化学课上，我们没少在纸上画各种分子结构图，也没少听老师讲它们在化学反应中是怎么变化的，不过，这些示意图还是满足不了人们“眼见为实”的心愿。而现在，直接观测到化学反应中的分子变化也已经成为可能。最近，苏黎世IBM研究中心的研究者们就在《自然·化学》期刊上发布了他们拍到的化学反应“实况图”[1]。（点这里可以阅读论文全文）
图片来自：Nature Chemistry
这里展示的是一个伯格曼成环反应（Bergman cyclization），上面的四张图片就是化学反应中反应物、产物和中间体结构的真实模样（颜色是后期处理的结果），下面是对应的结构式。可以看到，它们保持了完美的对应关系。
针尖“摸”出分子结构
当然，要想对化学键的形成和断裂进行直接操控和观测，也得用些特别的手段才能办到。那么，研究团队使用了什么神奇的技术呢？答案是非接触式原子力显微镜（nc-AFM）与扫描隧道显微镜（STM）。
简单来说，这两种技术都是“针尖下的摸索”——它们都要用一个小针尖来对表面结构进行探测。针尖不会与被探测原子直接接触，但却能“摸”出它们的存在。原子力显微镜探测针尖与表面原子直接产生的相互作用力；而扫描隧道显微镜的针尖则会加上电压，测量电流的变化。调节针尖上的电压，还能操控原子、控制化学反应的发生。
原子力显微镜极简版示意图，不同颜色的球代表不同原子，针尖可以探测出这些原子排列成的形貌。作者灵魂制图
早在2013年，就有研究者用nc-AFM呈现了化学键的真容（更多阅读：用原子力显微镜看见纳米石墨烯的合成），而这一次扫描隧道显微镜的加入，又为研究者们提供了一边观测一边精确控制化学反应的机会。
如何给化学反应拍照？
具体要怎么做呢？首先，要在铜表面上“放盐”——当然，这可不是为了腌制入味。在铜表面上精确地沉积两层氯化钠结构，这样就做成了安放分子的“底板”，可以把要研究的分子（9,10-二溴蒽，DBA）放上去了。氯化钠“镀层”可以更好地稳定这些分子。
给铜加上两层NaCl。作者灵魂制图
在反应开始前，研究者先要用原子力显微镜上的特制针尖给分子“照个相”：
DBA的“照相”结果。图片来自原论文
图中显示了三个环，中间环的上下还分别连着一个白色的“小吊坠”——这就是环上连接的两个溴原子了。
接下来，轮到扫描隧道显微镜登场。通过针尖施加电击，研究者们相继去掉了分子上的两个溴原子，让分子变成了带着未配对电子的自由基。含有未配对电子的自由基往往是不稳定的，于是就引发了改变环结构的化学反应。
可以看出，单自由基、双自由基和双炔的nc-AFM图像和结构式吻合得很好。图片来自原论文
从上面的反应中得到了双炔结构，研究者们又进一步研究了它的成环反应和逆反应。通过扫描隧道显微镜的针尖电压触发反应，让两种双炔结构相互转变。为了进一步稳定这些结构，研究者们又给基底加了“一层盐”，并把分子卡在氯化钠形成的台阶上：
被氯化钠卡住的分子，侧视示意图。作者灵魂制图
卡住分子，就保证了“所见即所得”，也就是说，观测过程不会被分子的位移、旋转等因素干扰。通过扫描隧道显微镜施加电压，再加上原子力显微镜“拍照”，就可以看到分子结构转化的过程了。从这一结果中，也可以看到反应的发生机制：在下图中a和c两种结构相互转化时，一定会经历中间b的三环结构，这也证实了开环和关环的反复过程。
浅蓝色和黑色的结构式表示的是反应中相互转化的两种双炔结构，深蓝色的结构式是它们相互转化时必经的中间体。上面的图像就是这些结构在原子力显微镜下的模样。图片来自原论文
这类化学反应在药物研发等领域有不少应用，直接“看到”并调控反应中的分子结构，也会为深入了解化学反应提供更多支持。把“反应实况”放进教科书，看起来也很酷炫呢。（编辑：窗敲雨）
参考资料：
- Leo Gross, et al. Reversible Bergman cyclization by atomic manipulation. Nature Chemistry 8, 220–224 (2016) doi:10.1038/nchem.2438
- http://cen.acs.org/articles/94/i5/Chemists-Nudge-Molecule-React-Watch.html