价电子的首次可视化揭示了化学键的基本性质

日本名古屋大学领导的研究小组首次通过实验观察到有机分子最外层电子(即价电子)的分布。由于原子之间的相互作用受价电子控制，他们的发现揭示了化学键的基本性质，对制药和化学工程具有重要意义。该研究结果发表在《美国化学学会杂志》上。

原子中电子的行为很复杂，形成的电子轨道根据其与原子核的接近程度而具有不同的功能。内壳电子称为核心电子，用于自我稳定，不与其他原子相互作用。另一方面，外层电子或价电子决定了材料的大部分特性，尤其是在与其他原子结合时。

要了解材料的特性，需要提取其价电子的信息。然而，通过实验仅分离价电子信息非常困难，因此研究人员不得不依赖理论模型和光谱来估算它。

通过在 SPring-8 进行世界一流的同步加速器 X 射线衍射实验，该团队发现可以选择性地仅提取晶体中原子的价电子密度。

“我们将这种方法命名为 CDFS 方法。利用这种方法，我们观察到了甘氨酸分子(一种氨基酸)的电子状态，”通讯作者 Hiroshi Sawa 说道。“虽然这种方法相对简单，但结果令人印象深刻。观察到的电子云并没有表现出许多人预测的光滑包络形状，而是一种碎片化、离散的状态。”

为了了解结果的性质，该团队制作了观察结果的彩色图。在化学中，彩色图使用颜色来显示特定范围内数据集的变化。此类图通常与光谱技术、成像和化学分析结合使用，以提供解释复杂数据集的直观方法。

放大图中的横截面图清楚地显示了碳原子周围电子分布的中断。

“当碳与周围原子形成键时，它会重建其电子云以创建杂化轨道。在这种情况下，最外层的 L 壳层电子具有基于其波动性质的节点，即波函数，”Sawa 解释道。“这意味着由于电子的波动性质，杂化轨道的某些部分没有电子，这与许多人对连续电子‘云’的印象大不相同。”

实验中观察到的碎片电子云分布证明了电子的量子力学波动性质，正如物理学所预测的那样。为了确认观察到的电子云是否准确地捕捉到了真实状态，他们与北海道大学合作进行了先进的量子化学计算，证实了实验和理论结果完全吻合。

Sawa 认为，研究结果体现了跨学科研究的优势。“我认为，这项研究有助于为自 19 世纪以来一直困扰研究人员的键合状态模糊理解提供清晰的结论，”Sawa 说道。

“可视化电子行为是一项具有挑战性的任务，但结果可以优雅地理解为电子按照波函数行事。我相信我们的发现让许多研究人员感到惊讶，并验证了量子化学提出的模型。”

在准确掌握该分子价电子密度分布的基础上，研究小组对结构稍微复杂一些的胞苷分子进行了类似的实验和计算，成功提取了碳双键中的电子，并清晰地观察到了碳碳键和碳氮键之间的差异。

Sawa 表示：“这项研究使得直接可视化化学键的本质成为可能，可能有助于功能材料的设计和反应机制的理解。这是因为它有助于讨论分子的电子状态，而这很难仅从化学结构式中推断出来。”

“例如，它可以解释为什么有些药物有效，而有些无效。相互作用影响功能性和结构稳定性的领域，如有机半导体和 DNA 双螺旋结构研究，很可能从我们的研究中受益最多。”