图片说明：图为美国亚利桑那大学（UA，University of Arizona ）化学与生物化学系Andrei Sanov教授和他的博士生Andrew Dixon（后），他们正将钕：钇-铝-石榴石激光器发射出的激光导入负离子照片电子成像光谱仪中，这是该团队为了分离乙烯二酮（ethylenedione）分子专门订做的一台仪器。大学生田雪（前）正站在激光器的操控台旁以确保其正常工作。图片来源：John de Dios/UANews
来自美国亚利桑那大学的研究人员近日发现了一种神奇的分子乙烯二酮，这种分子虽然结构简单但异常棘手，一个多世纪以来化学家们就其是否存在争论不休，在此之前这仍然是个未解之谜。
棘手的分子
自化学家们在1913年首次声明乙烯二酮的存在开始，他们就一直致力于将这种分子制备出来。到了二十世纪四十年代，研究人员声称它是乙酸剂（Glyoxylide）的一种活性成分，这是揭开乙烯二酮存在之谜的一个重要转折点。乙酸剂是William Frederick Koch医生在1919年发明的一种药物，他声称该药物可以治疗一切疑难杂症，包括肺结核和癌症。随后，美国食品和药物管理局经调查研究后发现，该药物中的成分与蒸馏水并无差别，当时很多癌症病人都因服用这种药物而致死。
乙烯二酮分子结构简单，大多数接受过基础化学教育的学生都能写出其分子结构：O=C=C=O。然而遗憾的是，之前的研究都不能为乙烯二酮的存在提供实验性的证据。Sanov认为此次实验的目的就是要为乙烯二酮的存在提供强有力的实验性证据，彻底揭开这个长达一个多世纪的未解之谜。
Sanov说道：我们研究的并不是什么复杂化合物，乙烯二酮的结构清晰简单，它只是一种由4个原子组成的小分子，难道现代先进的科学技术还是无法解决乙烯二酮存在之谜？答案当然是否定的，Sanov指出，事实上关键问题在于乙烯二酮分子的不稳定性，其仅在约半纳秒的时间内就可分裂为两个一氧化碳分子。而乙烯二酮属于双自由基，它含有两个带反应电子的原子，这使得电子成像光谱仪能很容易地将其检测出来。
逐渐揭开存在之谜
准确地说，直到Andrew Dixon打开实验室冰箱发现那个贴着乙二醛标签的烧瓶开始，乙烯二酮才开始渐渐为世人所知晓。Dixon指出，我们最初只是对双自由基体系感兴趣，为了满足实验需要，我们购买了一些乙二醛，然而作为一种在工业上广泛应用的化学品，由于其含水量高，不易操控，因此还不能称得上是一种潜在的合成分子。
针对乙二醛含水量高，不易操控的特殊属性，Dixon认为可利用一种类似分子筛的化合物将乙二醛从大量水分中提取出来。Dixon分析道，只要乙二醛发生气态反应，我们就能使用质谱仪对其气态物质进行分析，然而当我们尝试给制备的这种分子命名时，在维基百科上搜索到了这个名词乙烯二酮，直到那一刻我们才意识到这是一种新的物质。
为了弄清乙烯二酮的结构特征，Sanov和他的学生首先利用超短脉冲激光确定了该分子所产生的能量。Dixon分析道，首先让离子束穿过质谱仪，当乙烯二酮阴离子通过时，仪器会发射出激光脉冲，利用这些激光脉冲，可以将乙烯二酮阴离子中多余的电子分离出来。这样，我们就能在最短的时间内得到乙烯二酮量子态的光电图像。
对大气的影响
作为乙烯二酮的前驱分子，乙二醛在大气化学中有着重要的作用，因此Dixon猜测乙烯二酮对大气的形成过程也有着重要的影响。
Dixon说道，众所周知，乙二醛是由乙二醇和空气经气相催化氧化制得，无论是天然的还是人造的乙二醛对大气都可造成污染。而乙烯二酮是我们利用电子成像光谱仪及超短脉冲激光制备的微小分子，因此它也有可能在上述氧化过程中产生并对大气造成污染。
Sanov认为，此次实验证明了乙烯二酮双自由基的确存在，长期以来乙烯二酮的存在之谜最终得以解开，这在人类化学史上具有里程碑的意义。（科学之家，译审/编辑：AJ Chen）关注科学之家微信公众号：kexuehome 收取新鲜科学资讯返回搜狐，查看更多