Российские исследователи изучили важный этап эволюции органики в космосе
Структуру и пути химической эволюции катион-радикала, образующегося при ионизации межмолекулярного комплекса ацетилена и окиси углерода в межзвездном пространстве, установили сотрудники лаборатории химии высоких энергий кафедры электрохимии химического факультета МГУ, 15 июня сообщает пресс-служба университета.
Полученные результаты могут быть использованы для обоснования космических процессов молекулярного синтеза. Кроме того, проведенное исследование полезно в свете развития новых подходов к изучению структуры и свойств высокореакционных частиц и механизмов химических реакций, протекающих при низких и сверхнизких температурах, в том числе и в космосе.
Интересующие множество ученых пути образования сложных органических молекул в космическом пространстве сложно исследовать в самой космической среде и практически невозможно воспроизвести такую среду в лабораторных условиях. Один из способов обойти эти трудности выбрали ученые МГУ.
Заведующий лабораторией химии высоких энергий химического факультета МГУ профессор Владимир Фельдман рассказал:
«Особенность нашего исследования заключается в том, что мы пытаемся изучить химическую эволюцию на молекулярном уровне, а именно — выделить строительные блоки-„кирпичики“, которые используются для построения сложных органических молекул. В роли таких «кирпичиков» могут выступать отдельные агрегаты (комплексы) простых молекул».
Ученые рассматривали комплекс двух простых молекул, очень распространенных в космосе, — ацетилена (C₂H₂) и окиси углерода (CO), которые подходят в качестве «заготовки» для синтеза сложных органических молекул в условиях высокоэнергетических излучений и при температурах в несколько десятков градусов по Кельвину (0 градусов Кельвина равен -273 градусам по Цельсию).
Такие условия существуют в холодных молекулярных облаках — космических туманностях, и на небесных телах, находящихся далеко от ближайших к ним звезд. Для таких сред характерна ионизация молекул, при которой возникает катион-радикал, — молекула, несущая одновременно неспаренный электрон и положительный заряд, обладающая в результате этого очень высокой реакционной способностью и в обычных условиях малым временем жизни.
Владимир Фельдман рассказал, в чем новизна их подхода: «Мы впервые решили предметно посмотреть, как будет вести себя система C₂H₂ — CO при ионизации, и смогли зафиксировать образование „синтетического“ катион-радикала H₂C₃O⁺ , а также надежно установить его структуру».
Сложные органические молекулы имеют множество изомеров — молекул с одинаковой химической формулой, но разными структурами. У катион-радикала H₂C₃O⁺ может быть не менее шести изомеров, которые при этом обладают разной стабильностью. При ионизации комплекса C₂H₂ — CO, пояснил Фельдман, образуется не самый стабильный из возможных изомеров, но геометрически близкий к исходному комплексу.
Это происходит из-за так называемого кинетического контроля химических реакций, имеющего место при низких температурах, — воздействие видимого света на полученный катион-радикал вызывает его превращение в наиболее термодинамически стабильный изомер.
Лучше понять механизм образования сложных органических молекул в космической среде помог анализ путей дальнейших превращений катион-радикала H₂C₃O⁺ . В этом ученым помогло квантово-химическое моделирование исследуемых превращений.
Оно позволило надежно интерпретировать экспериментальные наблюдения, установить структуру исследуемого катион-радикала и проанализировать пути протекания реакции после образования первичного катион-радикала. «Это позволило сделать надежный вывод, что именно самые устойчивые (согласно расчетным предсказаниям) катион-радикалы наблюдаются в эксперименте», — отметил ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ к. х. н. Даниил Тюрин.
Важным результатом выполненной работы стала разработка метода получения катион-радикалов сложных органических молекул, которые традиционными способами очень трудно синтезировать из-за нестабильности исходных нейтральных молекул.
Результаты исследования были опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Авторы продолжат работу в выбранном направлении и надеются вскоре обнародовать новые данные о том, как работает химическая и предбиологическая эволюция вещества в холодном космосе.
