Naukowcy potwierdzają istnienie cząsteczki od dekad postulowanej w reakcjach utleniania

Naukowcy ze Szwecji i Stanów Zjednoczonych po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali krótkotrwały typ cząsteczki, który przez dekady stanowił fundament rozważań w chemii atmosfery, badaniach spalania oraz naukach biomedycznych.

W pracy opublikowanej w Science Advances badacze z KTH Royal Institute of Technology w Sztokholmie oraz Kinetic Chemistry Research w Mountain View w Kalifornii opisują odkrycie długo postulowanych, bogatych w tlen tetroksydów – tetratlenków. Odkrycie to ma istotne implikacje dla wielu dziedzin nauki, w tym chemii atmosfery, biochemii, medycyny oraz chemii spalania.

„Związek ten jest odpowiednikiem bozonu Higgsa w chemii utleniania” – mówi Barbara Nozière, profesor chemii fizycznej w KTH Royal Institute of Technology. „Jego istnienie zakładano od dziesięcioleci, ale nigdy wcześniej nie zostało bezpośrednio zaobserwowane.”

Tetroksydy (tetratlenki) zostały po raz pierwszy przewidziane teoretycznie w latach 50. XX wieku. Zakładano, że powstają one na bardzo krótki czas podczas reakcji dwóch rodników organicznych, tworząc cząsteczkę zawierającą cztery atomy tlenu połączone szeregowo – w procesie określanym jako mechanizm Russella.

Mimo że tetroksydy ulegają bardzo szybkiemu rozpadowi, odgrywają istotną rolę w procesach, w których związki organiczne (w tym węglowodany) ulegają „spalaniu” w obecności powietrza. Dotyczy to zarówno wysokotemperaturowych procesów, takich jak pożary, płomień świecy czy praca silników spalinowych, jak i procesów zachodzących w niższych temperaturach – w atmosferze ziemskiej oraz w organizmach żywych.

Dotychczas dowody na ich istnienie były jedynie pośrednie, niespójne lub uzyskiwane w ekstremalnych warunkach laboratoryjnych, takich jak bardzo niskie temperatury. Zespół badawczy potwierdził obecność tetroksydów dzięki zastosowaniu unikalnej techniki spektrometrii mas, zoptymalizowanej do wykrywania bardzo niestabilnych cząsteczek bez ich destrukcji.

Co istotne, badacze wykazali, że w warunkach powietrza atmosferycznego tetroksydy są względnie stabilne – w przeciwieństwie do wcześniejszych obserwacji uzyskanych w specyficznych warunkach eksperymentalnych.

„Badanie potwierdza, że tetroksydy mogą istnieć w temperaturze pokojowej, w powietrzu, bez konieczności stosowania ekstremalnie niskich temperatur” – podkreśla Nozière.

Odkrycie ich obecności zarówno w środowisku zewnętrznym, jak i w organizmach żywych sugeruje, że mogą one uczestniczyć w nieoczekiwanych szlakach reakcji chemicznych, prowadząc do powstawania dotąd nieopisywanych produktów utleniania. Wymaga to dalszych badań.

Może to mieć wpływ m.in. na czas utrzymywania się zanieczyszczeń w atmosferze – takich jak rozpuszczalniki farb czy dym – a także na powstawanie innych związków obecnych w powietrzu oraz aerozoli.

Naukowcy określili również czas życia tych cząsteczek, który wynosi od 0,2 do 200 milisekund. Dane te pozwalają lepiej zrozumieć kinetykę reakcji utleniania oraz przewidywać produkty pośrednie i końcowe tych procesów.

Wyniki badania mają również istotne znaczenie dla nauk medycznych, w tym badań nad stresem oksydacyjnym oraz terapiami przeciwnowotworowymi, w których mechanizm Russella znajduje obecnie zastosowanie w rozwijanych strategiach terapeutycznych.

Badania zostały sfinansowane ze środków European Research Council.

Źródło: Science Advances, Observing elusive tetroxides in gas-phase radical reactions supports the Russell mechanism
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aeb6495