Die Sonne als Energiequelle und Katalysatoren zur Beschleunigung chemischer Reaktionen waren von entscheidender Bedeutung für die Entstehung der ersten biochemischen Moleküle auf der Erde. Ein Forschungsteam hat nun gezeigt, dass ein aus Ammoniak- und Methanplasma abgeschiedener Feststoff in der Lage ist, Lichtenergie für Amin-zu-Imin-Umwandlungen zu nutzen. Dieser Prozess könnte eine wichtige Rolle bei der Entstehung der ersten Biomoleküle gespielt haben. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie.
Vor drei bis vier Milliarden Jahren bildeten sich auf der Urerde die ersten Biomoleküle, bevor es zu einer Explosion des Lebens kam. Diese frühen chemischen Reaktionen erforderten jedoch Katalysatoren. Xinchen Wang und ein Forscherteam der Universität Fuzhou in China haben herausgefunden, dass die Uratmosphäre selbst als Quelle für diese Katalysatoren gedient haben könnte.
Unter Verwendung von Methan- und Ammoniakgasen, die höchstwahrscheinlich in der heißen Gasmischung vorhanden waren, die die Welt im archaischen Zeitalter umhüllte, nutzte das Team chemische Gasphasenabscheidung, um stickstoffhaltige Kohlenstoffverbindungen als mögliche Katalysatoren herzustellen. Sie fanden heraus, dass in einer Reaktionskammer Moleküle aus einem Ammoniak- und Methanplasma auf einer Oberfläche kondensierten und schnell zu einem festen stickstoffhaltigen Kohlenstoffpolymer wuchsen, das stickstoffdotiertem Graphit ähnelte.
Wie das Team beobachtete, verliehen die unregelmäßig eingebauten Stickstoffatome diesem Polymer katalytisch aktive Stellen und eine Elektronenstruktur, die es ermöglichte, es durch Licht anzuregen. Anschließend untersuchten die Forscher, inwieweit der Stoff unter Lichteinwirkung andere Stoffe reduzieren oder oxidieren kann.
Eine der bedeutendsten Reaktionen auf der frühen Erde könnte die Iminbildung gewesen sein. Imine, auch Schiffsche Basen genannt, sind eine dehydrierte Form von Aminen, Verbindungen bestehend aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Viele Chemiker gehen davon aus, dass Imine auf der Urerde zur Bildung der ersten Erbmoleküle der Ribonukleinsäure (RNA) beigetragen haben könnten. Wang und sein Team konnten zeigen, dass ihr plasmaerzeugter Katalysator Amine nur mithilfe von Sonnenlicht in Imine umwandeln kann.
Das Team sagt, dass Photokatalysatoren auf Kohlenstoffnitridbasis, wie etwa die durch Plasma erzeugte Substanz, Millionen von Jahren überdauert und wichtige chemische Zwischenprodukte produziert haben könnten. Darüber hinaus könnten sie auch als Quelle kohlenstoff- und stickstoffhaltiger Verbindungen gedient haben. Durch den Nachweis, dass es möglich ist, einen solchen Katalysator nur unter Verwendung der in der Atmosphäre der frühen Erde vorhandenen Gase und Bedingungen herzustellen, wirft die Studie neues Licht auf den möglichen Entwicklungsweg von Biomolekülen.
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Yan Wang et al., Plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidungssynthese von photoredoxaktivem stickstoffdotiertem Kohlenstoff aus NH3- und CH4-Gasen, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202307236