催化对化学工业及对社会的发展至关重要,而连续催化和可调节催化又是其重中之重。但是,在实际应用中,串联催化聚合物反应器在连续催化过程易发生相互不兼容和相互干涉现象,可调节聚合物反应器也出现了负载的金属纳米活性粒子在换向转变过程中易脱落现象,但现有的催化反应器技术已不能满足实际的需求,从而促使人们研发出更加实用的新型催化剂。本文针对当前催化发展需求,着眼于分子设计,发展出可串联催化的活性纳米反应器、微观力学作用驱动的水生自控制聚合物反应器和可进行多步反应的多米诺性质反应器。研究可概括为以下几方面:首先,为解决连续催化过程中的相互干扰问题,避免副反应的发生,本文研究受自然生物细胞分隔室的启发,将分区催化和时空协调作用引入纳米反应器的设计中,制备出了仿细胞的分区催化纳米反应器。该纳米反应器由具有自然灵感的活性分隔室组成,具有核壳结构,每一层均可独立地进行串联催化,且不相互干扰,从而实现了不同种化学反应的分区催化和时空隔离,从而串联催化得以进行。其次,针对常见智能催化反应器因反复换向及水合作用导致金属纳米粒子的脱落,导致催化剂的失活,本文受海洋生物贻贝在海水中的强黏附作用和水相兼容机制的启发,制备出微观力学作用驱动的仿贻贝自控制聚合物反应器,不仅实现了催化作用的“开/关”换向功能,而且抑制了金属纳米的脱离。在此基础上,本文还研究了仿贻贝多巴胺组分和互补单体丙烯酸组分形成的自组装行为,采用量子力学的方法,研究了其微观力学驱动作用机制,获得了水生自调节催化能力的分子作用机理。最后,在上述研究基础上,本文还发展出可进行多步反应的多米诺性质的反应器。研究受生物体内可进行多步反应的启发,构建了三层构成的聚合物反应器。反应器中,每层均可独立的进行催化反应,A反应的结束引发了B反应的进行,进一步导致了C和D反应的依次发生,这种可进行多步反应的多米诺性质的反应器的催化作用,为实现系列复杂反应一锅合成,提供了可能。借助以上设计,本文构筑了催化反应器的微观分子结构,发展出针对串联反应、自调节、多米诺性质等的催化反应器,由结构决定功能(即“构-效”关系决定功能的反应器),并系统阐明了其设计原理和功能催化作用,为新概念催化反应器的研究设计供了参考,并为智能聚合物的应用及进一步发展提供了思想的源泉。