科学家利用超快电子衍射技术对电环反应的"过渡态"--周环最小值的结构进行了成像。在化学反应中，分子在从反应物转化为反应产物的过程中会经过临界几何结构。在化学中，几何指的是分子中原子的排列。科学家通常把反应中的临界几何称为过渡态。这种状态的寿命几乎短得难以理解，不到百万分之一秒。

观察到的光化学"过渡态"结构（中间）的艺术家插图。这种状态持续时间不到百万分之一秒。图片来源：Greg Stewart 提供，SLAC 国家加速器实验室

科学家们最近利用 SLAC 的超高速"电子照相机"捕捉到了临界几何图形。结合对反应的量子模拟，研究人员确定临界结构为分子的一端从分子的其余部分弯曲开来。

化学家使用本研究中调查的反应，即所谓的电环反应，因为它会产生非常特殊的反应产物。这些产物可以通过伍德沃德-霍夫曼规则预测。这些规则在 1981 年获得了诺贝尔化学奖，并在每个有机化学家的本科教育中被传授。

然而，这些规则并没有详细解答为什么反应只产生特定的反应产物。新成果有助于解决这一悬而未决的问题。此外，它们还为研究人员创建其他类型反应的新规则开辟了道路。这有助于使有机化学成为更强大的工具。

电环反应的特点是通过一个临界几何结构同时形成和解离多个化学键。在本项目研究的分子 alpha-terpinene 中，两个双键和一个单键被转化为三个双键。这些过程的同步性和单一临界构型确保了它们的立体特异性，这一特性使它们成为合成化学的重要工具。立体特异性可以通过著名的伍德沃德-霍夫曼规则来预测。

本研究结合超快电子衍射和对α-萜品烯反应动力学的模拟，研究了一种光化学（即光触发）电环开环反应。根据伍德沃德-霍夫曼（Woodward-Hoffmann）规则预测，α-萜烯中反应的立体特异性是通过新出现的链状反应产物的两端以相同的顺时针或逆时针方向相互远离旋转来保证的。

新结果表明，立体特异性的根源并不在于运动的确切性质。相反，立体特异性是由以下事实决定的：当分子呈现临界几何形状时，从两个双键到三个双键的变化在很大程度上已经发生。而导致α-萜品烯环打开的单键解离则发生在分子从临界几何形状转变为反应产物的过程中。