研究人员设计了一种新方法来控制化学反应中的3D效应

研究人员首次在涉及非极性分子的化学反应中观察到空间效应——分子的相互作用取决于它们的空间方向(而不仅仅是在参与键合的电子之间)。这一突破为控制化学反应产物的全新方法打开了大门。

1月12日，一篇描述研究小组发现的论文发表在《科学》杂志上。

化学的中心目标之一是开发控制化学反应的新方法。在大多数情况下，化学反应的控制涉及了解不同原子的电子之间的相互作用。这些“电子”效应支配着化学品的许多特性和行为以及它们在反应过程中发生的变化。

但是分子内原子的相对空间排列也会影响它们的特性、行为和它们可以经历的变化。许多人都熟悉沙利度胺的故事，沙利度胺是1950年代许多严重先天缺陷的罪魁祸首。导致悲剧发生的错误与一种与另一种化学式相同但镜像结构的化学物质如何产生不同的生物学效应有关。

研究这些空间排列如何影响化学反应，即所谓的“空间效应”，以及如何操纵这些效应，包括被称为立体化学的分支学科，有时也被称为“3D化学”，因为它关注原子和分子的方向三维空间。

这些效应是重叠电子云之间排斥力的结果。相反和相同电荷的互补在分子中产生特定的3D形状，包括原子和化学键轴(“键轴”)之间的角度。

研究人员专注于尝试控制参与化学反应的分子的键轴方向——这是一种超越传统方法(例如添加合适的催化剂和改变反应混合物的温度或压力)来操纵化学反应的方法。

“在许多人的脑海中，甚至在一些化学教科书中，分子的结构和形状在化学反应的物理图片中都被下意识地忽略了，”该研究的第一作者、国家重点实验室的化学家王玉峰说。中国科学院分子反应动力学。“但分子不能简单地视为质点。反应物分子的结构和形状会对化学反应产生深远的影响。”

反过来，相互碰撞的反应物的相互取向也对化学反应的结果有重大影响。因此，通过控制该方向，应该可以促进或限制反应产物的产率进入特定的最终状态或散射角。

尝试这种碰撞分子取向控制的实验已经在极性分子上进行了很多年。极性分子是那些——最著名的——水，由于组成原子之间不平等地共享电子，分子的一端是负的，一端是正的。

但是它们还没有在非极性分子上进行过。非极性分子，如分子氧或氮，由平等共享电子的原子组成，因此不带电荷。然而应该有非常大的空间效应，因为缺乏电荷会在碰撞途中产生非常弱的“转向”相互作用。

另一种非极性分子氢分子(H2)应该是此类定向控制散射实验的良好候选者，尤其是因为每个原子只有一个质子和一个电子的简单性(因此具有相当大的理论易处理性).

然而，直到最近，一直难以制备足够浓度的处于特定量子态的H2用于散射实验。但由于高脉冲能量和单纵模光学参量振荡器/放大器的发展，特定量子态的高浓度H2已经可以使用受激拉曼泵浦方案获得。该数量现在足以研究碰撞动力学并在空间动力学实验的特定方向上排列H2分子。

随着这项新技术的出现，研究人员想看看是否可以在涉及H2分子的最简单的化学反应中观察到预测的显着空间效应。

在他们的实验中，研究人员选择了一个非常简单的化学反应，即氢(H)和氘化氢(HD——与氘原子键合的氢原子，氢的同位素，带有一个额外的中子)转化为分子氢(H2)和氘(D)。他们以三种不同的碰撞能量和两种不同的碰撞几何形状对化学反应物进行碰撞——一种是化学键平行于碰撞伙伴的相对速度排列，另一种是化学键以垂直方式排列。

研究团队成功地观察到假设的大量空间效应，同时使用量子动力学计算以直接的方式分析他们的观察结果。他们发现，当两个波一起产生垂直配置的较大波时，它在观察到的空间效应中起着重要作用。化学反应根据HD键轴的方向发生剧烈变化。

这些观察结果和潜在的理论理解为控制化学反应的新方法打开了大门。

该团队的下一步行动将是通过将这项研究扩展到更复杂的反应来加强他们的游戏，这在进行实验和理论方面都将更具挑战性。最终目标是开发更精确、更有效的全面控制化学反应的方法，而不仅仅是最简单的分子。