聚焦分子集群自分类行为，开拓化学新视界——华中师范大学吴安心教授课题组

导读

有机化学是现代化学的核心分支，对物质科学、生命科学乃至整个人类文明的进步都具有深远影响。超分子化学可以被认为是广义的有机合成，是基于非共价键作用合成分子之间的堆砌结构体，即研究分子间非共价相互作用力所形成的大尺度有序聚集体的科学。自化学诞生伊始，反应的改良与开拓创新一直是有机合成和其他化学领域的永恒主题。华中师范大学吴安心教授课题组在有机化学领域作出了一系列前瞻性和原创性的科研贡献，开拓了多个崭新的研究方向。尤其在超分子化学领域，课题组探索多样性分子集群行为，是在分子水平明确提出“自分类”这 一概念、研究命题并揭示相关原理的研究团队之一。分子集群现象的发现为超分子体系的高级组装提供了新的途径， 其利用分子间微观差异实现大尺度上的可预测分类行为，有望在分子识别、分子装配、分子机器等领域提供理性设计的策略和原理。DOI:10.3773/j.issn.1673-6516.2024.06.001

1、分子集群自分类的开创性研究

近年来，小分子集群的自分类行为已成为超分子化学、表面化学、高分子化学、材料化学、生物化学及物理学 等领域中新的研究方向和出现频度非常高的科学术语。吴安心教授课题组及其合作者美国马里兰大学Lyle Isaacs教 授在该领域持续开展了自分类组装、自分类识别、自分类等级组装、自分类重组、自分类串级反应等一系列标志性 和前瞻性的研究工作。目前，自分类集成原理已经成为指导构筑复杂超分子结构体的广泛策略。吴安心教授课题组 及其合作者的研究揭示了诸多新颖分子集群自分类现象，发表的相关论文也成为国际同行广泛引证的基础性文献。

图1　吴安心教授课题组

2、研究自分类反应网络合成策略，建立反应系统学

新反应的发现和创建一直是有机合成领域的研究热点。吴安心教授课题组首次将分子集群的自分类原理从非共价键合成延伸到有机共价键合成研究，借以探寻小分子自组织合成复杂结构体的内在规律从而产生新颖的合成设计策略和探索新型合成方法学，并首次将目光聚焦到数以万计的有机单元反应之间的内在关联形态和自组织合成转化过程，并由此提出反应系统学，即反应网络概念的提出与构建。在分子集群自分类行为研究的基础上，课题组首 次将超分子化学概念运用到有机合成中，提出了设计高阶的串级反应新类型——自分类反应网络，被认为是有机合 成中的一种新颖合成策略“MPCD合成策略”（Multi-pathway Coupled Domino Strategy）或“SSD合成策略” （Self-Sorting Domino Strategy），这一合成策略为广大有机反应研究者所借鉴。在该合成策略的指导下，历经20 余年的努力，课题组相继发表了百余篇系列研究论文并构建了80余种芳杂环结构体和30余种新型杂环骨架，初步 完成了“I2/DMSO组合试剂介导下基于原位捕获芳基酮醛合成杂环的反应系统”基本框架的构建，并得到了国内外 学界的广泛认可和借鉴。据不完全统计，国内外有多达百余个课题组引述和借用吴安心教授课题组所发展的合成方法。此外，该方法被收录于50余部专著。

3、一锅法直接构筑天然产物策略研究

一锅法直接构筑天然产物的研究尚处于探索初期，报道的例证有限，而所报道的一锅全合成案例也主要依据一锅多步全合成或微波辅助的一锅全合成两种策略。现有的成功例证尤其是微波辅助的方法不乏偶然巧合的因素。针 对“如何理性地设计并实现天然产物的一锅全合成，减少偶然性与运气性，提升科学的预判能力”这一挑战，吴安心教授课题组提出了与上述两种常用策略不同的第三条途径——自组织一锅全合成策略。这一策略自提出就受到了 学界的广泛关注。自2013年起，课题组一直专注于这一策略研究，首次依据逆合成分析理性设计并集成4个有机单元反应于一锅，基于自序化的逐步转化反应成功实现骆驼宁生物碱及其类似物的一锅全合成，并相继完成了噁唑类、 咔啉类、吲哚联噁唑类、双吲哚类、片螺素骨架、色胺酮及吴茱萸碱等30余例生物碱的一锅自组织全合成。在此基础上，还完成了一锅或简短修饰步骤合成等天然产物目标分子的研究工作。该策略为天然产物的全合成提供了一条全新高效的途径，并作为经典案例入编普通高等教育“十三五”规划教材。

4、结语

自2003年归国组建课题组以来，吴安心教授携课题组围绕多样性分子集群的自分类行为进行探索，揭示了一 系列新的研究命题，丰富了超分子化学的内涵，为高级超分子组装提供了新途径，有望在分子识别、装配、机器等 领域展现应用前景；课题组基本完成了“I2/DMSO组合试剂介导下基于原位捕获芳基酮醛构建杂环的反应系统”这一工具化反应的框架构建，并且对一锅自组织全合成天然产物这一挑战性命题进行了探索。吴安心教授开拓的自分类、 反应网络等多个研究方向都代表了化学领域研究的国际前沿，并得到国际同行的高度关注和重视，进一步提升了中国在相关领域的国际地位。

专家简介

吴安心，华中师范大学化学学院二级教授，“博雅学者”特聘教授，“磁湖学者”特聘教授， 博士生导师。2003年以来，相继在国际期刊发表研究论文200余篇，研究成果被50余部专著收录， 部分技术成果转让给相关企业合作研发。主持和参与国家自然科学基金重点项目与面上项目， 以及省部级团队、个人项目等50余项。

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