Uma equipe de pesquisadores da ASU demonstrou que um mineral especial, esfalerita, pode afetar o processo mais fundamental na química orgânica: a quebra e formação da ligação entre carbono-hidrogênio. Esta é uma amostra de uma gema de esfalerita, de qualidade, em uma matriz de quartzo.
Reações entre minerais e compostos orgânicos em ambientes hidro-termais são componentes essenciais do ciclo de carbono terrestre, pois eles fornecem energia para a biosfera profunda, e pode ter implicações para as origens da vida. No entanto, muito pouco se sabe sobre como minerais influenciam as reações orgânicas. Uma equipe de pesquisadores da Universidade Estadual do Arizona demonstraram como atua os minerais como catalisadores para reações orgânicas hidro-termais específicas - negando a necessidade de solventes tóxicos ou reagentes caros.
O coração da química orgânica, também conhecido como química do carbono, é a ligação covalente carbono-hidrogênio (ligação C-H) ─ um elo fundamental entre os átomos de carbono e hidrogênio encontrados em quase todos os compostos orgânicos.
Os ingredientes essenciais que controlam as reações químicas de compostos orgânicos em sistemas hidrotérmicos são as moléculas orgânicas, água quente pressurizada, e minerais, mas um entendimento mecanicista de como minerais influencia a reatividade orgânica hidrotermal tem sido praticamente inexistente.
A equipe da ASU se propôs a compreender como diferentes minerais afetam as reações orgânicas hidrotermais e assim, descobriram que um mineral comum de sulfeto (ZnS, ou Esfalerita) limpo catalisa uma reação química fundamental - a formação e a quebra de uma ligação CH.
Seus resultados foram publicados em 28 de julho, na Anais da Academia Nacional de Ciências. O papel foi escrito por uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da ASU, que inclui: Jessie Shipp (2013 PhD em Química e Bioquímica), Ian Gould, Lynda Williams, Everett Choque, e Hilairy Hartnett. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation.
Reações entre minerais e compostos orgânicos em ambientes hidro-termais são componentes essenciais do ciclo de carbono terrestre, pois eles fornecem energia para a biosfera profunda, e pode ter implicações para as origens da vida. No entanto, muito pouco se sabe sobre como minerais influenciam as reações orgânicas. Uma equipe de pesquisadores da Universidade Estadual do Arizona demonstraram como atua os minerais como catalisadores para reações orgânicas hidro-termais específicas - negando a necessidade de solventes tóxicos ou reagentes caros.
O coração da química orgânica, também conhecido como química do carbono, é a ligação covalente carbono-hidrogênio (ligação C-H) ─ um elo fundamental entre os átomos de carbono e hidrogênio encontrados em quase todos os compostos orgânicos.
Os ingredientes essenciais que controlam as reações químicas de compostos orgânicos em sistemas hidrotérmicos são as moléculas orgânicas, água quente pressurizada, e minerais, mas um entendimento mecanicista de como minerais influencia a reatividade orgânica hidrotermal tem sido praticamente inexistente.
A equipe da ASU se propôs a compreender como diferentes minerais afetam as reações orgânicas hidrotermais e assim, descobriram que um mineral comum de sulfeto (ZnS, ou Esfalerita) limpo catalisa uma reação química fundamental - a formação e a quebra de uma ligação CH.
Seus resultados foram publicados em 28 de julho, na Anais da Academia Nacional de Ciências. O papel foi escrito por uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da ASU, que inclui: Jessie Shipp (2013 PhD em Química e Bioquímica), Ian Gould, Lynda Williams, Everett Choque, e Hilairy Hartnett. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation.
Para seus experimentos, a equipe precisava de altas pressões e altas temperaturas em um recipiente quimicamente inerte. Para obter estas condições, os reagentes foram soldadas numa cápsula de ouro puro e colocado num recipiente de pressão, no interior de um forno. Quando um experimento é feito, a cápsula de ouro é congelada em nitrogênio líquido para parar a reação, depois abre-se e deixa-se descongelar, enquanto submersas em diclorometano para extrair os produtos orgânicos.
"Normalmente, você não esperaria a água e um hidrocarboneto orgânico reagir. Se você colocar um alcano em água e adicionar um pouco de mineral, provavelmente, você ficará por horas sentado e nada acontecerá", explica o primeiro autor, Shipp. "Mas com a alta temperatura e pressão, a água se comporta mais como um solvente orgânico, a termodinâmica de reações mudam, e de repente as reações que são impossíveis na bancada começam a se tornar possíveis. E tudo é usando componentes que ocorrem naturalmente em condições que podem ser encontrados em sistemas hidrotérmicos do passado e do presente. "
Um mineral na mistura
Anteriormente, a equipe havia pensado que pudesse reagir moléculas orgânicas em água pressurizada quente para produzir muitos tipos diferentes de produtos, mas as reações eram lentas e as conversões baixas. Este trabalho, no entanto, mostra que, na presença de esfalerite, a taxa de reação hidrotérmica aumentou drasticamente; a reação se aproximou do equilíbrio, e obteve-se apenas um produto formado. Esta reação foi muito limpa, muito simples, foi inesperada.
"Escolhemos a esfalerite porque tínhamos trabalhado com sulfetos de ferro e percebi que não poderia isolar os efeitos do ferro dos efeitos do enxofre. Então tentamos um mineral com enxofre, mas não de ferro. Esfalerite é um mineral comum em sistemas hidrotermais, então era uma boa escolha. Nós realmente não esperavávamos que ele se comportasse de modo diferente dos sulfetos de ferro ", diz Hartnett, um professor associado na Escola de Terra e Exploração Espacial, e no Departamento de Química e Bioquímica da ASU.
Esta pesquisa fornece informações sobre exatamente como a superfície do mineral esfalerite afeta a quebra e a formação da ligação CH. A esfalerite está presente nos sistemas hidrotermais marinhos ou seja, nos chamados Black Smokers, e tem sido o foco de recentes investigações origens de vida.
Reações orgânicas hidrotermais afetam a formação, degradação e composição do petróleo, e fornece fontes de energia e de carbono para as comunidades microbianas em sistemas sedimentares profundas. Os resultados têm implicações para o ciclo do carbono, para a astrobiologia, química orgânica prebiótica, e talvez ainda mais importante para a Química Verde (uma filosofia que incentiva o design de produtos e processos que minimizem o uso ea geração de substâncias perigosas).
"Esta ativação da ligação CH é um passo fundamental que é, em última análise necessária para produzir moléculas mais complexas - no ambiente dessas moléculas pode ser alimento para a biosfera profunda - ou envolvidos na produção de combustíveis derivados do petróleo", disse Hartnett. "O lado a química verde é potencialmente muito legal - uma vez que podemos realizar reações em água quente com apenas um mineral comum que normalmente exigiria catalisadores caros ou tóxicos ou extremamente rigorosos- ácidos ou oxidantes "
"Normalmente, você não esperaria a água e um hidrocarboneto orgânico reagir. Se você colocar um alcano em água e adicionar um pouco de mineral, provavelmente, você ficará por horas sentado e nada acontecerá", explica o primeiro autor, Shipp. "Mas com a alta temperatura e pressão, a água se comporta mais como um solvente orgânico, a termodinâmica de reações mudam, e de repente as reações que são impossíveis na bancada começam a se tornar possíveis. E tudo é usando componentes que ocorrem naturalmente em condições que podem ser encontrados em sistemas hidrotérmicos do passado e do presente. "
Um mineral na mistura
Anteriormente, a equipe havia pensado que pudesse reagir moléculas orgânicas em água pressurizada quente para produzir muitos tipos diferentes de produtos, mas as reações eram lentas e as conversões baixas. Este trabalho, no entanto, mostra que, na presença de esfalerite, a taxa de reação hidrotérmica aumentou drasticamente; a reação se aproximou do equilíbrio, e obteve-se apenas um produto formado. Esta reação foi muito limpa, muito simples, foi inesperada.
"Escolhemos a esfalerite porque tínhamos trabalhado com sulfetos de ferro e percebi que não poderia isolar os efeitos do ferro dos efeitos do enxofre. Então tentamos um mineral com enxofre, mas não de ferro. Esfalerite é um mineral comum em sistemas hidrotermais, então era uma boa escolha. Nós realmente não esperavávamos que ele se comportasse de modo diferente dos sulfetos de ferro ", diz Hartnett, um professor associado na Escola de Terra e Exploração Espacial, e no Departamento de Química e Bioquímica da ASU.
Esta pesquisa fornece informações sobre exatamente como a superfície do mineral esfalerite afeta a quebra e a formação da ligação CH. A esfalerite está presente nos sistemas hidrotermais marinhos ou seja, nos chamados Black Smokers, e tem sido o foco de recentes investigações origens de vida.
Reações orgânicas hidrotermais afetam a formação, degradação e composição do petróleo, e fornece fontes de energia e de carbono para as comunidades microbianas em sistemas sedimentares profundas. Os resultados têm implicações para o ciclo do carbono, para a astrobiologia, química orgânica prebiótica, e talvez ainda mais importante para a Química Verde (uma filosofia que incentiva o design de produtos e processos que minimizem o uso ea geração de substâncias perigosas).
"Esta ativação da ligação CH é um passo fundamental que é, em última análise necessária para produzir moléculas mais complexas - no ambiente dessas moléculas pode ser alimento para a biosfera profunda - ou envolvidos na produção de combustíveis derivados do petróleo", disse Hartnett. "O lado a química verde é potencialmente muito legal - uma vez que podemos realizar reações em água quente com apenas um mineral comum que normalmente exigiria catalisadores caros ou tóxicos ou extremamente rigorosos- ácidos ou oxidantes "
