伽马射线驱动水相甲烷转化为甘氨酸等复杂分子

宇宙中复杂分子被认为是从广泛存在的简单分子演化而来，理解其初始形成网络非常有趣且重要。宇宙射线及宇宙射线产生的高能粒子能够提供能量以驱动宇宙中简单分子的化学反应。冰粒地幔中宇宙射线驱动的自由基化学被认为可以生成星际分子，特别是主要由C、H、O和N元素组成的复杂有机分子。CH₄广泛存在于整个星际介质中，为星际有机分子的演化提供C和H源。广泛存在的H₂O可以作为O和OH源。尽管在星际介质中分子氧的丰度较低，但也被检测到，可以作为O源。含量丰富的NH₃可以作为N源。大量模拟星际分子演化的研究都是在高真空和非常低的温度下进行的，小分子反应物以固相形式存在，与宇宙射线和高能粒子相互作用截面较大。如地球或位于所谓的宜居带的行星等大型固体拥有相对高的压力和温度，小分子反应物以气相或液相存在。由宇宙射线和高能粒子引起的气相及液相小分子反应可能是这些大型固体上复杂分子演化甚至生命起源的原因，但研究较少。

中国科学技术大学黄伟新教授（点击查看介绍）课题组利用中国科学技术大学化学与材料科学学院⁶⁰Co源产生的γ射线，研究了不同条件下γ射线辐照的CH₄转化，如下列化学方程式所述（CH₄和产物后面括号中的数字分别表示CH₄转化率和产物选择性）：

因此，γ射线能够在室温下驱动气相和水相CH₄转化生成有机物。基于自由基检测和同位素实验结果，提出了如下可能反应网络（图1）：

图1. 伽马射线驱动CH₄转化的反应网络。

在CH₄+O₂+H₂O反应体系中生成的CH₃COOH由于携带COOH基团，是生成氨基酸的潜在反应物。因此，进一步研究了CH₄+O₂+H₂O+NH₃•H₂O体系和CH₃COOH+NH₃•H₂O体系在伽马射线照射后的化学反应行为，如下所述：

因此，伽马射线驱动的CH₄+O₂+H₂O+NH₃形成甘氨酸的路径确实存在（图1）。在H₂O、O₂、NH₃和其他小分子存在的情况下，γ射线驱动的CH₄转化是产生星际复杂分子的可能途径。

固体表面强烈影响辐射诱导的反应。在优化的水相反应体系中各种星际固体颗粒后均降低了反应体系自由基浓度以及甲烷转化率，同时改变了产物选择性。加入SiO₂后CH₃COOH选择性增加到82%，代表了一种CH₄高选择性转化为CH₃COOH的新型反应体系。同时，不同星际固体颗粒对CH₄转化率和产物选择性的不同影响为星际分子在太空中的不均匀分布提供了一种可能的解释。

γ射线驱动的水相CH₄转化可能在宇宙中复杂有机分子生成网络甚至生命起源中发挥重要作用。同时，γ射线驱动的水相CH₄选择性生成CH₃COOH也为温和条件下有效地利用丰富的CH₄作为碳源生产增值产品提供了一种替代策略，而这是多相催化中一项长期挑战性的任务。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者是中国科学技术大学博士研究生方霏，共同第一作者是中国科学技术大学孙潇特任副研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

γ-Ray driven aqueous-phase methane conversions into complex molecules up to glycine

Fei Fang, Xiao Sun, Yuanxu Liu, Zhiwen Jiang, Mozhen Wang, Xuewu Ge and Weixin Huang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202413296

通讯作者介绍

黄伟新，中国科学技术大学化学物理系长江特聘教授。2001年在中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位后在University of Texas at Austin和德国马普学会Fritz-Haber研究所分别从事博士后和洪堡学者研究。2004年12月任中国科学技术大学教授。曾获得中国化学会催化委员会“催化青年奖”和德国亚历山大•洪堡基金会“Humboldt Research Award”.主要研究方向为固体表界面化学、多相催化作用机制、低碳烃催化反应等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/14836