Science：“万能”的小水滴，尿素也能自发形成

在探索生命起源的化学密码时，尿素（NH2CONH2）一直扮演着关键角色。这种看似简单的分子不仅是农业最重要的化肥之一，也是现代化学工业的重要原料，更可能是地球早期生命形成的“基石”之一。然而，尿素如何在原始地球的条件下自然形成，长期以来一直是引发科学家们争论的谜题。

近期，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的物理化学家Ruth Signorell教授课题组发现，在环境条件下氨（NH3）和二氧化碳（CO2）在水滴气液界面可自发形成尿素。他们发现水滴表面就像一个微观流动反应器，而表面的化学梯度通过非常规反应途径促进了反应的发生。这一结果说明，界面化学是地球早期前生物（prebiotic）条件下尿素生成的一种可能的非能量途径。相关论文发表在Science 杂志上。

工业上合成尿素需要高温（170-220 °C）和高压（12.5-25.0 MPa）的极端条件，而自然界显然不具备这样的反应条件。作者通过单液滴光学捕获技术结合拉曼光谱，首次观测到水滴表面自发形成尿素的现象（图1）。实验中，直径仅几微米的氨水溶液水滴被悬浮在充满二氧化碳气体的环境中，拉曼光谱显示（图1B和C），氨水溶液水滴暴露于二氧化碳后约30分钟，尿素的特征峰（1003 cm-1）逐渐增强，浓度达到约42 mM。对照实验表明（图1D），尿素的形成依赖于氨和二氧化碳的共同存在——若将二氧化碳替换为氮气，或水滴中不含氨，均未检测到尿素信号。此外，质子化的铵盐也无法驱动尿素的形成（图1F）。实验还排除了激光或热效应的干扰，证实反应完全由水滴表面的独特环境驱动。

图1. 单微滴实验。图片来源：Science

为排除单滴实验的偶然性，作者将氨水溶液喷入充满潮湿二氧化碳气体的圆底烧瓶中形成大量液滴，进行了进一步的验证（图2A-D）。尽管该大量液滴实验中单个水滴的尿素产率较低（停留时间仅3分钟），但气相色谱-质谱（GC-MS）和碳-13核磁共振（13C NMR）仍检测到了尿素信号（162.8 ppm）。拉曼光谱则显示了氨基甲酸盐（1037 cm-1）和碳酸氢盐（1013 cm-1）的共存，与单滴实验结果一致。值得注意的是，液体体相对照实验中仅检测到氨基甲酸盐（图2E-H），进一步凸显了水滴表面反应的独特性。

图2. 大量微滴实验与液体体相实验。图片来源：Science

传统尿素合成面临一个难题：第一步NH3和CO2生成氨基甲酸铵（NH2COONH4）是一个强放热的过程，而第二步氨基甲酸铵脱水生成尿素（NH2CONH2）却是一个吸热过程；根据勒夏特列（Le Chatelier）原理，反应平衡向尿素方向移动就面临相互矛盾的要求，第一步在低温和高压下更有利，而第二步则在高温和低压下更有利。当前的工业生产工艺仅能在高压（12.5至25.0 MPa）和高温（170° 至220 °C）下找到平衡点。因此，体相溶液在常温常压条件下仅能得到氨基甲酸盐的产物，但水滴则不同，其表面化学梯度驱动了新的反应路径，巧妙解决了这一矛盾。量子化学计算和反应扩散模型揭示（图3和图4），水滴表面存在pH梯度：靠近气体的一侧偏酸性，有利于CO2转化为氨基甲酸（NH2COOH，关键中间体）；而稍深的区域偏碱性，可以提供未质子化的氨（NH3）。这种梯度使两种本不相容的反应条件在微观尺度上共存。氨基甲酸作为关键中间体（酸性条件下存在有利），在质子催化下与中性氨（碱性条件下存在有利）反应生成尿素，随后通过扩散进入水滴内部，两者在纳米尺度的“接力”中完成尿素合成。如此看来，水滴表面就像一个微观的流动反应器，对于尿素形成至关重要。

图3. NH3和CO2形成尿素的结构及自由能图

图4. 水滴中尿素形成机制的示意图

这一发现为生命起源的“原始汤”理论提供了新视角。早期地球大气富含CO2和痕量NH3，而海洋飞沫、火山雾气或潮汐池中的微滴可能正是天然的尿素合成反应器。尿素进一步参与生成核酸碱基（如胞嘧啶和尿嘧啶），为生命分子搭建了阶梯。更引人遐想的是，这种界面驱动反应或许不仅限于尿素——其他生命前分子（如氨基酸或磷酸化合物）是否也可能在微滴中产生？

小结

越来越多的研究结果表明：许多在常规条件看似“不可能”发生的反应，在水滴的微小界面上都能轻松进行，如微水滴自发形成过氧化氢 [1,2]、CO2的加氢转化 [3]、N2和CO2生成尿素[4]、最强有机化学键C-F键的脱氟取代反应 [5] 等。这颗“万能”的小水滴不仅可能藏着生命起源的答案，也蕴含对未来绿色化工生产的新启示。各位读者，当你觉得手里反应难做的时候，或许可以考虑把它放进小水滴里试试？

Spontaneous formation of urea from carbon dioxide and ammonia in aqueous droplets

Mercede Azizbaig Mohajer, Pallab Basuri, Andrei Evdokimov, Grégory David, Daniel Zindel, Evangelos Miliordos, Ruth Signorell*

Science2025, 388, 1426. DOI: 10.1126/science.adv2362

参考文献：

[1] Lee, J. K.; Walker, K. L.; Han, H. S.; Kang, J.; Prinz, F. B.; Waymouth, R. M.; Nam, H. G.; Zare, R. N. Spontaneous generation of hydrogen peroxide from aqueous microdroplets. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019, 116, 19294.

[2] Lee, J. K.; Han, H. S.; Chaikasetsin, S.; Marron, D. P.; Waymouth, R. M.; Prinz, F. B.; Zare, R. N. Condensing water vapor to droplets generates hydrogen peroxide.. 2020, 117, 30934.

[3] Chen, X.; Xia, Y.; Wu, Y.; Xu, Y.; Jia, X.; Zare, R. N.; Wang, F. Sprayed Oil–Water Microdroplets as a Hydrogen Source. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146 (15), 10868.

[4] Song, X.; Basheer, C.; Xia, Y.; Li, J.; Abdulazeez, I.; Al-Saadi, A. A.; Mofidfar, M.; Suliman, M. A.; Zare, R. N. One-step Formation of Urea from Carbon Dioxide and Nitrogen Using Water Microdroplets. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145 (47), 25910.

[5] Nandy, A.; Rana, A.; Shibata, N.; Banerjee, S. Breaking the Strongest Organic Bonds by Water: Defluorosubstitutions at the Air–Water Interface of Microdroplets. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147 (26), 22542.

（本文由此山供稿）