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文献磕学|从“设计分子”到“选择体系”：组成动态化学如何让化学走向自适应与进化
今天分享的内容来源于“超分子化学之父”Jean-Marie Lehn于2007年发表在《Chemical Society Reviews》上的经典综述《From supramolecular chemistry towards constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry》。在这篇文章中，Lehn提出了组成动态化学（Constitutional Dynamic Chemistry，CDC）的概念。他认为，化学研究的对象不应仅局限于单个目标分子，而应扩展到能够持续重组、自我调整并响应环境变化的动态化学体系。这种思想不仅推动了动态共价化学的发展，也成为后来自适应化学、化学进化以及生命起源研究的重要理论基础。图1 Jean-Marie Lehn（中间）在1987年因超分子化学获诺贝尔化学奖长期以来，传统化学研究遵循的是“设计—合成—目标”的研究路线。研究者首先根据已有理论设计目标结构，然后通过有机合成、分离纯化和性能表征获得目标分子。无论是药物分子设计、功能材料开发还是催化剂构筑，其核心关注对象始终是某一个确定的分子。例如，为了获得具有更低pKa的苯硼酸衍生物，研究者通常会根据电子效应、空间效应等理论设计不同取代基，并通过逐步筛选寻找性能最优的结构。然而，随着超分子化学的发展，人们开始逐渐意识到，许多重要现象并不来源于单个分子本身，而来源于分子之间的相互作用。超分子化学研究的是超越分子层次的非共价相互作用，例如氢键、主客体识别、π–π堆积、疏水作用等；而动态共价化学（Dynamic Covalent Chemistry，DCC）研究的则是能够发生可逆形成和交换的共价键，例如亚胺键、二硫键、腙键以及硼酸酯键等。虽然二者作用形式不同，但都具有一个共同特征——动态性。Lehn敏锐地意识到，只要体系中的相互作用具有可逆性，体系就能够不断发生组分交换。错误形成的结构不会被永久保留，而能够持续解离、重组并重新组合。因此，一个动态体系并非只有单一结构，而是同时包含大量可能的组成形式。基于这一认识，Lehn提出了组成动态化学（Constitutional Dynamic Chemistry，CDC）的概念。在CDC框架下，研究重点不再是如何设计一个目标结构，而是如何构建一个能够自主产生选择行为的动态体系。Lehn将传统设计导向体系与动态组成库（Dynamic Constitutional Library，DCL）进行了鲜明对比。在传统自组装体系中，研究者通过精确设计构筑单元的几何特征，实现对最终结构的精准控制。例如利用配位作用构筑二维多边形、笼状结构等，这些体系体现的是典型的“设计导向”思想。而动态组成库则完全不同。体系中同时存在大量潜在结构，它们能够不断相互转化。当外界环境发生变化时，不同结构会受到不同程度的稳定化作用，从而导致体系组成发生重新分布。最终，最适应当前环境条件的结构会被选择性放大。这种现象与生物进化中的自然选择具有一定相似性。环境并不直接创造新的结构，而是对已有结构进行筛选。因此，CDC实际上架起了一座连接超分子化学与自适应化学的桥梁。从热力学角度来看，动态体系的选择行为来源于其对自由能景观的持续探索能力。在传统不可逆体系中，反应路径往往决定最终结果。一旦形成某种结构，体系很容易被动力学锁定在局部自由能最低点附近，即使存在更稳定的状态，也可能无法跨越能垒到达。图5不可逆体系中的动力学锁定现象和动态体系对自由能景观的持续探索而在动态体系中，可逆键赋予了体系持续断裂和重组的能力。错误连接不再是永久结果，而能够不断被修正。因此体系可以反复采样状态空间，在多个自由能谷之间持续探索。此时，最终组成不再由“哪个结构最先形成”决定，而主要由“哪个结构在热力学上最稳定”决定。换句话说，动态键本身并不负责选择。它所提供的，是不断重新选择的机会。进一步从统计热力学角度分析，动态组合库中不同结构的富集程度遵循玻尔兹曼分布。体系最终富集的并不是单个最低能量结构，而是整体自由能最有利的状态集合。这意味着，一个结构能否占据优势，不仅取决于结合强度，还取决于其背后对应的微观状态数量。焓反映结合强度。熵则反映结构能够实现的微观可能性。当两个分子结合形成复合物时，虽然可能获得更有利的焓，但同时也会损失平动熵、转动熵和构象熵。因此：结合最强≠富集最多。动态体系最终选择的是焓与熵达到最佳平衡的状态集合。从这个角度来看，CDC研究的核心已经不再是单个分子的形成，而是整个自由能景观的构建与调控。近年来，Sijbren Otto教授进一步将CDC思想拓展到自复制与化学进化研究领域。2025年发表于《Nature Chemistry》的一项工作中，研究者利用可逆二硫键构建了能够自我复制的动态分子体系。图10 Otto课题组构建的自复制动态化学体系及不同复制子之间的竞争与生态位分化研究发现，当多个复制子竞争同一种资源时，竞争优势最大的复制子最终会淘汰其他竞争者。然而，当不同复制子能够利用不同资源时，体系则会出现类似生态系统中的“生态位分化”。在该体系中，六聚体复制子和八聚体复制子最终能够稳定共存，而不再出现单一复制子完全占据体系的情况。这一现象与生态学中的竞争性排斥原理高度一致，也为理解生命起源过程中“优势结构如何从复杂化学混合物中涌现”提供了新的思路。此外，如果仅从动态共价化学角度来看，动态键已经成为现代材料设计的重要工具。从自修复材料、刺激响应水凝胶到可回收聚合物网络，大量先进材料都依赖于动态键赋予的可重构能力。其中最具代表性的例子之一便是Vitrimer材料。Vitrimer能够在保持热固性材料力学性能的同时，通过动态键交换实现网络拓扑重构，因此被称为“可塑性热固性树脂”。然而，这类研究本质上仍属于理性设计驱动。动态键更多只是实现特定功能的工具。而Lehn提出的CDC思想，则试图进一步探索：能否构建真正能够自主选择、自适应甚至演化的化学体系？Lehn在这篇经典综述中最重要的贡献，并不仅仅是提出了一种新的动态化学体系。更重要的是，他提出了一种新的化学观。传统化学关注的是如何设计和合成目标分子；而组成动态化学关注的，则是如何构建能够自主产生选择、适应甚至演化行为的化学系统。从超分子化学到组成动态化学，从自适应化学到达尔文进化化学，这条研究主线至今仍活跃于化学与生命科学交叉领域的最前沿，并持续推动着人们对于“复杂化学体系如何产生生命特征”这一根本问题的探索。- Jean-Marie Lehn. From Supramolecular Chemistry towards Constitutional Dynamic Chemistry and Adaptive Chemistry. Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 151–160.
- You, L.; Zha, D.; Anslyn, E. V. Recent Advances in Supramolecular Analytical Chemistry Using Optical Sensing. Chem. Rev.2015, 115 (15), 7840–7892.
- Lei, Z.; Chen, H.; Huang, S.; Wayment, L. J.; Xu, Q.; Zhang, W. New Advances in Covalent Network Polymers via Dynamic Covalent Chemistry. Chem. Rev. 2024, 124, 7829–7906.
- Sijbren Otto et al. Competitive Exclusion among Self-Replicating Molecules Curtails the Tendency of Chemistry to Diversify. Nat. Chem., 2025, 17, 132–140.
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