Химики впервые напрямую зафиксировали короткоживущие молекулы, возникающие в самом начале реакции озона с изопреном. Это вещество в больших количествах выделяют деревья и другие растения. Результаты работы могут помочь точнее прогнозировать загрязнение воздуха и образование городского смога.
Исследование провели химик Калифорнийского университета в Риверсайде Лэй Ян, профессор химии Джинсон Чжан и несколько аспирантов. Их статья опубликована в журнале Nature Communications. Учёные наблюдали за так называемыми промежуточными соединениями Криге, которые появляются при взаимодействии озона с изопреном и быстро исчезают.
Изопрен относится к алкенам и считается одним из самых распространённых химических соединений, поступающих в атмосферу. Ежегодно деревья и другие растения выбрасывают сотни миллионов тонн этого газа. Сам по себе изопрен почти не представляет прямой опасности, однако его реакция с озоном запускает цепочку превращений, в результате которых образуются вторичные органические аэрозоли.
Такие частицы составляют значительную часть дымки над городами, рассеивают солнечный свет и способны проникать глубоко в лёгкие. При этом результаты не означают, что леса являются причиной загрязнения воздуха. По словам Джинсона Чжана, основное внимание следует уделять приземному озону, а значит, сокращать выбросы его предшественников — прежде всего оксидов азота и летучих органических соединений. «Мы не можем ничего сделать с алкенами или изопреном, поступающими от деревьев», — сказал учёный. «Если вы хотите решить проблему качества воздуха, необходимо уменьшить содержание озона в воздухе. Озон является главным фактором. На практике это означает сокращение выбросов его химических предшественников, особенно оксидов азота и летучих органических соединений».
О реакции озона с изопреном и другими алкенами известно уже несколько десятилетий, но первые мгновения процесса оставались недоступными для прямого наблюдения. Промежуточные соединения Криге образуются за сотые доли секунды и почти сразу распадаются. Их существование предположил немецкий химик-органик Рудольф Криге около 80 лет назад, однако обычные методы не успевали обнаружить эти нестабильные молекулы. «Это похоже на ситуацию, когда природа подаёт нам готовое блюдо, а нам приходится угадывать, как оно приготовлено», — отметил Чжан. «Теперь у нас есть рецепт».
Для регистрации соединений исследователи применили сверхчувствительную спектроскопию затухания в резонаторе: свет многократно, примерно 10 тысяч раз, проходит между зеркалами, пока система фиксирует изменения. Метод позволяет наблюдать молекулы непосредственно в месте их образования, не извлекая их для последующего анализа. Учёные измерили скорость появления и исчезновения промежуточных соединений, проверили атмосферные химические модели и заложили основу для изучения более сложных реакций в реальной атмосфере. В дальнейшем команда намерена исследовать пинены — ещё один важный класс веществ, выделяемых деревьями, — и их взаимодействие с озоном. Как сообщает UC Riverside, ранее лаборатория Чжана уже наблюдала соединения Криге в более простых реакциях с небольшими алкенами.