Химики объяснили, как органические молекулы образуются в космосе

Сотрудники химического факультета МГУ представили доказательства одностадийного радиационно-индуцированного образования органических молекул из комплексов более простых молекул при сверхнизких температурах. Понимание механизма формирования органических соединений в космосе важно для изучения химической истории Вселенной.

Химия высоких энергий – это особый способ ускорения химических реакций путем передачи больших порций энергии отдельным молекулам при ионизирующем излучении. Подобные процессы происходят в космическом пространстве, где молекулы расположены по отдельности и далеко друг от друга. Кроме того, астрохимические процессы протекают при низких и очень низких температурах.

«Мы – одна из немногих лабораторий в России, которая регулярно работает с химией при температурах 5-10К. Многие проводят измерения при этих температурах, но химические процессы практически не изучают. Тем не менее, исследование астрохимических реакций особенно интересно, так как их результатом является образование межзвездного вещества, в том числе полициклических, ароматических форм углерода и так называемых «молекул жизни», – рассказал заведующий лабораторией химии высоких энергий химического факультета МГУ профессор Владимир Фельдман.

Стремясь понять процессы возникновения молекул во Вселенной, некоторые научные группы изучают реакции, протекающие при облучении модельных астрономических льдов – низкотемпературных смесей воды или оксидов углерода с другими молекулами. И хотя эти системы похожи на реально существующие в космическом пространстве кристаллы, разобраться в процессах, происходящих при действии излучения, достаточно сложно: получается трудно анализируемая смесь самых разных продуктов.

«Мы идем другим путем: пытаемся выделить «кирпичики» – элементарные звенья молекулярной организации, которые помогут разобраться в процессах. В роли «кирпичиков» могут выступать отдельные агрегаты или комплексы молекул. Мы изолируем такие комплексы при очень низких температурах в инертных средах, потом действуем на них излучением и шаг за шагом смотрим, что происходит. Научных групп, которые также изучают действие радиации на низкотемпературные изолированные системы, всего 4-5 в мире. Но они работают с отдельными молекулами. А идея о том, чтобы изучать комплексы-«кирпичики», наша. Такого никто кроме нас не делает», — объяснил Владимир Фельдман.

Такой подход позволил ученым установить механизм образования бензольного кольца из тримеров ацетилена, ацетонитрила и изоацетонитрила из комплексов метана и цианистого водорода, ряда кислородсодержащих органических молекул из комплексов ацетилена с оксидом углерода.

«Эксперименты по радиационно-индуцируемой сборке бензола из ацетилена проводились очень давно, еще в 50-х годах. Но механизм протекания этого процесса не знал никто. Мы попытались понять, как это происходит. Провели эксперимент и увидели, что образование бензола происходит в одну стадию и при облучении именно тримера ацетилена. Если изначально есть не тример, а другие формы ацетилена (димер, свободная молекула), после облучения бензола не образуется. Это основное свидетельство того, что именно тример ацетилена – это предшественник бензола», — рассказала аспирант Мария Лукьянова.

В следующей работе ученые выяснили механизм образования ацетонитрила и его изомера изоацетонитрила из комплексов простых и распространенных молекул: метана и цианистого водорода. Это важно, так как ацетонитрил может быть предшественником биологических молекул, в частности, аминокислот.

Новый подход можно использовать не только для изучения механизмов астрохимических реакций, но и для установления механизмов реакций низкотемпературного органического синтеза, а также прогнозирования радиационной стойкости материалов.

В будущем авторы планируют выяснить механизм образования более сложных органических молекул: ароматических полициклов, гетероциклов и аминокислот. Установление механизма образования аминокислот может помочь в решении проблемы хиральности – преобладания в биосфере определенных изомеров биологически активных молекул.

Работы опубликованы в журналах Radiation Physics and Chemistry, Physical Chemistry Chemical Physics и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

• #Химия