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圖1. 兩個碳正離子碰撞反應(yīng)原理圖。圖片來源：Nat. Commun.

東華理工大學(xué)張小平教授與來自吉林大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的科研團隊提出了一個大膽的假設(shè)：能否利用正電荷之間的排斥力將有機離子的平動能快速轉(zhuǎn)化為振動能，從而誘發(fā)一些不受官能團限制的化學(xué)反應(yīng)？為了驗證這一假設(shè)，為了用實驗來驗證上述科學(xué)假設(shè)，團隊提出了一種新的反應(yīng)模型：即充分利用同性電荷之間的排斥力來誘導(dǎo)碳鏈增長（CCE）反應(yīng)（圖1），該反應(yīng)可能發(fā)生在任意兩個帶正電荷的有機物質(zhì)之間。首先，采用常見的離子化手段（如電噴霧電離等）將有機分子（如丙酮）帶上正電荷，形成2個有機陽離子（如質(zhì)子化丙酮，R1a、R1b）。陽離子R1a、R1b的羰基碳原子上的正電荷距離遠(yuǎn)大于能夠觀測到電荷排斥效應(yīng)的作用半徑，這時候兩個陽離子之間的影響小到可以忽略不計，無法觸發(fā)它們之間的有效相互排斥作用。接著，采用正電場將這些有機陽離子進行加速，并且使它們相向飛行，當(dāng)它們的距離逐漸減小時，兩陽離子之間的相互作用持續(xù)增加，排斥作用逐漸成為主導(dǎo)作用。當(dāng)距離進一步減小時，兩個帶有相同電荷的陽離子開始在反應(yīng)截面邊緣接觸。由于存在慣性作用，它們?nèi)匀粫^續(xù)靠近對方。一旦距離稍微減少，則將由于二者之間距離過近而導(dǎo)致排斥力直線劇增，導(dǎo)致由正電荷之間的排斥力產(chǎn)生的排斥能顯著大于C-C鍵能，從而誘導(dǎo)較小的陽離子(即離去基團，如典型的甲基、氨基、苯基陽離子)與碳碳骨架之間的鏈接發(fā)生斷裂，從而發(fā)生離去基團帶著一個正電荷離開，與此同時，剩下的骨架殘余部分與另外一個陽離子由于慣性而進一步彼此接近，最終因為電子的重新分配而發(fā)生牢固的偶聯(lián)反應(yīng)，成功地實現(xiàn)了碳鏈增長，即發(fā)生了CCE反應(yīng)。

為了做好實驗驗證工作，張小平教授領(lǐng)導(dǎo)團隊開發(fā)了一種前沿技術(shù)——通過電場驅(qū)動克服庫侖排斥力，進而誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)。他們自主設(shè)計并研制了一種新型實驗裝置（圖2），具體包括毛細(xì)管噴霧陣列、反應(yīng)容器組件，電極模塊和電壓控制模塊等。這套裝置成功實現(xiàn)了兩個正離子的碰撞與反應(yīng)，并獲得了相應(yīng)的碳碳偶聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物。實驗結(jié)果表明，這種方法具有普遍適用性，無論是在液相還是氣相中均有效。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的理論研究員團隊通過高精度的分子動力學(xué)模擬對這一創(chuàng)新結(jié)果進行了驗證，充分證明兩個帶正電荷的有機物質(zhì)可以通過同性電荷之間的排斥效應(yīng)，作為一種"虛擬催化劑"來促進碳鏈增長反應(yīng)。

圖2. 實驗裝置原理與數(shù)據(jù)結(jié)果。圖片來源：Nat. Commun.

這項技術(shù)不僅開創(chuàng)性地運用了庫侖排斥力來催化化學(xué)反應(yīng)，還在整個過程中擺脫了對經(jīng)典催化劑和其它化學(xué)試劑的依賴，代表了一種純物理規(guī)律驅(qū)動的新方法。它為未來的化學(xué)、化工、材料、制藥乃至環(huán)境保護及生命科學(xué)的發(fā)展提供了新的思路，具有極高的應(yīng)用潛力和科學(xué)價值。

這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，文章的第一作者是東華理工大學(xué)教授張小平。

張小平，博士，碩士生導(dǎo)師，東華理工大學(xué)江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點實驗室骨干，主要從事水自由基陽離子相關(guān)研究。主持國家自然科學(xué)基金2項，獲批江西省科協(xié)青年科技人才托舉項目，發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)專利5項。