Ett experimentellt protokoll för att studera Mineral effekter på organiska hydrotermiska transformationer
Summary
Jorden-rikliga mineraler spelar viktiga roller i de naturliga hydrotermala system. Här beskriver vi en pålitlig och kostnadseffektiv metod för experimentell undersökning av organiska-mineral interaktioner hydrotermiska villkor.
Abstract
Organisk-mineral interaktioner förekommer allmänt i hydrotermala miljöer, såsom varma källor, gejsrar på land och de hydrotermiska skorstenar i djupa havet. Roller av mineraler är kritiska i många hydrotermiska organiska geokemiska processer. Traditionella hydrotermiska metodik, vilket inkluderar med reaktorer av guld, Titan, platina eller rostfritt stål, är vanligtvis förknippas med de höga kostnaderna eller oönskad metall katalytisk effekter. Nyligen, det finns en växande tendens för att använda de kostnadseffektiva och inert kvarts eller smält kvarts glasrör i hydrotermala experiment. Här, vi tillhandahåller ett protokoll för att utföra ekologiska-mineral hydrotermiska experiment i silica rör och vi beskriver de grundläggande stegen i provberedning, experiment, produkter separation och kvantitativ analys. Vi visar också ett experiment med en modell organisk förening, nitrobensen, för att visa effekten av en järn-innehållande mineral, magnetit, om dess nedbrytning under ett visst hydrotermiska villkor. Denna teknik kan användas för att studera komplexa organiska-mineral hydrotermiska interaktioner i en relativt enkel laboratorium system.
Introduction
Hydrotermiska miljöer (dvs, vattenhaltigt medium vid förhöjda temperaturer och tryck) finns överallt på jorden. Organiska föreningar hydrotermiska kemi spelar en viktig roll i ett brett utbud av geokemiska inställningar, till exempel ekologiska sedimentära bassänger, petroleum reservoarer och den djupa biosfär1,2,3. Organiskt kol transformationer i hydrotermala system förekommer inte bara i ren vattenhaltigt medium men också med löst eller fast oorganiskt material, såsom jorden-rikliga mineraler. Mineraler har befunnits dramatiskt och selektivt påverka hydrotermiska Reaktiviteten hos olika organiska föreningar,1,4,5 men hur att identifiera mineral effekterna i komplexa hydrotermala system fortfarande som en utmaning. Målet med denna studie är att ge ett relativt enkla experimentella protokoll för att studera mineral effekter på hydrotermiska organiska reaktioner.
I laboratoriestudier av hydrotermal reaktioner använder traditionellt robusta reaktorer som är gjorda av guld, Titan eller rostfritt stål6,7,8,9. Till exempel har guld väskor eller kapslar gynnsamt använts, eftersom guld är flexibel, och det gör provet trycket kontrolleras av tryckförvaring vatten externt, vilket undviker genererar en gasfasen inuti provet. Men dessa reaktorer är dyra och skulle kunna förknippas med potentiella metall katalytisk effekter10. Därför är det absolut nödvändigt att hitta en alternativ metod med låga kostnader men hög tillförlitlighet för dessa hydrotermiska experiment.
Under de senaste åren har reaktionsrören av kvarts eller smält kvarts glas tillämpats oftare till hydrotermiska experiment11,12,13. Jämfört med dyrbara guld eller Titan, är quartz eller kiseldioxid glas betydligt billigare men också det starka materialet. Viktigare, quartz rören har visat lite katalytisk effekter och kan vara som inert som guld för hydrotermiska reaktioner11,,14. I detta protokoll beskrivs en allmän metod för att genomföra småskaliga hydrotermiska organiska-mineral experiment i tjocka kiseldioxid rör. Vi presenterar ett exempel experiment med en modell förening (dvs, nitrobensen) i närvaro/frånvaro av ett järnoxid mineral (dvs magnetit) i en 150 ° C hydrotermiska lösning, för att visa den mineraliska effekten, samt för att visa den effektiviteten av denna metod.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie använde vi nitrobenzene med mineral magnetit som exempel för att demonstrera hur man utvärderar mineral effekter på hydrotermiska organiska reaktioner. Även om experimenten utförs i små kvarts glasrör, observeras mycket reproducerbara resultat i magnetit experiment, dvs 30,3 ± 1,4% i nitrobensen konvertering, vilket tyder på effektiviteten och tillförlitligheten i detta hydrotermiska protokoll. I nr-mineral experiment är omvandlingen av nitrobensen 5,2 ± 2,1%, vilket visar en lägre r…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar gruppen H.O.G. vid Arizona State University för att utveckla den ursprungliga metodiken av dessa hydrotermiska experiment, och i synnerhet vi tackar I. Gould, E. chock, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson och C. Bockisch, för deras vägledning och bra hjälp. Z. Yang och X. Fu har finansierats genom start medel från Oakland University till Z. Yang.
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).
