Ett team ledd av kemister från University of Maryland upptäckte ett nytt sätt att skapa karbener, en klass av mycket reaktiva men notoriskt kortlivade och instabila molekyler. Karbener är involverade i många kemiska reaktioner med hög energi, såsom skapandet av kolhydrater, och är avgörande föregångare till byggstenarna för livet på jorden – och möjligen i rymden.
Forskarna har framgångsrikt bildat en karben som kallas hydroximetylen (HCOH) genom att bryta ner metanol (en vanlig alkohol som finns i många industriella kemikalier som formaldehyd) med pulser av ultraviolett strålning. Resultaten publicerades i en artikel den 14 maj 2024 i Journal of the American Chemical Society .
"Det är förvånande att se den här karbenen komma från en så vanligt förekommande molekyl som metanol - vi har sprutflaskor med det i laboratorier överallt", säger Leah Dodson, biträdande professor i kemi och biokemi vid UMD och senior författare till tidningen.
"UV-lasrar med våglängd på 193 nanometer är också ganska standard. Det betyder att karbener kan bildas naturligt på platser som rymden, där det finns mycket metanol och ultraviolett strålning. Och ytterligare reaktioner av karbener som bildas i rymden genom denna process kan leda till att biomolekyler som utgör livet."
Uppsatsens resultat avslöjar ledtrådar om mekanismerna bakom karbenbildning och reaktion på jorden, vilket leder till en bättre förståelse av molekylens potential att skapa sockerarter som är nödvändiga för liv.
"Det finns etablerad forskning som tyder på att HCOH kan reagera för att bilda enkla sockerarter, inklusive några som tidigare har upptäckts i rymden", säger studiens huvudförfattare Emily Hockey. "Vi tror att det är möjligt att denna karben, eftersom den kommer från en molekyl som är så allmänt förekommande i rymden och kan upptäckas var som helst, är den saknade biten som överbryggar luckor i vår kunskap om hur metanol och enkla sockerarter kan leda till större, mer avancerade biomolekyler. "
På grund av sin superreaktivitet har karbenmolekyler vanligtvis mycket korta livslängder. Dessa egenskaper gör karbener i allmänhet svåra för forskare att generera och observera, vilket har begränsad djup förståelse av molekylen. Men UMD-teamets nya metod för att producera karbener gjorde det möjligt för dem att studera molekylerna tillräckligt noggrant för att se deras bildning och sönderfall över millisekunders tidsskalor. Forskarna blev förvånade när de upptäckte att HCOH reagerade relativt långsamt med syre vid rumstemperatur.
"När vi tittade på HCOH:s reaktivitet i vårt rumstemperatursystem såg vi att den försvann inom 15 millisekunder," förklarade Hockey. "Det som är intressant är att eftersom karbener anses vara en superreaktiv art, är det rimligt att anta att denna karben skulle reagera så snabbt på något som syre att det är omöjligt att fånga upp. Men det är inte vad som hände. Även om karbenen sönderföll snabbare och snabbare när den exponerades för syre, det var tillräckligt långsamt för att vi fortfarande kunde observera det förfallet."
Forskarna tror att deras metod för att producera och studera karbener kommer att hjälpa astronomer och astrokemister att få nya insikter om livets ursprung och hur livet i rymden kan ha utvecklats annorlunda än livet på jorden. De hoppas kunna bygga vidare på sina upptäckter genom att titta närmare på vad som händer under metanolens nedbrytning och kvantifiera de olika produkterna som produceras av metanols reaktion på UV-ljus.
"Vi vet att karbener som HCOH bildas under vår process, men vi skulle vilja gräva djupare i hur stor andel av det som slutar som formaldehyd, metylen eller andra kolväteradikaler, till exempel," förklarade Hockey. "Vi trodde ursprungligen att alla produkter skulle vara metoxiradikaler men våra experiment visar att processen och de resulterande produkterna är mer komplicerade än våra ursprungliga antaganden."
Att känna till typerna och mängden av produkter som skapas genom att bryta ned metanol med UV-strålning skulle ge astronomer och astrokemister en mer exakt bild av astrofysiska objekt och hur de utvecklats under miljarder år.
"Om befintliga data om vad som produceras från metanolfotodissociation är felaktiga, kommer modellerna som sprids också att vara felaktiga - och vår förståelse av hur livet utvecklades från dessa molekyler kan också äventyras," sa Dodson. "Vårt uppföljningsarbete kommer förhoppningsvis att lägga grunden för den typen av simuleringar."
Mer information: Emily K. Hockey et al, Direct Observation of Gas-Phase Hydroxymethylene:Photoionization and Kinetics Resulting from Methanol Photodissociation, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c03090
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av University of Maryland
