Из газа – в драгоценности: гамма-лучи рождают сложные молекулы из простейшего метана

Группа ученых из Китая, возглавляемая Вэйсинь Хуаном из Университета науки и технологий Китая (Хэфэй), сделала важное открытие : гамма-излучение способно превращать метан в разнообразные продукты, включая углеводороды, кислородосодержащие молекулы и даже аминокислоты, при комнатной температуре.

Такая реакция, вероятно, играет важную роль в формировании сложных органических молекул во Вселенной, и возможно, даже в происхождении жизни. Кроме того, это открывает новые стратегии для промышленного превращения метана в высокоценные продукты в мягких условиях.

В отличие от большинства исследований космических процессов, проводимых в вакууме и при экстремально низких температурах, китайская команда изучала реакции метана при комнатной температуре в газовой и водной фазах под воздействием гамма-излучения, создаваемого кобальтом-60.

Состав продуктов реакции варьируется в зависимости от исходных материалов. Чистый метан реагирует с очень низким выходом, давая этан, пропан и водород. Добавление кислорода увеличивает конверсию, в основном образуя CO2, а также CO, этилен и воду.

В присутствии воды метан в водной фазе реагирует с образованием ацетона и третичного бутилового спирта; в газовой фазе - этана и пропана. Когда добавляются вода и кислород, реакции значительно ускоряются. В водной фазе образуются формальдегид, уксусная кислота и ацетон. Если также добавить аммиак, уксусная кислота образует глицин - аминокислоту, также обнаруженную в космическом пространстве.

"Под воздействием гамма-излучения глицин может быть получен из метана, кислорода, воды и аммиака - молекул, широко распространенных в космосе", - говорит Вэйсинь Хуан. Команда разработала схему реакций, объясняющую пути образования отдельных продуктов. Кислород (∙O2−) и ∙OH-радикалы играют важную роль в этих процессах. Скорость реакций не зависит от температуры и, следовательно, могут происходить и в космическом пространстве.

Кроме того, команда смогла продемонстрировать, что различные твердые частицы, являющиеся компонентами межзвездной пыли - диоксид кремния, оксид железа, магнезиальный силикат и оксид графена - по-разному влияют на селективность продуктов. Разнообразный состав межзвездной пыли, возможно, способствовал неравномерному распределению молекул в космическом пространстве.

Диоксид кремния приводит к более селективному превращению метана в уксусную кислоту. По словам Вэйсинь Хуана, что поскольку гамма-излучение - легкодоступный, безопасный и устойчивый источник энергии, метан с его помощью можно использовать в качестве углеродного сырья и преобразовывать в высокоценные продукты в мягких условиях - давняя проблема промышленной синтетической химии.