Синтез органического вещества на пирите как результат электрохимического восстановления CO2: Теоретическое и экспериментальное обоснование
Диссертация
По мере расширения представлений о геофизических условиях, при которых возможно образование первичных метаболитов, стали возникать альтернативные «глубинные» сценарии эволюции углеродистых соединений. Помимо того, что физико-химические процессы в глубинных слоях гидросферы и литосферы можно рассматривать как источники энергии для синтеза органических соединений, важное значение имеет сам факт… Читать ещё >
Содержание
- 1. Введение
- 1. 1. Актуальность работы
- 1. 2. Цель и задачи исследования
- 1. 3. Научная новизна работы
- 1. 4. Практическая значимость работы
- 1. 5. Апробация работы
- 1. 6. Публикации
- 1. 7. Структура и объем диссертации
- 2. Теоретические предпосылки возможности электрохимического синтеза органического вещества в литосферных процессах (Обзор литературы)
- 2. 1. Современные гипотезы о роли поверхности минералов в синтезе первичных метаболитов
- 2. 2. Литосферные электрохимические системы. 22 2.2.1 .Сульфидные минералы как естественные гальванические пары. 22 2.2.2. Физические и химические условия в гидротермах
- 2. 3. Электрохимический синтез и трансформация биологически значимых органических соединений на поверхности минералов
- 2. 3. 1. Синтез одноуглеродных продуктов. Механизм первичных реакций восстановления СО
- 2. 3. 2. Образование соединений с несколькими углеродными атомами в молекуле
- 2. 3. 3. Значение химической природы и сорбционных свойств поверхности электрода
- 2. 3. 4. Примеры электрохимической трансформации биологически значимых органических соединений
- 4. 1. 1. Пиритовый катод для исследований при нормальном атмосферном давлении
- 4. 1. 2. Методика измерений вольтамперных характеристик пиритового катода
- 4. 1. 3. Пиритовый катод для исследований при повышенном давлении
- 4. 1. 4. Методика исследования электрохимического восстановления СО2 при повышенном давлении
- 4. 1. 5. Методика количественного определения формальдегида и формиата в исследуемых растворах
- 4. 1. 6. Реактивы и оборудование, используемые в работе
- 4. 1. 7. Обработка полученных данных
- 5. 1. Изучение электрохимических свойств пиритового катода
- 5. 1. 1. Влияние СОг на вольтамперные характеристики пиритового катода
- 5. 1. 2. Влияние скорости вращения пиритового катода на вольтамперные характеристики пиритового катода в атмосфере
- 5. 1. 3. Влияние температуры на парциальные токи восстановления СО2 на пиритовом катоде
- 5. 1. 4. Влияние ионного состава раствора на температурную динамику парциальных токов электровосстановления СО2 на пирите
- 5. 1. 5. Электровосстановление СО2 на пиритовом электроде при повышенном давлении
Список литературы
- Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот. // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Авт. свид-во. 457 693 (СССР). Цит. по Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот. // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Багоцкий В. С., Осетрова Н. В. Электрохимическое восстановление диоксида углерода // Электрохимия. 1995. Т. 31. С. 453−470.
- Безуглый В. Д., Алексеева Т. А., Шаповалов В. А. Электрохимическая полимеризация // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 161−189.
- Бекетов Н. Н. Об образовании муравьиной кислоты при электролизе двууглекислого натрия // ЖРФХО. 1869. Т. 1. С. 33−34.
- Березин И. В., Богдановская В. А., Варфоломеев С. Д., Тарасевич М. Р., Ярополов А. И. Биохимические топливные элементы. Гидрогеназа как катализатор окисления водорода в системе медиатор — угольный электрод //Докл. АН СССР. 1975. Т. 225. С. 105−108.
- Богданов Ю. А., Сагалевич А. М., Гурвич Е. Г., Викентьев И. В. и др. Подводные геологические исследования гидротермального поля Рейнбоу (Срединно-атлантический хребет) //ДАН. 1999. Т. 365. С. 657−662.
- Дикерсон Р. Е. Эволюция // М.: Мир. 1981. 107 с.
- Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К. Справочник биохимика. Пер. с англ. // М.: Мир. 1991. 544 с.
- Ерохин А. С. Химическая эволюция как результат саморазвития открытых фотокаталитических систем // Российский химический журнал (ЖРХО им. Д. И. Менделеева) 1994. Т. 28. С. 79−92.
- Изгарышев Н. А., Арямова И. И. Изучение катодного процесса при электровосстановлении щавелевой кислоты // Докл. АН СССР. 1947. Т. 57. С. 45−48.
- Кабанова М. А., Сулейманян Н. Е., Логинова Н. Ф., Майрановский В. Г., Швец В. И., Евстигнеева Р. П. Исследование в области сложных липидов // Ж. общей химии. 1973. Т. 43. С. 193.
- Красновский А. А. Преобразование энергии света при фотосинтезе. Молекулярные механизмы. // XXIX Баховское чтение. М.: Наука. 1973. 64 с.
- Крысин Е. П., Цодиков В. В., Гринберг В. А. Электрохимический синтез а-аминокислот// Электрохимия. 1976. Т. 12. С. 1590−1592.
- Кулаев И. С. Биохимия высокомолекулярных полифосфатов. М.: Изд-во МГУ. 1975.247 с.
- Леин А. Ю., Глущенко Н. Н., Миллер Ю. М., Осипов Г. А., Павлова Г. А., Пименов Н. В., Ульянова Н. В. Генезис органического углерода в гидротермальных сульфидных рудах океана // Инф.бюлл.РФФИ. 1996. Т. 4. С. 185
- Леин А. Ю. Генезис органического углерода в гидротермальных сульфидных рудах океана // Инф. бюлл. РФФИ. 1998. Т. 6. С. 115.
- Леин А. Ю., Сагалевич А. М. Курильщики поля Рейнбоу район масштабного абиогенного синтеза метана // Природа. 2000. Т. 8. С. 44−53.
- Листопадов В. В., Антропов А. И. К вопросу об электролитическом восстановлении щавелевой кислоты.// Ж. физ. химии. 1958. Т. 32. С. 20 422 050.
- Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия. 1989. 448
- Майрановский С. Г. Свойства растворов тетразамещенных солей аммония. Их влияние на электродные процессы // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез и биоэлектрохимия. М.: Наука. 1975. С. 252−281.
- Меллер Э. А., Селезнев JI. Г., Лукницкий Ф. И., Сухманева Л. М., Векслер М. А. Электрохимическое окисление диацетон-1-сорбозы в производстве аскорбиновой кислоты // Новости электрохимии органических соединений. Рига.: Зинатне. 1973. С. 22−23.
- Можайский А. М., Кулаков В. Н., Станко В. И. Особенности электрохимического йодирования белков // Новости электрохимии органических соединений. Рига.: Зинатне. 1973. С. 102−103.
- Опарин А. И. Происхождение жизни. М.: Московский рабочий. 1924. 71 с.
- Осетрова Н. В., Захарян А. В., Васильев Ю. Б., Багоцкий В. С. Электрохимическое восстановление углекислого газа // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 220−243.
- Перельман А. И. Геохимия. М.: Высш. школа. 1979. 424 с.
- Плесков Ю. А., Мямлин В. А. Электрохимия полупроводников. М.: Наука. 1965. 338 с.
- Руттен М. Происхождение жизни. М.: Мир. 1973. 412 с.
- Рысс Ю. С. Поиски и разведка рудных тел контактным способомполяризационных кривых. Л.: Недра. 1973. 167 с.
- Сахарова М. С Роль электрохимических факторов в образовании гидротермальных месторождений золота. // В сб.: Международный геологический конгресс. XXIII сессия, проблема 7. М.: Наука. 1968. С. 112−122.
- Сахарова М. С. Лобачева И. К. Изучение микрогальванических систем сульфиды — золотосодержащие растворы и особенности отложения золота //Геохимия. 1978. Т. 12. С. 1836−1842.
- Свешников Г. Б. Электрохимические процессы на сульфидных месторождениях. Л.: Изд-во ЛГУ. 1967. 160 с.
- Томилов А. П. Новые направления в развитии электросинтеза органических соединений и его промышленное использование. // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 7 — 27.
- Томилов А. П., Клюев Б. Л., Нечепурной В. Д. Электрохимический синтез у-оксинитрилов//Ж. орган, хим. 1975. Т. 11. С. 1344−1345.
- Томилов А. П., Клюев Б. Л., Нечепурной В. Д. Электрохимический синтез у-лактонов // Ж. орган, хим. 1975. Т. 11. С. 1984−1985.
- Флорианович Г. И. Восстановление щавелевой кислоты на ртутном электроде //Ж. Физ. Хим. 1957. Т. 31. С. 626−640.
- Царькова Т. Г., Авруцкая И. А., Фиошин М. Я., Крысин Е. П., Губенко И. И. получение DL-триптофана электровосстановлением 5-(3-индолилметилен) гидантоина // Электрохимия. 1975. Т. 11. С. 1803−1807.
- Царькова Т. Г., Авруцкая И. А., Фиошин. М. Я., Крысин Е. П. Получение DL-фенилаланина электровосстановлением бензальгидантоина // Электрохимия. 1976. Т. 12. С. 902−906.
- Чантурия В. А., Видергауз В. Е. Электрохимия сульфидов. Теория и практика флотации. М.: Наука. 1993. 206 с.
- Ярополов А. И., Гиндилис A. JI. Прямой электронный транспорт в электроферментативных системах // Биофизика. 1990. Т. 35. С. 689−698.
- Baltchefsky Н. Chemical origin and early evolution of biological energy conversion // Chemical Evolution: Origin of Life Ponnamperuma C., Chela-Flores. eds. Hampton: A. Deepak Publ. 1993. P. 13−23.
- Bernal, J. D. The physical basis of life // Proceedings of the Royal Society 1949. V. 62A. P. 537−558.
- Bernal, J.D. The Physical Basis of Life. Routledge and Kegan Paul. London. 1951.
- Bernal J. D. The Origin of Life. Weidenfeld and Nicholson. London. 1967.
- Blochl E., Keller M., Wachtershauser G., Stetter К. O. Reactions depending on iron sulfide and linking geochemistry with biochemistry // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V. 89. P. 8117−8120.
- Bogdanovskaya V. A., Tarasevich M. R. Molecular aspects of bioelectrocatalysis // Sov. Sci. Rev. B. Chemistry. Harwood Acad. Publ.. GMBH. 1992. V. 17. P. 1−101.
- Cairns-Smith A.G. Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life. Cambridge University Press. Cambridge. 1982.
- Carlsson C., Liedberg В., Thierry D., Leygraf C., Bergman J. Methyl-substitution in Benzotriazole and its Influence on Surface Structure and Corrosion Inhibition//J. Electrochem. Soc. 1989. V. 136. P. 58−65.
- Chyba C., Sagan C. Electrical energy sources for organic synthesis on the early Earth // Orig. Life Evol. Biosph. 1991. V. 21. P. 3−17.
- Clark D. В., Fleischmann M., Pletcher D. The partial anodic oxidation of n-alkanes in acetonitrile and trifluoroacetic acid // J. Chem. Soc. Perkin Trans. Part II. 1973.Vol. 11. P. 1578−1581.
- Corliss J. В., Dymond J., Gordon L. I., Edmond J. M., von Herzen R. P., Ballard R. D., Green К. K., Williams D., Bainbridge A., Crane K., van Andel Т. H. Submarine thermal springs on the Galapagos rift. // Science. 1979. V. 203. P. 1073−1083
- Corliss J. B. Life is a strange attractor: a collection of abstracts, papers, rewievs and stories about submarine hot springs and the origin of life. Santa Cruz. 1989.
- Dameron С. Т., Reese R. N., Mehra R. K., Kortan A. R., Carroll P. J., Steigerwald M. L., Brus L. E., Winge D. R. Biosynthesis of cadmium sulfide quantum semiconductor crystallites //Nature. 1989. V. 338. P. 596−587.
- Drobner E., Huber H., Wachtershauser G., Rose D., Stetter К. O. Pyrite formation linked with hydrogen evolution under anaerobic conditions // Nature. 1990. V. 346. P. 742−744.
- Eberson L., Nyberg K. Studies on the Kolbe electrolytic synthesis VI. On the mechanism of the anodic acetoxylation // Acta chem. scand. 1964. Vol. 18. P. 1567−1568.
- Ennaoui A., Tributsch H. Light-induced electron-transfer and photoelectrocatalysis of chlorine evolution at FeS2 electrodes // J. Electroanal. Chem. 1986. V. 204. P. 185−195.
- Feigl F., Quantitative analysis by spot tests // Elsevier Pub. Co., New York 1946, P. 395−397.
- Feigl F., Tupfelanalyse. // Frankfurt a. M., 1960, В 2., P. 333
- Ferris J. P., Ertem G. Montmorillonite catalysis of RNA oligomer formation in aqueous solutions. A model for the prebiotic formation of RNA // J. Am. Chem. Soc. 1993. V. 115. P. 12 270−12 275.
- Ferris J. P. Catalysis and prebiotic RNA synthesis // Orig. Life Evol. Biosph. 1993. V. 23. P. 307−315.
- Fox R. W. On the electro-magnetic properties of metalliferous veins in the mines of Cornwall // Royal Soc. Philosoph. Trans. London. 1830. P. 399−414.
- Golodnitsky D., Peled E. Pyrite as cathode insertion material in rechargeable litium/composite polymer electrolyte batteries. // Electrochim. Acta 1999. V. 45. P. 335−350.
- Guo L.-H., Hill H. A. O. Direct electrochemistry of proteins and enzymes // Advances in Inorganic Chemistry, 1991, Vol. 36, P. 341−375.
- Hafenbradl D., Keller M., Wachtershauser G., Stetter К. O. Primordial amino acids by reductive amination of a-oxo acids in conjunction with the oxidative formation of pyrite // Tetrahedron Lett. 1995. V. 36 P. 5179−5182.
- Hall D. O., Rao К. K., Mullinger R. N. A role for Fe-S proteins in the origin and evolution of life // Fox J. L., Deyl Z., Blazej A. eds. Protein structure and evolution. Marcel Dekker Inc. New York. 1976. P. 233−259.
- Нага К., Kudo A., Sakata Т. Electrochemical reduction of high pressure carbon dioxide on Fe electrodes at large current density // J. Electroanal. Chem. 1995. V. 386 P. 257−260.
- Нага K., Kudo A., Sakata T. Electrochemical reduction of carbon dioxide under high pressure on various electrodes in an aqueous electrolyte. // J. Electroanal. Chem. 1995. V. 391. P. 141−147.
- Hartman H. Speculations on the origin and evolution of metabolism // J. Mol.
- Evol. 1975. V. 4. P. 359−370.
- Haynes L. V., Sawyer D. T. Electrochemistry of carbon dioxide in dimethyl sulfoxide at gold and mercury electrodes // Anal. Chem. 1967. Vol. 39. P. 332 338.
- Himmel H. J., Kaschke M., Harder P., Woll Ch. Adsorption of organic monolayers on pyrite (FeS2) (100) // Thin Solid Films. 1996. V. 284−285. P. 275−280.
- Hori Y., Hidetoshi W., Tsukamoto Т., Koga O. Electrocatalytic process of CO v selectivity in electrochemical reduction of C02 at metal electrodes in aqueousmedia // Electrochim. Acta. 1994. V. 39 P. 1833−1839.
- Huber С., Wachtershauser G. Primordial reductive amination revisited // Tetrahedron Lett. 2003. V. 44. P. 1695−1697.
- Jensen L. H. X-ray structural studies of ferredoxin and related electron carriers //Annu. Rev. Biochem. 1974. V. 43. P. 461−507.
- Jitaru M., Lowy D. A., Toma M., Toma В. C., Oniciu L. Electrochemical reduction of carbon dioxide on flat metallic cathodes // J. Appl. Electrochem. 1997. V. 27. P. 875−889.
- Kaiser U., Heitz E. Zum mechanismus der elektrochemischen dimerisierung von C02 zu Oxalsaure // Ber. Bunsengen. Phys. Chem. 1973. V. 77. P. 818−823.
- Kaschke M., Russell M.J., Cole W.J. FeS/FeS2., a redox system for the origin of life (some experiments on the pyrite-hypothesis) // Orig. Life Evol. Biosph. 1994. V. 24. P. 43−56.
- Koch V., Miller L. Anodic acetamidation of adamantane and 1-haloadamantane // Tetrahedron Lett. 1973. Vol. 9. P. 693−696.
- Mayeda E. A., Miller L. L. The origin of electrolyte effects in electrooxidative substitution reaction // Tetrahedron 1972. V. 28. P. 3375−3380.i I
- Mishra К. K., Osseo-Asare K. Electroreduction of Fe, 02, and Fe (CN)63- at the n-Pyrite (FeS2) Surface // J. Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 3116−3120.
- Norman D. I., Blarney N. J. F., Moore J. N., Overabundance of Gaseous Species and the Source of Organic Compounds in Geothermal Fluids // Proc.
- Twenty-Sixth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University. Stanford. California. 2001. P. 234−242.
- Orgel L. E. Did template-directed nucleation precede molecular replication? // Orig. Life Evol. Biosph. 1986. V. 17. P. 27−34.
- Otroshchenko V.A., Vasilyeva N.V. The role of mineral surface in the origin of life // Orig. Life Evol. Biosph. 1977. V. 8. P. 25−31.
- Otroshchenko V.A., Moiseeva L. N., Vasilyeva N.V., Strigunkova T. F., Egofarova R. Kh. Polycondensation reactions of certain biologically essential molecules on mineral surface // J. Brit. Interplanet. Soc. 1992. V. 45, P. 15−21.
- Pat. 1867, 1958 (Japan). Цит. по Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Pat. 2328 (Japan) Цит. по Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Pat. 2473, 1958 (Japan). Цит. по Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Pat. 3 867 436 (USA). Цит. по Авруцкая И. А. Электросинтез аминов и аминокислот // Прогресс электрохимии органических соединений. Электросинтез мономеров. М.: Наука. 1980. С. 124−144.
- Puglisi V. J., Clapper G. L., Evans D. H. Stereochemistry of the electrolytic reductive coupling of benzaldehyde//Anal. Chem. 1969. V. 41. P. 279−282.
- Rapson H. D. C., Bird A. E. The electrochemical preparation of glycine // J. Appl. Chem. 1963. V. 13. P. 233−239.
- Rossmann M. G., Moras D., Olsen K. W. Chemical and biological evolution of a nucleotide-bindingproteins //Nature. 1974. V. 250. P. 194−199.
- Russell M.J., Daniel R.M., Hall A.J., Sherringham J.A., A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life // J. Mol. Evol. 1994. V. 39. P. 231−243.
- Salaneck W.R., Lundstrom I., Liedberg B. Photoelectron Spectroscopy of Amino Acids Adsorbed Upon Surfaces: Glycine on Graphite // Prog. Coll. Polym. Sci. 1985. V. 70. P. 83−88.
- Sato M. Oxidation of sulfide ore bodies, 1. Geochemical Environments in terms of Eh and pH // Econ. Geol. 1960. V. 55. P. 928−961.
- Schubert H., Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, 3-rd edn. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie. Leipzig. 1967. V. 2
- Schmidt J. G., Christensen L., Nielsen P. E., Orgel L. E. Information transfer from DNA to peptide nucleic acids by template-directed syntheses // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. P. 4792−4796.
- Schmidt J. G., Nielsen P. E., Orgel L. E. Information transfer from peptide nucleic acids to RNA by template-directed syntheses // Nucleic Acids Res. 1997 V. 25. P. 4797−4802.
- Shopf J.W., Klein C. eds. The Proterozoic Biosphere: A Multidisciplinary Study. New York.: Cambridge University Press. 1992. 1348 p.
- Teeter Т. E. Van Rysselberghe P. Reduction of carbon dioxide on mercury cathodes // J. Chem. Phys. 1954. V.22. P.759.
- Teeter Т. E. Van Rysselberghe P.// Proc. 6th Meet. CITCE. L.: Butterworth, 1955. P. 538.
- Thauer R. K., Kaufer В., Fuchs G. The active species of 'CO2 utilized by reduced ferredoxin: CO2 oxidoreductase from Clostridium Pasteurianum // Eur. J. Biochem. 1975. V. 55 P 111−117.
- Thomas H. G., Lux E. Gekoppelte electrodenreaktionen organischer verbindungen im aprotischen losungsmittel // Tetrahedron Lett. 1972. V. 10. P. 965−968.
- Tributsch H., Ellmer K., Kiesewetter Т., Altermatt P. P. Specifying targets of future research in photovoltaic devices containing pyrite (FeS2) by numerical modelling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2002. V. 71. P. 181−195.
- Tysse D. A., Baizer M. M. Electrocarboxylation. I. Mono- and dicarboxylation of activated olefins // J. Org. Chem. 1974. V. 39. P. 2819−2823.
- Vincent F., Tardivel R., Mison P. Electrooxidation de quelques halogenures d’adamantyl-2 // Tetrahedron Lett. 1975. V. 9. P. 603−606.
- Wawzonek S., Blaha E.W., Berkey R., Runner M. E. Polarographic Studies in Acetonitrile and Dimethylformamide. II. Behavior of Aromatic Olefins and Hydrocarbons. //J. Electrochem. Soc. 1955. V. 102. P. 235−242.
- Weinberg N. L., Hoffmann A. K. Electrochemical bifunctionalization of olefins in the presence of halide ions // Canad. J. Chem. 1971. V. 49. P. 740−745.
- Wachtershauser G. Before enzymes and templates: theory of surface metabolism //Microbiol. Rev. 1988. V. 52. P. 452−484.
- Wachtershauser G. Evolution of the first metabolic cycles // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990. V. 87. P. 200−204.112
- Wachtershauser G. Groundworks for an evolutionary biochemistry: the iron-sulphur world//Prog. Biophys. Mol. Biol. 1992. V. 58. P. 85−201.