過(guò)渡態(tài)(transition state)理論是每個(gè)化學(xué)同仁都非常熟悉的基本概念，這也是化學(xué)教科書(shū)上的經(jīng)典內(nèi)容。它是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的核心概念。但是一直以來(lái)，對(duì)于過(guò)渡態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量似乎很難實(shí)現(xiàn)，以致于其概念主要還停留在理論階段。

　　不過(guò)近期在《Science》上發(fā)表的一篇文章可能會(huì)改變這一現(xiàn)狀。以麻省理工學(xué)院化學(xué)系的物理化學(xué)大牛Robert Field教授為首的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出了一種新技術(shù)，可以利用分子振動(dòng)光譜的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)得到分子反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的瞬時(shí)卻又清晰的圖像。它可以精確地測(cè)量分子從一種形式到另一種形式轉(zhuǎn)變時(shí)瞬間的能量狀態(tài)，而使科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)神秘的化學(xué)反應(yīng)中間體那些前所未見(jiàn)的細(xì)節(jié)。

　　“這是一個(gè)重大突破，讓我們能更好地了解化學(xué)變化是如何發(fā)生的。”斯坦福大學(xué)的另一大?；瘜W(xué)家Richard Zare說(shuō)。

　　在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，分子經(jīng)過(guò)一個(gè)高能量不穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)并迅速變成其最終的產(chǎn)物形式?！斑^(guò)渡態(tài)一直被認(rèn)為是一種并不真正存在的東西，”科羅拉多州大學(xué)的Josh Baraban說(shuō)，他是該文的第一作者。不過(guò)，現(xiàn)在Baraban和其同事們的實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)狀態(tài)肯定是存在的。

　　該團(tuán)隊(duì)的研究人員在實(shí)驗(yàn)中使用了簡(jiǎn)單的乙炔分子。這個(gè)分子由兩個(gè)碳原子構(gòu)成，在兩側(cè)各有一個(gè)氫原子，該分子可以由一個(gè)U形的順式結(jié)構(gòu)變形到反式結(jié)構(gòu)。這種類(lèi)型的形狀轉(zhuǎn)移反應(yīng)被稱(chēng)為異構(gòu)化，是非常普遍的化學(xué)過(guò)程，眼球中感應(yīng)光的蛋白結(jié)構(gòu)變化以及汽油的制造過(guò)程都涉及這一過(guò)程。

　　對(duì)于這些反應(yīng)來(lái)說(shuō)，過(guò)渡態(tài)的位置都在一個(gè)能量的峰頂上。并且這個(gè)“山坡”的陡峭程度決定了反應(yīng)的速率?！斑@就像在反應(yīng)物和產(chǎn)物之間有一個(gè)山脈，而過(guò)渡態(tài)就是反應(yīng)的必經(jīng)路徑，”Baraban說(shuō)。“這是從反應(yīng)物到產(chǎn)物之間相對(duì)最容易的路徑。”

　　但研究這些分子的過(guò)渡態(tài)卻沒(méi)那么容易，Robert Field說(shuō)。當(dāng)這些分子“爬”能量的“山坡”時(shí)，它們的能量分布(energy profile)變得非常復(fù)雜，以致于大多數(shù)科學(xué)家并不想費(fèi)力去研究，他說(shuō)。

　　為了達(dá)到觀察過(guò)渡態(tài)分子的目的，Baraban和他的同事小心地利用激光來(lái)泵浦能量到噴流狀態(tài)的乙炔分子上。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)小組利用激光光譜技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)這些分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)變化。當(dāng)分子吸收能量達(dá)到一定程度，其振動(dòng)光譜的模式出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這種轉(zhuǎn)折的特點(diǎn)是出乎意料的低振動(dòng)頻率，這是關(guān)鍵的過(guò)渡態(tài)特征標(biāo)記，F(xiàn)ield說(shuō)。“當(dāng)你跨過(guò)屏障時(shí)，在最高處，你基本上是停止的?！?p>

　　該研究小組發(fā)現(xiàn)，在過(guò)渡態(tài)下，這些新的振動(dòng)模式反映了該分子的形狀變化時(shí)的結(jié)構(gòu)扭曲。對(duì)過(guò)渡態(tài)的完整描述，包括有關(guān)分子的能量、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)信息，都和理論預(yù)測(cè)相符。但之前“從來(lái)沒(méi)有一個(gè)獨(dú)立的方法來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題，”Baraban說(shuō)。

　　由于過(guò)渡態(tài)是“控制一切過(guò)程”的要素，這種研究它的新方法可能提供有關(guān)化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行的更多信息，耶魯大學(xué)的物理化學(xué)家Patrick Vaccaro說(shuō)。任何揭示過(guò)渡態(tài)詳細(xì)信息的新方法都可能“影響我們對(duì)化學(xué)的基本理解，”他說(shuō)。