甲烷和金属首次成功“联姻”

2010-12-22 09:01 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网12月20日报道,美国亚利桑那大学的科学家首次成功地将金属原子插进了甲烷气体分子中,并精确地测定了所得到的“金属-甲烷化合物”分子的结构,为有机化合物的合成特别是新药研制开创了新的制造工艺,新发现也能让人们更好地理解金属在活性生物体内的工作模式。研究发表在《美国化学学会杂志》上。

  有机物衰败会产生甲烷,科学家一直希望利用丰富的甲烷来生产其他化学产品。但是作为最简单的碳氢化合物,甲烷在和其他分子相互作用时会有点“内向”,需要各种方法来“激活”。领导这项研究的亚利桑那大学化学家露西·兹瑞斯表示,金属插入会让甲烷分子更活跃,即将金属插入甲烷分子中激活甲烷,使其更容易和其他物质发生化学反应,比如利用被激活的甲烷分子制造乙醇。

  兹瑞斯研究团队将锌加热成气态,让其蒸发进一个真空室,接着再向真空室添加甲烷气体。在一个放电设备提供的能量下,锌和甲烷组成的气体混合物变成发光的等离子体,金属-甲烷化合物分子瞬间形成。

  甲烷分子由碳原子和四个氢原子组成了四个碳氢键,科学家之前曾预测,金属可以插入甲烷的碳氢分子键中,但没有一篇论文表示可以在气体状态插入,这是科学家首次尝试在气态下合成金属甲烷分子并获得成功。新化合物稳定地存在了几秒钟——在工业领域,几秒钟足以将其直接转变为其他物质。兹瑞斯说:“化学工程师们非常希望利用甲烷等普遍存在的有机化合物,将其转变为各种更复杂、更有价值的产品,比如塑料或聚合物等。新发现能使其工业应用变得更简单、更低廉、更快速。”

  由于该分子是在气体状态制造,其分子结构得以精确地测量。研究人员使用特定波长的微波来发送电磁能量并让其通过等离子体,然后使用探测器探测了真空内能量中的液滴(每类分子都会留下自己的能源液滴),并据此得到了新物质的分子结构,同之前预测的一样。

  金属原子嵌入复杂的有机分子在自然界广泛存在,生物体中任何复杂的化学反应都有金属的参与。一个典型的例子是血红素和铁,包含铁原子的蛋白分子可以精确地捕捉氧气并将其运往血液中。

  兹瑞斯表示,金属在生物学中起着非常重要的作用,比如许多酶发挥作用都离不开金属锌,理解锌在简单的甲烷分子中如何工作,有助于更好理解其在酶等更复杂分子中的工作模式。