Eksperymentalny protokół badania wpływu minerałów na organiczne przemiany hydrotermalne

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie chemii organicznej, takie jak to, w jaki sposób minerały występujące w dużych ilościach na Ziemi wpływają na cząsteczki organiczne w głębokich oceanicznych systemach hydrotermalnych. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest tania, łatwa w użyciu i niezawodna. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w interakcje minerałów organicznych w naturalnych systemach hydrotermalnych, może być również stosowana w innych obszarach, takich jak hydrotermalna obróbka organicznych glutenów lub biofuzjonowana synteza hydrotermalna w zielonej chemii.

Procedurę zademonstruje dr Xuan Fu z mojego laboratorium. Aby rozpocząć tę procedurę, wybierz rozmiar i materiał rurki oraz określ ilości związków organicznych i minerałów do użycia, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Demonstracja ta zostanie przeprowadzona przy użyciu nitrobenzenu i magnetytu załadowanych do rurki krzemowej o średnicy wewnętrznej dwóch milimetrów i średnicy zewnętrznej sześciu milimetrów.

Za pomocą obcinaka do rurek pokrój rurkę na małe kawałki o długości około 30 centymetrów. Następnie użyj palnika tlenowo-wodorowego z odpowiednią głowicą płomieniową, aby uszczelnić jeden koniec rury. Jeśli którykolwiek z wyjściowych związków organicznych jest płynny, użyj mikrolitrowej strzykawki, aby przenieść go do probówki.

Za pomocą pipety Pasteura dodaj wstępnie zważone materiały. Następnie dodaj wodę dejonizowaną i odtlenioną. Podłącz rurkę do przewodu próżniowego z zamkniętym zaworem.

Użyj zacisku, aby mocno przytrzymać rurkę i zanurz ją w kolbie Dewara wypełnionej ciekłym azotem. Pozostaw probówkę w ciekłym azocie na około trzy minuty, aż substancje organiczne i woda całkowicie zamarzną. Gdy rurka jest nadal zanurzona w ciekłym azocie, otwórz zawór podciśnienia, aby usunąć powietrze z przestrzeni nad głową rury.

Następnie wyłącz zawór. Wyjmij probówkę z ciekłego azotu i pozwól jej rozgrzać się do temperatury pokojowej. Po ogrzaniu delikatnie postukaj w spód probówki, aby uwolnić pozostałe pęcherzyki powietrza z roztworu do przestrzeni nad głową.

Powtórz ten cykl zamrażania, pompowania, rozmrażania jeszcze dwa razy. Następnie, gdy rurka jest nadal zanurzona w ciekłym azocie, zamknij przewód próżniowy i użyj palnika tlenowo-wodorowego, aby uszczelnić otwarty koniec rurki. Po uszczelnieniu rurki przenieś ją do małej stalowej rurki wyposażonej w nakrętki.

Uszczelnij luźno nakrętki, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym wzrostem ciśnienia lub awarią rury. Umieść rurę w piecu lub piekarniku o kontrolowanej temperaturze i podgrzej ją do żądanej temperatury. Użyj termopary wewnątrz piekarnika, aby monitorować temperaturę podczas całej reakcji hydrotermalnej.

Jak tylko osiągnie się czas reakcji, wyjmij rurkę z piekarnika i włóż rurkę do zimnej łaźni wodnej, aby ugasić eksperyment. Najpierw należy przygotować roztwór do ekstrakcji dichlorometanem, który zawiera 8,8 mikromolowego dodekanu, jako wewnętrzny wzorzec do chromatografii gazowej. Przenieść trzy mililitry roztworu ekstrakcyjnego do szklanej fiolki o pojemności 10 mililitrów.

Następnie użyj obcinaka do tubek, aby otworzyć probówkę i użyj pipety Pasteura, aby szybko przenieść cały produkt do szklanej fiolki. Następnie wiruj roztwór przez minutę. Pozwól cząsteczkom mineralnym osiąść przez pięć minut.

Następnie za pomocą pipety Pasteura ostrożnie przenieść około jednego mililitra próbki z warstwy dichlorometanu do fiolki GC. Używając kolumny polikapilarnej i detektora płomieniowo-jonizacyjnego, przeanalizować rozkład produktu za pomocą chromatografii gazowej, jak opisano w protokole tekstowym. Zbuduj krzywe kalibracyjne GC i wykorzystaj je do ilościowego oznaczania produktów ekologicznych.

Następnie oblicz konwersję reakcji jako kontury w protokole tekstowym. Użyj tych konwersji, aby określić, czy minerał ułatwia, czy spowalnia hydrotermalne przemiany organiczne. To podejście do badania hydrotermalnych oddziaływań organicznych minerałów zostało zademonstrowane tutaj przy użyciu nitrobenzenu z minerałem magnetytem w warunkach hydrotermalnych 150 stopni Celsjusza i pięciu barów przez dwie godziny.

Po procesie hydrotermalnym rurka nie zawierająca magnetytu nie wykazywała zmiany koloru, podczas gdy rurka, która zawierała magnetyt, zmieniła kolor na brązowy. Oznacza to, że zaszła reakcja utleniania, w której magnetyt został przekształcony w hematyt. Następnie przeprowadza się analizę chromatografii gazowej w celu określenia ilości magnetytu podczas konwersji nitrobenzenu.

W eksperymencie bez minerałów obliczona konwersja nitrobenzenu wynosi 5,2%Jednak w obecności magnetytu konwersja nitrobenzenu wynosi 30,3%wzrost sześciokrotny. Sugeruje to, że magnetyt może znacząco promować reakcję nitrobenzenu w wykorzystywanych warunkach hydrotermalnych. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o przestrzeganiu procedur SOP dotyczących używania palnika tlenowego.

Tak więc, zgodnie z tą procedurą, można przeprowadzić inne metody analityczne, takie jak skanowa mikroskopia elektronowa i spektroskopia mas chromatografii gazowej, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, czy następuje zmiana morfologii minerałów i jakie są masy cząsteczek nieznanych produktów organicznych. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się hydrotermalną chemią organiczną do badania interakcji minerałów organicznych w naturalnych systemach hydrotermalnych.