名古屋大学等实现化学键可视化，可直接观测有机分子的价电子分布

名古屋大学等实现化学键可视化，可直接观测有机分子的价电子分布

化学键是化学反应的基础，但长期以来，科学家们只能通过理论模型或光谱法来推测化学键的形态。近日，名古屋大学等机构的研究团队通过大型同步辐射设施“SPring-8”的X射线衍射、散射实验和第一性原理计算，首次实现了有机分子价电子分布的直接观测，这一突破性进展为理解化学键的本质、设计功能性材料和阐明反应机理开辟了新路径。

图1 原子的示意图（供图：名古屋大学）

（a）卢瑟福（或波尔）原子模型
（b）电子云模型

原子携带的电子之中被称为“价电子”的最外层电子负责原子间的相互作用。研究团队确立了一种能够直接观测这些价电子空间分布的方法——核心微分傅里叶合成法（CDFS法）。

在原子携带的电子中，只有外层电子（价电子）控制着物质的性质，内层电子则使原子本身稳定。想要弄清物质的性质，就必须通过实验提取价电子的信息，但是这种操作非常困难，因此一直以来这些信息只能通过理论模型或光谱法来推测。

研究团队通过在SPring-8上进行同步辐射X射线衍射实验，开发出了一种能够对构成晶体的原子的价电子密度信息进行选择性提取的核心微分傅里叶合成法（CDFS法）。

当使用CDFS法观测了一种氨基酸——“甘氨酸”分子的电子状态，发现其电子并非如预想的平滑地包裹整个分子的形态，而是处于断断续续的离散状态。特别是碳原子周围的电子云分布呈断裂状态。

图2：价电子密度分布的直接观测

实验结果与计算结果显示出近乎无法区分的一致性，提供了能够通过实验提取价电子密度分布的直接证据。（供图：名古屋大学）

左：实验方法
中：通过实验得到的价电子密度分布的3D图+截面图
右：理论方法

准确掌握构成甘氨酸分子的价电子密度分布后，研究人员便可以对更复杂一点的胞苷进行同样的实验和计算，也可以只提取碳双键中的π电子，更加清楚地观测到碳－碳键和碳－氮键的形态差异。

在化学领域，化学键的相关理解和模型因研究人员而异。因此，高中和大学的化学入门教材都没有明确写出化学键的形态。造成这种情况的原因是，与理论相比，实验上所需的信息（波函数的相位）存在缺失，致使理论与实验难以直接比较。本研究实现了将化学键的本质直接可视化，有助于为设计功能性材料和阐明反应机理开辟新路径。特别是在有机半导体和DNA双螺旋等π－π相互作用会对其功能和结构稳定性造成影响的领域，该技术拥有广阔的应用前景。

【论文信息】

期刊：Journal of the American Chemical Society

论文：Unveiling the Nature of Chemical Bonds in Real Space

DOI：10.1021/jacs.4c05673