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[技术] 生物系统中甲烷控制性的活化

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发表于 2008-12-3 12:16:45 | 显示全部楼层

生物系统中甲烷控制性的活化

  生物系统中甲烷控制性的活化
  (化学所助研究员)、陈长谦(特聘研究员)

  前言:

  甲烷分子的基本物理化学特性、在能源上的利用与对环境的影响甲烷分子是存在最小的有机分子,属于最轻质的碳能源,就热力学的观点而言,其还原性的碳氢键与氢分子的氢原子—氢原子共价键具备类似的能量,但由于其 1 个分子即具备了 4 个碳氢键,如果能将甲烷分子一口气氧化至二氧化碳,所具备的能量效能,自然比氢能源来的更有效率。然而,甲烷的化学反应性很低,在常温常压下要将烷类化合物进行羟化反应等活化反应是相当困难的,尤其在碳-氢键能高达 438.8 kJ/mol 状况下,以目前所熟知的合成方法而言,则需要在适当的催化剂及特殊条件下作用,才能将甲烷氧化成甲醇,例如利用亲电子试剂 Pt(II)、Pd(II)、Co(III)等催化剂来活化甲烷分子进行氧化反应,不过产率却不尽理想,直到后来利用 Hg(II)在 180℃浓硫酸下与甲烷进行反应(式(1)(4)),可将甲醇产率提高至约43%,但却产生大量二氧化碳副产物的缺点,缺乏应用价值。

  Step1:CH4+ 2 H2SO4 →Hg(II)CH3OSO3H + 2H2O + SO2(1)Step2:CH3OSO3H + H2O →CH3OH + H2SO4(2)Step3:SO2+ 1/2 O2+ H2O→H2SO4 (3)Net:CH4+ 1/2 O2 →CH3OH(4)因此,如何将甲烷有效率地活化,已成为科学与化学领域裡一个极其重要的问题。在自然界中,普遍存在以甲烷为主要碳源的利用细菌—嗜甲烷菌,这个细菌具备甲烷单氧化酶,可将甲烷选择性地氧化成相对应的甲醇后,进行所谓的碳壹代谢(C1 metabolism)。由于这些细菌可以分解甲烷成为高氧化态的分子—二氧化碳,因此,我们可以想像,举凡可能产生大量甲烷的区域,如沼泽、动物的排遗堆肥以及植物生长广氾区域(如森林或稻田)之地表上下各 10 公分处,均可能有这些细菌存在,它们担负着自然界中甲烷循环的使命,最重要的,大气中的甲烷和二氧化碳一样,是温室效应的气体,会吸收太阳辐射所产生的红外光,藉由振动的模式将能量吸收,以热的形式释放出来,而嗜甲烷菌则担负着全球百分之十左右甲烷循环的调节,不致使地球大气因过多的甲烷,导致全球温度上升,因而衍生极端气候及海平面上升所带来的危害。嗜甲烷菌与微粒体型甲烷单氧化酶嗜甲烷菌利用甲烷单氧化酶将甲烷活化成为甲醇,一般而言,这些菌系可产生两种截然不同的甲烷单氧化酶,一种称为溶解型甲烷单氧化酵素,其活性中心为双铁、鑽石核心型态、非 heme 的双羟基架桥双铁原子化合物(bis-µ-hydroxo-bridged binuclear iron),主要分布于细菌细胞的细胞质中。另一种甲烷单氧化酶则为微粒体型甲烷单氧化酵素,这为含铜酵素,分布于细菌的细胞内膜上,为膜蛋白。这两种蛋白的表现和细胞内铜离子的浓度有极大的关係,在低铜离子浓度的状态下,嗜甲烷菌主要是以溶解型的甲烷单氧化酵素来做甲烷的利用,在高铜离子的浓度状态下,则以微粒体型的甲烷单氧化酵素作表现。本院化学所的部分研究群,积极从事了解甲烷单氧化酵素是如何将甲烷转化成为甲醇等这方面的工作,并期望能够利用合成的方式重建酵素活性,架构所谓的模拟分子,我们对嗜甲烷菌系内微粒体甲烷单氧化酶内的铜离子之功能角色有极大的兴趣,毕竟,了解化性相对于铁离子更为惰性的铜离子如何能够催化相关反应的发生.

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  週报 第 1052 期极有趣的课题,所以我们选择了一个在摄氏 45 度生长、重複时间约两个小时、在两天左右即可生长至稳定期的嗜甲烷菌 Methylococcus capsulatus (Bath)作为研究的主要材料。甲烷单氧化酶是由参个次单元体所组成,分别为 α 4a (PmoB)、β 27 kDa (PmoA) 及 γ 23 kDa (PmoC),纯化后的膜蛋白,由元素分析鑑定出单一蛋白约含有 12 至 15 个铜离子,再配合其他如 X 射线吸收或 X 射线萤光光谱的测量,得知甲烷单氧化酶仅含有铜离子,不具备铁或锌等其他过渡金属,并由这些结果推论微粒体甲烷单氧化酵素是含铜蛋白。微粒体型甲烷单氧化酶内的电子聚铜离子簇与催化聚铜离子簇 铜离子为生物体中所存在第 2 高含量的过渡金属,第 1 高含量的过渡金属是铁离子,但一般的观念认为铜离子的化性不及铁离子错化物,所以一开始鑑定出微粒体甲烷氧化酵素是含铜蛋白时,许多相关的研究学者,均抱持怀疑的态度,但光谱数据分析的结果却显示,12-15 个铜离子中,存在着某种特殊的机制,使得甲烷能在这样的架构下氧化。其中,约有 6 至 9 个铜离子是属于氧气无法氧化的亚铜离子,扮演着电子储存与运送的角色,基于它们做为电子储存库的功能,我们称这些亚铜离子为「电子聚铜离子簇」(E- cluster),而剩下约 6 个铜离子,则以 3 个铜离子为一组做排列,形成两组参铜离子簇,在光谱上,我们可以很明显地区分出其中一组为 3 个互相耦合、顺磁二价的参铜离子簇,而另外一组,则为单一的二价铜离子与一个逆磁的双铜金属对。这些可以被氧气氧化的铜离子,因为很明显地直接参与氧气的利用及甲烷的活化,所以,我们将它们命名为「催化聚铜离子簇」(C-cluster)。何以甲烷的氧化酵素需要 6 个可氧化的催化性铜离子,并以 3 个铜离子为群组做排列呢?我们可以很简单地由化学定量的观点来加以描述(CH4+ 2O2+ 6H++ 6e-→ CH3OH + 3H2O ),甲烷氧化成为甲醇,可提供两个电子给氧原子,但氧分子的另外一个氧原子,则可再配合两个电子及质子的参与,产生另一个水分子,若再额外加入1 个氧分子,则其 2 个氧原子可再外加 4 个电子来完成 2 个水分子的还原,总而言之,为了要达成甲烷的活化及氧分子的还原,总共需要 8 个电子才能完成,其中 6 个电子由还原性的「催化聚铜离子簇」提供,各生成 1 个二价铜离子、耦合双铜离子对及耦合参铜离子簇,产生 3 个水分子,而甲烷则提供额外的 2 个电子,将分子极化生成甲醇。基于化学计量所衍生出的结果,我们可以推论,其中一个参铜离子簇的催化角色为甲烷的活化,然而,另外一个参铜离子簇的功能则为氧化酵素,目的在转化氧气产生 2 个水分子。Cluster ACluster Btype 2 Cu(II) EPRtrinuclear Cu(II) cluster EPRCopperOxygen耦合参铜离子簇耦合双铜离子对图一、微粒体甲烷单氧化酵素其催化活性中心中之参铜离子簇 A 与 B

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  週报 第 1052 期可活化甲烷的聚铜中间体在过去,我们一直试图以分子设计的角度,来探讨甲烷在微粒体甲烷单氧化酵素裡真正催化甲烷的中间体架构,为了比较各种可能的含铜中间体对甲烷活化的影响,我们以理论计算(1)bis(µ-oxo)Cu(III)2、(2)溷合价数的bis(µ-oxo)Cu(II)Cu(III)複合物,及(3)参铜离子簇为主的 bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III)等三种可能情形,评估何种中间体对羟基化反应的速率最快,我们发现以参铜离子簇为主的 bis(µ3-oxo)Cu(II)Cu(II)Cu(III),反应速率可达107-108s-1,和另外其他两种中间体其速率的差异,更达到 4 至 5 的数量级,因此,我们推断,在甲烷活化的参铜离子簇,其 3 个还原态的亚铜离子可以藉由 4 个电子与氧气配位键结,以生成 Cu(II)Cu(II)Cu(III)的中间体,此中间体可以直接採用较具活性的单谱线氧原子,以同步型态的方式,造成氢氧键与碳氧键形成、碳氢键的断裂并生成甲醇。目前,我们根据理论计算所获得的结果,设计与合成了一系列的 Cu(II)Cu(II)Cu(III)的中间体,这些中间体在与氧气共价键结后,存在极高的氧化活性,目前我们正积极的尝试以这些错化物为架构,设计适当的催化剂,测试是否可



发表于 2015-12-3 14:10:28 | 显示全部楼层
有竞争才有进步嘛
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