"星际介质中甲烷四醇(C(OH)4)的首次发现：极端环境化学的突破性进展"

研究团队通过模拟星际分子云环境（5K，<10-10 Torr），利用同步辐射真空紫外光电离质谱技术，首次观测到长期理论预测但从未被捕获的甲烷四醇(C(OH)4)。该研究揭示了碳ic酸(HOCOOH)通过自由基反应生成这一"不可能分子"的机制，为星际复杂有机分子形成提供了新见解，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在浩瀚宇宙的低温实验室——星际分子云中，隐藏着地球上难以想象的化学反应。一个世纪以来，化学家们对甲烷四醇(C(OH)₄)这种理论上存在却从未被捕获的"不可能分子"充满好奇。尽管其酯类衍生物（如C(OR)₄）早已广泛应用作绿色溶剂，但最简单的母体分子却因四个羟基的空间位阻和热力学不稳定性而长期缺席科学记录。这种分子能否在极端宇宙环境中存在？它的发现将如何改写我们对星际化学的认知？

中国科学技术大学国家同步辐射实验室（NSRL）联合美国夏威夷大学的研究团队，通过模拟星际分子云极端条件（5K，<10^-10 Torr），利用同步辐射真空紫外光电离反射式时间飞行质谱（SVUV-PI-ReToF-MS）技术，首次捕捉到这个传说中的分子。研究发现甲烷四醇通过碳ic酸(HOCOOH)与羟基自由基的级联反应生成，其存在挑战了传统有机化学的Erlenmeyer规则（多羟基碳原子不稳定原理）。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为理解星际介质中非常规化学反应开辟了新视野。

关键技术包括：1）在5K超低温下制备CO₂-H₂O模拟星际冰；2）采用120 eV高能电子模拟宇宙射线辐照；3）同步辐射光源（11.08-11.45 eV）触发分子光电离；4）反射式时间飞行质谱检测气相产物；5）CCSD(T)/CBS//ωB97X-D/aug-cc-pVTZ高水平理论计算验证反应路径。

实验结果揭示

1. 理论预测突破：计算显示中性甲烷四醇具有156 kJ mol^-1解离能垒，其自由基阳离子则极不稳定（仅5 kJ mol^-1能垒），这解释了为何仅能通过C(OH)₃⁺碎片（m/z=63）间接检测。

1. 实验观测证据：在11.26 eV光子能量下，m/z=63信号经¹³C同位素标记确认为C(OH)₃⁺碎片，其脱附曲线在250K出现特征峰，符合羟基数目增加导致脱附温度升高的规律。

2. 反应机制解析：检测到关键中间体碳ic酸（m/z=62）和甲烷三醇（HC(OH)₃，m/z=47），证实反应路径为：CO₂+H→HOCO•→HOCOOH→•C(OH)₃→C(OH)₄。

2与H₂O反应路径'>

结论与意义

该研究首次将"教科书中的分子"变为实验现实，证明星际介质的极端条件（低温抑制分解、宇宙射线提供活化能）能孕育地球上无法稳定的化合物。甲烷四醇的发现暗示星际冰中可能存在更复杂的ROC(OH)₃型分子，这些分子可能作为碳ic酸的储存库，参与生命前分子演化。研究建立的SVUV-PI-ReToF-MS方法为探测其他"不可能分子"提供了新范式，而理论计算的精准预测（误差仅±4 kJ mol^-1）则展现了计算化学指导实验设计的强大能力。这项成果不仅拓展了星际分子普查的疆域，更启示我们：宇宙或许正以人类尚未认知的方式，书写着全新的化学规则。