Ein experimentelles Protokoll für die Untersuchung von mineralischen Auswirkungen auf organische hydrothermalen Transformationen

Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der organischen Chemie zu beantworten, z. B. wie die auf der Erde reichlich vorhandenen Mineralien organische Moleküle in hydrothermalen Systemen der Tiefsee beeinflussen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie kostengünstig, einfach zu bedienen und zuverlässig ist. Obwohl diese Methode Einblicke in die Wechselwirkungen mit organischen Mineralien in natürlichen hydrothermalen Systemen geben kann, kann sie auch auf andere Bereiche wie die hydrothermale Behandlung von organischen Gluten oder die biofusionierte hydrothermale Synthese in der grünen Chemie angewendet werden.

Das Verfahren wird von Dr. Xuan Fu aus meinem Labor demonstriert. Um dieses Verfahren zu starten, wählen Sie eine Rohrgröße und ein Material und bestimmen Sie die Mengen an organischen Verbindungen und Mineralien, die verwendet werden sollen, wie im Textprotokoll beschrieben. Diese Demonstration wird mit Nitrobenzol und Magnetit durchgeführt, die in ein Siliziumrohr mit einem Innendurchmesser von zwei Millimetern und einem Außendurchmesser von sechs Millimetern geladen werden.

Schneide den Schlauch mit einem Rohrschneider in kleine Stücke von etwa 30 Zentimetern Länge. Verwenden Sie dann einen Knallgasbrenner mit einem geeigneten Flammenkopf, um ein Ende des Rohrs zu verschließen. Wenn eine der organischen Ausgangsverbindungen flüssig ist, verwenden Sie eine Mikroliterspritze, um sie in das Röhrchen zu übertragen.

Mit einer Pasteurpipette das vorgewogene Material hinzufügen. Fügen Sie dann entionisiertes und sauerstoffarmes Wasser hinzu. Schließen Sie den Schlauch an eine Vakuumleitung mit geschlossenem Ventil an.

Halten Sie das Röhrchen mit einer Klemme fest und tauchen Sie es in einen mit flüssigem Stickstoff gefüllten Dewargefäß. Lassen Sie das Röhrchen etwa drei Minuten lang im flüssigen Stickstoff, bis die organischen Stoffe und das Wasser vollständig gefroren sind. Während das Rohr noch in flüssigen Stickstoff getaucht ist, öffnen Sie das Vakuumventil, um die Luft aus dem Kopfraum des Rohrs zu entfernen.

Schalten Sie danach das Ventil aus. Nehmen Sie das Rohr vom flüssigen Stickstoff und lassen Sie das Rohr auf Raumtemperatur erwärmen. Wenn es sich erwärmt hat, klopfen Sie vorsichtig auf den Boden des Röhrchens, um alle verbleibenden Luftblasen aus der Lösung in den Kopfraum abzugeben.

Wiederholen Sie diesen Zyklus zum Einfrieren, Pumpen und Auftauen noch zweimal. Während das Rohr noch in flüssigen Stickstoff getaucht ist, schließen Sie die Vakuumleitung und verwenden Sie den Knallgasbrenner, um das offene Ende des Rohrs abzudichten. Nachdem das Rohr verschlossen wurde, füllen Sie es in ein kleines Stahlrohr um, das mit Schraubverschlüssen ausgestattet ist.

Verschließen Sie die Schraubverschlüsse locker, um Schäden durch Druckaufbau oder Rohrausfall zu vermeiden. Legen Sie das Rohr in einen temperaturgeregelten Ofen oder Ofen und erhitzen Sie es auf die gewünschte Temperatur. Verwenden Sie ein Thermoelement im Inneren des Ofens, um die Temperatur während der gesamten hydrothermalen Reaktion zu überwachen.

Sobald die Reaktionszeit erreicht ist, nehmen Sie das Rohr aus dem Ofen und legen Sie das Rohr in ein kaltes Wasserbad, um das Experiment zu löschen. Stellen Sie zunächst eine Dichlormethan-Extraktionslösung her, die 8,8 mikromolares Dodecan enthält, als internen Standard für die Gaschromatographie. Übertragen Sie drei Milliliter der Extraktionslösung in ein 10-Milliliter-Glasfläschchen.

Verwenden Sie dann einen Tubenschneider, um das Röhrchen zu öffnen, und verwenden Sie eine Pasteurpipette, um das gesamte Produkt schnell in das Glasfläschchen zu übertragen. Als nächstes wirbeln Sie die Lösung eine Minute lang ein. Lassen Sie die Mineralpartikel fünf Minuten lang absetzen.

Danach wird mit einer Pasteurpipette vorsichtig etwa ein Milliliter der Probe aus der Dichlormethanschicht in ein GC-Fläschchen überführt. Analysieren Sie mit einer Polykapillarsäule und einem Flammenionisationsdetektor die Produktverteilung durch Gaschromatographie, wie im Textprotokoll beschrieben. Erstellen Sie die GC-Kalibrierkurven und verwenden Sie sie, um die organischen Produkte zu quantifizieren.

Berechnen Sie dann die Reaktionsumwandlung als Umrisse im Textprotokoll. Verwenden Sie diese Umwandlungen, um festzustellen, ob das Mineral die hydrothermalen organischen Umwandlungen erleichtert oder verlangsamt. Dieser Ansatz zur Untersuchung hydrothermaler Wechselwirkungen zwischen organischen Mineralien wird hier demonstriert, indem Nitrobenzol mit dem Mineral Magnetit bei einem hydrothermalen Zustand von 150 Grad Celsius und fünf bar für zwei Stunden verwendet wird.

Nach dem hydrothermalen Prozess zeigte die Röhre, die kein Magnetit enthielt, keine Farbveränderung, während die Röhre, die Magnetit enthielt, eine braune Farbe annahm. Dies deutet darauf hin, dass eine Oxidationsreaktion stattgefunden hat, bei der Magnetit in Hämatit umgewandelt wurde. Anschließend wird eine gaschromatographische Analyse durchgeführt, um die Menge an Magnetit bei der Nitrobenzolumwandlung zu bestimmen.

Im Experiment ohne Mineralien beträgt die berechnete Umwandlung für Nitrobenzol 5,2 %, in Gegenwart von Magnetit beträgt die Nitrobenzolumwandlung jedoch 30,3 %, eine Steigerung um den Faktor sechs. Dies deutet darauf hin, dass Magnetit die Reaktion von Nitrobenzol unter den genutzten hydrothermalen Bedingungen signifikant fördern kann. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die SOP für die Verwendung des Knallgasbrenners zu befolgen.

Im Anschluss an dieses Verfahren können also andere analytische Methoden wie Scan-Elektronenmikroskopie und Gaschromatographie-Massenspektroskopie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, z. B. ob es eine Morphologieänderung der Mineralien gibt und welche Molekülmassen unbekannte organische Produkte haben. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der hydrothermalen organischen Chemie, um die Wechselwirkungen zwischen organischen Mineralien in natürlichen hydrothermalen Systemen zu erforschen.