Photoredoxkatalysator für die Ur-Erde

Stickstoff-dotiertes Graphit katalysiert Reaktionen zu frühen Biomolekülen.

Die Energie der Sonne und Katalysatoren, die Reaktionen beschleunigen, waren die Voraussetzung, dass sich auf der Ur-Erde erste biochemische Stoffe bildeten. Ein Forschungsteam hat nun nachgewiesen, dass ein Feststoff, der sich aus einem Ammoniak-Methan-Plasma abscheidet, nur mit Sonnenlicht die Umsetzung von Aminen zu Iminen und somit eine der entscheidenden Reaktionen auf dem Weg zu den ersten Biomolekülen katalysiert. Die Studie ist in der Zeitschrift Angewandte Chemie erschienen.

Vor drei bis vier Milliarden Jahren bildeten sich die die ersten Biomoleküle für die kommende Vielfalt des Lebens. Diese ersten chemischen Reaktionen liefen an Katalysatoren ab, die unter den Bedingungen der Ur-Erde bereits vorhanden waren. Ein Forschungsteam um Xinchen Wang von der Universität Fuzhou in China stellte nun fest, dass bereits die Uratmosphäre selbst eine Quelle für solche Katalysatoren gewesen sein könnte.

Im Erdarchaikum hüllte sich die Erde in eine Atmosphäre aus verschiedenen heißen Gasen ein. Zwei dieser Gase, Ammoniak und Methan, erhitzten Wang und sein Team nun in einer Reaktionskammer zu einem Plasma und ließen durch chemische Gasphasenabscheidung auf einer Oberfläche Moleküle auskondensieren. Die Moleküle wuchsen rasch zu einem stickstoffhaltigen Kohlenstoffpolymer ähnlich einem Stickstoff-dotierten Graphit heran.

Das Polymer wies durch die unregelmäßig eingebauten Stickstoffatome katalytisch aktive Stellen auf und besaß darüber hinaus eine Elektronenstruktur, die durch Licht leicht angeregt wird. Die Forschenden prüften nun, inwieweit die Substanz unter Lichteinwirkung die Umsetzung von anderen Stoffen katalysieren kann.

Eine der wichtigsten Reaktionen auf der frühen Erde dürfte die Bildung von Iminen sein. Imine, auch Schiffsche Basen genannt, sind eine dehydrierte Form der Amine, Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nehmen an, dass auf einer noch unbelebten Erde Imine eine wichtige Rolle spielten, um Ribonukleinsäuren, die mutmaßlich ersten Erbmoleküle des Lebens, entstehen zu lassen. Wang und sein Team zeigten nun, dass sich an dem Plasma-erzeugten Feststoff Amine zu Iminen umsetzen ließen und dabei nichts weiter nötig ist als Sonnenlicht.

Ein solcher Photoredoxkatalysator wäre in der Lage, auf der Ur-Erde während Millionen von Jahren wichtige chemische Zwischenverbindungen zu erzeugen. Gleichzeitig könnte er selbst als Quelle für Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen dienen. Durch den Nachweis, dass allein die Gase der Uratmosphäre einen solchen Katalysator erzeugen können, wirft die Studie ein neues Licht auf die mögliche Evolution der Biomoleküle.

Angewandte Chemie: Presseinfo 29/2023

Autor/-in: Xinchen Wang, Fuzhou University (China), https://wanglab.fzu.edu.cn/XINCHEN_WANG.htm

Angewandte Chemie, Postfach 101161, 69451 Weinheim, Germany
Die „Angewandte Chemie“ ist eine Publikation der GDCh.

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1002/ange.202307236

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