当试图理解反应时，呼吁将量子隧穿带到桌面上

当化学家谈论是什么驱动了他们的反应时，他们倾向于提到反应速率、原子运动和能垒。然而，一些研究人员声称，应该更多地关注有机反应中经常被忽视的现象:量子隧穿。

“作为有机化学家，我们接受的训练是忽略量子隧穿，”他说彼得的妇女不同他是德国吉森大学的有机化学家。他认为，认识到量子现象将有助于更好地理解化学反应的原理。¹Schreiner兴奋地说，一旦化学家们学会了如何控制隧穿，“它就为更大的分子宇宙打开了大门，因为你可以生成传统方法无法获得的物种”。

“我们才刚刚学会如何控制挖隧道”

吉森大学的Peter Schreiner

计算化学家说:“化学家忽视隧道效应的原因是，他们认为它只在低温下才重要，但大多数反应都是在室温下发生的。东印度缎木达塔来自印度科学培养协会。“在室温下，大多数粒子都有足够的能量越过势垒。”

在每一个化学反应中，存在于反应物和生成物之间的是能垒。反应粒子拥有的热能越多，通常就越容易越过这个势垒。但穿隧粒子——电子、氢或某些情况下更重的原子或碎片——有时可以完全跳过能量势垒。在一个简化的类比中，一个粒子可以被认为是直接穿过能量势垒，就像穿过一座山的隧道一样。然而，这并不是故事的全部。像原子这样的量子物体不受宏观规则的约束——它们既是粒子也是波，隧穿是这种波状行为的自然结果。大多数波浪在碰到墙壁时会发生偏转。但是量子波有一个概率振幅——一种解释物体在某一特定位置的可能性——它会变化，但不会在障碍物内部和后面变为零。

通常，像分子内质子转移这样的简单反应很容易忽视隧穿效应。“传统的看待质子转移的方法是完全错误的，”他说巴里·卡彭特他在英国卡迪夫大学研究反应机制。“因为几乎所有的有机化学家都会认为，如果你看到一个质子在分子中从一个地方移动到另一个地方，反应坐标所显示的一定与质子在空间中的位置有关。事实证明并非如此。相反，反应途径是由溶剂分子的运动决定的，它们需要在产物周围重新排列。²质子瞬间穿过隧道。

生命找到了出路

即使是生命系统也是利用这种量子现象的反应的丰富来源。Judith Klinman他在美国加州大学伯克利分校从事酶催化研究。他在20世纪80年代末首次提出了酶通过促进质子隧穿来加速反应速率的观点。^3.她估计，在C-H激活的酶中，大约有三分之一是通过隧道机制来激活的。

究竟是什么使得酶如此擅长促进隧道形成，Klinman和他的同事们才刚刚开始解开这个谜团。⁴Klinman解释说:“蛋白质支架促进了供体和受体之间的紧密接触，而不是以静态的方式进行。”“这就是为什么蛋白质运动和蛋白质的大尺寸对于真正的高催化速率加速是如此重要。”

但是，在化学家们能够利用这些概念设计出与真正的蛋白质一样好，甚至更好的人造蛋白质之前，思维可能需要改变。“主要的化学坐标是你如何激活环境，让电子或氢从(能量)势垒的一边移动到另一边，”Klinman说。“这是学生在学校应该学的东西，这是教科书应该讲的东西。我认为这是一个巨大的差距，因为这不是思考反应的常用方式。”

但塞巴斯蒂安Kozuch他在以色列内盖夫的本-古里安大学研究催化机制，他认为化学家没有专门寻找隧穿“因为这是一个非常罕见的过程”，所以不会错过任何东西。他说:“在大多数情况下，这种情况不会发生，或者即使发生了，也不是那么重要。”“但在少数情况下，它会产生很多可能性，尤其是在低温下。”

“很明显，在很多情况下，假设事物被经典激活，人们可以做得相当不错，”卡朋特同意说。“但任何时候，只要你相信有一种速率决定的质子转移，那么你肯定会怀疑隧道效应实际上控制着正在发生的事情。”虽然重颗粒，如一整个三氟甲基，在一定条件下可以隧穿，能垒跳跃一般局限于电子和氢原子。

我没想到会这样

但要找出隧道现象是否发生通常并不容易。由于量子现象不需要热能，隧道反应速率应该与温度无关。然而，在实践中，在一个较宽的温度范围内测量反应速率通常是困难的，因为状态的变化——比如溶剂冻结——会使结果产生偏差。

但这并不妨碍化学家进一步探索量子隧道。施赖纳解释说，隧道效应可以“控制反应的结果，你可以得到一种与你所期待的非常不同的产物”。他已经开始了调整反应以进入特定的隧道通道．

“从长远来看，我认为会有使用隧道效应的催化剂。”

内盖夫本-古里安大学的Sebastian Kozuch说

在他们最近的研究中，Schreiner和他的同事丹尼斯Gerbig在硝基苯甲醛的光激活重排中制造了一种独特的“隧道产物”。⁵该反应通常会产生亚硝基苯甲酸，但将反应冷却到3K(-270°C)会通过氢隧道机制得到异恶唑酮作为唯一的产物。施赖纳说:“我们只是在学习如何控制挖隧道。”我们还需要几年时间才能真正掌握这一点。

隧道甚至可以对有机或生物有机化学以外的领域产生影响。达塔说:“锂离子电池是挖掘隧道的一个重要且尚未开发的领域。”由于锂的重量仅略高于氢，它会发生隧道，这一过程会影响电池消耗的速度。

Kozuch说:“现在我们几乎不知道有什么隧道反应在实际应用中真正有用。”“但从长远来看，我认为会有利用隧道效应的催化剂。我相信氢隧道有一个非常光明的未来。”