科學家利用超快電子繞射技術對電環反應的”過渡態”–週環最小值的結構進行了成像。在化學反應中，分子在從反應物轉化為反應產物的過程中會經過臨界幾何結構。在化學中，幾何指的是分子中原子的排列。科學家通常把反應中的臨界幾何稱為過渡態。這種狀態的壽命幾乎短得難以理解，不到百萬分之一秒。

觀察到的光化學”過渡態”結構（中）的藝術家插圖。這種狀態持續時間不到百萬分之一秒。圖片來源：Greg Stewart 提供，SLAC 國家加速器實驗室

科學家最近利用SLAC 的超高速”電子照相機”捕捉到了臨界幾何圖形。結合對反應的量子模擬，研究人員確定臨界結構為分子的一端從分子的其餘部分彎曲開來。

化學家使用本研究中調查的反應，即所謂的電環反應，因為它會產生非常特殊的反應產物。這些產物可以透過伍德沃德-霍夫曼規則預測。這些規則在1981 年獲得了諾貝爾化學獎，並在每個有機化學家的本科教育中被傳授。

然而，這些規則並沒有詳細解答為什麼反應只會產生特定的反應產物。新成果有助於解決這一懸而未決的問題。此外，它們還為研究人員創建其他類型反應的新規則開闢了道路。這有助於使有機化學成為更強大的工具。

電環反應的特徵是透過一個臨界幾何結構同時形成和解離多個化學鍵。在本計畫研究的分子alpha-terpinene 中，兩個雙鍵和一個單鍵被轉換為三個雙鍵。這些過程的同步性和單一臨界構型確保了它們的立體特異性，這項特性使它們成為合成化學的重要工具。立體特異性可以透過著名的伍德沃德-霍夫曼規則來預測。

本研究結合超快電子繞射和對α-萜品烯反應動力學的模擬，研究了一種光化學（即光觸發）電環開環反應。根據伍德沃德-霍夫曼（Woodward-Hoffmann）規則預測，α-萜烯中反應的立體特異性是透過新出現的鏈狀反應產物的兩端以相同的順時針或逆時針方向相互遠離旋轉來保證的。

新結果表明，立體特異性的根源並不在於運動的確切性質。相反，立體特異性是由以下事實決定的：當分子呈現臨界幾何形狀時，從兩個雙鍵到三個雙鍵的變化在很大程度上已經發生。而導致α-萜品烯環打開的單鍵解離則發生在分子從臨界幾何形狀轉變為反應產物的過程中。