En eksperimentell protokoll for å studere Mineral effekter på organisk hydrotermal transformasjoner
Summary
Jorden-rike mineraler spille en viktig rolle i naturlige hydrotermal systemer. Her beskriver vi en pålitelig og kostnadseffektiv metode for eksperimentell etterforskningen av organisk-mineral interaksjoner under hydrotermal forhold.
Abstract
Organisk-mineral interaksjoner oppstår mye i hydrotermal miljøer som hot springs, geysers på land og hydrotermal åpningene i dyphavet. Rollene til mineraler er avgjørende i mange hydrotermal organisk geokjemiske prosesser. Tradisjonelle hydrotermal metodikk som inkluderer bruk av reaktorer laget av gull, Titan, platina eller rustfritt stål, er vanligvis forbundet med høye kostnader eller uønsket katalytisk metalleffekter. Nylig, det er en økende tendens til å bruke de kostnadseffektive og inert kvarts eller smeltet silica glass rør hydrotermal eksperimenter. Her gir vi en protokoll for utføre organisk-mineral hydrotermal eksperimenter i silica rør, og vi beskriver grunnleggende trinnene i prøven forberedelse, eksperimentelle oppsett, produkter separasjon og kvantitativ analyse. Vi viser også et eksperiment med en modell organiske forbindelser, nitrobenzene, vise effekten av en jern mineral, magnetitt, på sin fornedrelse under en bestemt hydrotermal tilstand. Denne teknikken kan brukes for å studere komplekse organiske-mineral hydrotermal interaksjoner i en relativt enkel laboratoriesystem.
Introduction
Hydrotermal miljøer (dvs., vandige media ved høye temperaturer og press) er allestedsnærværende på jorden. Hydrotermal kjemi av organiske forbindelser spiller en viktig rolle i en rekke geokjemiske innstillinger, for eksempel organiske sedimentære bassenger, petroleum reservoarer og den dype biosfære1,2,3. Organisk karbon transformasjoner i hydrotermal systemer skjer ikke bare i ren vandig medium men også med oppløst eller solid uorganiske materialer som jorden-rike mineraler. Mineraler har blitt funnet å dramatisk og selektivt påvirke hydrotermal reaktivitet av ulike organiske forbindelser,1,4,5 , men hvordan å identifisere mineral effektene i komplekse hydrotermal systemer fortsatt som en utfordring. Målet med denne studien er å gi en relativt enkel eksperimentelle protokoll for å studere mineral effekter på hydrotermal organisk reaksjoner.
Laboratoriestudier av hydrotermal reaksjoner bruk tradisjonelt robust reaktorer som er laget av gull, Titan eller rustfritt stål6,7,8,9. For eksempel gull poser eller kapsler gunstig blir brukt fordi gull er fleksible, og det kan prøve trykket skal styres av pressurizing vann eksternt, som unngår genererer en damp fase i utvalget. Men disse reaktorene er dyre og kan knyttes til potensielle katalytisk metalleffekter10. Derfor er det viktig å finne en alternativ metode med lav pris, men høy pålitelighet for disse hydrotermal eksperimenter.
De siste årene, er reaksjon rør laget av kvarts eller smeltet silica glass oftere brukt på hydrotermal eksperimenter11,12,13. Sammenlignet med edelt gull eller Titan, er kvarts eller silica glass betydelig billigere, men også sterke materialet. Enda viktigere, kvartsrør har vist liten katalytisk effekter og kan være så inert som gull for hydrotermal reaksjoner11,14. I denne protokollen beskriver vi en generell metode for å drive småskala hydrotermal organisk-mineral eksperimenter i tykke vegger silica rør. Vi presenterer et eksempel eksperiment med en modell sammensatt (dvs. nitrobenzene) i tilstedeværelse/fravær av et jernoksid mineral (dvs. magnetitt) i en 150 ° C hydrotermal løsning, for å vise mineral effekten, så vel som for å demonstrere den effektiviteten av denne metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien brukte vi nitrobenzene med mineral magnetitt som et eksempel å evaluere mineral effekter på hydrotermal organisk reaksjoner. Selv om eksperimenter er gjennomført i små silica glass rør, er svært reproduserbar resultater observert i magnetitt eksperimentene, dvs. 30,3 ± 1,4% i nitrobenzene konvertering, noe som antyder effektiviteten og påliteligheten til dette hydrotermal protokollen. I no-mineral eksperimentene er konvertering av nitrobenzene 5,2 ± 2,1%, som viser en lavere reproduserba…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker gruppen hog ved Arizona State University for å utvikle innledende metodikken disse hydrotermal eksperimenter, og spesielt vi takker I. Gould, E. sjokk, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson og C. Bockisch, for deres veiledning og nyttig hjelp. Yang Z. og X. Fu ble finansiert av oppstart midler fra Oakland University til Yang Z..
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).
