Химики из Швейцарии обнаружили, что мочевина легко образуется из аммиака и углекислого газа, если реакцию проводить в микрокаплях воды. Они использовали рамановскую спектроскопию, чтобы детектировать образование мочевины в отдельных микрокаплях, а затем воспроизвели эксперимент в аэрозоле. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Молекула мочевины построена из двух аминогрупп, присоединенных к карбонильной группе, и, по сути, представляет собой двойной амид угольной кислоты. Соответственно, получить ее можно из газообразного аммиака NH3 и углекислого газа CO2. Проблема в том, что протекает эта реакция только в жестких условиях. Например, в промышленности синтез мочевины проводят при температуре около 200 градусов Цельсия и давлении около 15 атмосфер. А при обычных условиях аммиак и углекислый газ просто не реагируют. Если же пробулькивать смесь этих газов через воду, образуются карбамат аммония, но не мочевина.
Но, как оказалось, мочевина все же может образовываться из углекислого газа и воды при атмосферном давлении и комнатной температуре. Это показала Рут Синьорелль (Ruth Signorell) с коллегами из Высшей технической школы Цюриха. Ученые проводили эту реакцию не в обычной воде, а в ее каплях радиусом в несколько микрометров.
Эксперимент химики проводили так: они распыляли водный раствор аммиака и ловили отдельные образовавшиеся микрокапли с помощью оптического пинцета. Далее в камеру с каплей запускали одну атмосферу влажного углекислого газа и одновременно регистрировали рамановский спектр. Через несколько минут после начала реакции в спектре возникала полоса, отвечающая колебанию связи азот-углерод в мочевине. Концентрация мочевины в капле через 30 минут реакции в среднем составляла около 40 миллимоль на литр. Температура при проведении эксперимента составляла 20 градусов Цельсия.
Далее химики провели такую же реакцию, но не в одной капле воды, а в аэрозоле. При этом тоже образовалась мочевина, которую ученые детектировали с помощью масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии на ядрах углерода. Но в этом случае мочевины получалось намного меньше, потому что время жизни микрокапель, и, соответственно, время реакции, составляли около трех минут.
Затем авторы исследования на всякий случай повторили эксперимент в обычной воде, и в этом случае никакой мочевины, как они и предполагали, не получилось. Предположительно, роль микрокапель заключается в том, что внутри капли и на ее поверхности концентрации веществ отличаются. И каждая капля представляет собой небольшой проточный реактор, в разных областях которого разные условия, в частности, разная кислотность среды. Этот градиент концентраций, как считают химики, и позволяет мочевине образовываться. Но они также отмечают, что механизмы реакций в микрокаплях очень трудно установить, и они часто становятся поводом для споров в научной среде.
Так химики показали, что мочевина может образовываться из аммиака и углекислого газа при обычных условиях. Именно таким способом, предполагают ученые, мочевина могла образовываться в пребиотических условиях.
Ранее мы рассказывали о том, как аммиак попал в микрокапли воды из воздуха, выдыхаемого экспериментаторами.