一種模擬綠色植物的光合作用:二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法

2023-10-10 10:37:54 2

專利名稱：一種模擬綠色植物的光合作用:二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種模擬綠色植物的光合作用，通過二氧化碳與水合成碳氫化合物的方法，屬於生物合成技術領域。
背景技術：
綠色植物的光合作用，具有重大意義1、光合作用為包括人類在內的幾乎所有生物提供了物質來源和能量來源；2、光合作用製造了數量巨大的有機質，將太陽能轉化為化學能，儲存在有機質中；3、維持大氣層中O2和(X)2的相對穩定；4、光合作用還在生物的進化中具有重要意義。因此，自古以來中外科學家對綠色植物的光合作用十分重視，並進行了大量的、深入的科學研究，取得了很多重大的科研成果。所謂光合作用，是指在綠色植物的葉綠素上，一種原料來自大氣層中，即為二氧化碳；另一種原料來自土壤中，即為水；它們都是無機小分子。在光能的作用下，葉綠素上產生「光解水」，然後「光解水」與二氧化碳作用產生反應，其產物為單糖和氧氣。光合作用， 是一個質變的化學過程。主要包括1、光照，葉綠素吸收光能；2、葉綠素吸附與固定二氧化碳，成為光合作用的碳源；3、光照使環境溫度提高；4、增強綠色植物的蒸騰作用，即把根部吸收的水分輸送到葉綠素上去；5、水合鎂離子固定水，成為光合作用的水源；6、葉綠素「光解水」;7、「光解水」與二氧化碳作用，生成有機質，主要是單糖。總之，這是一個複雜的物理化學過程。光合作用，是綠色植物生物體新陳代謝的始點，是新陳代謝的重要組成部分，是綠色植物成長、成熟的基礎。有光合作用，才有綠色植物。為了研究模擬綠色植物的光合作用， 本發明僅從二氧化碳與水合成單糖的角度，對葉綠素的色素分子結構、原子及其功能、光能的功能，以及它們之間如何吸附、固定二氧化碳和水，如何形成「光解水」，「光解水」如何與二氧化碳作用合成為單糖，進行了較為深入的研究，並有了新的認識。根據文獻介紹，存在於綠色植物葉綠體上的綠色素，是含有鎂原子的卟吩的衍生物。有兩種形式a，葉綠素a，有四個甲基與卟吩核連接(R:-CH3)。b，葉綠素b，有三個甲基核一個醛基與卟吩核連接(R:_CH0)，目前已可採用化學方法合成，
權利要求
1.一種模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於該方法是採用一種含氮化合物，或者一種摩爾比1 1為含氮化合物與一種酸類化合物， 或者一種胺基酸兩性化合物，其含量為0.01% 10%，餘量為水；在水溶液中，上述化合物依靠自身的化學特性，轉化為氧化銨類化合物。再經C0，或者CO與(X)2混合氣體化學處理， 把氧化銨轉化為銨離子類化合物。銨離子與水作用，產生水解反應，形成「光解水」;與此同時，通入二氧化碳，兩者互動在二氧化碳還原反應體系中產生複雜的鏈式反應，最終目標產物為碳氫化合物，主要是3-8個碳原子的醇類化合物。
2.根據權利要求1所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的方法主要包括有①加料；②轉化；③調節溫度；④調節與加入二氧化碳；⑤互動與鏈式反應；⑥停加(X)2 ；⑦終止鏈式反應；⑧後續應用處理等工序，由此合成為碳氫化合物。所述的碳氫化合物主要是38個碳原子數的醇類化合物，以及少量單糖、 單酸、單酸酯；具體步驟是(1)加料在一反應釜中加入軟水，然後加入一種含氮化合物，或者一種摩爾比 1 1的含氮化合物與一種酸類化合物的混合物，或者一種胺基酸兩性化合物，其含量為 0.01% 10%，餘量為水。對於不溶或微溶於水的含氮化合物，需進行予處理；(2)轉化如上所述的水溶液中，所述一種含氮化合物，或者一種含氮化合物與一種酸類化合物，或者一種胺基酸兩性化合物，依靠自身化學特性，轉化成氧化銨類化合物；(3)調節溫度與此同時，開動電加熱器加熱，把反應釜內的溫度控制在室溫至50°C之間；(4)調節和加入CO2採用化學方法，即用C0，或CO與(X)2混合氣體，與氧化銨類化合物作用，負氧離子(0_2)與CO反應，從而除去負氧離子(0_2)，氧化銨類化合物轉化為銨離子類化合物。其化學式為ΞΝΗ— 一―O———ΗΝΞ + CO —......———> 2ΞΝ + CO與此同時，加入co2。二氧化碳採用氣體，可採用二氧化碳壓縮泵加入；(5)互動與鏈式反應在反應釜內，當氧化銨類化合物轉化為銨離子化合物時，其中銨離子類化合物的銨離子會與水作用，產生水解反應，其化學反應式為ΞΝΗ + H2O ^ EN H2O + H+^ ΞΝΗΟΗ + Ε 此時，啟動了「光解水」。在「光解水」反應中，其中負離子(0Η_)與銨離子產生水解平衡，即電離平衡，另外，又產生了一個氫離子。上述反應時間，一般為1到48小時；(6)停加二氧化碳當觀察到反應釜內濃度較大，粘度較高，合成效果顯著降低，或者取樣分析，達到企標，停加二氧化碳。(7)終止鏈式反應雖然停加二氧化碳，但反應釜內還有少量二氧化碳、自由基中間體，「光解水」機制還在進行，但已失去「碰撞反應」的條件，因此需採取機械攪拌，攪拌時間為l-30min，以利終止鏈式反應。當終止鏈式反應之後，其反應釜內為一種混合物，主要是3-8個碳原子數醇類化合物， 還有少量單酸、單糖，甚至還有酯類等化合物，以及尚未參加反應的水；(8)後續應用處理由於上述反應物為一種混合物，可以根據不同用途而進行後期應用處理，如用於潔純煤技術，製備水煤漿，形成碳循環燃燒(發電)；或採用化學分離方法， 可分離出不同品種的碳氫化合物，用於化工原料和化學燃料；所述的「光解水」化合物，即為氧化銨類化合物，分離出來可以重新應用。
3.根據權利要求1或2所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的含氮化合物，或者含氮化合物與酸類化合物的混合物，或者胺基酸兩性化合物為製備銨離子類化合物的前驅物，其中含氮化合物包括下列兩大類第一類為氨(NH3)及其衍生物；第二類生物鹼或稱植物鹼，即具有鹼性的含氮化合物；所述的酸類化合物是指在水溶液中能進行電離而產生的水合氫離子(H3O+1)的化合物， 也包括在鹼性條件下，能夠電離出氫離子的羧酸；所述的兩性化合物，是指胺基酸，是指分子中間同時含有氨基(NH2)和羧基(-C00H)的化合物。
4.根據權利要求3所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的碳氫化合物合成的原料為無機小分子，即H2O和CO2，其中二氧化碳(0) 俗稱碳酸氣，又稱碳酸酐和碳酐，為無色無味氣體，有酸味，密度1.977，相對密度 1.53(空氣1.00)；其中所述的水(H20)為無臭無味液體，淺層時幾乎無色，深層時呈藍色， 相對密度0.9987(0°0，沸點1001，冰點01，分子中氫和氧的重量比是1 8.在自然中呈氣態、液態和固態而存在。
5.根據權利要求2所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的步驟2中，所述轉化成氧化銨類化合物，可用下列方法鑑定①採用二氧化碳鑑定。氧化銨類化合物的前驅物，都是鹼性類化合物，如果沒有轉化成氧化銨，那麼均與二氧化碳反應。如果沒有反應，這說明已轉化為氧化銨類化合物；反之，則說明沒有轉化。②採用羥基水鑑定(H2O.OH—)。在含氧化銨類化合物的水溶液中，通入CO2，然後加入羥基水，如果產生反應，這說明已轉化為氧化銨類化合物。③採用羥基水(H2O.OH—)。將含有氧化銨類化合物的水溶液，加入羥基水，會產生反應， 這說明已是氧化銨類化合物。
6.根據權利要求2所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的鏈式反應中，氫離子首先與二氧化碳反應，有兩種反應途徑，產生兩種自由基中間體，其化學反應式為C02+H — HCOO-........................ (2)0)2+H— C O(OH)........................ (3)由此，啟動了二氧化碳還原反應體系形成自由基反應的第一步；形成的自由基中間體②式因為是酸性，很容易與銨離子中的負離子(0H_)，即為鹼性離子團形成歧化反應，產生甲醛和氧氣，其化學反應式為 HCOO- +or — ch2o+o2 丨........................這時，銨離子由於失去負離子(0H_)，產生電離不平衡，又與水作用，產生水解反應，其化學反應式為ξΝΗ + H2O ^ ΞΝ· H2O + HW ΞΝΗΟΗ + H ........................(5)此外，其中負離子(0H_)彌補了銨離子的電荷不平衡；另外，又產生一個氫離子(H+)；這時，氫離子(H+)又進一步引發與自由基中間體反應；自由基反應又引起「光水解」，兩者互動，產生兩種效應①「光解水」形成「光解水」機制；②自由基形成鏈式反應。
7.根據權利要求6所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的自由基鏈式反應是反應式④的產物是活潑分子甲醛，其中羰基(』-)是受氫基團，因此能與反應體系中的氫原子加成反應，其化學反應式為 CH20+H—CH2OH ........................(6)；第二步，鏈的增長是a，自由基與穩定分子反應，其中自由基中間體⑥式與CO2反應， 產生新的自由基中間體，即為鏈的增長，其化學反應式為 C H20H+C02 — HOCH2COO......................... (7)b，自由基自行反應，自由基中間體⑥式自行反應，即偶聯反應，產生乙二醇，其化學反應式為2C.H(0H) — HOCH2CH2OH ........................(8)c，兩種不同自由基反應，其中自由基中間體⑥式與自由基負離子(0H_)形成歧化反應， 產生醛乙糖和氧氣，其化學反應式為HOCH2COO" + OH > HOCH.CH +O2 ...............⑶第三步，鏈的增長是a，穩定分子與自由基反應，其中⑨式與氫原子加成反應，產生新的自由基中間體，其化學反應式為OHOCH2CH + H > HOCH2C H(OH)...............( ο)自由基中間體⑩式又與穩定分子二氧化碳反應，其化學反應式為 HOCH2CH (OH) +CO2 — HOCH2CH (OH) COO ..................(11)b、兩種不同自由基反應，其中自由基中間體(10)式與自由基負離子(0H_)歧化反應， 產生醛丙糖和氧氣其化學反應式為O 、H0CH2CH(0H)C00' + OH >HOCH2CH(OH)CH+ O2 ……(12) 自由基中間體(5)式與自由基中間體(10)式反應，產生丙三醇，其化學反應式為C' H2OH+HOCH2C- H (OH) — HOCH2CH (OH) CH2OH ........................(13)自由基中間體(10)式又與自由基中間體(2)反應，產生D-甘油醛和氧氣，其化學反應式為■ O 2HOCH.CH(OH) + 2HCOO· - -->2HOCHsCH(OH)CH + Q ......... (14)自由基中間體(6)式與自由基中間體(7)反應，產生二羥基丙酮和氧氣，其化學反應式為OΛ2HOCH.COO' +2CIL0H ——> 2HOCH力CH2OH+ Q ……(15)第四步，鏈的增長是a，穩定分子與自由基反應，其中(12)式與氫原子(H)加成反應， 產生新的自由基中間體，其化學反應式為
8.根據權利要求7所述的模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法，其特徵在於所述的鏈式反應還有其中(2)式與(2)式反應，產生乙二醛，其化學反應式為
全文摘要
一種模擬綠色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氫化合物的方法。該方法是採用一種含氮化合物；或者一種摩爾比1∶1為含氮化合物與一種酸類化合物；或者一種胺基酸兩性化合物，其含量為0.01％～10％，餘量為水。在水溶液中，上述化合物依靠自身的化學特性，轉化為氧化銨類化合物；再經CO，或者CO與CO2混合氣體化學處理，把氧化銨轉化為銨離子類化合物；銨離子與水作用，產生水解反應，形成「光解水」；與此同時，通入二氧化碳，兩者互動，在二氧化碳還原反應體系中產生複雜的鏈式反應，最終目標產物為碳氫化合物，得到的是主要是3-8個碳原子的醇類化合物。本發明從根本上解決碳排問題；同時，構築了碳在工業圈循環應用(燃燒)，大大縮短了原有的碳循環周期，可緩解化石燃料日趨枯竭的局面。
文檔編號C07C31/20GK102241563SQ201110217368
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月21日 優先權日2011年7月21日
發明者姜旭偉, 官建強, 楊貴榮, 趙金良 申請人:趙金良