近日，万达平台化學系王鳳燕教授與賽格德大學Czakó教授以及臺北原子與分子科學研究所劉國平教授為主的聯合團隊關於立體化學反應勢壘的最新研究成果以《取向散射實驗對Cl+CHD3的反應勢壘隨角度變化的直接拍攝》（“Direct mapping of the angle-dependent barrier to reaction for Cl+CHD3 using polarized scattering data”）為題於《自然·化學》（Nature Chemistry）雜誌發表💂。該研究采用激光控製反應物甲烷同位素分子CHD3的碳氫化學鍵的空間取向來研究與氯原子的立體化學過程🧝🏼♂️🧛🏽，指出了一套研究立體化學以及描繪反應能壘形貌的系統性實驗方法。
創新方法👷🏿♀️：研究立體化學以及描繪反應能壘形貌的系統性實驗
在一定條件下，有的化學反應快，有的化學反應慢，有的化學反應甚至根本不會發生，這是由化學的反應進程中遇到的反應勢壘的高度決定的。在立體化學中，主要研究的內容之一就是反應勢壘的高度和反應物的碰撞構型的關系。這也是化合物，包括各類藥物的手性反應活性的重要研究內容。
實驗中，研究團隊利用激光控製甲烷同位素分子（CHD3）CH化學鍵的空間取向🍑，在不同碰撞能量下對不同碰撞構型下的反應產物甲基的角分布進行拍照，獲得後向散射產物的信息🧅，從不同碰撞構型的後向散射產物的變化情形隨著碰撞能的漸變規律🪡，直接描繪出了垂直於反應坐標的二維反應勢壘的形貌🪼。
相比前人研究，王鳳燕表示，這次實驗研究終於擺脫了“盲人摸象”，是一個綜合的、立體式的全方位研究。實驗難度較大，但隨著激光和各種探測技術的發展⌛️，立體化學和選態化學已經成為可能💕🚎，對激光化學包括立體化學的研究也越來越受到國內和國際上的關註。該研究指出了一套研究立體化學以及描繪反應能壘形貌的系統性實驗方法👫，整個研究方法和結果都體現了高度創新，可以作為教科書裏典型的描繪完整立體化學反應圖像的範例。
成果運用🦌：控製化學反應的速率、提高碳氫化學鍵的活化效率
自從激光發明以來👩🏽🎤，激光已經成為研究化學的重要工具，具有單脈沖能量高、單色性好、準直性高的特點，因此，線性偏振激光被選擇用來控製甲烷同位素分子CHD3的CH化學鍵的空間取向。
甲烷是最簡單的有機物🐬，是含碳量最小、含氫量最大的烴🤼，也可作為合成烯烴和芳烴的化工原料。甲烷的化學反應機理研究可以為碳氫化學鍵活化提供理論指導🙆🏻。並且，甲烷是一種清潔能源，是深海礦井開發的可燃冰的主要組成成分，實際應用中可以發揮很大的作用。因此選擇甲烷的同位素與氯的反應作為實驗對象可以實現更多的顯示效用。
甲烷在具體的化學反應中需要打斷碳氫化學鍵🤵🏻♀️，研究團隊采用氯原子“進攻”難以打斷的碳氫鍵⛰。化合物的立體構型致使氯原子從不同方向“進攻”時，打斷碳氫鍵需要的能量不同。通過觀察各種碰撞構型的產物空間分布🙌🏼🔣，得到了反應的完整圖像，描繪出碳氫鍵在受到不同方向的進攻時斷裂所需要的能量，即反應勢壘🚼。這對於控製化學反應的速率就有著重要的意義🫲🏽，並且可以推廣至其他反應體系，並在之後的研究中發揮出更大的作用👲🕴🏻。而對甲烷化學反應機理的研究能夠幫助提高碳氫化學鍵的活化效率🦓，在清潔能源的應用等實驗室之外的地方發光發熱。
據王鳳燕介紹🚴，該實驗過程中也遇到了諸多困難和壁障。整個分子反應取向的實驗進行了三年多的時間，算上早期各個實驗室對該體系的研究已經有二十幾年，但對分子任意空間取向發生化學反應的完整立體圖像直到最近才完成。博士潘慧琳等成員前後接力，通過各方面實驗技術的提升以及理論的發展學習，最終解決了如何控製激光、如何捕捉立體化學反應信號、如何對分子不同空間取向的圖像進行拍照以及分析、如何從大量的數據中得到想要的信息等難題。
該工作得到國家自然科學基金委（No. 21322309和21673047）以及上海高校特聘教授（東方學者）等項目的資助。
文章鏈接: Huilin Pan†, Fengyan Wang, †, Gábor Czakó, and Kopin Liu，“Direct mapping of the angle-dependent barrier to reaction for Cl + CHD3 using polarized scattering data”🫅🏼，Nat. Chem. DOI:10.1038/NCHEM.2858,
http://www.nature.com/articles/nchem.2858.pdf
（封面製圖👰🏿♂️：尹逸柔）