Ученые 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. Проведенное исследование отвечает на вопрос о механизме формирования органических соединений в космической среде, важный для понимания химической истории Вселенной.
Химия высоких энергий – это особый способ ускорения химических реакций путем передачи больших порций энергии отдельным молекулам, обычно при действии ионизирующего излучения.
Некоторые научные группы, для понимания процессов возникновения молекул во Вселенной, 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.
«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».
Помимо изучения механизмов астрохимических реакций, новый подход можно использовать для установления механизмов реакций низкотемпературного органического синтеза, а также прогнозирования радиационной стойкости материалов.
«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».
В исследованиях, проведенных в лаборатории под руководством профессора Фельдмана, принимали участие аспиранты МГУ – Мария Лукьянова, Павел Засимов и Анастасия Волосатова, ведущий научный сотрудник к.х.н. Даниил Тюрин, к.х.н. Сергей Рязанцев. Работы ученых были опубликованы в журналах Radiation Physics and Chemistry, Physical Chemistry Chemical Physics и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
