碳氫鍵(C-H)是自然界有機化合物中最常見的化學鍵之一，被認為是生命分子的基石。同時，C-H鍵的存在也是區分自然界中有機和無機分子的一個重要特性。分子間相互作用是化學反應生成新分子鍵的主要媒介。含有氫原子(H)和碳原子(C)的無機小分子可以通過分子間相互作用反應產生C-H鍵，相關過程稱為從無機到有機的雙分子反應。理解無機小分子間雙分子反應形成C-H鍵的過程，對探索從無機物質到有機物質的基本轉變和宇宙生命的起源具有重大意義。然而，以往關于分子基元反應產生C-H鍵的研究主要基于分子束碰撞和散射等實驗手段，探索分子碰撞反應概率、反應產物、分支比等特性。由于無法確定反應時間零點和兩個反應分子間初始核間距離，從無機到有機的雙分子反應形成C-H鍵超快動力學過程的時域分辨以及相干調控難以實現，其微觀機理亟待探索。
《自然通訊》刊發華東師大吳健教授科研團隊研究成果
針對無機小分子通過光誘導雙分子反應形成C-H鍵動力學的精密測控，實驗室吳健教授團隊開展了相關研究。通過制備H2-CO冷分子二聚體，基于其相對確定的分子-分子間距離的特性，同時利用激光作為觸發輻射源定義反應時間零點，在時間域直接觀測激光誘導無機小分子H2和CO分子間相互作用產生C-H鍵的超快動力學過程。實驗中，首先利用相位可控雙色激光場甄別了形成含有C-H鍵的HCO+基團離子的反應通道，并通過調控反應過程中離子的出射方向，實現C-H鍵形成動力學的阿秒精度相干調控。基于飛秒泵浦-探測實驗方案，在時域上測得光化學反應H2 + CO + n?ω → HCO+ + H形成穩定HCO+所需要的時間約為198飛秒。結合分子動力學模擬，揭示了最簡單的從無機到有機的星際化學反應機制，為分子間相互作用形成新化學鍵的有效調控提供新方法。
激光誘導無機雙分子反應動力學實驗探測。a實驗裝置示意圖，b,c離子飛行時間符合譜圖。
該研究成果以華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室為第一單位發表于Nat. Commun. 15, 2854 (2024)。吳健教授、張文斌研究員、倪宏程研究員為論文通訊作者，博士研究生姜哲俊為論文第一作者，博士研究生姜哲俊和黃昊分別主導論文的實驗和理論研究。該項研究工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委基礎研究重點項目、上海市浦江人才計劃等的資助。
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47137-3
來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室、科技處 編輯｜沈婷鈺 編審｜郭文君
