如果叫化學家打造車子的話,那麼他們所做的事會是在工廠中填滿汽車零件、點火、然後從現在看起來大致像汽車的塵埃中做篩選。當你在處理原子大小的汽車零件時,這是非常合理的過程。但是,科學家們渴望找到方法來減少廢棄物、以及讓反應變得更為精確。

各種方法

在來自西班牙的聖地亞哥德坎波斯特拉大學(University of Santiago de Compostela)、德國的雷根斯堡大學(University of Regensburg)、以及 IBM 歐洲研究院的研究人員努力下,化學工程已跨出一步,在微小的電壓微調下,迫使單一分子經歷一系列的轉換。

一般而言,化學家們藉由調整例如 pH 等參數、添加或移除可用的質子予體,來管理分子間可能共享或是交換電子以形成鍵結的方式,在化學反應上增加了精確度。

研究人員在他們發表於期刊《科學》(Science)的研究中指出:「然而,藉由這些方法,反應情況通常改變的幅度是如此的大,以致於管理選擇性的基礎機制通常難以實現。」

換句話說,在一個大有機分子之間運作的推拉力是如此複雜,以致於可能難以精準量測出,每個鍵結之間發生什麼事。

實驗對象

研究團隊從一個稱作 5,6,11,12-四氯並四苯(5,6,11,12-tetrachlorotetracene,化學式 C18H8Cl4)的物質開始。這個分子是以碳為基礎,看起來像一排四個蜂巢細胞,側邊有四個氯原子,像飢餓蜜蜂般地盤旋。

將這個材料的薄層黏到有鹽殼的冷銅片上後,研究人員驅趕走氯原子,在一系列相關的結構中,留下少數保持在未配對電子上的激態碳原子。

在該些結構當中的那些電子的其中之二快樂地彼此重新鍵結,重新建構分子一般的蜂巢形狀。另外一對電子亦很積極,不僅只是可能與彼此配對,還有可能跟任何其他可獲得的電子配對。

一般而言,這個搖擺不定的結構不會存在太久,因為剩餘的電子也會彼此鍵結在一起。但是研究人員發現,這個特別的系統並不是一般常見的系統。

變換結構

藉由來自原子大小的尖端輕輕推出的電壓,研究人員展示出,他們可以迫使單一分子以下列的方式讓第二對電子連結:四個蜂巢細胞的對齊狀態被改變,形成了所謂的彎曲炔(bent alkyne)結構。

若是稍微沒有那麼劇烈搖晃的話,那麼那些電子會以不同地方式配對,將結構扭曲成完全不同的樣子,形成所謂的環丁二烯(cyclobutadiene)環。

接著,透過電子的脈衝,每個產物接著會重新改回原本的狀態,等著在下一刻隨時再度翻轉。

優點多多

藉由使用精確的電壓以及電流,來迫使單一分子歪曲成不同形狀、或是變成不同異構體,研究人員可以深入了解其電子的行為、以及了解有機化合物的穩定度與偏好的組態。

從那裡,還可能可以減少科學家尋找,推動無數分子往一方向進行大規模反應的催化劑之必要,而讓反應變得更具體。

過去的研究曾經使用相似的方法,來視覺化個別分子的結構變換,並且甚至操縱化學反應的各個步驟。而現在,我們在建立新方法,來調整分子的鍵結,以形成通常不會這麼簡單而現身的異構體。

像這樣的研究不僅幫助讓化學變得更為精確,也提供工程師敏銳的新道具,在奈米尺度上製造機器,將碳的框架歪曲成一般的化學不可能辦到的奇異形狀。

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參考資料:

  1. McRae, M., (2022, July 18). Chemists Just Rearranged Atomic Bonds in a Single Molecule for The First Time. ScienceAlert
  2. Albrecht, F. et al., (2022, July 14). Selectivity in single-molecule reactions by tip-induced redox chemistry. Science. DOI: 10.1126/science.abo6471
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/chemists-have-rearranged-the-bonds-of-atoms-in-a-single-molecule-for-the-first-time(圖:Alabugin & Hu, Science, 2022)
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