動態共價化學(DCvC)是化學家采用的一種合成策略，用于從離散的分子構建塊制造復雜的超分子組裝體。DCvC允許訪問復雜的組件，例如共價有機框架、分子結、聚合物和新型大環。不要與動態組合化學混淆，DCvC僅涉及共價鍵相互作用。因此，它僅包含超分子化學的一個子集。基本思想是快速平衡允許多種不同物種共存，其中可以選擇具有所需化學、藥物和生物學特性的分子。例如，添加適當的模板將使平衡向形成更高穩定性復合物的組分轉移（熱力學模板效應）。建立新平衡后，修改反應條件以停止平衡。然后通過通常的實驗室程序從反應混合物中提取模板的最佳粘合劑。使DCvC在超分子化學中有用的自組裝和糾錯特性依賴于動態特性

動態系統是可以可逆組裝和拆卸的離散分子組件的集合。系統可能包括導致競爭反應的多種相互作用物質。

在動態反應混合物中，多種產物處于平衡狀態。分子組分的可逆組裝產生產物和半穩定的中間體。反應可以沿著動力學或熱力學途徑進行。動力學中間體的初始濃度高于熱力學產物，因為與熱力學途徑相比，較低的活化勢壘(ΔG?)提供了更快的形成速率。動力學路徑在圖1中以紫色能量圖表示。隨著時間的推移，中間體平衡到全局最小值，對應于最低的整體吉布自由能(ΔG°)，如圖1中反應圖上的紅色所示。產物重新平衡到最穩定產物的驅動力是簡稱熱力控制。產品與任何平衡狀態的比率由產品的自由能的相對大小決定。人口和相對能量之間的這種關系稱為麥克斯韋-玻爾茲曼分布。

方案1展示了熱力學模板的概念。熱力學模板是一種試劑，它可以通過降低與其他產品相關的吉布自由能(ΔG°)來穩定一種產品的形式。環烷C2可以通過二醇與氯溴甲烷在氫化鈉存在下的不可逆高度稀釋反應制備。然而，二聚體是由酸催化（三氟甲磺酸）轉縮醛化引起的不同大小的聚縮醛大環之間的一系列平衡的一部分。無論起始材料是C2、C4還是高摩爾質量產物，平衡最終都會產生跨越許多大環和低聚物的產物分布。

DCvC中使用的反應必須產生熱力學穩定的產品，以克服自組裝的熵成本。反應必須在構件之間形成共價鍵。最后，所有可能的中間體必須是可逆的，并且反應理想地在允許分子中其他地方的官能團的條件下進行。可以在DCvC中使用的反應是多種多樣的，可以分為兩大類。交換反應涉及分子間反應中的一種反應伙伴用相同類型的鍵合取代另一種反應伙伴。這方面的一些例子顯示在方案5和8中，在酯交換和二硫化物交換反應中。第二種類型，形成反應，依賴于新共價鍵的形成。一些例子包括Diels-Alder和Aldol反應。在某些情況下，反應可能與這兩個類別有關。例如，席夫堿的形成可以歸類為在羰基和伯胺之間形成新的共價鍵。然而，在兩種不同胺的存在下，反應變成交換反應，其中兩種亞胺衍生物在平衡中競爭。交換和形成反應可以進一步分為三類：

• 碳-碳之間的鍵合
• 碳雜原子之間的鍵合
• 雜原子-雜原子之間的鍵合

碳原子之間的鍵形成形成非常熱力學穩定的產物。因此，它們通常需要使用催化劑來改善動力學并確保可逆性。

羥醛反應通常用于有機化學中以形成碳-碳鍵。反應產物共有的醛-醇基序在合成化學和天然產物中普遍存在。該反應利用兩種羰基化合物生成β-羥基羰基。催化總是必要的，因為動力學產物和起始材料之間的活化屏障使動態可逆過程太慢。已成功使用的催化劑包括酶醛縮酶和基于Al2O3的系統。

二烯和烯烴的[4+2]環加成已被用作DCvC反應。這些反應在高溫下通常是可逆的。在呋喃-馬來酰亞胺加合物的情況下，逆環加成反應可在低至40°C的溫度下進行。

烯烴和炔烴復分解是指碳-碳鍵形成反應。在烯烴復分解的情況下，鍵在兩個sp2雜化碳中心之間形成。在炔烴復分解中，它在兩個sp雜化碳中心之間形成。開環復分解聚合（ROMP）可用于聚合和大環合成。

常見的動態共價構建基序是碳中心與雜原子（例如氮或氧）之間的鍵形成。由于碳和雜原子之間形成的鍵不如碳-碳鍵穩定，因此它們提供更多的可逆性并且比形成動態共價反應的碳鍵更快地達到熱力學平衡。

酯交換發生在酯羰基和醇之間。反向酯化可通過水解發生。該方法已廣泛用于聚合物合成。

碳和氮之間的鍵形成反應是動態共價化學中應用最廣泛的反應。它們已更廣泛地用于分子開關、共價有機框架和自分類系統的材料化學中。亞胺的形成發生在醛或酮與伯胺之間。類似地，醛或酮與鄰位仲胺之間會形成縮醛胺。這兩種反應通常用于DCvC。雖然這兩種反應最初都可以歸類為形成反應，但在一種或多種試劑存在的情況下，羰基和胺之間的動態平衡變成了交換反應。

動態雜原子鍵形成，在動態共價反應工具箱中提供有用的反應。硼酸縮合(BAC)和二硫化物交換構成該類別中的兩個主要反應。

二硫化物可以與游離硫醇發生動態交換反應。該反應在DCvC領域內得到了很好的記錄，并且是最早被證明具有動態特性的反應之一。二硫化物化學的應用具有作為生物基序的額外優勢。半胱氨酸殘基可以在自然系統中形成二硫鍵。

硼酸的自縮合或與二醇的縮合是一種有據可查的動態共價反應。硼酸縮合具有與各種底物形成兩個動態鍵的特點。這在設計需要高剛度的系統時非常有利，例如3-D保持架和COF。方案9：硼酸自縮合。

動態共價化學已經允許獲得各種各樣的超分子結構。使用上述反應來連接分子片段，已經制造出更高階的材料。這些材料包括大環、COF和分子結。這些產品的應用已被用于氣體儲存、催化和生物醫學傳感等領域。

動態共價反應最近已被用于系統化學，通過可逆地釋放質子來啟動信號級聯。反應的動態性質為級聯系統提供了合適的類似開關的性質。

存在許多證明DCvC在大環合成中的效用的例子。由于熱力學模板效應非常適合穩定環結構，這種類型的化學對于大環化合物的合成是有效的。此外，DCvC固有的糾錯能力允許制作沒有缺陷的大型結構。

目前所有的共價有機框架(COF)合成方法都使用DCvC。正如Yaghi等人所證明的那樣，硼酸脫水。是最常用的反應類型。COFs已被用于氣體儲存、催化等領域。可能的形態包括無限共價3D框架、2D聚合物或離散分子籠。

DCvC已被用于制造具有復雜拓撲特性的分子。在Borromean環的情況下，DCvC用于合成三環互鎖系統。熱力學模板用于穩定聯鎖大循環的增長。