Promieniowanie gamma przekształca metan w glicynę i różne inne złożone cząsteczki.
Zespół badawczy donosi w czasopiśmie Angewandte Chemie że promieniowanie gamma może w temperaturze pokojowej przekształcić metan w różnorodną gamę produktów, w tym węglowodory, cząsteczki utlenione i aminokwasy. Reakcja ta prawdopodobnie odgrywa znaczącą rolę w tworzeniu złożonych cząsteczek organicznych we wszechświecie i może nawet przyczynić się do powstania życia. Dodatkowo stwarza nowe możliwości przemysłowego przetwarzania metanu w produkty o wysokiej wartości w łagodnych warunkach.
Dzięki tym wynikom badań zespół kierowany przez Weixina Huanga z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (Hefei) przyczynił się do naszej fundamentalnej wiedzy na temat wczesnego rozwoju cząsteczek we wszechświecie.
„Promienie gamma, wysokoenergetyczne fotony powszechnie występujące w promieniowaniu kosmicznym i niestabilnym rozpadzie izotopów, dostarczają energii zewnętrznej do napędzania reakcji chemicznych prostych cząsteczek w lodowych płaszczach pyłu międzygwiazdowego i ziarnach lodu” – stwierdza Huang. „Może to skutkować powstaniem bardziej złożonych cząsteczek organicznych, prawdopodobnie zaczynając od metanu (CH4), który jest powszechnie obecny w ośrodku międzygwiazdowym.”
Reakcje metanu w różnych warunkach
Chociaż na Ziemi i na planetach w tzw. strefie zamieszkiwalnej panują wyższe ciśnienia i temperatury, większość badań procesów kosmicznych symuluje się jedynie w próżni i w ekstremalnie niskich temperaturach. Natomiast chiński zespół badał reakcje metanu w temperaturze pokojowej w fazie gazowej i wodnej pod napromienianiem emiterem kobaltu-60.
Skład produktów różni się w zależności od materiałów wyjściowych. Czysty metan reaguje z bardzo niską wydajnością, dając etan, propan i wodór. Dodatek tlenu zwiększa konwersję, w wyniku czego powstaje głównie CO2 a także CO, etylen i wodę. W obecności wody uwodniony metan reaguje, dając aceton i trzeciorzędowy alkohol butylowy; w fazie gazowej daje etan i propan.
Przyspieszone reakcje z wodą i tlenem
Po dodaniu zarówno wody, jak i tlenu, reakcje ulegają znacznemu przyspieszeniu. W fazie wodnej formaldehyd, oct kwasi aceton. Jeśli doda się również amoniak, kwas octowy tworzy glicynę, aminokwas występujący również w kosmosie. „Pod wpływem promieniowania gamma glicyna może powstać z metanu, tlenu, wody i amoniaku, czyli cząsteczek występujących w dużych ilościach w kosmosie” – mówi Huang. Zespół opracował schemat reakcji wyjaśniający drogi powstawania poszczególnych produktów. Tlen (∙O2−) i rodniki ∙OH odgrywają w tym ważną rolę. Szybkość tych radykalnych mechanizmów reakcji nie zależy od temperatury i dlatego może zachodzić również w przestrzeni kosmicznej.
Ponadto zespołowi udało się wykazać, że różne cząstki stałe będące składnikami pyłu międzygwiazdowego — dwutlenek krzemu, tlenek żelaza, krzemian magnezu i grafen tlenek – zmieniaj selektywność produktu na różne sposoby. Zróżnicowany skład pyłu międzygwiazdowego mógł zatem przyczynić się do obserwowanego nierównomiernego rozmieszczenia cząsteczek w przestrzeni.
Dwutlenek krzemu prowadzi do bardziej selektywnej konwersji metanu do kwasu octowego. Mówi Huang: „Ponieważ promieniowanie gamma jest łatwo dostępnym, bezpiecznym i zrównoważonym źródłem energii, może to stanowić nowe podejście do wykorzystania metanu jako źródła węgla, który można skutecznie przekształcić w produkty o wartości dodanej w łagodnych warunkach — co wymaga długotrwałego stałe wyzwanie dla przemysłowej chemii syntetycznej.”
Odniesienie: „Przekształcenie metanu w fazie wodnej napędzane promieniowaniem γ w złożone cząsteczki aż do glicyny”, Fei Fang, Xiao Sun, Yuanxu Liu, Zhiwen Jiang, Mozhen Wang, Xuewu Ge i Weixin Huang, 25 września 2024 r., Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202413296
Finansowanie: Chiński Narodowy Program Badań i Rozwoju, Chińska Akademia Nauk, Chińska Narodowa Fundacja Nauk Przyrodniczych, Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych, Program Stypendialny Changjiang Chińskiego Ministerstwa Edukacji
