溶剂化是一个溶质被溶剂包围并稳定化的过程。当水分子作为溶剂时，通常涉及到氢键的行成。这一基础的过程广泛存在于不同领域，理解这一过程对于很多科学研究至关重要。长久以来有一个问题困扰着科学界，那就是如何从分子水平上来揭示溶剂化的机制，特别是溶剂化的初始阶段。

近日，阿尔伯塔大学的徐云洁和Wolfgang Jäger教授课题组报道了用啁啾脉冲傅里叶变换微波（CP-FTMW）光谱技术研究3-甲基邻苯二酚的初级溶剂化过程，博士生Arsh S. Hazrah 与博士Aran Insausti 为共同第一作者。3-甲基邻苯二酚是植物的燃烧产物之一，被应用于大气化学的研究中。CP-FTMW光谱仪记录分子的转动光谱，谱线包含了精确而丰富的单分子或分子簇的结构信息。运用这一技术，研究者可以严密监测溶剂化过程，从而提供了这一分子溶剂化初始阶段的全面图景。 

研究者基于构象搜索和理论计算而提出的两种可能的溶剂化途径 (上图, 每种水合物的结合能量已列出)，意想不到的是，3-甲基邻苯二酚采取了一种独特的浸润（wetting）途径，这有别于传统的液滴聚集（droplet aggregation）途径。就传统的液滴聚集（droplet aggregation）途径而言，水分子在溶质周围自行聚集成分子簇并以团簇的形式锚定在溶质分子上，这一途径以水分子之间的相互作用为主导，以往类似的溶剂化研究均观测到这一聚集模式。然而，在3-甲基邻苯二酚的溶剂化过程中，水分子逐一加和到芳环表面，有效地“浸润”了这个分子，这突出了溶剂与溶质之间的相互作用。

CP-FTMW仪器的高灵敏度可以使我们探测到自然丰度下的碳-13 和氧-18 单同位素取代物的转动光谱，结合重原子的单同位素取代物的转动光谱的分析，母体分子的键长被准确测定，因此3-甲基邻苯二酚水合物结构和溶剂化途径得以最终的确定。由分子簇内部复杂而精密的运动而引起的量子隧穿效应将谱线裂分 (下图上方)，这也支持验证了3-甲基邻苯二酚水合物的构象及溶剂化途径。后续的理论分析揭示了各水合物内部的非共价作用 (下图下方)。

该研究提供了一种新颖的初级溶剂化机制，通过量子化学计算分析与实验相结合，该研究丰富了我们对溶质和溶剂分子之间相互作用的认知，加深了我们对于团簇形成的驱动力和选择性的理解。这对于化学、生物和材料科学等各个领域具有重要意义。