科学家研发红外光谱实验方法，为设计化合物提供新策略
“此次所发现的化合物，是金属-配体键合和 18 电子规则的教科书示例。”对于中国科学院大连化学物理研究所研究员江凌的新论文，审稿人给出极高评价。
图 | 江凌（来源：资料图）
通过采用红外共振激发和极紫外电离相结合的技术，江凌团队成功测得离子质谱与红外波长的变化关系，借此得到基于中性团簇的红外光谱，从而针对气相质量选择的中性团簇，开展了高灵敏探测、结构表征、反应性能研究。
通过此，他们发现了前面提到的化合物，详细来说，这些化合物都是过渡金属饱和羰基化合物，分别具备七配位和八配位的高化学配位。
一直以来，高配位金属羰基化合物的制备和表征，都是领域内最具挑战性的科学问题之一。而本次发现的过渡金属饱和羰基化合物，能够促进中性团簇红外光谱的发展，也为从原子分子水平上设计具有独特性质的化合物提供新的策略。
在对理论计算结果进行研究之后，他们对所观测到的三个配合物进行鉴定。结果显示，所有三个配合物都具有高度对称性，尤其是两个八羰基化合物都具有 D4h 结构。
对于研究金属-配体成键和化学规则来说，这种金属羰基化合物不仅能作为模型体系，并能在多个催化过程比如费托、氢甲酰化和醇合成中发挥重要作用。
要想深入理解本次成果，就得从团簇说起。团簇，是介于原子、分子与宏观物质之间的聚集体，是关联宏观性质和物质微观结构的理想模型，对于深刻理解物质转化的规律具有重大意义。
对于一款催化剂来说，其表面活性中心的组成、以及与关键反应中间体之间键合结构的表征，是诠释催化作用机制的关键。
然而，对于反应中间体的团簇物种来说，它们的数量密度很低，并且不能长时间地稳定存在。因此，要想研究反应中间体的结构和动力学性质，必须借助高灵敏的瞬态探测实验方法。
而要想深入理解上述过程，可以通过气相团簇的光谱实验方法来实现。由于离子团簇带有电荷、易于探测、且具备质量选择性，人们对于该类团簇的研究最为广泛。
多年来，江凌团队在这方面也做出了一定贡献，其曾搭建基于变温离子阱的红外光解离光谱装置，并成功将其用于研究离子型团簇。对于解析离子团簇的结构，这种方法也具有重要意义。
然而，绝大多数团簇都是中性团簇。与带电团簇相比较，中性团簇由于没有电荷，人们很难对其进行探测和质量选择。
为应对上述挑战，课题组基于大连相干光源，发展出一种基于红外共振激发-极紫外电离技术的红外光谱实验方法。
日前，相关论文以《观察无限制中性第三族过渡金属羰基钪（一氧化碳）7 和钇/镧（一氧化碳）8》（Observation of Confinement‐Free Neutral Group Three Transition Metal Carbonyls Sc (CO) 7 and TM (CO) 8 (TM= Y, La)）为题发在 Angewandte Chemie International Edition（IF 16.6）。
王冲和田昌义是共同第一作者，中国科学院大连化学物理研究所研究员谢华、清华大学副教授胡憾石、和中国科学院大连化学物理研究所研究员江凌担任共同通讯作者[1]。
图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）
期间，他们先对团簇领域中面临的难题进行探究。具体来说，费托、氢甲酰化和醇合成等催化过程中的自由基和反应中间体，往往以中性团簇的形式存在。
然而，目前该领域关注更多的是离子团簇，这主要是因为离子团簇带有电荷，很容易进行质量选择和检测。
但是，如果中性团簇不带电荷，就很难进行质量选择和质量检测，进而会给相关实验带来困难。虽然也有一些针对中性团簇进行选质的方法，但通常都存在一定的局限性，并且很难用于较大的中性团簇。
大连相干光源，是当今世界上唯一的极紫外自由电子激光装置，其波长范围涵盖绝大多数中性团簇的第一电离势。
大连相干光源的峰值功率比四波混频紫外激光高出 5 个数量级，比同步辐射紫外激光高出 8 个数量级，并且具有皮秒和飞秒的脉冲时间特性，这为中性团簇的光谱探测提供了独特优势。
在大连相干光源的建设之初，江凌已经意识到它对于研究中性团簇的重要性。为此，他和团队发展了基于大连相干光源的红外-极紫外双共振红外光谱实验方法，面向质量选择中性团簇实现了高灵敏红外光谱研究。
对于之前人们无法探及的中性团簇红外谱学和结构研究来说，上述方法毫无疑问打开了一扇大门。
但是，由于金属羰基化合物团簇的数量密度低、化学成分繁多、结构复杂等原因，要想针对它们开展实验依旧非常困难。
为此，针对团簇数量密度低的难题，课题组曾研发高通量的激光溅射团簇束源，这让团簇的数量密度得以大幅提升，并能实现团簇的宏量制备。
而后，针对中性团簇化学成分繁多的难题，该团队又研发极紫外激光阈值电离的技术，通过对阈值电离中性团簇进行选择，实现了团簇的质量选择。
接着，针对团簇结构复杂的难题，课题组又研制高分辨的飞行时间质谱，让高质量分辨的质谱探测成为现实。
为了实现团簇的制备，他们不断尝试实验条件，包括一氧化碳的浓度、载气种类、背景压力、以及极紫外光的波长等。在不断优化实验方案之后，终于得到令人满意的实验结果。
期间，在利用大连相干光源开展水团簇实验时，根据他们的用光计划整个实验时间长达两个多月。江凌说：“可以说是时间紧任务重，因此我需要安排一些学生值夜班，但是我的学生丝毫没有犹豫，一直坚持到最后，我非常感谢学生们对于老师的信任和支持。”
（来源：Angewandte Chemie International Edition）
当下，江凌团队的新课题正在进行中。他说：“在选择研究体系方面，我目前将目光聚焦在最常见、但又最为神秘的水科学。”
水是生命之源，在大气环境和生物等过程起着重要作用。“水的结构是什么？”——是 Science 提出的 21 世纪 125 个最具挑战性的科学问题之一。
对于水分子来说，它时刻不停地经历振动、转动、氢键断裂、氢键生成的过程，借此形成各种动态的网络结构。
液相水的结构是立体的，而最小的水团簇的骨架结构呈平面形。因此，研究水团簇结构的演化、特别是研究小型水团簇如何从平面骨架构型演化成立体构型，是水结构领域的一个重要科学问题。如能探清这一问题，将极大助力于理解水的微观结构和奇特物性。
目前，利用基于大连相干光源的红外-极紫外光谱实验方法，课题组已经研究了中性水团簇的红外光谱。
此前，对于大尺寸中性水团簇，人们主要依靠量子化学等理论方法来预测结构。
但是，由于水团簇同分异构体的相对能量相差较小，当采用不同的理论方法时，可能会产生不同的相对能量顺序，这会给结构演化规律的精确分析带来极大困难。
因此在接下来的工作中，该团队将继续开展水团簇的研究，进一步扩大水团簇的尺寸，借此测量一系列中性水团簇的红外光谱，从而精确解析它们的几何结构、电子结构和成键特性，进而探索结构和性能随团簇尺寸变化的规律，最终希望能从分子水平上获得关于水的微观结构和动力学过程的清晰图像。
另外，近年来大城市雾霾天气频发，给人们的出行和身心健康带来严重影响，而气溶胶是导致雾霾天气的重要原因。
由于在大气中含量较低、成核反应较快、成分多样以及成因复杂，导致人们很难去研究气溶胶。最近几年，该课题组研制了基于大连相干光源的气溶胶质谱实验仪器，并将其用于检测气溶胶的化学组分，探索气溶胶的形成和生长机制。
举例来说，在 α- 蒎烯与 O3 反应、β- 蒎烯和 3- 蒈烯的光氧化反应研究中，他们在气溶胶中发现了关键物种的成核机理。基于此，未来其将进一步探究挥发性有机物的氧化反应机理，努力厘清大气雾霾微观结构的演化机制。
此外，江凌表示：“目前，我们国家的科学研究正处于一个百花齐放的局面。我目前的研究领域更偏重于基础科学研究，发展先进的科学仪器是创新的原动力，重视基础科学问题能够帮助我们的科学发展突破某些成熟的节点。”
然而，基础研究具有长期性和不可预见性，特点就是“慢”。有时需要等待数十年才可能体现出其重要地位。“因此，基础科学要想实现大的突破，很大程度上需要很多代研究人员的知识累积，希望未来能有更多人投入到基础科学研究之中。”江凌说。
参考资料：
1.Wang, C., Tian, C. Y., Zhao, Y., Jiang, S., Wang, T., Zheng, H., ... & Jiang, L. (2023). Observation of Confinement‐Free Neutral Group Three Transition Metal Carbonyls Sc (CO) 7 and TM (CO) 8 (TM= Y, La). Angewandte Chemie, e202305490.
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