碳氢键(C-H)是自然界有机化合物中最常见的化学键之一，被认为是生命分子的基石。同时，C-H键的存在也是区分自然界中有机和无机分子的一个重要特性。分子间相互作用是化学反应生成新分子键的主要媒介。含有氢原子(H)和碳原子(C)的无机小分子可以通过分子间相互作用反应产生C-H键，相关过程称为从无机到有机的双分子反应。理解无机小分子间双分子反应形成C-H键的过程，对探索从无机物质到有机物质的基本转变和宇宙生命的起源具有重大意义。然而，以往日博体育在线_日博体育-官网：分子基元反应产生C-H键的研究主要基于分子束碰撞和散射等实验手段，探索分子碰撞反应概率、反应产物、分支比等特性。由于无法确定反应时间零点和两个反应分子间初始核间距离，从无机到有机的双分子反应形成C-H键超快动力学过程的时域分辨以及相干调控难以实现，其微观机理亟待探索。
针对无机小分子通过光诱导双分子反应形成C-H键动力学的精密测控，实验室吴健教授团队开展了相关研究。通过制备H2-CO冷分子二聚体，基于其相对确定的分子-分子间距离的特性，同时利用激光作为触发辐射源定义反应时间零点，在时间域直接观测激光诱导无机小分子H2和CO分子间相互作用产生C-H键的超快动力学过程。实验中，首先利用相位可控双色激光场甄别了形成含有C-H键的HCO+基团离子的反应通道，并通过调控反应过程中离子的出射方向，实现C-H键形成动力学的阿秒精度相干调控。基于飞秒泵浦-探测实验方案，在时域上测得光化学反应H2 + CO + n?ω → HCO+ + H形成稳定HCO+所需要的时间约为198飞秒。结合分子动力学模拟，揭示了最简单的从无机到有机的星际化学反应机制，为分子间相互作用形成新化学键的有效调控提供新方法。
激光诱导无机双分子反应动力学实验探测。a实验装置示意图，b,c离子飞行时间符合谱图。
该研究成果以日博体育在线_日博体育-官网精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Nat. Commun. 15, 2854 (2024)。吴健教授、张文斌研究员、倪宏程研究员为论文通讯作者，博士研究生姜哲俊为论文第一作者，博士研究生姜哲俊和黄昊分别主导论文的实验和理论研究。该项研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委基础研究重点项目、上海市浦江人才计划等的资助。
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论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47137-3
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜沈婷钰 编审｜郭文君
