阿姆斯特丹大学和奈梅亨HFML-FELIX研究所的研究人员通过合作，详细解析了一种硫脲基有机催化剂的分子结构，以及其与反应物结合时发生的精确结构变化。他们利用FELIX自由电子激光器的红外辐射，结合分子束实验和量子化学计算，阐明了催化剂及其-反应物复合物的精确几何形状。

研究人员在《物理化学快报》上发表了他们的研究成果。该研究为动态捕捉催化反应的活性中间体铺平了道路，从而为合理设计新的、更高效的有机催化剂铺平了道路。

实现精确控制

催化剂是化学中的关键成分，它能够在食品生产、药物合成和可持续能源等各种工艺中实现化学转化。许多催化剂都是金属基的，这使得它们价格昂贵、不环保，而且通常有毒。

近年来，有机催化剂——一种不含金属的小分子——不断涌现，它们具有廉价、稳定、安全且环保的潜力。它们还能提供高对映选择性，从而能够精确控制同一分子优选构象变体(对映体)的形成——这对于生物活性至关重要。

在他们最近的论文中，由分子光子学教授 Wybren Jan Buma 领导的阿姆斯特丹-奈梅亨研究团队提出了一种成功的方法来确定有机催化剂的精确分子几何形状——在其天然状态以及在催化活性期间与反应物结合时。

他们研究了“竹本催化剂”的作用方式，将其作为一类类似酶的有机催化剂的例子，依靠多重氢键将反应物以固定构象结合。获得关于催化剂结构以及相关分子间和分子内相互作用的精确可靠信息，对于合理设计新型、更高效的有机催化剂至关重要。

更具挑战性，效果更好

Buma 及其同事提出的方法依赖于红外光谱法，使用荷兰研究理事会 NWO 运营的 HFML-FELIX 研究所的FELIX自由电子激光器。

此前，人们已经能够获取催化反应中间体的红外指纹，但仅限于更容易处理和操控的离子型物质。涉及中性物质的反应研究至今仍未实现。

实验通过将催化剂和反应物的分子束与FELIX的红外激光合并进行，从而获得了更宽的光谱范围(从650到3500 cm -1)。在此范围内发现了催化剂本身的关键指纹振动特征，以及对与硝基烯烃反应物的微妙相互作用敏感的振动模式。

研究人员将获得的详细红外指纹(结构、分子内和分子间相互作用以及氢键形成)与量子化学计算相结合，以前所未有的细节对催化剂和催化剂-反应物复合物进行了明确的表征。

“冻结”反应中间体

重要的是要认识到，在催化剂-反应物复合物中，催化剂必须采用与能量高得多的孤立催化剂完全不同的结构。然而，分子束扩展过程中的高碰撞率条件使我们能够“冻结”最终先于反应最终结果的反应中间体。因此，这项研究使我们能够阐明催化剂的作用方式。

本研究结果极具前景，因为它们将带来更多可能性——例如，对涉及多种反应物的催化反应的反应中间体进行类似的研究。此外，该方法具有广泛的适用性，从而为其他一系列相关的有机和金属催化反应的类似研究开辟了新的领域，而这些反应中的反应中间体迄今为止仍难以捉摸。

更多信息： Piero Ferrari 等人，《催化反应机理研究：利用中红外光谱揭示硫脲基有机催化剂的构象及其与硝基烯烃的相互作用》，《物理化学快报》(2025 年)。期刊信息： 《物理化学快报》