과학자들은 전기 고리 반응의 "전이 상태"인 순환 최소 구조를 이미지화하기 위해 초고속 전자 회절 기술을 사용했습니다. 화학 반응에서 분자는 반응물에서 반응 생성물로 변환되면서 중요한 기하학적 구조를 통과합니다. 화학에서 기하학은 분자 내 원자의 배열을 의미합니다. 과학자들은 종종 반응의 임계 기하학을 전이 상태라고 부릅니다. 이 상태의 수명은 100만분의 1초 미만으로 거의 이해할 수 없을 정도로 짧습니다.
관찰된 광화학적 "전이 상태" 구조에 대한 예술가의 그림(가운데). 이 상태는 100만분의 1초 미만 동안 지속됩니다. 이미지 출처: Greg Stewart 제공, SLAC 국립 가속기 연구소
과학자들은 최근 SLAC의 초고속 "전자 카메라"를 사용하여 중요한 형상을 포착했습니다. 반응의 양자 시뮬레이션과 결합하여 연구원들은 분자의 한쪽 끝이 나머지 분자에서 구부러져 있는 중요한 구조를 확인했습니다.
화학자들은 이 연구에서 조사된 반응인 소위 전기순환 반응을 사용하는데, 이는 매우 특정한 반응 생성물을 생성하기 때문입니다. 이러한 제품은 Woodward-Hoffman 규칙으로 예측할 수 있습니다. 이 규칙은 1981년에 노벨 화학상을 수상했으며 모든 유기화학자의 학부 교육에서 가르칩니다.
그러나 이러한 규칙은 왜 반응이 특정 반응 생성물만 생성하는지 자세히 설명하지 않습니다. 새로운 결과는 이 공개 질문을 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한, 이는 연구자들이 다른 유형의 반응에 대한 새로운 규칙을 만들 수 있는 길을 열어줍니다. 이는 유기화학을 더욱 강력한 도구로 만드는 데 도움이 됩니다.
전기환식 반응은 임계 기하학을 통해 다중 화학 결합이 동시에 형성되고 분리되는 것이 특징입니다. 이 프로젝트에서 연구된 분자인 알파-테르피넨에서는 두 개의 이중 결합과 한 개의 단일 결합이 세 개의 이중 결합으로 변환됩니다. 이러한 공정의 동시성과 단일 중요 구성은 입체특이성을 보장하며, 이는 합성 화학에서 중요한 도구가 되는 특성입니다. 입체특이성은 잘 알려진 Woodward-Hoffman 규칙으로 예측할 수 있습니다.
이 연구는 초고속 전자 회절과 α-테르피넨의 반응 동역학 시뮬레이션을 결합하여 광화학적(즉, 빛에 의해 유발되는) 전기환 개환 반응을 조사합니다. α-테르펜 반응의 입체특이성은 우드워드-호프만 규칙에 의해 예측된 바와 같이, 동일한 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 서로 멀어지는 방향으로 회전하는 새로운 연쇄 반응 생성물의 두 말단에 의해 보장됩니다.
새로운 결과는 입체특이성의 기원이 운동의 정확한 본질에 있지 않다는 것을 보여줍니다. 오히려, 입체특이성은 분자가 임계 기하학을 가정할 때 2개의 이중 결합에서 3개의 이중 결합으로의 변화가 이미 상당 부분 발생했다는 사실에 의해 결정됩니다. α-테르피넨 고리가 열리는 단일 결합 해리는 분자가 임계 기하학적 구조에서 반응 생성물로 전환되는 동안 발생합니다.