Сотрудники лаборатории химии высоких энергий кафедры электрохимии химического факультета МГУ представили доказательства одностадийного радиационно-индуцированного образования бензола, ацетонитрила и других органических молекул из комплексов более простых молекул при сверхнизких температурах.
Исследование отвечает на вопрос о механизме формирования органических соединений в космической среде, важный для понимания химической истории Вселенной.
Работы опубликованы в журналах Radiation Physics and Chemistry, Physical Chemistry Chemical Physics и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Химия высоких энергий – это особый способ ускорения химических реакций путем передачи больших порций энергии отдельным молекулам, обычно при действии ионизирующего излучения. Подобные процессы происходят в космическом пространстве, где молекулы расположены по отдельности и далеко друг от друга, при этом они подвергаются действию ионизирующего излучения. Еще одна особенность астрохимических процессов – протекание при низких и очень низких температурах.
«Мы – одна из немногих лабораторий в России, которая регулярно работает с химией при температурах 5-10К. Многие проводят измерения при этих температурах, но химические процессы практически не изучают. Тем не менее, исследование астрохимических реакций особенно интересно, так как их результатом является образование межзвездного вещества, в том числе полициклических, ароматических форм углерода и так называемых «молекул жизни», – рассказал заведующий лабораторией химии высоких энергий химического факультета МГУ профессор Владимир Фельдман.
Для полноценного понимания процессов возникновения молекул во Вселенной нужно знать механизм их образования. Для этого некоторые научные группы изучают реакции, протекающие при облучении модельных астрономических льдов – низкотемпературных смесей воды или оксидов углерода с другими молекулами. Эти системы похожи на кристаллы, которые реально существуют в космическом пространстве. Однако разобраться в процессах, происходящих при действии излучения, достаточно сложно: получается трудно анализируемая смесь самых разных продуктов.
«Мы идем другим путем: пытаемся выделить «кирпичики» – элементарные звенья молекулярной организации, которые помогут разобраться в процессах, – объяснил Владимир Фельдман. – В роли «кирпичиков» могут выступать отдельные агрегаты или комплексы молекул. Мы изолируем такие комплексы при очень низких температурах в инертных средах, потом действуем на них излучением и шаг за шагом смотрим, что происходит. Научных групп, которые также изучают действие радиации на низкотемпературные изолированные системы, всего 4-5 в мире. Но они работают с отдельными молекулами. А идея о том, чтобы изучать комплексы-«кирпичики», наша. Такого никто кроме нас не делает».
С использованием нового подхода авторам удалось установить механизм образования бензольного кольца из тримеров ацетилена, ацетонитрила и изоацетонитрила из комплексов метана и цианистого водорода, ряда кислородсодержащих органических молекул из комплексов ацетилена с оксидом углерода.
«Эксперименты по радиационно-индуцируемой сборке бензола из ацетилена проводились очень давно, еще в 50-х годах, – рассказала аспирант Мария Лукьянова. – Но механизм протекания этого процесса не знал никто. Мы попытались понять, как это происходит. Провели эксперимент и увидели, что образование бензола происходит в одну стадию и при облучении именно тримера ацетилена. Если изначально есть не тример, а другие формы ацетилена (димер, свободная молекула), после облучения бензола не образуется. Это основное свидетельство того, что именно тример ацетилена – это предшественник бензола».
«В следующей работе мы выяснили механизм образования ацетонитрила и его изомера изоацетонитрила из комплексов простых и распространенных молекул: метана и цианистого водорода, – прокомментировал Владимир Фельдман. – Понимание механизма имеет большое значение, поскольку ацетонитрил может быть предшественником биологических молекул, в частности, аминокислот. В то же время образование в космическом пространстве самого ацетонитрила было не очень понятно».
Помимо изучения механизмов астрохимических реакций, новый подход можно использовать для установления механизмов реакций низкотемпературного органического синтеза, а также прогнозирования радиационной стойкости материалов. В будущем авторы планируют выяснить механизм образования более сложных органических молекул: ароматических полициклов, гетероциклов и аминокислот.
Установление механизма образования аминокислот может помочь в решении проблемы хиральности – преобладания в биосфере определенных изомеров биологически активных молекул.
