@ 2022.07.18 , 20:09

第一次 化学家直接操作单个分子里的原子键

如果要化学家去制造汽车,他们会先在工厂里装满汽车零件,再放火加热,随后从灰烬中过滤掉反应副产物,提纯出汽车……

如果汽车零件仅原子大小,那上面其实是一个非常聪明的过程。然而,化学家们渴望找到减少浪费并使反应更加精确的方法。

化学工程今天又向前迈出了一步,西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学、德国雷根斯堡大学和 IBM 欧洲研究院的研究人员通过微小的电压推动单个分子进行一系列转变。

通常,化学家通过调整pH等参数、添加或移除可用的质子供体来 管理分子 共享或交换电子以形成键的方式,以获得反应的精确度。

研究人员在发表于《科学》上的报告中指出:“然而,通过这些方式,反应条件发生了一定程度的改变,以至于控制选择性的基本机制通常仍然难以捉摸。”

换句话说,推动和拉动一个大有机分子的作用力的复杂性使得很难精确测量每个键发生的情况。

该团队从一种名为 5,6,11,12-四氯并四苯(分子式 C18H8Cl4)的物质开始——一种碳基分子,看起来像一排四个蜂窝状细胞,两侧有四个氯原子,像饥饿的蜜蜂一样盘旋。

研究人员将一层薄薄的材料粘在一块冰冷的、结痂的铜片上,将氯蜂赶走,留下少量可激发的碳原子在一系列相关结构中保持不成对的电子。

一些结构中的两个电子愉快地相互重新连接,重新配置了分子的一般蜂窝形状。另一些电子不仅热衷于彼此配对,而且还热衷于与任何其他可能嗡嗡作响的可用电子配对。

一般来说,这种摇摆不定的结构都是短暂的,因为剩余的电子也会相互结合。但是研究人员发现这个系统不是一个一般的系统。

用原子大小的电棒轻施电压,他们可以迫使单个分子内部的原子以这样的方式连接第二对电子,使四个环在所谓的弯曲炔烃中变换排列。

轻轻摇晃,这些电子会以不同的方式配对,以完全不同的方式将结构扭曲成所谓的环丁二烯环→https://www.sciencealert.com/images/2022-07/MoleculeRearrangementUsingSTM.jpg

然后可用电子脉冲将每个产物重新恢复到初始状态。

通过使用精确的电压和电流迫使单个分子扭曲成异构体,研究人员可以深入了解其电子的行为以及有机化合物的稳定性和优选配置。

这些知识有助于我们筛选出更优良的催化剂,使反应更加具体。

以前的研究使用类似的方法来可视化单个分子的形变,甚至操纵化学反应的各个步骤。现在我们正在建立新的方法来调整分子的键以形成通常不会轻易出现的异构体。

像这样的研究不仅有助于使化学更加精确,它还为工程师提供了制造纳米级机器的锋利的新工具,将碳框架扭曲成普通化学无法实现的奇异形状。

这项研究发表在《科学》杂志上。

https://www.sciencealert.com/chemists-have-rearranged-the-bonds-of-atoms-in-a-single-molecule-for-the-first-time


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