Реакции среди полезных ископаемых и органических соединений в гидротермальных условиях являются важнейшими компонентами глубокого углеродного цикла Земли, они обеспечивают энергию для биосферы и имеют значение для происхождения жизни. Однако, очень мало известно о том, как минералы влияют на органические реакции. Команда исследователей из Университета штата Аризона продемонстрировала, как распространенный минерал выступает в качестве катализатора для определенных гидротермальных органических реакций, исключая необходимость в токсичных растворителях или дорогих реагентах.
В основе органической химии, она же химия углерода, лежит ковалентная углерод-водородная связь (связь С-Н) — фундаментальная связь между углеродом и атомами водорода, найденная практически в каждом органическом соединении.
Существенными компонентами, управляющими химическими реакциями органических соединений в гидротермальных системах, являются органические молекулы, горячая вода и полезные ископаемые, но понимание механизма, как минералы влияют на гидротермальную органическую реактивность, практически отсутствует.
Команда химиков, пытаясь разобраться в этом вопросе, обнаружила распространенный минерал сульфида цинка (ZnS или сфалерит), который катализирует фундаментальную химическую реакцию – создание и разрыв связи C-H.
Результаты были опубликованы в американском журнале «Труды Национальной академии наук». Работа была написана трансдисциплинарной командой следующих исследователей: Джесси Шипп (кандидат химических и биохимических наук), Иэн Гулд, Линда Уильямс, Эверетт Шок и Хилэри Хартнет. Работа финансировалась Национальным научным фондом.
«Как правило, вода и органический углеводород между собой не реагируют. Если вы поместите алкан в воду и добавите немного минерала, вероятно, ничего не произойдет, — объясняет Шипп. — Но при высокой температуре и давлении вода ведет себя как органический растворитель, термодинамика реакции изменяется, и внезапно реакция, которая была неосуществима на начальном этапе, становится возможной. И все это с помощью естественных компонентов в условиях гидротермальных систем».
Минерал в соединении
Ранее команда обнаружила, что органические молекулы могут вступать в реакции в горячей воде и под давлением, но процессы были медленными, преобразования незначительными. Эта работа, однако, показала, что в присутствии сфалерита, скорость гидротермальных процессов существенно возрастает, реакция приближается к равновесию и синтезируется только один продукт. Эта очень чистая, очень простая реакция была неожиданна.
«Мы выбрали сфалерит, потому что, работая с сульфидами железа, поняли, что не могли защитить железо от воздействия серы. Таким образом, мы попробовали взять минерал, содержащий серу, без железа. Сфалерит — распространенный минерал в гидротермальных системах, поэтому это был хороший выбор. Мы действительно не ожидали, что он будет вести себя настолько отлично от сульфидов железа», — говорит Хартнет, адъюнкт-профессор в Школе исследования Земли и космоса на кафедре химии и биохимии.
Это исследование предоставляет точную информацию о том, как минерал сфалерит влияет на разрыв и образование связи C-H.
Для своего эксперимента команда нуждалась в высоком давлении (1 000 бар), высокой температуре (300°C) и в химически инертном контейнере. Чтобы получить эти условия, реагенты (сфалерит, вода и органические молекулы) были заварены в чистую золотую капсулу и помещены в камеру под высоким давлением в печи. Когда эксперимент завершился, золотую капсулу заморозили в жидком азоте, чтобы остановить реакцию, затем открыли и оттаяли при погружении в дихлорметан, чтобы извлечь органические продукты.
«Секрет успеха исследования в уникальном сотрудничестве ученых, потому что доктор Гульд — органический химик, доктор Хартнет изучает углеродные циклы и экологическую геохимию, доктор Шок рассматривает вопросы термодинамики, доктор Уильямс — эксперт по минералам, тем самым получился разнообразный набор умов, решающих одну проблему», — говорит Шипп.
Гидротермальные органические реакции влияют на формирование, деградацию и состав нефти и обеспечивают энергию и углеродные источники для микробных сообществ в глубоких осадочных системах. Результаты имеют значение для углеродного цикла, астробиологии, предбиотической органической химии, и, возможно, что еще более важно, для зеленой химии (философия, которая поощряет дизайн продуктов и процессы, минимизирующие использование и производство опасных веществ).