有機水熱変換のミネラル効果を研究するための実験プロトコル

この手法は、地球に豊富に存在する鉱物が深海熱水系の有機分子にどのような影響を与えるかなど、有機化学分野の重要な疑問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、低コストで使いやすく、信頼性が高いことです。この手法は、自然の熱水系における有機鉱物の相互作用に関する洞察を提供するだけでなく、有機グルテンの水熱処理やグリーンケミストリーにおける生物融合熱水合成など、他の分野にも適用できます。

手順を実演するのは、私の研究室のXuan Fu博士です。この手順を開始するには、チューブのサイズと材料を選択し、テキストプロトコルに概説されているように、使用する有機化合物とミネラルの量を決定します。このデモンストレーションは、内径2mm、外径6mmのシリコンチューブにニトロベンゼンとマグネタイトを充填して実施します。

チューブカッターを使って、チューブを長さ約30cmの小片に切ります。次に、適切なフレームヘッドを備えた酸素水素トーチを使用して、チューブの一端を閉じてシールします。開始する有機化合物のいずれかが液体の場合は、マイクロリットルの注射器を使用してチューブに移します。

パスツールピペットを使用して、事前に計量した材料を追加します。次に、脱イオン水と脱酸素水を加えます。バルブが閉じた状態でチューブを真空ラインに接続します。

クランプを使用してチューブをしっかりと保持し、液体窒素で満たされたデュワーフラスコに浸します。有機物と水が完全に凍結するまで、チューブを液体窒素に約3分間放置します。チューブがまだ液体窒素に浸されている間に、真空バルブを開いてチューブのヘッドスペースから空気を抜きます。

この後、バルブのスイッチを切ります。液体窒素からチューブを取り出し、チューブを室温まで温めます。温まったら、チューブの底を軽くたたいて、溶液から残っている気泡をヘッドスペースに放出します。

この凍結、ポンプ、解凍のサイクルをさらに2回繰り返します。次に、チューブがまだ液体窒素に浸されている間に、真空ラインを閉じ、酸素水素トーチを使用してチューブの開放端をシールします。チューブを密封した後、スクリューキャップ付きの小さな鋼管に移します。

圧力の蓄積やチューブの故障による損傷を防ぐために、スクリューキャップを緩く密閉します。パイプを温度制御された炉またはオーブンの中に入れ、希望の温度に加熱します。オーブン内の熱電対を使用して、熱水反応全体の温度を監視します。

反応時間に達したらすぐに、オーブンからパイプを取り外し、チューブを冷水浴に入れて実験を急冷します。まず、ガスクロマトグラフィーの内部標準として、8.8マイクロモルのドデカンを含むジクロロメタン抽出溶液を作成します。3ミリリットルの抽出溶液を10ミリリットルのガラスバイアルに移します。

次に、チューブカッターを使用してチューブを開き、パスツールピペットを使用してすべての製品をガラスバイアルにすばやく移します。次に、溶液を1分間ボルテックスします。ミネラル粒子を5分間沈殿させます。

この後、パスツールピペットを使用して、ジクロロメタン層から約1ミリリットルのサンプルをGCバイアルに慎重に移します。ポリキャピラリーカラムと水素炎イオン化検出器を使用して、テキストプロトコルに概説されているように、ガスクロマトグラフィーによる生成物の分布を分析します。GC検量線を作成し、それらを使用して有機製品を定量します。

次に、テキストプロトコルのアウトラインとして反応変換を計算します。これらの変換を使用して、鉱物が熱水有機物の変換を促進するか遅くするかを判断します。ここでは、熱水有機鉱物の相互作用を研究するためのこのアプローチを、ニトロベンゼンと鉱物マグネタイトを用いて、摂氏150度の熱水条件と5本のバールで2時間かけて実証しています。

熱水処理後、マグネタイトを含まない管は変色を示さず、マグネタイトを含む管は茶色に変色しました。これは、マグネタイトがヘマタイトに変換される酸化反応が起こったことを意味します。次に、ガスクロマトグラフィー分析を実行して、ニトロベンゼン変換上のマグネタイトの量を決定します。

無鉱物実験では、ニトロベンゼンの計算変換は5.2%であることがわかりますが、マグネタイトの存在下では、ニトロベンゼン変換は30.3%であり、6倍に増加します。このことは、マグネタイトが利用された熱水条件でのニトロベンゼンの反応を有意に促進できることを示唆しています。この手順を試行する際は、酸素水素トーチを使用する際のSOPに従うことを忘れないでください。

したがって、この手順に従うと、走査型電子顕微鏡法やガスクロマトグラフィー質量分析法などの他の分析方法を実行して、鉱物の形態変化があるかどうか、未知の有機製品の分子質量は何かなどの追加の質問に答えることができます。その開発後、この技術は、熱水有機化学の分野の研究者が自然の熱水系における有機鉱物の相互作用を探求する道を開きました。