更多的可逆性并且比形成动态共价反应的碳键更快地达到热力学平衡。

酯交换发生在酯羰基和醇之间。反向酯化可通过水解发生。该方法已广泛用于聚合物合成。

碳和氮之间的键形成反应是动态共价化学中应用最广泛的反应。它们已更广泛地用于分子开关、共价有机框架和自分类系统的材料化学中。亚胺的形成发生在醛或酮与伯胺之间。类似地，醛或酮与邻位仲胺之间会形成缩醛胺。这两种反应通常用于DCvC。虽然这两种反应最初都可以归类为形成反应，但在一种或多种试剂存在的情况下，羰基和胺之间的动态平衡变成了交换反应。

动态杂原子键形成，在动态共价反应工具箱中提供有用的反应。硼酸缩合(BAC)和二硫化物交换构成该类别中的两个主要反应。

二硫化物可以与游离硫醇发生动态交换反应。该反应在DCvC领域内得到了很好的记录，并且是最早被证明具有动态特性的反应之一。二硫化物化学的应用具有作为生物基序的额外优势。半胱氨酸残基可以在自然系统中形成二硫键。

硼酸的自缩合或与二醇的缩合是一种有据可查的动态共价反应。硼酸缩合具有与各种底物形成两个动态键的特点。这在设计需要高刚度的系统时非常有利，例如3-D保持架和COF。方案9：硼酸自缩合。

动态共价化学已经允许获得各种各样的超分子结构。使用上述反应来连接分子片段，已经制造出更高阶的材料。这些材料包括大环、COF和分子结。这些产品的应用已被用于气体储存、催化和生物医学传感等领域。

动态共价反应最近已被用于系统化学，通过可逆地释放质子来启动信号级联。反应的动态性质为级联系统提供了合适的类似开关的性质。

存在许多证明DCvC在大环合成中的效用的例子。由于热力学模板效应非常适合稳定环结构，这种类型的化学对于大环化合物的合成是有效的。此外，DCvC固有的纠错能力允许制作没有缺陷的大型结构。

目前所有的共价有机框架(COF)合成方法都使用DCvC。正如Yaghi等人所证明的那样，硼酸脱水。是最常用的反应类型。COFs已被用于气体储存、催化等领域。可能的形态包括无限共价3D框架、2D聚合物或离散分子笼。

DCvC已被用于制造具有复杂拓扑特性的分子。在Borromean环的情况下，DCvC用于合成三环互锁系统。热力学模板用于稳定联锁大循环的增长。