Ein experimentelles Protokoll für die Untersuchung von mineralischen Auswirkungen auf organische hydrothermalen Transformationen
Summary
Erde-reichlich Mineralien spielen eine wichtige Rolle in der natürlichen hydrothermalen Systemen. Hier beschreiben wir eine zuverlässige und kostengünstige Methode für die experimentelle Untersuchung von organisch-mineralische Interaktionen unter hydrothermalen Bedingungen.
Abstract
Organisch-mineralische Interaktionen sind weit verbreitet in hydrothermalen Umgebungen wie heiße Quellen, Geysire auf dem Land und der hydrothermalen Quellen in der Tiefsee auftritt. Rollen von Mineralien sind in vielen hydrothermalen bio-geochemischen Prozesse entscheidend. Traditionellen hydrothermalen Methodik, die beinhaltet die Verwendung von Reaktoren aus Gold, Titan, Platin oder Edelstahl hergestellt, ist in der Regel verbunden mit hohen Kosten oder unerwünschte Metall katalytische Effekte. Vor kurzem, gibt es eine wachsende Tendenz für die kostengünstige und inerten Quarz oder Fused-Silica-Glasröhren in hydrothermalen Experimente verwenden. Hier bieten wir ein Protokoll für Bio-Mineral hydrothermalen Experimente in Kieselsäure Röhren, und wir beschreiben die wesentlichen Schritte in der Probenvorbereitung, Versuchsaufbau Produkte Trennung und Quantitative Analyse. Wir zeigen auch ein Experiment mit einem Modell organische Verbindung, Nitrobenzene, um zu zeigen, die Wirkung einer eisenhaltigen Minerals Magnetit, auf deren Abbau unter einer bestimmten Bedingung der hydrothermalen. Diese Technik kann angewendet werden, um komplexe organische Mineral hydrothermalen Interaktionen in einem relativ einfachen Laborsystem zu untersuchen.
Introduction
Hydrothermale Umgebungen (d.h., wässrigen Medien bei erhöhten Temperaturen und Druck) sind überall auf der Erde. Die hydrothermale Chemie organischer Verbindungen spielt eine wesentliche Rolle in einer Vielzahl von geochemischen Einstellungen, z. B. organische Sedimentbecken, Erdöl-Lagerstätten und der tiefen Biosphäre1,2,3. Organischen Kohlenstoffs Transformationen in hydrothermalen Systemen auftreten, nicht nur in rein wässrigen Medium sondern auch mit gelösten oder feste anorganische Materialien, wie Erde reichlich Mineralien. Mineralien gefunden wurden, dramatisch und selektiv beeinflussen die hydrothermale Reaktivität von verschiedenen organischen Verbindungen,1,4,5 , aber wie die mineralische Effekte in komplexen hydrothermalen Systemen zu identifizieren Dennoch ist nach wie vor eine Herausforderung. Das Ziel dieser Studie ist es, ein relativ einfaches experimentelle Protokoll bieten für mineralische Effekte auf hydrothermale organische Reaktionen zu studieren.
Die Laborstudien hydrothermale Reaktionen verwenden traditionell robuste Reaktoren, die aus Gold, Titan oder Edelstahl6,7,8,9bestehen. Zum Beispiel wurden gold Taschen oder Kapseln günstig eingesetzt, da Gold flexibel ist und den Probe Druck ermöglicht durch Druckbeaufschlagung Wasser extern gesteuert werden, der vermeidet erzeugen eine Dampfphase innerhalb der Probe. Aber diese Reaktoren sind teuer und potenzielle Metall katalytische Effekte10zugeordnet werden könnten. Daher ist es zwingend notwendig, um eine alternative Methode mit niedrigen Kosten, aber hohe Zuverlässigkeit für diese hydrothermalen Experimente zu finden.
In den letzten Jahren wurden Reaktion Rohre aus Quarz oder Fused-Silica Glas häufiger auf hydrothermale Experimente11,12,13angewendet. Im Vergleich zu edlem Gold oder Titan, ist Quarz oder Silica Glas deutlich billiger, aber auch das starke Material. Noch wichtiger ist, quarzröhren wenig katalytische Wirkung gezeigt haben und kann so träge wie Gold für die hydrothermale Reaktionen11,14. In diesem Protokoll beschreiben wir eine allgemeine Methode für kleine hydrothermale organisch-mineralische Experimente in Kieselsäure dickwandigen Rohren. Wir präsentieren ein Beispiel-Experiment mit einer Modell-Verbindung (d. h. Nitrobenzene) in die Anwesenheit/Abwesenheit von einem Eisenoxid Mineral (z.B. Magnetit) in einer hydrothermalen Lösung von 150 ° C um die mineralischen Wirkung sowie zeigen, zeigen die Wirksamkeit dieser Methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie verwendeten wir Nitrobenzene mit Mineral Magnetit als Beispiel um zu demonstrieren, wie man mineralische Effekte auf hydrothermale organische Reaktionen zu bewerten. Obwohl die Experimente im kleinen Kieselsäure Glasröhren durchgeführt werden, sind hoch reproduzierbare Ergebnisse in Magnetit Experimente, d. h. 30,3 ± 1,4 % bei Nitrobenzene Umwandlung, beobachtet, die die Wirksamkeit und die Zuverlässigkeit dieser schlägt hydrothermale Protokoll. In den keine-Mineral-Experimenten ist die Um…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der H.O.G-Gruppe an der Arizona State University für die Entwicklung der ersten Methodik dieser hydrothermalen Experimente, und vor allem danken wir I. Gould, E. Schock, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson und C. Bockisch, für ihre Anleitungen und hilfreiche Unterstützung. Start-Fonds von der Oakland University, Z. Yang wurden Z. Yang und X. Fu finanziert.
Materials
| Chemicals: | |||
| Dichloromethane | VWR | BDH23373.400 | |
| Dodecane | Sigma-Aldrich | 297879 | |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 252379 | |
| Fe2O3 | Sigma-Aldrich | 310050 | |
| Fe3O4 | Sigma-Aldrich | 637106 | |
| Supplies: | |||
| Silica tube | |||
| Vacuum pump | WELCH | 2546B-01 | |
| Vacuum line | |||
| Oven | Hewlett Packard | 5890 | |
| Thermocouple | BENETECH | GM1312 | |
| Gas chromatography | Agilent | 7820A |
References
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).
- Seewald, J. S. Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins. Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).
- Sogin, M. L., et al. Microbial diversity in the deep sea and the underexplored “rare biosphere”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115 (2006).
- McCollom, T. M. Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth’s Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).
- Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts. Science. 304 (5673), 1002 (2004).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Pittman, E. D., Lewan, M. D. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. Organic Acids in Geological Processes. , 226-269 (1994).
- Palmer, D. A., Drummond, S. E. Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution. Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations. Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).
- McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions. Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).
- Yang, Z., et al. Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone. The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).
- Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. Organic Oxidations Using Geomimicry. The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).
- Venturi, S., et al. Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).
- Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems. Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).
- Byrappa, K., Yoshimura, M. . Handbook of Hydrothermal Technology. , (2001).
- Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C. Computers & Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).
