Methyl Formate (HCOOCH3) là một phân tử quan trọng trong lĩnh vực hóa học vũ trụ. Sự ổn định của nó khi tiếp xúc với các hạt như electron năng lượng thấp ảnh hưởng đến sự tồn tại và vai trò của nó trong không gian. Nghiên cứu này tập trung vào quá trình phân hủy của HCOOCH3 khi bắt giữ electron trong khoảng năng lượng từ 0 đến 15 eV.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, sự gắn kết electron vào HCOOCH3 dẫn đến quá trình phân ly trực tiếp. Quá trình này diễn ra chủ yếu ở hai vùng năng lượng: 1-4 eV và 5-14 eV. Thí nghiệm đã xác định năm mảnh ion âm với tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) tương ứng là 59 (C2H3O2−), 58 (C2H2O2−), 45 (CHO2−), 31 (CH3O−) và 29 (CHO−). Hai ion âm CH3O− và CHO−, sản phẩm của sự cắt đứt một liên kết duy nhất, được hình thành với số lượng lớn nhất.
Sự phân ly của Methyl Formate do electron năng lượng thấp khác biệt so với các đồng phân của nó, axit axetic và glycolaldehyde. Điều này cho thấy sự chọn lọc hóa học có thể xảy ra trong quá trình tiến hóa hóa học trong không gian.
Trong môi trường giữa các vì sao (ISM), HCOOCH3 có thể được hình thành thông qua một loạt các phản ứng ion-phân tử. Đầu tiên, methanol phản ứng với ion H3+. Phản ứng tiếp theo của methanol proton hóa với formaldehyde tạo ra ion [HC(OH)OCH3]+, sau đó trải qua quá trình tái hợp phân ly với một electron để tạo thành methyl formate và hydro nguyên tử.
Hình 1. Sơ đồ năng lượng thế minh họa sự hình thành và phân ly của ion âm tạm thời (TNI).
Sự khác biệt về độ phong phú giữa methyl formate và các đồng phân của nó cho thấy rằng, sự hình thành và phân hủy của chúng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố nhiệt động lực học, mà còn phụ thuộc vào các phản ứng hóa học và vật lý khác. Một trong những yếu tố này là tương tác với electron, dẫn đến sự hình thành ion dương hoặc âm và sự phân mảnh của phân tử. HCOOCH3 chứa nhóm ester, đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa hóa học của các phân tử axit hữu cơ, amin và các hợp chất khác.
Sự tương tác giữa HCOOCH3 và electron năng lượng thấp đặc biệt quan trọng. Electron năng lượng thấp trong không gian có thể được tạo ra từ tương tác của tia vũ trụ với các phân tử khí hoặc từ tương tác không đàn hồi của tia vũ trụ khi đi qua vật chất. Tương tác này có thể thúc đẩy các phản ứng tương tự như các quá trình gây ra bởi tia UV hoặc photon năng lượng thấp.
Để nghiên cứu sự phân ly của HCOOCH3 khi bắt giữ electron, một thiết bị quang phổ electron đã được sử dụng. Thiết bị này bao gồm một nguồn chùm phân tử, một bộ đơn sắc electron bán cầu độ phân giải cao và một bộ lọc khối phổ tứ cực.
Để bổ sung cho các kết quả thực nghiệm, các tính toán hóa học lượng tử đã được thực hiện để xác định ái lực electron và ngưỡng phản ứng nhiệt hóa học. Phương pháp G4 đã được sử dụng để tính toán ái lực electron và ngưỡng phản ứng. Các tính toán được thực hiện ở nhiệt độ phòng (293,15 K) và áp suất 0 Pa, tương ứng với điều kiện thí nghiệm.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự gắn kết electron với methyl formate là một quá trình phân ly đơn thuần, tạo ra năm mảnh ion âm với m/z là 59 (C2H3O2−), 58 (C2H2O2−), 45 (CHO2−), 31 (CH3O−) và 29 (CHO−). Ion gốc HCOOCH3− không được quan sát trong thí nghiệm.
Hình 2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ ion mảnh theo năng lượng electron.
Các đường cong năng suất anion cho thấy sự hình thành anion xảy ra thông qua sự bắt giữ electron cộng hưởng trong hai vùng năng lượng rộng: từ 1 eV đến 4 eV và từ 5 eV đến 14 eV.
Việc mất một hoặc hai nguyên tử hydro từ methyl formate dẫn đến sự hình thành hai ion âm C2H3O2− và C2H2O2−. Các anion loại (M−H)− hoặc (M−2H)− thường được quan sát trong các quá trình DEA.
Anion CH3O− và CHO− được tìm thấy trong ISM và đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp. Tỷ lệ phong phú của CH3O− và CHO− là khoảng 3:1, cho thấy tiết diện DEA có cùng bậc độ lớn. Sự hình thành của chúng liên quan đến sự cắt đứt liên kết C−O đơn giản, dẫn đến một anion và đối tác trung tính.
Anion CHO2− được hình thành với hiệu suất tương đối thấp trong DEA với methyl formate. Anion này cũng được phát hiện trong các nghiên cứu trước đây về tương tác electron năng lượng thấp với axit axetic và glycolaldehyde, cũng như với các axit hữu cơ khác.
Tóm lại, nghiên cứu này đã điều tra sự gắn kết electron phân ly với methyl formate trong pha khí. Kết quả cho thấy, methyl formate là một phân tử hóa học vũ trụ quan trọng, có thể đóng vai trò trong sự hình thành các hợp chất phức tạp hơn. Sự phân ly của HCOOCH3 do electron năng lượng thấp khác biệt so với các đồng phân của nó. Các anion CH3O−, CHO− và CHO2− được tìm thấy trong ISM và có thể đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp.
Hình 3. Biểu đồ năng lượng tự do G4 biểu thị quá trình loại bỏ phân tử H2 từ methyl formate.