Wetenschappers ontdekken primitieve foto-oxidatiekatalysator

Met stikstof verzadigd grafiet katalyseert reacties om vroege biomoleculen te produceren.

De zon, die een cruciale rol speelde bij het aandrijven van de eerste biochemische moleculen op aarde, faciliteerde cruciale reacties, samen met katalysatoren die chemische processen versnelden. Een groep onderzoekers heeft onlangs bewezen dat de stof ontstaat uit de reactie van ammoniak en methaan plasma Het heeft het vermogen om lichtenergie te benutten om amine-naar-imine-transformaties te vergemakkelijken.

Dit mechanisme had een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de vorming van de eerste biomoleculen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Angioandte chemie.

Tussen drie en vier miljard jaar geleden vormden zich op de primitieve aarde de eerste biomoleculen voordat het leven explodeerde. Voor deze vroege chemische reacties waren echter katalysatoren nodig. Shenzhen Wang en een team van onderzoekers van de Fuzhou Universiteit in China ontdekten dat de oorspronkelijke atmosfeer zelf als bron van deze stimuli had kunnen dienen.

Met behulp van methaan en ammoniak, die waarschijnlijk aanwezig waren in het hete gasmengsel dat de wereld in het Archeïsche tijdperk bedekte, gebruikte het team chemische dampafzetting om koolstof-stikstofverbindingen te produceren als potentiële katalysatoren. Ze ontdekten dat in de reactiekamer moleculen uit het ammoniak- en methaanplasma condenseren op het oppervlak en snel groeien om een ​​vast koolstof-stikstofpolymeer te vormen dat lijkt op met stikstof gedoteerd grafiet.

Zoals het team waarnam, gaven de onregelmatig ingebedde stikstofatomen dit polymeer katalytisch actieve plaatsen en een elektronische structuur waardoor het door licht kon worden geëxciteerd. Vervolgens gingen de onderzoekers bewijzen in hoeverre de stof onder invloed van licht andere stoffen kan reduceren of oxideren.

Misschien wel een van de belangrijkste reacties die plaatsvonden op de vroege aarde was de vorming van imines. Iminen, ook wel Schiff-basen genoemd, zijn een vorm van gedehydrogeneerde aminen, dit zijn verbindingen die zijn samengesteld uit koolstof, stikstof en waterstof. Veel scheikundigen veronderstellen dat imines op de primitieve aarde mogelijk hebben bijgedragen aan de vorming van de eerste genetische moleculen uit ribonucleïnecellen. zuur (RNA). Wang en zijn team kunnen aantonen dat een door plasma gegenereerde katalysator aminen in imines kan omzetten met alleen zonlicht.

Het team zegt dat op koolstofnitride gebaseerde fotokatalysatoren, zoals plasma-gegenereerd materiaal, miljoenen jaren mee kunnen gaan en belangrijke chemische tussenproducten kunnen produceren. Bovendien kunnen ze dienen als bron van koolstof- en stikstofhoudende verbindingen. Door aan te tonen dat het mogelijk is om zo’n katalysator te produceren met alleen de gassen en omstandigheden die voorkomen in de vroege atmosfeer van de aarde, werpt de studie nieuw licht op het potentiële evolutionaire pad dat biomoleculen afleggen.

Referentie: “Plasma-verbeterde chemische dampafzettingssynthese van stikstofhoudende redox-geactiveerde koolstof uit NH3- en CH4-gassen” door Yan Wang, Yuanxingfang, Yankun Wang, Haisu Wu, Masakazu Anbu en Jimmy C. Yu, Shenzhen Wang, 22 juni 2023, Angewandte Chemie Internationale Editie.
doi: 10.1002/anie.202307236

De studie werd gefinancierd door het National Key Technology Research and Development Program van China, de National Natural Science Foundation of China en het 111 Project.