一个长期存在的化学难题已经得到解决，会对从工业工艺到大气化学产生潜在影响

美国亚利桑那州大学的科学家发现了一个神秘的分子，其结构非常简单，都可以写进高中课本，但却又如此难以捉摸，使化学家一个多世纪来都在争论它是否存在。

而且，像科学界的许多重要的发现一样，这个发现开始于一个储存冰箱上被忽视的烧瓶，发生在亚利桑那州大学化学和生物化学系Andrei Sanov教授的实验室。

Sanov和他的两个学生报告了对ethylenedione或“OCCO”的第一次明确观察和其光谱特征，其代表两个一氧化碳分子化学结合在一起。据研究人员介绍，对这个看似“简单”的化合物的兴趣是很多原因造成的：他们既在化学反应中充当稍纵即逝的中间体，又被断言是一种神奇药物。

放弃了过去依靠对中性粒子操纵的的合成策略，Sanov实验室的两名学生利用带负电荷的离子产生了OCCO并使用了一种非常先进的叫做光电子成像光谱仪的技术分析产品。这种技术使用激光脉冲来喷射分子中的电子，从而有效地产生“内部的分子肖像，”就像Sanov给出的那个。

该结果证实了这种难以捉摸物种的存在并揭示了其重要的基本特性，不仅解释了所谓自由基分子种类的基本含义，而且对工业生产过程、甚至潜在的大气化学和气候建模产生影响。

分子困扰了几代人

自1913年首先提出它的存在以来，化学家们就开始探寻OCCO分子的开启和关闭。在20世纪40年代，OCCO历史上一个特别有争议的转折，有人称其是Glyoxylide的活性成分，是一长串病症从疲惫到癌症的解药。该声明被美国食品和药物管理局列为欺诈，因为该神奇的药物被证明只是水。然而，至今Glyoxylide作为一个“丢失”的癌症补救方法的神话在互联网上继续延续下去。

据Sanov称，追求ethylenedione的动机之一就是分子呈现优雅的根本之谜：大多数接受过小学化学教育的学生都可以画出简单的结构，O = C= C = O。多年来，对于OCCO存在的预期也一直依靠成熟的理论预测。然而，过去所有的研究都未能提供确凿的实验证据表明ethylenedione的存在- 而难题就在这。

 “在这我们不是在谈论一些复杂的化合物，”Sanov说。 “这是一个小分子，只有四个原子和一个“明显的”的结构。现代科学不应该能够解决吗？”

秘密的关键是OCCO不稳定的本性，其倾向于在半纳秒时间内分裂成两个一氧化碳（CO）片段。 OCCO是化学家所谓的双基。自由基和双自由基在控制机制和化学反应结果中发挥极其重要的作用，涉及生活，产业，技术和环境中的所有方面。

 “自由基和双自由基就在我们身边，”Sanov说。 “可以把它们看作是具有“未就业”并在寻找行动的未配对电子的分子。这意味着，他们都渴望做出反应，因为化学键的形成和断裂是由电子控制的。自由基是有一对这样“未配对”电子的分子。双自由基有两个未成对电子。

从光谱学的角度来看，OCCO的属性使得分子没有理由逃避检测，他解释说。

 “然而，尽管经历了一个世纪之久的尝试，它作为一种真实的物质，或一种瞬态的物质，仍从未被观察到，”Sanov说。

一个几乎被遗忘的烧瓶

直到现在，更确切地说，直到将成为Sanov实验室五年级博士生和论文的主要作者Andrew Dixon打开冰箱并发现一个标记着“乙二醛” 的烧瓶。

 “我们开始是因为对双基系统的一般兴趣并且作为这些实验的一部分，我们决定购买一些乙二醛，一种被广泛应用于工业领域的前驱体，但一直没有作为一个潜在的合成分子被开发，因为它的含水量太高很难奏效，”Dixon说。 “当时我们买了它，然后看了一下，我记得当时我想，'噢，伙计，这60％的水。让我们改天一起解决他吧。'”

在与同事的谈话中，Dixon意识到，一种用作 “分子筛”的化合物，可以剥离乙二醛溶液高的含水量。

 “一旦我们可以把它变成气相，我们就可以在我们的质谱仪上分析它，它是一个很好的样本，能给出漂亮的信号强度，” Dixon说。 “我们试图给我们制备的分子命名，在维基百科中搜索ethylenedione。这时候，我们发现它是新的东西。”

 “我们试图排除所有其他可能的溶液，”合作作者、在秋天将成为高年级本科生的Tian Xue说， “为确保它不是其他可能构成OCCO的一些阴离子。”

为了捕捉到这种难以捉摸的物种的“肖像”，他们在其生产的分子上施加了持续时间短、能量精确定义的激光。

 “我们可以建立一个离子束，并且当他们进入到质谱仪时，不同的分子具有不同的速度，这使我们能够分离出我们感兴趣的离子，” Dixon解释。 “在我们的兴趣窗口，当预期的OCCO阴离子通过时我们可以调节脉冲激光。”

通过使用激光脉冲，Dixon和Xue能够从ethylenedione的稳定阴离子中射出多余电子。然后，他们在分子寿命的初期捕获到中性OCCO量子态的光电子图像，这个过程仅持续约半纳秒的时间。

 “按照人类的标准这似乎很短，但在分子领域，这实际上是在一个长的寿命，”Sanov说。

大气中的“未知成员”？

鉴于这一事实，乙二醛，OCCO的前驱体分子，在大气化学中起着很大的作用，Dixon推测OCCO本身也可能会起到一定的作用，对大气过程的建模具有潜在的影响。

 “鉴于乙二醛，其前体，不管是人造的或天然的，都是一种已知的污染物和燃烧过程的副产物，另外OCCO似乎是用我们方法创建的一个微小的分子，它也可能从这样的过程中形成，如果这属实，它可能是大气中一个未知的成员，” Dixon说。 “如果你不知道有一个你应该解释的物种，你的模型将永远不会完全正确。”

 “我们工作的一个重要结果是终结了围绕该分子是否存在的长期争议，”Sanov说。 “理论预测是正确的 - 瞬态OCCO双基确实存在，我们终于找到了它。

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶     校正：摩天轮