原子水平上直接观察溶质与溶剂相互作用的机制

多国联合研究小组成功地在原子水平上阐明，吸收光的溶质分子与周围的溶剂分子相互作用时 光化学反应进行的机制。

在溶液中，反应分子（溶质分子）总是被溶剂分子包围。众所周知，化学反应的速度、反应中间体的寿命、产物的类型和产率会根据溶剂的类型而变化（溶剂化作用）。然而，人们至今还无法直接观察到溶剂分子是如何促进或抑制溶质分子的结构变化和化学反应。

研究小组利用X射线自由电子激光器(XFEL)设施——SACLA的BL3来准确跟踪吸收光的金属络合物（溶质分子）和乙腈（溶剂分子）的结构变化。结果表明，溶质分子的运动不仅促进了周围溶剂分子的重排，反过来溶剂的重排也带动了溶质的运动。也就是说，研究小组首次成功地在原子水平上确认了溶质与溶剂分子之间的双向作用。

该研究实现了观察溶质和溶剂结构变化的分子活动，有望为阐明光化学反应中溶剂化效果的机制做出贡献。

在溶液中，溶质分子周围总是存在不断地移动的溶剂分子。当借助光将能量施加到溶质分子上时，分子的形状可能会发生变化，但周围的溶剂分子会根据结构变化而改变排列，从而使整体稳定。此时，溶质与溶剂分子之间进行能量交换。该过程是在溶液中进行的化学反应的特征。众所周知，改变所用溶剂的类型会改变化学反应的速度、反应中间体的寿命以及产物的类型和产率，并且得到与在气相中进行的化学反应完全不同的结果（溶剂化效果）。虽然一直以来人们就知道溶剂化效应在化学反应中起着重要的作用，但因为无法准确追踪溶质分子与溶剂分子各自原子位置的变化，因此其微观机制尚不清楚。

XFEL是一种适用于检测超高速（100万亿分之1秒）发生的原子位置微小变化（1000亿分之1米量级）的光源。2019年，研究小组通过时间分辨X射线吸收光谱，成功地观测到当光能作用于铜(I)菲咯啉络合物（一种光敏剂原型，英文名称：[Cu(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)₂]⁺）时，分子一边振动一边从正四面体型变平为平面型的情况（图1）。然而，这种方法只能捕捉到与吸收X射线的铜原子键合的原子的位置变化，而远离金属络合物周围的溶剂分子的运动仍然未知。