本申請案主張2013年10月4日申請的美國臨時(shí)申請案第61/886,676號的權(quán)利，該美國臨時(shí)申請案以全文引用的方式并入本文中，引用程度為不與本文不兼容。

關(guān)于聯(lián)邦政府贊助研究或研發(fā)的聲明

不適用。

背景技術(shù)：

近年來，為尋找替代燃料來取代逐漸減少的石油供應(yīng)，使用催化劑將甲烷有效轉(zhuǎn)化為甲醇的研發(fā)愈來愈受到關(guān)注。天然氣探勘及生產(chǎn)技術(shù)的近期進(jìn)展使得天然氣產(chǎn)量及已知天然氣儲量兩者顯著增加。天然氣主要系由與諸如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及己烷的其他揮發(fā)性碳?xì)浠衔锘旌系募淄闃?gòu)成。盡管天然氣主要系用作可燃性燃料，但對于將天然氣轉(zhuǎn)化為更有效率且可運(yùn)輸?shù)娜剂系牡募夹g(shù)具有極大興趣。一種潛在具吸引力的轉(zhuǎn)化途徑為將天然氣氧化為氧化產(chǎn)物，諸如醇，其具有較高比能、較低揮發(fā)性及較大的化學(xué)多用途性。

甲醇具有一系列商業(yè)應(yīng)用，包括作為制造工業(yè)化學(xué)品(例如甲醛、二甲醚等)的原料、作為燃料或燃料添加劑(例如，汽車)及作為用于合成及制造應(yīng)用的溶劑。目前，合成甲醇的最常用方法為使用基于銅之催化劑使一氧化碳與氫氣反應(yīng)。然而，此方法為吸熱性且同時(shí)需要高溫(約250℃)及高壓(50-100atm)。可使用天然氣或純甲烷作為原料來產(chǎn)生一氧化碳及氫氣，通常系藉由使用鎳催化劑使甲烷與蒸汽反應(yīng)，其隨后可用于產(chǎn)生甲醇。然而，同樣地，此反應(yīng)為吸熱性且需要高溫(約850℃)及高壓(約40atm)。因此，許多用于將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的習(xí)知方法系資源密集且成本高昂的，因此等方法需要多個(gè)步驟、昂貴的催化劑及大量的能源投入。

將甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲醇之氣體至液體方法極具挑戰(zhàn)性，因甲烷中的C-H鍵具有極高鍵能(104千卡/莫耳)，且因此大致呈化學(xué)惰性。另外，此反應(yīng)之甲醇反應(yīng)產(chǎn)物易在許多條件下進(jìn)一步氧化，由此使得難以在高產(chǎn)率下選擇性地產(chǎn)生甲醇。同樣地，將除甲烷之外的短長度烷烴氧化為其對應(yīng)醇亦具有挑戰(zhàn)性，因此等分子中的C-H鍵能僅略低于甲烷的C-H鍵能，而具有類似的過度氧化問題。

即使在環(huán)境溫度及壓力下，諸如莢膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)及甲烷氧化菌(Methylosinus trichosporium)的嗜甲烷(Methanotrophic)細(xì)菌亦可使甲烷輕易地轉(zhuǎn)化為甲醇。此等細(xì)菌藉由使用甲烷單加氧酶(MMO)酵素及氧氣來介導(dǎo)甲醇的氧化[參見例如，Chan,Sunney等人(2004)Toward delineating the Structure and Function of the Particulate Methane Monooxygenase from Methanotropic Bacteria.Biochemistry,43(15),4421-4430]。存在兩種不同形式的MMO：顆粒狀(pMMO)及可溶性(sMMO)。特定言之，pMMO酵素在氧化C1至C5直鏈烷烴時(shí)展現(xiàn)驚人之位置特異性及立體選擇性。

研究者已研究其中pMMO促進(jìn)烷烴轉(zhuǎn)化為烷醇的生化反應(yīng)，潛在目標(biāo)是要產(chǎn)生可在環(huán)境條件下氧化碳?xì)浠衔锏姆律呋瘎?。根?jù)此研究之結(jié)果，對于理解該酵素應(yīng)并入多銅簇作為氧化之活性場景已開始達(dá)成共識[參見例如，Chan,Sunney等人(2008)Controlled Oxidation of Hydrocarbons by the Membrane-Bound Methane Monooxygenase:The Case for a Tricopper Cluster,Accounts of Chem.Research,41(8),969-979]。該研究亦表明，諸如sMMO及pMMO的酵素需要嚴(yán)格的動(dòng)力控制以便將催化劑有效地再生成回前驅(qū)體狀態(tài)，因而對研發(fā)可行的仿生催化劑呈現(xiàn)另一挑戰(zhàn)。然而，藉由在較高氧化態(tài)下操作金屬離子或藉由利用芬頓型化學(xué)(Fenton-type chemistry)，可潛在地規(guī)避過渡金屬催化劑中對動(dòng)力控制的需求[參見例如，Chan,Sunney等人(2012)Efficient catalytic oxidation of hydrocarbons mediated by tricopper clusters under mild conditions,J.Catal.,293,186-194]?；趕MMO或pMMO研發(fā)的功能性仿生催化劑，先前工作的成效有限。

舉例而言，Elgammal之PCT公開案第WO 2011/035064A2號系關(guān)于一種用于氧化碳?xì)浠衔锏拇呋瘎浒?,2,4-三唑配位體及過渡金屬。該催化劑系在0-25℃之間的溫度下操作。然而，甲烷氧化為甲醇的產(chǎn)率僅維持在30％以下，且在大多數(shù)情況下低得多。此外，在氧化較高碳數(shù)烷烴的反應(yīng)中，低位置特異性及過度氧化兩者仍然為主要問題。

自前文應(yīng)了解，目前此項(xiàng)技術(shù)中需要可在環(huán)境條件下以高度的位置特異性及立體選擇性輕易氧化碳?xì)浠衔锏慕?jīng)改進(jìn)的分子催化劑及方法。特定言之，需要對來自天然氣之碳?xì)浠衔锾峁┐呋趸拇呋瘎移鋵τ谟杏醚趸a(chǎn)物(諸如甲醇)的形成展現(xiàn)高轉(zhuǎn)換頻率及特異性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明系關(guān)于分子催化劑及利用該等分子催化劑的化學(xué)反應(yīng)，且特定言之，系關(guān)于用于有效催化氧化碳?xì)浠衔?諸如來自天然氣之碳?xì)浠衔?的分子催化劑。本文所提供的分子催化性平臺可在例如環(huán)境條件下(如接近室溫及大氣壓力)輕易氧化碳?xì)浠衔铩?/p>

本文提供用于氧化碳?xì)浠衔锏拇呋瘎┙M合物、催化系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的銅催化劑及催化劑調(diào)配物，例如，展現(xiàn)高催化效率，且在支持一系列工業(yè)及能量相關(guān)應(yīng)用的條件下具有良好的轉(zhuǎn)換率及氧化產(chǎn)物產(chǎn)率。本發(fā)明提供多用途類別的銅催化劑，其具有經(jīng)調(diào)整以針對一系列碳?xì)浠衔锏难趸癁樘囟ㄑ趸a(chǎn)物達(dá)成基質(zhì)識別及產(chǎn)物選擇性的組成。本發(fā)明的銅催化劑及方法為靈活的，由此支持異相及均相催化兩者。本發(fā)明的銅催化劑系統(tǒng)可使用多種易于取得的氧化劑及還原劑而在動(dòng)力上驅(qū)動(dòng)催化劑活化及再生步驟。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于將天然氣中的氣相碳?xì)浠衔镉行мD(zhuǎn)化為諸如烷醇、烷酮及烷二醇的可運(yùn)輸燃料及商業(yè)有用產(chǎn)物的仿生銅催化劑及催化方法。在一實(shí)施例中，催化劑組成及方法組合基質(zhì)識別及氧原子轉(zhuǎn)移，從而支持用于位置特異性烷烴羥基化的有效途徑。本發(fā)明的特定銅催化劑例如可以高產(chǎn)率將甲烷有效氧化為甲醇而不會發(fā)生過度氧化。在一實(shí)施例中，例如，來自甲烷的催化氧化的甲醇產(chǎn)率系大于或等于75％，且視情況就一些應(yīng)用而言大于或等于90％。本發(fā)明的此態(tài)樣尤其適用于提供在環(huán)境條件下將天然氣轉(zhuǎn)化為液體氧化產(chǎn)物的選擇性途徑。

在一態(tài)樣中，本發(fā)明提供一種氧化碳?xì)浠衔镆援a(chǎn)生氧化產(chǎn)物的催化方法，該方法包含以下步驟：(i)在氧化劑存在下使碳?xì)浠衔锱c銅催化劑接觸，由此產(chǎn)生氧化產(chǎn)物，及(ii)再生該銅催化劑，其中該銅催化劑包含三銅錯(cuò)合物，其包含三個(gè)Cu離子及一個(gè)具有式(FX1)之配位體(L)：

其中m及n各自獨(dú)立地為0、1或2；e、f、g及h各自獨(dú)立地為0或1；X¹及X²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；Y¹及Y²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；且R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫、C₁-C₁₀烷基、C₃-C₁₀環(huán)烷基、C₅-C₁₀芳基、C₅-C₁₀雜芳基、C₁-C₁₀?；?、C₂-C₁₀烯基、C₃-C₁₀環(huán)烯基、C₂-C₁₀炔基、C₅-C₁₀烷芳基、-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)；或其中R¹與R⁵結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)，且其中R²與R⁶結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)。在一實(shí)施例中，碳?xì)浠衔?、銅催化劑及氧化劑系例如以溶液相、液相、氣相或此等的組合彼此實(shí)體接觸。在一實(shí)施例中，例如，經(jīng)再生的銅催化劑隨后與氧化劑及碳?xì)浠衔飬⑴c進(jìn)一步反應(yīng)而達(dá)成催化氧化。

在某些實(shí)施例中，碳?xì)浠衔餅镃₁-C₈烷烴或C₂-C₈烯烴，包括直鏈、分支鏈及環(huán)狀C₁-C₈烷烴或C₂-C₈烯烴。視情況，例如，碳?xì)浠衔餅榧淄?、乙烷、丙烷、丁烷或此等的任何組合。在一實(shí)施例中，碳?xì)浠衔餅閬碜蕴烊粴鈽悠返募淄椤Ｔ谝惶囟▽?shí)施例中，例如，碳?xì)浠衔锵狄蕴烊粴獾臉悠诽峁?。在?shí)施例中，氧化產(chǎn)物為醇、酮或二醇。在某些實(shí)施例中，例如，氧化產(chǎn)物為醇，諸如甲醇、乙醇、丙醇。在實(shí)施例中，催化方法可在等于或低于25℃之溫度下及在等于或低于1大氣壓之壓力下進(jìn)行。

在式(FX1)之情況中，將e、f、g及/或h指定為0系對應(yīng)于具有式(FX1)的配位體，其中R¹、R²、R⁵及R⁶分別不存在；且將e、f、g及/或h指定為1系對應(yīng)于具有式(FX1)的配位體，其中分別存在R¹、R²、R⁵及R⁶。在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供使用本發(fā)明銅催化劑的方法、調(diào)配物及組合物，該等銅催化劑包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中e、f、g及/或h中的一或多者為0，例如其中X¹、X²、Y¹或Y²為硫或氧。在一特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供使用本發(fā)明銅催化劑的方法、調(diào)配物及組合物，該等銅催化劑包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中m及n各自為0或1。在一特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供使用本發(fā)明銅催化劑的方法、調(diào)配物及組合物，該等銅催化劑包含具有式(FX1)的配位體(L)，其中e、f、g及h各自為1。在一特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供使用本發(fā)明銅催化劑的方法、調(diào)配物及組合物，該等銅催化劑包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中e、f、g及h各自為0。

本發(fā)明的一重要特性為氧化方法的催化性質(zhì)，例如其中在產(chǎn)生氧化產(chǎn)物之后，銅催化劑經(jīng)有效地再生，且因此可用于隨后與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)且進(jìn)一步產(chǎn)生氧化產(chǎn)物。在一些實(shí)施例中，例如，該方法的特征在于催化劑活化及再生步驟，其可例如經(jīng)由提供充足的氧化劑及/或還原劑以在動(dòng)力上驅(qū)動(dòng)催化劑活化及再生步驟而達(dá)成動(dòng)力控制。本發(fā)明方法可與一系列用于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)催化劑活化的不同氧化劑(諸如過氧化氫、空氣及氧氣)及用于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)催化劑再生的還原劑(諸如過氧化氫)相容。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包含提供能夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)催化活化的濃度及/或量的氧化劑的步驟。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包含提供能夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)催化再生的濃度及/或量的還原劑的步驟。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包含補(bǔ)充銅催化劑、氧化劑、還原劑、碳?xì)浠衔锘蚱浣M合的濃度及/或量的步驟。

在一特定實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式[Cu^ICu^ICu^I(L)_q]之三銅錯(cuò)合物，其中q為1至3之整數(shù)，且其中L為配位體。在一實(shí)施例中，例如，銅催化劑包含具有式[Cu^ICu^ICu^I(L)]⁺之三銅錯(cuò)合物，其中L為配位體。在一實(shí)施例中，例如，使銅催化劑與氧化劑接觸，由此產(chǎn)生經(jīng)氧化活化的銅催化劑。在實(shí)施例中，例如，經(jīng)氧化活化的銅催化劑具有式[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]⁺，其中L為配位體。在一特定實(shí)施例中，經(jīng)氧化活化的銅催化劑具有式(FX12)：

其中m、n、X¹、X²、Y¹、Y²、R³、R⁴、R⁷、R⁸及R⁹系如關(guān)于(FX1)所定義。

在一特定實(shí)施例中，例如，經(jīng)氧化活化的銅催化劑具有特征在于疏水性結(jié)合袋的結(jié)構(gòu)，該疏水性結(jié)合袋提供碳?xì)浠衔锏姆肿幼R別，例如提供對甲烷、乙烷、丙烷及/或丁烷的分子識別。

在一實(shí)施例中，經(jīng)氧化活化的銅催化劑與碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)導(dǎo)致O原子自經(jīng)氧化活化的銅催化劑轉(zhuǎn)移至碳?xì)浠衔?，由此產(chǎn)生氧化產(chǎn)物。視情況，例如，O原子經(jīng)插入至碳?xì)浠衔锏腃-H鍵中，例如產(chǎn)生醇、酮或二醇反應(yīng)產(chǎn)物。在一實(shí)施例中，經(jīng)氧化活化的銅催化劑與碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)產(chǎn)生經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物，該方法進(jìn)一步包含還原該經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物以便再生該銅催化劑。在一實(shí)施例中，例如，經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物具有式[Cu^ICu^II(μ-O)Cu^II(L)]⁺，其中L為配位體。在一實(shí)施例中，經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物具有式(FX13)：

其中m、n、X¹、X²、Y¹、Y²、R³、R⁴、R⁷、R⁸及R⁹系如關(guān)于(FX1)所定義。在一特定實(shí)施例中，還原該經(jīng)部分氧化三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物的步驟系藉由使該經(jīng)部分氧化三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物與還原劑接觸來達(dá)成。視情況，例如，該還原劑為H₂O₂、H₂、甲酸鹽或抗壞血酸鹽。在實(shí)施例中，于該方法中再生的銅催化劑在催化方法中在氧化劑存在下接觸碳?xì)浠衔锒M(jìn)一步產(chǎn)生氧化產(chǎn)物。在一特定實(shí)施例中，該碳?xì)浠衔餅榧淄?、乙烷及丙烷；且氧化產(chǎn)物在該氧化劑存在下與該銅催化劑接觸時(shí)不經(jīng)歷進(jìn)一步氧化。在一些實(shí)施例中，該方法的特征在于大于或等于1×10^-2sec^-1，視情況就一些應(yīng)用而言大于或等于5×10^-2sec^-1的轉(zhuǎn)換頻率。在一些實(shí)施例中，該方法的特征在于大于或等于50％，視情況就一些應(yīng)用而言大于或等于75％之催化效率。

在特定實(shí)施例中，銅催化劑進(jìn)一步包含一或多種相對離子，例如，相對離子系選自由ClO₄^-或BF₄^-組成的群組。

本發(fā)明提供一類具有適用于氧化一系列碳?xì)浠衔锏慕M成的銅催化劑。在實(shí)施例中，例如，銅催化劑之配位體(L)的組成可經(jīng)調(diào)節(jié)以提供關(guān)于碳?xì)浠衔锘|(zhì)之分子識別的選擇性及/或關(guān)于氧化產(chǎn)物的組成的特異性。如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將認(rèn)識到，本文所描述之任何銅催化劑均可用于本發(fā)明方法及調(diào)配物。

在一實(shí)施例中，例如，本發(fā)明的方法及組合物包括一種催化劑，其包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中X¹、X²、Y¹及Y²各自為N。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明的方法及組合物包括一種催化劑，其包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中R¹與R⁵結(jié)合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此與鄰接乙二胺基團(tuán)形成哌嗪環(huán)或高哌嗪環(huán)；且其中R²與R⁶結(jié)合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此與鄰接乙二胺基團(tuán)形成哌嗪環(huán)或高哌嗪環(huán)。在一實(shí)施例中，本發(fā)明之方法及組合物包括一種催化劑，其包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中R⁷及R⁸各自為乙基。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明的方法及組合物包括一種催化劑，其包含具有式(FX1)之配位體(L)，其中R⁷及R⁸皆不為甲基。在實(shí)施例中，R³、R⁴、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫或C₁-C₅烷基。在一特定實(shí)施例中，本發(fā)明的方法及組合物包括一種催化劑，其包含具有式(FX1)的配位體(L)，其中R⁹為-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)。

在某些實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式(FX2)或(FX3)的配位體(L)：

其中m、n、X¹、X²、Y¹、Y²、R³、R⁴、R⁷、R⁸及R⁹系如關(guān)于(FX1)所定義；且視情況其中R⁷及R⁸各自為乙基。在一些實(shí)施例中，R⁷及R⁸皆不為甲基。

在某些實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式(FX4)或(FX5)的配位體(L)：

其中R³、R⁴、R⁷、R⁸及R⁹系如關(guān)于(FX1)所定義；且視情況其中R⁷及R⁸各自為乙基。在一些實(shí)施例中，R⁷及R⁸皆不為甲基。

在某些實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式(FX6)或(FX7)的配位體(L)：

其中R⁷及R⁸系如關(guān)于(FX1)所定義；且視情況其中R⁷及R⁸各自為乙基。在其他實(shí)施例中，R⁷及R⁸皆不為甲基。

在某些實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式(FX8)的配位體(L)：

在某些實(shí)施例中，銅催化劑包含具有式(FX9)、(FX10)或(FX11)的配位體(L)：

其中m、n、Y¹、Y²、R¹-R⁹系如關(guān)于(FX1)所定義；且視情況其中R⁷及R⁸各自為乙基。在一些實(shí)施例中，R⁷及R⁸皆不為甲基。

本文所提供的銅催化劑可以高度的位置特異性氧化廣范圍的碳?xì)浠衔锴矣袠O少過度氧化(或在一些實(shí)施例中，無過度氧化)。本發(fā)明的一些銅催化劑例如可將烷烴(諸如甲醇)氧化為烷醇氧化產(chǎn)物，同時(shí)極少或沒有產(chǎn)生烷酮或烷二醇產(chǎn)物的過度氧化。特定配位體對于碳?xì)浠衔锘|(zhì)的組成具有高度識別力。

在一實(shí)施例中，碳?xì)浠衔餅橹辨湣⒎种ф溁颦h(huán)狀烷烴或烯烴。在另一實(shí)施例中，例如，碳?xì)浠衔餅镃₁-C₈烷烴或C₁-C₈烯烴，且視情況就一些實(shí)施例而言，C₁-C₆烷烴或C₁-C₆烯烴；且視情況就一些實(shí)施例而言，C₁-C₄烷烴或C₁-C₄烯烴。視情況，例如，碳?xì)浠衔餅榧淄?、乙烷、丙烷?或正丁烷。視情況，例如，碳?xì)浠衔餅榧淄?。在?shí)施例中，碳?xì)浠衔锵狄詺庀唷⒁合?、溶液相或此等的組合提供。

所揭示的催化劑組合物就適用于本發(fā)明催化方法的氧化劑而言系相當(dāng)多樣化的。在一特定實(shí)施例中，例如，氧化劑為一或多種氧氣物質(zhì)。視情況，氧化劑為O₂、H₂O₂或空氣。在實(shí)施例中，氧化劑系以氣相、液相、溶液相或此等的組合提供。

本發(fā)明的催化方法、組合物及方法可有利于均相及異相催化兩者。

在一些實(shí)施例中，銅催化劑為均相催化劑。舉例而言，在實(shí)施例中，銅催化劑、氧化劑及碳?xì)浠衔锔髯匀芙庥谌軇┲?，其中使碳?xì)浠衔锱c銅催化劑在氧化劑存在下接觸的步驟系在包含溶劑、經(jīng)溶解銅催化劑、氧化劑及碳?xì)浠衔锏木|(zhì)溶液中進(jìn)行。

在實(shí)施例中，銅催化劑為異相催化劑。在一些實(shí)施例中，銅催化劑系固定在固體催化劑載體骨架之一或多個(gè)表面上。在一實(shí)施例中，催化劑載體骨架為復(fù)數(shù)個(gè)中孔粒子。在某些實(shí)施例中，銅催化劑系共價(jià)附接至聚合載體、玻璃珠?；驑渲?。在一實(shí)施例中，例如，固體催化劑載體骨架包含中孔材料，且銅催化劑系提供于中孔材料的孔網(wǎng)絡(luò)的表面上。在一些實(shí)施例中，固體催化劑載體骨架為中孔硅酸鹽、中孔碳或溶膠凝膠。在一實(shí)施例中，中孔材料經(jīng)官能化以產(chǎn)生帶負(fù)電表面來達(dá)成銅催化劑的固定。在一實(shí)施例中，例如，中孔材料系藉由與Al或陰離子3-三羥基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)接觸而官能化。

在一些實(shí)施例中，例如，溶液中的催化劑濃度系選自0.1-10mM，且視情況，就一些應(yīng)用而言，1-10mM的范圍。在一些實(shí)施例中，溶液中的碳?xì)浠衔餄舛认颠x自0.01-1.0M，且視情況，就一些應(yīng)用而言，0.1-0.5M的范圍。在一些實(shí)施例中，溶液中的氧化劑濃度系選自0.05-1M，且視情況，就一些應(yīng)用而言，0.05-0.2M的范圍。在一些實(shí)施例中，溶劑為非水性溶劑，諸如極性或非極性非水性溶劑。在一特定實(shí)施例中，溶劑為MeCN或氟代烴，例如C₂-C₂₀氟碳化合物。在一實(shí)施例中，該一或多種溶劑不為H₂O。

本文中包含的催化劑方法、組合物及方法支持一系列應(yīng)用，包括將天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料。該等催化劑方法及組合物適用于多種其他應(yīng)用，包括生產(chǎn)工業(yè)及商業(yè)相關(guān)材料，包括醇、酮及二醇。在一實(shí)施例中，例如，(i)碳?xì)浠衔餅榧淄榍已趸a(chǎn)物為甲醇；(ii)碳?xì)浠衔餅橐彝榍已趸a(chǎn)物為乙醇；(iii)碳?xì)浠衔餅楸榍已趸a(chǎn)物為丙醇；(iv)碳?xì)浠衔餅槎⊥榍已趸a(chǎn)物為丁醇、丁酮、2,3-丁二醇；或(v)此等的任何組合。在一實(shí)施例中，催化方法系用于將天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料。在一實(shí)施例中，該方法系用于氧化石油樣品(包括源自石油加工的樣品)中的碳?xì)浠衔?。在一?shí)施例中，例如，催化方法系用于天然氣中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的烷烴羥基化。在實(shí)施例中，使用空氣作為氧化劑將天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料。在一實(shí)施例中，例如，將天然氣轉(zhuǎn)化為包含醇、酮、二醇或此等的任何組合的液體燃料。在一實(shí)施例中，例如，該方法系用于在等于或低于25℃的溫度下及在等于或低于1大氣壓的壓力下產(chǎn)生液體燃料。在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包含分離氧化產(chǎn)物。在實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包含回收銅催化劑。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供將天然氣轉(zhuǎn)化為一或多種液體燃料的方法。在一實(shí)施例中，例如，本發(fā)明提供將天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料的催化方法，該方法包含以下步驟：(i)使天然氣中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷與銅催化劑在氧化劑存在下接觸；由此產(chǎn)生包含醇、酮、二醇或此等的任何組合的液體燃料；及(ii)再生該銅催化劑；其中，該銅催化劑包含三銅錯(cuò)合物，其包含三個(gè)銅離子及具有下式(FX1)之配位體(L)：

其中m及n各自獨(dú)立地為0、1或2；e、f、g及h各自獨(dú)立地為0或1；X¹及X²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；Y¹及Y²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；且R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫、C₁-C₁₀烷基、C₃-C₁₀環(huán)烷基、C₅-C₁₀芳基、C₅-C₁₀雜芳基、C₁-C₁₀?；₂-C₁₀烯基、C₃-C₁₀環(huán)烯基、C₂-C₁₀炔基、C₅-C₁₀烷芳基、-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)；或其中R¹與R⁵結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)，且其中R²與R⁶結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)。在一實(shí)施例中，例如，氧化劑為空氣。

在另一態(tài)樣中，本發(fā)明提供用于氧化碳?xì)浠衔锏拇呋瘎┱{(diào)配物。在一實(shí)施例中，例如，本發(fā)明提供用于氧化碳?xì)浠衔镆援a(chǎn)生氧化產(chǎn)物的催化劑調(diào)配物，該調(diào)配物包含：(i)包含三銅錯(cuò)合物的銅催化劑，該三銅錯(cuò)合物包含三個(gè)Cu離子及具有下式(FX1)之配位體(L)：

其中m及n各自獨(dú)立地為0、1或2；e、f、g及h各自獨(dú)立地為0或1；X¹及X²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；Y¹及Y²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；且R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫、C₁-C₁₀烷基、C₃-C₁₀環(huán)烷基、C₅-C₁₀芳基、C₅-C₁₀雜芳基、C₁-C₁₀?；₂-C₁₀烯基、C₃-C₁₀環(huán)烯基、C₂-C₁₀炔基、C₅-C₁₀烷芳基、-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)；或其中R¹與R⁵結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)，且其中R²與R⁶結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)；(ii)氧化劑，其用于活化銅催化劑以產(chǎn)生經(jīng)氧化活化的銅催化劑，該經(jīng)氧化活化的銅催化劑與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)產(chǎn)生氧化產(chǎn)物及經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物；及(iii)還原劑，其用于還原該經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物以便再生該銅催化劑。在一實(shí)施例中，例如，催化劑調(diào)配物進(jìn)一步包含一或多種溶劑。如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將大體上理解，可將本文描述的任何催化劑組合物、氧化劑、還原劑及溶劑用于本發(fā)明的催化劑調(diào)配物。在一些實(shí)施例中，例如，本發(fā)明催化劑調(diào)配物的銅催化劑包含具有式[Cu^ICu^ICu^I(L)]⁺的三銅錯(cuò)合物，其中L為配位體。在實(shí)施例中，例如，本發(fā)明催化劑調(diào)配物的經(jīng)氧化活化的銅催化劑具有式[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]⁺，其中L為配位體。在實(shí)施例中，例如，經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物具有式[Cu^ICu^II(μ-O)Cu^II(L)]⁺，其中L為配位體。在實(shí)施例中，氧化劑為O₂、H₂O₂或空氣。另外，在一些實(shí)施例中，還原劑為H₂O₂、H₂、甲酸鹽或抗壞血酸鹽。視情況，在一些實(shí)施例中，氧化劑及還原劑各自為H₂O₂。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的催化劑調(diào)配物系呈實(shí)質(zhì)上純化的狀態(tài)。

在另一態(tài)樣中，本發(fā)明提供例如應(yīng)用于化學(xué)合成的銅錯(cuò)合物組合物。在一實(shí)施例中，例如，本發(fā)明提供一種銅錯(cuò)合物，其包含三個(gè)Cu離子及具有下式(FX1)之配位體(L)：

其中m及n各自獨(dú)立地為0、1或2；e、f、g及h各自獨(dú)立地為0或1；X¹及X²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；Y¹及Y²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；且R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫、C₁-C₁₀烷基、C₃-C₁₀環(huán)烷基、C₅-C₁₀芳基、C₅-C₁₀雜芳基、C₁-C₁₀?；?、C₂-C₁₀烯基、C₃-C₁₀環(huán)烯基、C₂-C₁₀炔基、C₅-C₁₀烷芳基、-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)；或其中R¹與R⁵結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)，且其中R²與R⁶結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)；其限制條件為，當(dāng)R¹與R⁵及R²與R⁶各自獨(dú)立地結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分產(chǎn)生雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為甲基；其限制條件為，當(dāng)R¹及R²各自為甲基時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為甲基；其限制條件為，當(dāng)R¹及R²各自為乙基時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為乙基。在某些實(shí)施例中，銅錯(cuò)合物進(jìn)一步包含一或多種相對離子。在實(shí)施例中，銅錯(cuò)合物具有式[Cu^ICu^ICu^I(L)]⁺，其中L為配位體。在實(shí)施例中，銅錯(cuò)合物具有特征在于疏水性結(jié)合袋的結(jié)構(gòu)，該疏水性結(jié)合袋提供對甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的分子識別。在一特定實(shí)施例中，例如，m及n各自為1；其中X¹、X²、Y¹及Y²各自為N；且其中R¹與R⁵結(jié)合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此與鄰接乙二胺基團(tuán)形成哌嗪環(huán)或高哌嗪環(huán)；且其中R²與R⁶結(jié)合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此與鄰接乙二胺基團(tuán)形成哌嗪環(huán)或高哌嗪環(huán)。視情況，例如，其中R⁷及R⁸各自為乙基。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的銅錯(cuò)合物系呈實(shí)質(zhì)上純化的狀態(tài)。

在另一態(tài)樣中，本發(fā)明提供一種具有式[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]⁺之經(jīng)氧化的銅錯(cuò)合物；其中L為具有下式(FX1)的配位體：

其中m及n各自獨(dú)立地為0、1或2；e、f、g及h各自獨(dú)立地為0或1；X¹及X²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；Y¹及Y²各自獨(dú)立地為O、S、N或P；且R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸及R⁹各自獨(dú)立地為氫、C₁-C₁₀烷基、C₃-C₁₀環(huán)烷基、C₅-C₁₀芳基、C₅-C₁₀雜芳基、C₁-C₁₀?；?、C₂-C₁₀烯基、C₃-C₁₀環(huán)烯基、C₂-C₁₀炔基、C₅-C₁₀烷芳基、-OH、-CH₂OH、-COOH、-NH₂或-CO(NH₂)；或其中R¹與R⁵結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)，且其中R²與R⁶結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分形成雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)；其限制條件為，當(dāng)R¹與R⁵及R²與R⁶各自獨(dú)立地結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分產(chǎn)生雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為甲基；其限制條件為，當(dāng)R¹與R⁵及R²與R⁶各自獨(dú)立地結(jié)合形成C₂-C₄伸烷基，由此與鄰接部分產(chǎn)生雜環(huán)6員、7員或8員環(huán)時(shí)，則R⁵及R⁸各自不為乙基；其限制條件為，當(dāng)R¹及R²各自為甲基時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為甲基；其限制條件為，當(dāng)R¹及R²各自為乙基時(shí)，則R⁷及R⁸各自不為乙基。在一實(shí)施例中，經(jīng)氧化的銅錯(cuò)合物具有式(FX12)。在一些實(shí)施例中，經(jīng)氧化的銅錯(cuò)合物與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)產(chǎn)生具有式[Cu^ICu^II(μ-O)Cu^II(L)]⁺的經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物，其中L為配位體。在一實(shí)施例中，例如，經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物具有式(FX13)。

不希望受任何特定理論束縛，本文中可能論述與本文所揭示的裝置及方法相關(guān)的基礎(chǔ)原理的信念或理解。然而，應(yīng)了解，不論任何機(jī)制性解釋或假說的最終正確性如何，本發(fā)明之實(shí)施例仍為可操作且適用的。

附圖說明

圖1說明在本發(fā)明的實(shí)例1中在室溫下藉由三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺催化的利用過氧化氫(H₂O₂)來氧化正烷烴、環(huán)烷烴及環(huán)烯烴。

圖2顯示在本發(fā)明的實(shí)例1中藉由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)的利用H₂O₂氧化各種碳?xì)浠衔锘|(zhì)的時(shí)程。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]

圖3顯示在本發(fā)明的實(shí)例1中H₂O₂的量對由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)的甲烷氧化的影響。

圖4比較在本發(fā)明的實(shí)例1中，在由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)且在用作「犧牲」還原劑以再生分子催化劑的H₂O₂存在下，在利用O₂氧化甲烷過程中的生產(chǎn)循環(huán)(A)與無效循環(huán)(B)。[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013).]

圖5顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中將[Cu^IICu^IICu^II(7-N-Etppz)]⁴⁺錯(cuò)合物、[Cu^IICu^II(μ₃-O)(Cu^II]7-N-Etppz)]²⁺錯(cuò)合物、[Cu^IICu^IICu^II(7-Ehppz)]⁴⁺錯(cuò)合物或[Cu^IICu^II(μ₃-O)(Cu^II]7-Ehppz)]²⁺錯(cuò)合物固定在具有高吸附量且孔徑為5nm的中孔硅酸鹽奈米粒子(MSN)中，以用作在環(huán)境條件下氧化甲烷的異相催化劑的程序。

圖6顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中，藉由穿透式電子顯微鏡及固態(tài)²⁹Si核磁共振光譜法對用于固定三銅錯(cuò)合物的MSN-ex材料(孔徑為5nm)的表征。

圖7顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中，利用陰離子性3-三羥基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)使具有不同表面酸性及電荷之MSN官能化以產(chǎn)生帶負(fù)電表面，或藉由將Al引入至框架中，以及MSN-TP及Al-MSN30-ex樣品之各別的TEM顯微照片。

圖8顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中，用于研究甲烷至甲醇的轉(zhuǎn)化的反應(yīng)程序，該轉(zhuǎn)化系由固定在MSN中之經(jīng)完全還原的三銅錯(cuò)合物所介導(dǎo)，隨后藉由O₂活化且在環(huán)境條件下利用H₂O₂轉(zhuǎn)換催化劑。

圖9顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中，藉由固定在各種官能化MSN樣品中的各種三銅錯(cuò)合物催化的甲烷氧化的時(shí)程。

圖10.來自莢膜甲基球菌(Bath)的pMMO的X射線晶體結(jié)構(gòu)(由R.L.Lieberman、A.C.Rosenzweig發(fā)表在Nature 2005,434,177-182中，且由S.I.Chan及S.S.-F.Yu在Acc.Chem.Res.,41(8),969-979(2008)中編輯)。顯示三種多肽PmoA、PmoB及PmoC的主鏈的帶狀圖式，連同單核銅中心(A位點(diǎn))、二銅位點(diǎn)(B位點(diǎn))、Zn位點(diǎn)(C位點(diǎn))及空親水性位點(diǎn)(D位點(diǎn))。

圖11.將頂蓋(μ₃-O)重建至X射線晶體結(jié)構(gòu)的位點(diǎn)D中的經(jīng)模型化為Cu^IICu^IICu^II錯(cuò)合物的三銅簇。多肽經(jīng)色彩編碼：PmoA：藍(lán)色，及PmoC：綠色，且與三個(gè)Cu^II離子相關(guān)的胺基酸殘基經(jīng)框起：Cu1：紅色，Cu2：黑色，及Cu3：藍(lán)色。[S.I.Chan,V.C.-C.Wang,J.C.-H.Lai,S.S.-F.Yu,P.P.-Y.Chen,K.H.-C.Chen,C.-L.Chen,M.K.Chan,Angew.Chem.2007,119,2038-2040；Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,1992-1994.]

圖12.來自莢膜甲基球菌(Bath)的pMMO的催化位點(diǎn)。[P.P.-Y.Chen,P.Nagababu,S.S.-F.Yu,S.I.Chan,ChemCatChem 2014,6,429-437.]

圖13.藉由利用氧氣活化Cu^ICu^ICu^I簇來調(diào)控「單重態(tài)氧原子(singlet oxene)」。[S.I.Chan,K.H.-C.Chen,S.S.-F.Yu,C.-L.Chen,S.S.-J.Kuo,Biochemistry,43,4421-4430(2004).]

圖14.三核Cu^ICu^ICu^I錯(cuò)合物的形成及后續(xù)氧化。

圖15.經(jīng)氧氣活化的Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)錯(cuò)合物(亦即Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(7-N-Etppz))之CPK及球-棍模型；其中7-N-Etppz代表有機(jī)配位體3,3'-(1,4-二氮雜環(huán)庚烷-1,4-二基)雙[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇]。色彩編碼-白色：氫；灰色：碳；藍(lán)色：氮；紅色：氧；棕色：銅。[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013).]

圖16.經(jīng)氧氣活化的Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)錯(cuò)合物的CPK模型與甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及環(huán)己烷及其醇/酮產(chǎn)物之CPK模型的比較，其說明使基質(zhì)/產(chǎn)物結(jié)合至經(jīng)活化三銅簇的結(jié)合袋所需的互補(bǔ)疏水性接觸表面。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]

圖17顯示藉由乙腈中的三銅催化劑[Cu^ICu^ICu^I(L)]¹⁺促進(jìn)的甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、環(huán)己烷及環(huán)己烯的反應(yīng)及氧化產(chǎn)物，其中L系如上文式1中所定義的配位體，且過氧化氫同時(shí)充當(dāng)為氧化劑及還原劑。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]

圖18顯示在實(shí)例4中的實(shí)驗(yàn)條件下各種碳?xì)浠衔锏难趸瘯r(shí)程。該等圖繪制轉(zhuǎn)換數(shù)(TON)，其為在一小時(shí)過程內(nèi)轉(zhuǎn)移至碳?xì)浠衔锘|(zhì)的氧當(dāng)量相對于時(shí)間的量度。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]

圖19.7-N-Etppz配位體的¹H NMR(A)及¹³C NMR(B)光譜。

圖20.7-N-Etppz配位體(A)及經(jīng)氧化[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)](ClO₄)₂(B)的FAB質(zhì)譜。在m/z 844amu處具有最大峰值的在m/z 842-848amu范圍內(nèi)的多個(gè)峰系歸因于[Cu^IICu^II(μ-O)Cu^II(7-N-Etppz)](ClO₄)₂物質(zhì)。

圖21.藉由在乙腈(MeCN)中利用氧氣氧化[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)](ClO₄)錯(cuò)合物所形成的[Cu^IICu^II(μ-O)Cu^II(7-N-Etppz)](ClO₄)₂物質(zhì)的77K EPR光譜。

圖22.A)由HIHAMLTMGDWD肽及Cu(OAc)₂形成的銅錯(cuò)合物的FT-ICR ESI-MS。上圖：在溶液中形成的銅肽物質(zhì)；下圖：在溶液中以及在沈淀物中觀測到的銅肽物質(zhì)。原生肽：m/z 713.3(z＝2)；Cu₁-肽：m/z 743.8(z＝2)；Cu₂-肽：m/z 775.2(z＝2)；及Cu₃-肽：m/z 805.7(z＝2)。B)產(chǎn)生自具有在m/z 805.7(z＝2)處的HIHAMLTMGDWD肽，包括在天然豐度下的⁶³Cu及⁶⁵Cu同位素(⁶³Cu為69.17％；⁶⁵Cu為30.83％)之Cu^IICu^IICu^II錯(cuò)合物的質(zhì)量簇的模擬，并與實(shí)驗(yàn)作比較。

圖23.若干三銅-肽錯(cuò)合物之77K EPR光譜。針對由野生型肽HIHAMLTMGDWD及H40Q M45A突變型肽HIQAMLTAGDWD形成的三銅-肽錯(cuò)合物觀測Cu^IICu^IICu^II簇EPR信號。對于H38Q突變型肽QIHAMLTMGDWD識別出線形改變的弱信號。針對EPR量測將藍(lán)色沈淀物分散在KCl(1重量％)中。

圖24.針對Cu^IICu^IICu^II-HIHAMLTMGDWD錯(cuò)合物所測定的莫耳磁化率的溫度依賴性：黑色實(shí)心方塊，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；紅色實(shí)線，針對S_T＝3/2基態(tài)且交換相互作用J為35.4cm^-1的Cu^II自旋的等邊三元組所得到的χ_M數(shù)據(jù)的最佳擬合。

圖25.在5.4當(dāng)量Cu(OAc)₂存在下，TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的三銅錯(cuò)合物的MALDI-TOF-MS。

圖26.在藍(lán)色固體Cu^IICu^IICu^II-肽與白色Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物(野生型肽)的沈淀物之間的XANES(圖A)及EXAFS(圖B)的比較。針對藍(lán)色沈淀物的量測系在277K下進(jìn)行。白色沈淀物系在經(jīng)干燥N₂填充的手套工作箱中制備，經(jīng)密封，且置放在維持于100K下的樣品固持器中。光譜為15次掃描的累積。

圖27.具有HIHAMLTMGDWD肽的Cu^ICu^ICu^I錯(cuò)合物的傅里葉(Fourier)轉(zhuǎn)換振幅FT[k³χ(k)](空心圓)及擬合(實(shí)曲線)，連同配位體結(jié)構(gòu)對于三銅簇之最佳擬合。插圖顯示經(jīng)擬合的k³χ(k)數(shù)據(jù)。亦將由擬合EXAFS數(shù)據(jù)所推斷的原子類型的配位數(shù)與由重建至晶體結(jié)構(gòu)的D位點(diǎn)中的三銅簇模型所預(yù)測的配位數(shù)相比較。^[8]擬合良度因素R_擬合為0.3％。

圖28.由三銅Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)1+錯(cuò)合物介導(dǎo)的利用O₂的甲烷氧化。A)藉由GC(滯留時(shí)間：5.5min)分析甲醇的形成；(插圖)：藉由GC-MS，將質(zhì)量分布與CH₃OH標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量分布比較來驗(yàn)證歸因于CH₃OH的產(chǎn)物峰。B)甲烷氧化的時(shí)程；(插圖)：速率常數(shù)k₁＝0.0646min^-1的假一級動(dòng)力曲線圖(C₀表示經(jīng)完全還原的三銅錯(cuò)合物的初始濃度且C表示在任何給定時(shí)間產(chǎn)生的甲醇濃度)，與擬合數(shù)據(jù)的最佳直線。C)顯示TON隨經(jīng)添加以再生「用過失效」催化劑的H₂O₂量(當(dāng)量)變化的催化轉(zhuǎn)換；(插圖)：在20當(dāng)量H₂O₂存在下藉由三銅錯(cuò)合物的多轉(zhuǎn)換之催化性甲烷羥基化的時(shí)程。

圖29.三銅-肽錯(cuò)合物的表征。A)固體Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物的FAB MS。已突出顯示與Cu₃-肽錯(cuò)合物相關(guān)的質(zhì)量簇。B)Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物的77K EPR光譜。針對EPR量測已將藍(lán)色沈淀物分散在KCl(1重量％)中。

圖30.針對具有肽序列HIHAMLTMGDWDPD的TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白觀測的Cu K-邊緣EXAFS連同配位體結(jié)構(gòu)對于三銅簇之最佳擬合(左插圖)。右插圖顯示經(jīng)擬合的k³χ(k)數(shù)據(jù)。亦顯示自配位體結(jié)構(gòu)預(yù)測的平均配位數(shù)(CN)。

具體實(shí)施方式

關(guān)于化合物及命名法的陳述

在一實(shí)施例中，本發(fā)明的組合物或化合物，諸如銅催化劑組合物或調(diào)配物，系經(jīng)分離或?qū)嵸|(zhì)上純化。在一實(shí)施例中，經(jīng)分離或經(jīng)純化的化合物系如此項(xiàng)技術(shù)中所理解至少部分經(jīng)分離或?qū)嵸|(zhì)上經(jīng)純化。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)上經(jīng)純化的組合物、化合物或調(diào)配物具有95％、視情況就一些應(yīng)用而言99％、視情況就一些應(yīng)用而言99.9％、視情況就一些應(yīng)用而言99.99％、及視情況就一些應(yīng)用而言99.999％純的化學(xué)純度。

本文所揭示的許多分子含有一或多個(gè)可游離基團(tuán)。可游離基團(tuán)包括可移除質(zhì)子的基團(tuán)(例如-COOH)或添加質(zhì)子的基團(tuán)(例如胺基)及可經(jīng)四級銨化的基團(tuán)(例如，胺基)。該等分子及其鹽的所有可能的離子形式意欲個(gè)別地包括于本文的揭示內(nèi)容中。關(guān)于本文化合物的鹽，一般熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者可針對給定應(yīng)用在適合于制備本發(fā)明的鹽的寬廣種類的可用相對離子中選擇。在特定應(yīng)用中，用于制備鹽的給定陰離子或陽離子的選擇可導(dǎo)致該鹽的溶解度增加或減小。

本發(fā)明的化合物可含有一或多個(gè)對掌性中心。因此，本發(fā)明意欲包括外消旋混合物、非對映異構(gòu)體、對映異構(gòu)體、互變異構(gòu)體及富含一或多種立體異構(gòu)體的混合物。所描述及所主張的本發(fā)明的范疇涵蓋化合物的外消旋形式，以及其個(gè)別對映異構(gòu)體及非外消旋混合物。

如本文所用，術(shù)語「基團(tuán)」可指化合物的官能基。本發(fā)明化合物的基團(tuán)系指為該化合物一部分的原子或原子集合。本發(fā)明的基團(tuán)可經(jīng)由一或多個(gè)共價(jià)鍵附接至該化合物的其他原子?；鶊F(tuán)亦可針對其價(jià)態(tài)來表征。本發(fā)明包括經(jīng)表征為單價(jià)、二價(jià)、三價(jià)等價(jià)態(tài)的基團(tuán)。

如本文所用，術(shù)語「經(jīng)取代」系指其中氫由另一官能基置換的化合物。

如在此項(xiàng)技術(shù)中所慣用且熟知，式(FX1)-(FX13)中的氫原子并非始終明確地經(jīng)顯示，例如，在式(FX1)-(FX13)中結(jié)合至伸烷基及/或脂環(huán)族環(huán)的碳原子的氫原子并非始終明確地經(jīng)顯示。例如在描述式(FX1)-(FX13)的上下文中，本文所提供的結(jié)構(gòu)意欲向大致熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者傳達(dá)本發(fā)明的方法及組合物的化合物的化學(xué)組成，且如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將理解，所提供的結(jié)構(gòu)并不指示原子的明確位置及此等化合物的原子間的鍵角。

烷基包括直鏈、分支鏈及環(huán)狀烷基。烷基包括具有1至30個(gè)碳原子的烷基。烷基包括具有1至3個(gè)碳原子的小烷基。烷基包括具有4-10個(gè)碳原子的中等長度烷基。烷基包括具有超過10個(gè)碳原子的長烷基，尤其具有10-30個(gè)碳原子的長烷基。術(shù)語環(huán)烷基特定地指具有環(huán)結(jié)構(gòu)(諸如包含3-30個(gè)碳原子、視情況3-20個(gè)碳原子及視情況2-10個(gè)碳原子的環(huán)結(jié)構(gòu))的烷基，包括具有一或多個(gè)環(huán)的烷基。環(huán)烷基包括具有3員、4員、5員、6員、7員、8員、9員或10員碳環(huán)的環(huán)烷基，且尤其具有3員、4員、5員、6員、7員或8員環(huán)的環(huán)烷基。環(huán)烷基中的碳環(huán)亦可帶有烷基。環(huán)烷基可包括雙環(huán)及三環(huán)烷基。烷基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烷基尤其包括經(jīng)芳基取代的烷基，該等芳基又可視情況經(jīng)取代。特定烷基包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、環(huán)丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、環(huán)丁基、正戊基、分支鏈戊基、環(huán)戊基、正己基、分支鏈己基及環(huán)己基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烷基包括完全鹵化或半鹵化烷基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的烷基。經(jīng)取代的烷基包括完全氟化或半氟化烷基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子置換的烷基。烷氧基為已經(jīng)由鍵連至氧而改質(zhì)的烷基，且可由式R-O表示并亦可稱為烷基醚基團(tuán)。烷氧基的實(shí)例包括(但不限于)甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基及庚氧基。烷氧基包括經(jīng)取代的烷氧基，其中該等基團(tuán)的烷基部分系如本文關(guān)于烷基的描述所提供經(jīng)取代。如本文所用，MeO-系指CH₃O-。

烯基包括直鏈、分支鏈及環(huán)狀烯基。烯基包括具有1、2或更多個(gè)雙鍵的烯基及其中兩個(gè)或更多個(gè)雙鍵為共軛雙鍵的烯基。烯基包括具有2至20個(gè)碳原子的烯基。烯基包括具有2至3個(gè)碳原子的小烯基。烯基包括具有4-10個(gè)碳原子的中等長度烯基。烯基包括具有超過10個(gè)碳原子的長烯基，尤其具有10-20個(gè)碳原子的長烯基。環(huán)烯基包括雙鍵位在環(huán)中或位在附接至環(huán)的烯基中的環(huán)烯基。術(shù)語環(huán)烯基特定地指具有環(huán)結(jié)構(gòu)的烯基，包括具有3員、4員、5員、6員、7員、8員、9員或10員碳環(huán)的烯基，且尤其具有3員、4員、5員、6員、7員或8員環(huán)的烯基。環(huán)烯基中的碳環(huán)亦可帶有烷基。環(huán)烯基可包括雙環(huán)及三環(huán)烯基。烯基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烯基尤其包括經(jīng)烷基或芳基取代的烯基，該等烷基或芳基又可視情況經(jīng)取代。特定烯基包括乙烯基、丙-1-烯基、丙-2-烯基、環(huán)丙-1-烯基、丁-1-烯基、丁-2-烯基、環(huán)丁-1-烯基、環(huán)丁-2-烯基、戊-1-烯基、戊-2-烯基、分支鏈戊烯基、環(huán)戊-1-烯基、己-1-烯基、分支鏈己烯基、環(huán)己烯基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烯基包括完全鹵化或半鹵化烯基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的烯基。經(jīng)取代的烯基包括完全氟化或半氟化烯基，諸如其中一或多個(gè)氫原子由一或多個(gè)氟原子置換的烯基。

芳基包括具有一或多個(gè)5員、6員、7員或8員芳環(huán)(包括雜環(huán)芳環(huán))的基團(tuán)。術(shù)語雜芳基特定地指具有至少一個(gè)5員、6員、7員或8員雜環(huán)芳環(huán)的芳基。芳基可含有一或多個(gè)稠合芳環(huán)，包括一或多個(gè)稠合雜芳環(huán)，及/或可經(jīng)由共價(jià)鍵稠合或連接的一或多個(gè)芳環(huán)與一或多個(gè)非芳環(huán)的組合。雜環(huán)芳環(huán)可在環(huán)中包括一或多個(gè)N、O或S原子。雜環(huán)芳環(huán)可包括具有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)N原子的雜環(huán)芳環(huán)，具有一個(gè)或兩個(gè)O原子的雜環(huán)芳環(huán)，及具有一個(gè)或兩個(gè)S原子、或一個(gè)或兩個(gè)或三個(gè)N、O或S原子的組合的雜環(huán)芳環(huán)。芳基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的芳基尤其包括經(jīng)烷基或烯基取代的芳基，該等烷基或烯基又可視情況經(jīng)取代。特定芳基包括苯基、聯(lián)苯基、吡咯啶基、咪唑啶基、四氫呋喃基、四氫噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、異喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、惡唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并惡二唑基、苯并噻二唑基及萘基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的芳基包括完全鹵化或半鹵化芳基，諸如其中一或多個(gè)氫經(jīng)一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的芳基。經(jīng)取代的芳基包括完全氟化或半氟化芳基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子置換的芳基。芳基包括(但不限于)對應(yīng)于以下中之任一者的含有芳族基或含有雜環(huán)芳族基的基團(tuán)：苯、萘、萘醌、二苯基甲烷、茀、蒽、蒽醌、菲、稠四苯、稠四苯二酮、吡啶、喹啉、異喹啉、吲哚、異吲哚、吡咯、咪唑、惡唑、噻唑、吡唑、吡嗪、嘧啶、嘌呤、苯并咪唑、呋喃、苯并呋喃、二苯并呋喃、咔唑、吖啶、吖啶酮、啡啶、噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、二苯并哌喃、氧雜蒽酮、黃酮、香豆素、薁或蒽環(huán)霉素。如本文所用，對應(yīng)于上文所列基團(tuán)的基團(tuán)明確地包括芳族或雜環(huán)芳族基，包括本文所列的芳族及雜環(huán)芳族基團(tuán)的單價(jià)、二價(jià)及多價(jià)基團(tuán)，其在本發(fā)明化合物中在任何適合附接點(diǎn)以共價(jià)鍵結(jié)組態(tài)提供。在實(shí)施例中，芳基含有5至30個(gè)碳原子。在實(shí)施例中，芳基含有一個(gè)芳族或雜芳族六員環(huán)及一或多個(gè)額外的五員或六員芳族或雜芳族環(huán)。在實(shí)施例中，芳基在環(huán)中含有五個(gè)至十八個(gè)碳原子。芳基視情況具有一或多個(gè)芳環(huán)或雜環(huán)芳環(huán)，其具有一或多個(gè)供電子基團(tuán)、拉電子基團(tuán)及/或以取代基形式提供的靶向配位體。

芳烷基為經(jīng)一或多個(gè)芳基取代的烷基，其中該等烷基視情況帶有額外的取代基且該等芳基視情況經(jīng)取代。特定烷芳基為經(jīng)苯基取代的烷基，例如苯基甲基。烷芳基替代性地描述為經(jīng)一或多個(gè)烷基取代的芳基，其中該等烷基視情況帶有額外取代基且該等芳基視情況經(jīng)取代。特定烷芳基為經(jīng)烷基取代的苯基，諸如甲基苯基。經(jīng)取代的芳烷基包括完全鹵化或半鹵化芳烷基，諸如具有一或多個(gè)烷基及/或芳基且其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的芳烷基。

如本文所用，術(shù)語「伸烷基」及「伸烷基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之烷基之二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸烷基的化合物。伸烷基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物可具有經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₁-C₂₀伸烷基、C₁-C₁₀伸烷基及C₁-C₅伸烷基。

如本文所用，術(shù)語「環(huán)伸烷基」及「環(huán)伸烷基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之環(huán)烷基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)環(huán)伸烷基的化合物。環(huán)烷基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物可具有經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₂₀環(huán)伸烷基、C₃-C₁₀環(huán)伸烷基及C₃-C₅環(huán)伸烷基。

如本文所用，術(shù)語「伸芳基」及「伸芳基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之芳基之二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸芳基的化合物。在一些實(shí)施例中，伸芳基為藉由自芳基的芳環(huán)的兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子移除氫原子而衍生自芳基的二價(jià)基團(tuán)。伸芳基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。伸芳基在一些化合物中充當(dāng)發(fā)色團(tuán)、熒光團(tuán)、芳族天線、染料及/或成像基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₃₀伸芳基、C₃-C₂₀伸芳基、C₃-C₁₀伸芳基及C₁-C₅伸芳基。

如本文所用，術(shù)語「伸雜芳基」及「伸雜芳基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的雜芳基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸雜芳基的化合物。在一些實(shí)施例中，伸雜芳基系藉由自雜芳基的雜芳環(huán)或芳環(huán)的兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子或環(huán)內(nèi)氮原子移除氫原子而衍生自雜芳基的二價(jià)基團(tuán)。伸雜芳基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。伸雜芳基在一些化合物中充當(dāng)發(fā)色團(tuán)、芳族天線、熒光團(tuán)、染料及/或成像基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₃₀伸雜芳基、C₃-C₂₀伸雜芳基、C₁-C₁₀伸雜芳基及C₃-C₅伸雜芳基。

如本文所用，術(shù)語「伸烯基」及「伸烯基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的烯基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸烯基的化合物。伸烯基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₂-C₂₀伸烯基、C₂-C₁₀伸烯基及C₂-C₅伸烯基。

如本文所用，術(shù)語「環(huán)伸烯基」及「環(huán)伸烯基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的環(huán)烯基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)環(huán)伸烯基的化合物。環(huán)伸烯基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₂₀環(huán)伸烯基、C₃-C₁₀環(huán)伸烯基及C₃-C₅環(huán)伸烯基。

如本文所用，術(shù)語「伸炔基」及「伸炔基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的炔基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸炔基的化合物。伸炔基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₂-C₂₀伸炔基、C₂-C₁₀伸炔基及C₂-C₅伸炔基。

如本文所用，術(shù)語「鹵基」系指鹵素基團(tuán)，諸如氟基(-F)、氯基(-Cl)、溴基(-Br)、碘基(-I)或砈基(-At)。

術(shù)語「雜環(huán)」系指在環(huán)中含有至少一個(gè)除碳以外的其他種類原子的環(huán)結(jié)構(gòu)。該等雜原子的實(shí)例包括氮、氧及硫。雜環(huán)包括雜環(huán)脂環(huán)族環(huán)及雜環(huán)芳環(huán)。雜環(huán)之實(shí)例包括(但不限于)吡咯啶基、哌啶基、咪唑啶基、四氫呋喃基、四氫噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、異喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、惡唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并惡二唑基、苯并噻二唑基、三唑基及四唑基。雜環(huán)的原子可鍵結(jié)至廣范圍的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。

術(shù)語「碳環(huán)」系指在環(huán)中僅含有碳原子的環(huán)結(jié)構(gòu)。碳環(huán)的碳原子可鍵結(jié)至廣范圍的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。

術(shù)語「脂環(huán)族環(huán)」系指不為芳環(huán)的環(huán)或復(fù)數(shù)個(gè)稠環(huán)。脂環(huán)族環(huán)包括碳環(huán)及雜環(huán)兩者。

術(shù)語「芳環(huán)」系指包括至少一個(gè)芳環(huán)基團(tuán)的環(huán)或復(fù)數(shù)個(gè)稠環(huán)。術(shù)語芳環(huán)包括包含碳、氫及雜原子的芳環(huán)。芳環(huán)包括碳環(huán)及雜環(huán)芳環(huán)。芳環(huán)為芳基的組分。

術(shù)語「稠環(huán)」或「稠環(huán)結(jié)構(gòu)」系指以稠環(huán)組態(tài)提供的復(fù)數(shù)個(gè)脂環(huán)及/或芳環(huán)，諸如共享至少兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子及/或雜原子的稠環(huán)。

如本文所用，術(shù)語「烷氧基烷基」系指式烷基-O-烷基的取代基。

如本文所用，術(shù)語「多羥烷基」系指具有2至12個(gè)碳原子及2至5個(gè)羥基的取代基，諸如2,3-二羥基丙基、2,3,4-三羥基丁基或2,3,4,5-四羥基戊基殘基。

如本文所用，術(shù)語「多烷氧基烷基」系指式烷基-(烷氧基)n-烷氧基的取代基，其中n為1至10、較佳1至4、且更佳就一些實(shí)施例而言1至3的整數(shù)。

胺基酸包括甘胺酸、丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、甲硫胺酸、脯胺酸、苯丙胺酸、色胺酸、天冬酰胺、麩酰胺酸、甘胺酸、絲胺酸、蘇胺酸、絲胺酸、天冬酰胺、麩酰胺酸、酪胺酸、半胱胺酸、離胺酸、精胺酸、組胺酸、天冬胺酸、麩胺酸、硒半胱胺酸及吡咯離胺酸。如本文所用，提及「天然α-胺基酸的側(cè)鏈殘基」特定地包括上文所提及的胺基酸的側(cè)鏈。

關(guān)于本文所描述的含有一或多個(gè)取代基的任何基團(tuán)，應(yīng)理解該等基團(tuán)不含有任何在空間上不切實(shí)際及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本發(fā)明的化合物包括由此等化合物的取代所產(chǎn)生的所有立體化學(xué)異構(gòu)體。視情況選用的烷基的取代包括以一或多個(gè)烯基、芳基或兩者取代，其中該等烯基或芳基視情況經(jīng)取代。視情況選用的烯基的取代包括以一或多個(gè)烷基、芳基或兩者取代，其中該等烷基或芳基視情況經(jīng)取代。視情況選用的芳基的取代包括以一或多個(gè)烷基、烯基或兩者取代芳基環(huán)，其中該等烷基或烯基視情況經(jīng)取代。

視情況選用的用于任何烷基、烯基及芳基的取代基尤其包括以下列取代基中的一或多者取代：

鹵素，包括氟、氯、溴或碘；

假鹵素，包括-CN；

-COOR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；

-COR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；

-CON(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-OCON(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-N(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或?；蚍蓟腋囟ㄑ灾?，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基、苯基或乙酰基，其均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-SR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為氫、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均視情況經(jīng)取代；

-SO₂R或-SOR，其中R為烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均視情況經(jīng)取代；

-OCOOR，其中R為烷基或芳基；

-SO₂N(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，其均視情況經(jīng)取代，且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-OR，其中R為H、烷基、芳基或?；?，其均視情況經(jīng)取代。在一特定實(shí)例中，R可為產(chǎn)生-OCOR”的酰基，其中R”為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R”為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代。

特定的經(jīng)取代烷基包括鹵烷基，尤其為三鹵甲基且特定言之，為三氟甲基。特定的經(jīng)取代芳基包括經(jīng)單-、二-、三-、四-及五鹵基取代的苯基；經(jīng)單-、二-、三-、四-、五-、六-及七-鹵基取代的萘基；經(jīng)3-或4-鹵基取代的苯基、經(jīng)3-或4-烷基取代的苯基、經(jīng)3-或4-烷氧基取代的苯基、經(jīng)3-或4-RCO取代的苯基、經(jīng)5-或6-鹵基取代的萘基。更明確而言，經(jīng)取代芳基包括乙?；交?，尤其為4-乙?；交环交?，尤其為3-氟苯基及4-氟苯基；氯苯基，尤其為3-氯苯基及4-氯苯基；甲基苯基，尤其為4-甲基苯基；及甲氧苯基，尤其為4-甲氧苯基。

關(guān)于以上含有一或多個(gè)取代基的任何基團(tuán)，應(yīng)理解該等基團(tuán)不含有任何在空間上不切實(shí)際及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本發(fā)明的化合物包括由此等化合物的取代所產(chǎn)生的所有立體化學(xué)異構(gòu)體。

本發(fā)明的化合物可含有一或多個(gè)對掌性中心。因此，本發(fā)明意欲包括外消旋混合物、非對映異構(gòu)體、對映異構(gòu)體、互變異構(gòu)體及富含一或多種立體異構(gòu)體之混合物。所描述及所主張的本發(fā)明的范疇涵蓋化合物的外消旋形式，以及其個(gè)別對映異構(gòu)體及非外消旋混合物。

如本文所用，術(shù)語「基團(tuán)」可指化合物的官能基。本發(fā)明化合物的基團(tuán)系指為該化合物一部分的原子或原子集合。本發(fā)明的基團(tuán)可經(jīng)由一或多個(gè)共價(jià)鍵附接至該化合物的其他原子。基團(tuán)亦可針對其價(jià)態(tài)來表征。本發(fā)明包括經(jīng)表征為單價(jià)、二價(jià)、三價(jià)等價(jià)態(tài)的基團(tuán)。

如本文所用，術(shù)語「經(jīng)取代」系指其中氫由另一官能基置換的化合物。

如在此項(xiàng)技術(shù)中所慣用且熟知，式(FX1)-(FX13)中的氫原子并非始終明確地經(jīng)顯示，例如，在式(FX1)-(FX13)中結(jié)合至伸烷基及/或脂環(huán)族環(huán)的碳原子的氫原子并非始終明確地經(jīng)顯示。例如在描述式(FX1)-(FX13)的上下文中，本文所提供的結(jié)構(gòu)意欲向大致熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者傳達(dá)本發(fā)明的方法及組合物的化合物的化學(xué)組成，且如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將理解，所提供的結(jié)構(gòu)并不指示原子的明確位置及此等化合物的原子間的鍵角。

烷基包括直鏈、分支鏈及環(huán)狀烷基。烷基包括具有1至30個(gè)碳原子的烷基。烷基包括具有1至3個(gè)碳原子的小烷基。烷基包括具有4-10個(gè)碳原子的中等長度烷基。烷基包括具有超過10個(gè)碳原子的長烷基，尤其具有10-30個(gè)碳原子的長烷基。術(shù)語環(huán)烷基特定地指具有環(huán)結(jié)構(gòu)(諸如包含3-30個(gè)碳原子、視情況3-20個(gè)碳原子及視情況2-10個(gè)碳原子的環(huán)結(jié)構(gòu))的烷基，包括具有一或多個(gè)環(huán)的烷基。環(huán)烷基包括具有3員、4員、5員、6員、7員、8員、9員或10員碳環(huán)的環(huán)烷基，且尤其具有3員、4員、5員、6員、7員或8員環(huán)的環(huán)烷基。環(huán)烷基中的碳環(huán)亦可帶有烷基。環(huán)烷基可包括雙環(huán)及三環(huán)烷基。烷基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烷基尤其包括經(jīng)芳基取代的烷基，該等芳基又可視情況經(jīng)取代。特定烷基包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、環(huán)丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、環(huán)丁基、正戊基、分支鏈戊基、環(huán)戊基、正己基、分支鏈己基及環(huán)己基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烷基包括完全鹵化或半鹵化烷基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的烷基。經(jīng)取代的烷基包括完全氟化或半氟化烷基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子置換的烷基。烷氧基為已經(jīng)由鍵連至氧而改質(zhì)的烷基，且可由式R-O表示并亦可稱為烷基醚基團(tuán)。烷氧基的實(shí)例包括(但不限于)甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基及庚氧基。烷氧基包括經(jīng)取代的烷氧基，其中該等基團(tuán)的烷基部分系如本文關(guān)于烷基的描述所提供經(jīng)取代。如本文所用，MeO-系指CH₃O-。

烯基包括直鏈、分支鏈及環(huán)狀烯基。烯基包括具有1、2或更多個(gè)雙鍵的烯基及其中兩個(gè)或更多個(gè)雙鍵為共軛雙鍵的烯基。烯基包括具有2至20個(gè)碳原子的烯基。烯基包括具有2至3個(gè)碳原子的小烯基。烯基包括具有4-10個(gè)碳原子的中等長度烯基。烯基包括具有超過10個(gè)碳原子的長烯基，尤其具有10-20個(gè)碳原子的長烯基。環(huán)烯基包括雙鍵位在環(huán)中或位在附接至環(huán)的烯基中的環(huán)烯基。術(shù)語環(huán)烯基特定地指具有環(huán)結(jié)構(gòu)的烯基，包括具有3員、4員、5員、6員、7員、8員、9員或10員碳環(huán)的烯基，且尤其具有3員、4員、5員、6員、7員或8員環(huán)的烯基。環(huán)烯基中的碳環(huán)亦可帶有烷基。環(huán)烯基可包括雙環(huán)及三環(huán)烯基。烯基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烯基尤其包括經(jīng)烷基或芳基取代的烯基，該等烷基或芳基又可視情況經(jīng)取代。特定烯基包括乙烯基、丙-1-烯基、丙-2-烯基、環(huán)丙-1-烯基、丁-1-烯基、丁-2-烯基、環(huán)丁-1-烯基、環(huán)丁-2-烯基、戊-1-烯基、戊-2-烯基、分支鏈戊烯基、環(huán)戊-1-烯基、己-1-烯基、分支鏈己烯基、環(huán)己烯基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的烯基包括完全鹵化或半鹵化烯基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的烯基。經(jīng)取代的烯基包括完全氟化或半氟化烯基，諸如其中一或多個(gè)氫原子由一或多個(gè)氟原子置換的烯基。

芳基包括具有一或多個(gè)5員、6員、7員或8員芳環(huán)(包括雜環(huán)芳環(huán))的基團(tuán)。術(shù)語雜芳基特定地指具有至少一個(gè)5員、6員、7員或8員雜環(huán)芳環(huán)的芳基。芳基可含有一或多個(gè)稠合芳環(huán)，包括一或多個(gè)稠合雜芳環(huán)，及/或可經(jīng)由共價(jià)鍵稠合或連接的一或多個(gè)芳環(huán)與一或多個(gè)非芳環(huán)的組合。雜環(huán)芳環(huán)可在環(huán)中包括一或多個(gè)N、O或S原子。雜環(huán)芳環(huán)可包括具有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)N原子的雜環(huán)芳環(huán)，具有一個(gè)或兩個(gè)O原子的雜環(huán)芳環(huán)，及具有一個(gè)或兩個(gè)S原子、或一個(gè)或兩個(gè)或三個(gè)N、O或S原子的組合的雜環(huán)芳環(huán)。芳基可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的芳基尤其包括經(jīng)烷基或烯基取代的芳基，該等烷基或烯基又可視情況經(jīng)取代。特定芳基包括苯基、聯(lián)苯基、吡咯啶基、咪唑啶基、四氫呋喃基、四氫噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、異喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、惡唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并惡二唑基、苯并噻二唑基及萘基，其均可視情況經(jīng)取代。經(jīng)取代的芳基包括完全鹵化或半鹵化芳基，諸如其中一或多個(gè)氫經(jīng)一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的芳基。經(jīng)取代的芳基包括完全氟化或半氟化芳基，諸如其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子置換的芳基。芳基包括(但不限于)對應(yīng)于以下中之任一者的含有芳族基或含有雜環(huán)芳族基的基團(tuán)：苯、萘、萘醌、二苯基甲烷、茀、蒽、蒽醌、菲、稠四苯、稠四苯二酮、吡啶、喹啉、異喹啉、吲哚、異吲哚、吡咯、咪唑、惡唑、噻唑、吡唑、吡嗪、嘧啶、嘌呤、苯并咪唑、呋喃、苯并呋喃、二苯并呋喃、咔唑、吖啶、吖啶酮、啡啶、噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、二苯并哌喃、氧雜蒽酮、黃酮、香豆素、薁或蒽環(huán)霉素。如本文所用，對應(yīng)于上文所列基團(tuán)的基團(tuán)明確地包括芳族或雜環(huán)芳族基，包括本文所列的芳族及雜環(huán)芳族基團(tuán)的單價(jià)、二價(jià)及多價(jià)基團(tuán)，其在本發(fā)明化合物中在任何適合附接點(diǎn)以共價(jià)鍵結(jié)組態(tài)提供。在實(shí)施例中，芳基含有5至30個(gè)碳原子。在實(shí)施例中，芳基含有一個(gè)芳族或雜芳族六員環(huán)及一或多個(gè)額外的五員或六員芳族或雜芳族環(huán)。在實(shí)施例中，芳基在環(huán)中含有五個(gè)至十八個(gè)碳原子。芳基視情況具有一或多個(gè)芳環(huán)或雜環(huán)芳環(huán)，其具有一或多個(gè)供電子基團(tuán)、拉電子基團(tuán)及/或以取代基形式提供的靶向配位體。

芳烷基為經(jīng)一或多個(gè)芳基取代的烷基，其中該等烷基視情況帶有額外的取代基且該等芳基視情況經(jīng)取代。特定烷芳基為經(jīng)苯基取代的烷基，例如苯基甲基。烷芳基替代性地描述為經(jīng)一或多個(gè)烷基取代的芳基，其中該等烷基視情況帶有額外取代基且該等芳基視情況經(jīng)取代。特定烷芳基為經(jīng)烷基取代的苯基，諸如甲基苯基。經(jīng)取代的芳烷基包括完全鹵化或半鹵化芳烷基，諸如具有一或多個(gè)烷基及/或芳基且其中一或多個(gè)氫由一或多個(gè)氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置換的芳烷基。

如本文所用，術(shù)語「伸烷基」及「伸烷基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之烷基之二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸烷基的化合物。伸烷基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物可具有經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₁-C₂₀伸烷基、C₁-C₁₀伸烷基及C₁-C₅伸烷基。

如本文所用，術(shù)語「環(huán)伸烷基」及「環(huán)伸烷基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之環(huán)烷基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)環(huán)伸烷基的化合物。環(huán)烷基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物可具有經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₂₀環(huán)伸烷基、C₃-C₁₀環(huán)伸烷基及C₃-C₅環(huán)伸烷基。

如本文所用，術(shù)語「伸芳基」及「伸芳基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義之芳基之二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸芳基的化合物。在一些實(shí)施例中，伸芳基為藉由自芳基的芳環(huán)的兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子移除氫原子而衍生自芳基的二價(jià)基團(tuán)。伸芳基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。伸芳基在一些化合物中充當(dāng)發(fā)色團(tuán)、熒光團(tuán)、芳族天線、染料及/或成像基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₃₀伸芳基、C₃-C₂₀伸芳基、C₃-C₁₀伸芳基及C₁-C₅伸芳基。

如本文所用，術(shù)語「伸雜芳基」及「伸雜芳基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的雜芳基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸雜芳基的化合物。在一些實(shí)施例中，伸雜芳基系藉由自雜芳基的雜芳環(huán)或芳環(huán)的兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子或環(huán)內(nèi)氮原子移除氫原子而衍生自雜芳基的二價(jià)基團(tuán)。伸雜芳基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。伸雜芳基在一些化合物中充當(dāng)發(fā)色團(tuán)、芳族天線、熒光團(tuán)、染料及/或成像基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₃₀伸雜芳基、C₃-C₂₀伸雜芳基、C₁-C₁₀伸雜芳基及C₃-C₅伸雜芳基。

如本文所用，術(shù)語「伸烯基」及「伸烯基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的烯基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸烯基的化合物。伸烯基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₂-C₂₀伸烯基、C₂-C₁₀伸烯基及C₂-C₅伸烯基。

如本文所用，術(shù)語「環(huán)伸烯基」及「環(huán)伸烯基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的環(huán)烯基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)環(huán)伸烯基的化合物。環(huán)伸烯基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₃-C₂₀環(huán)伸烯基、C₃-C₁₀環(huán)伸烯基及C₃-C₅環(huán)伸烯基。

如本文所用，術(shù)語「伸炔基」及「伸炔基基團(tuán)」系同義地使用，且系指衍生自如本文所定義的炔基的二價(jià)基團(tuán)。本發(fā)明包括具有一或多個(gè)伸炔基的化合物。伸炔基在一些化合物中充當(dāng)附接及/或間隔基團(tuán)。本發(fā)明化合物包括經(jīng)取代及/或未經(jīng)取代的C₂-C₂₀伸炔基、C₂-C₁₀伸炔基及C₂-C₅伸炔基。

如本文所用，術(shù)語「鹵基」系指鹵素基團(tuán)，諸如氟基(-F)、氯基(-Cl)、溴基(-Br)、碘基(-I)或砈基(-At)。

術(shù)語「雜環(huán)」系指在環(huán)中含有至少一個(gè)除碳以外的其他種類原子的環(huán)結(jié)構(gòu)。該等雜原子的實(shí)例包括氮、氧及硫。雜環(huán)包括雜環(huán)脂環(huán)族環(huán)及雜環(huán)芳環(huán)。雜環(huán)之實(shí)例包括(但不限于)吡咯啶基、哌啶基、咪唑啶基、四氫呋喃基、四氫噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、異喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、惡唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并惡二唑基、苯并噻二唑基、三唑基及四唑基。雜環(huán)的原子可鍵結(jié)至廣范圍的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。

術(shù)語「碳環(huán)」系指在環(huán)中僅含有碳原子的環(huán)結(jié)構(gòu)。碳環(huán)的碳原子可鍵結(jié)至廣范圍的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。

術(shù)語「脂環(huán)族環(huán)」系指不為芳環(huán)的環(huán)或復(fù)數(shù)個(gè)稠環(huán)。脂環(huán)族環(huán)包括碳環(huán)及雜環(huán)兩者。

術(shù)語「芳環(huán)」系指包括至少一個(gè)芳環(huán)基團(tuán)的環(huán)或復(fù)數(shù)個(gè)稠環(huán)。術(shù)語芳環(huán)包括包含碳、氫及雜原子的芳環(huán)。芳環(huán)包括碳環(huán)及雜環(huán)芳環(huán)。芳環(huán)為芳基的組分。

術(shù)語「稠環(huán)」或「稠環(huán)結(jié)構(gòu)」系指以稠環(huán)組態(tài)提供的復(fù)數(shù)個(gè)脂環(huán)及/或芳環(huán)，諸如共享至少兩個(gè)環(huán)內(nèi)碳原子及/或雜原子的稠環(huán)。

如本文所用，術(shù)語「烷氧基烷基」系指式烷基-O-烷基的取代基。

如本文所用，術(shù)語「多羥烷基」系指具有2至12個(gè)碳原子及2至5個(gè)羥基的取代基，諸如2,3-二羥基丙基、2,3,4-三羥基丁基或2,3,4,5-四羥基戊基殘基。

如本文所用，術(shù)語「多烷氧基烷基」系指式烷基-(烷氧基)n-烷氧基的取代基，其中n為1至10、較佳1至4、且更佳就一些實(shí)施例而言1至3的整數(shù)。

胺基酸包括甘胺酸、丙胺酸、纈胺酸、白胺酸、異白胺酸、甲硫胺酸、脯胺酸、苯丙胺酸、色胺酸、天冬酰胺、麩酰胺酸、甘胺酸、絲胺酸、蘇胺酸、絲胺酸、天冬酰胺、麩酰胺酸、酪胺酸、半胱胺酸、離胺酸、精胺酸、組胺酸、天冬胺酸、麩胺酸、硒半胱胺酸及吡咯離胺酸。如本文所用，提及「天然α-胺基酸的側(cè)鏈殘基」特定地包括上文所提及的胺基酸的側(cè)鏈。

關(guān)于本文所描述的含有一或多個(gè)取代基的任何基團(tuán)，應(yīng)理解該等基團(tuán)不含有任何在空間上不切實(shí)際及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本發(fā)明的化合物包括由此等化合物的取代所產(chǎn)生的所有立體化學(xué)異構(gòu)體。視情況選用的烷基的取代包括以一或多個(gè)烯基、芳基或兩者取代，其中該等烯基或芳基視情況經(jīng)取代。視情況選用的烯基的取代包括以一或多個(gè)烷基、芳基或兩者取代，其中該等烷基或芳基視情況經(jīng)取代。視情況選用的芳基的取代包括以一或多個(gè)烷基、烯基或兩者取代芳基環(huán)，其中該等烷基或烯基視情況經(jīng)取代。

視情況選用的用于任何烷基、烯基及芳基的取代基尤其包括以下列取代基中的一或多者取代：

鹵素，包括氟、氯、溴或碘；

假鹵素，包括-CN；

-COOR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；

-COR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；

-CON(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-OCON(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-N(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或?；蚍蓟腋囟ㄑ灾?，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基、苯基或乙?；?，其均視情況經(jīng)取代；且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-SR，其中R為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R為氫、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均視情況經(jīng)取代；

-SO₂R或-SOR，其中R為烷基或芳基，且更特定言之，其中R為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均視情況經(jīng)取代；

-OCOOR，其中R為烷基或芳基；

-SO₂N(R)₂，其中各R彼此獨(dú)立地為氫或烷基或芳基，其均視情況經(jīng)取代，且其中R與R可形成可含有一或多個(gè)雙鍵且可含有一或多個(gè)額外碳原子的環(huán)；

-OR，其中R為H、烷基、芳基或?；?，其均視情況經(jīng)取代。在一特定實(shí)例中，R可為產(chǎn)生-OCOR”的?；?，其中R”為氫或烷基或芳基，且更特定言之，其中R”為甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，該等基團(tuán)均視情況經(jīng)取代。

特定的經(jīng)取代烷基包括鹵烷基，尤其為三鹵甲基且特定言之，為三氟甲基。特定的經(jīng)取代芳基包括經(jīng)單-、二-、三-、四-及五鹵基取代的苯基；經(jīng)單-、二-、三-、四-、五-、六-及七-鹵基取代的萘基；經(jīng)3-或4-鹵基取代的苯基、經(jīng)3-或4-烷基取代的苯基、經(jīng)3-或4-烷氧基取代的苯基、經(jīng)3-或4-RCO取代的苯基、經(jīng)5-或6-鹵基取代的萘基。更明確而言，經(jīng)取代芳基包括乙?；交?，尤其為4-乙酰基苯基；氟苯基，尤其為3-氟苯基及4-氟苯基；氯苯基，尤其為3-氯苯基及4-氯苯基；甲基苯基，尤其為4-甲基苯基；及甲氧苯基，尤其為4-甲氧苯基。

關(guān)于以上含有一或多個(gè)取代基的任何基團(tuán)，應(yīng)理解該等基團(tuán)不含有任何在空間上不切實(shí)際及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本發(fā)明的化合物包括由此等化合物的取代所產(chǎn)生的所有立體化學(xué)異構(gòu)體。

本發(fā)明的化合物可含有一或多個(gè)對掌性中心。因此，本發(fā)明意欲包括外消旋混合物、非對映異構(gòu)體、對映異構(gòu)體、互變異構(gòu)體及富含一或多種立體異構(gòu)體之混合物。所描述及所主張的本發(fā)明的范疇涵蓋化合物的外消旋形式，以及其個(gè)別對映異構(gòu)體及非外消旋混合物。

【實(shí)施方式】

一般而言，本文中所用的術(shù)語及短語具有其在技術(shù)上經(jīng)認(rèn)可的含義，其可藉由參考熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者已知之標(biāo)準(zhǔn)文本、期刊參考文獻(xiàn)及上下文而發(fā)現(xiàn)。提供以下定義以闡明其在本發(fā)明文中的特定用途。

氧化大體上系指涉及失去一或多個(gè)電子或提高分子或離子中的原子或原子群的氧化態(tài)的過程。氧化可指氧化-還原反應(yīng)(oxidation-reduction reaction)(亦即氧化還原反應(yīng)(Redox reaction))中的氧化半反應(yīng)。氧化可涉及反應(yīng)物經(jīng)歷經(jīng)氧化劑氧化的反應(yīng)，由此產(chǎn)生氧化產(chǎn)物，其具有特征在于與經(jīng)受氧化的反應(yīng)物相比氧化態(tài)較高的一或多個(gè)原子。在一些實(shí)施例中，例如，氧化導(dǎo)致形成含氧產(chǎn)物，諸如在碳?xì)浠衔锏难趸挟a(chǎn)生醇、酮或二醇。

「氧化產(chǎn)物」系指氧化反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物。氧化產(chǎn)物的特征可在于，一或多個(gè)原子與經(jīng)受氧化的反應(yīng)物的氧化態(tài)相比具有較高氧化態(tài)。舉例而言，諸如甲烷(CH₄)的碳?xì)浠衔锘|(zhì)可經(jīng)氧化形成氧化產(chǎn)物甲醇(CH₃OH)。

「銅錯(cuò)合物」系指包含結(jié)合至一或多個(gè)配位體的一或多個(gè)銅原子或離子之組合物。在一些實(shí)施例中，銅錯(cuò)合物系指包含由一或多個(gè)配位體包圍的銅離子的配位錯(cuò)合物。本發(fā)明包括三銅錯(cuò)合物，其包含結(jié)合至一或多個(gè)配位體(L)或以其他方式與其聯(lián)結(jié)的三個(gè)Cu離子。

「催化劑」系指提高一或多種反應(yīng)物之一或多個(gè)化學(xué)反應(yīng)的速率且不會在該化學(xué)反應(yīng)中消耗的組合物。在一些實(shí)施例中，例如，催化劑降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，由此需要較少能量來達(dá)成過渡狀態(tài)。催化劑可參與反應(yīng)序列中的多個(gè)化學(xué)轉(zhuǎn)化，由此提高反應(yīng)物至產(chǎn)物的總體轉(zhuǎn)化速率。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供用于氧化碳?xì)浠衔锏拇呋瘎?，例如包含三銅錯(cuò)合物的銅催化劑。

「經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物」系指未經(jīng)完全氧化且作為反應(yīng)產(chǎn)物形成(例如作為經(jīng)氧化活化的銅催化劑與碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)產(chǎn)物形成)的三銅錯(cuò)合物。在一實(shí)施例中，例如，經(jīng)部分氧化的三銅錯(cuò)合物反應(yīng)產(chǎn)物的特征在于，一或多個(gè)原子具有較經(jīng)氧化活化的銅催化劑低的氧化態(tài)。

藉由以下實(shí)施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明，該等實(shí)施例不意欲限制本發(fā)明的范疇。

分子催化劑的結(jié)構(gòu)

本發(fā)明提供適用于氧化碳?xì)浠衔锏陌~錯(cuò)合物的銅催化劑。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明的分子催化劑中的三銅錯(cuò)合物可表示為「[Cu^ICu^ICu^I(L)]¹⁺」，其中「Cu^ICu^ICu^I」意謂三銅簇且「L」意謂由上式(1)表示的配位體。分子催化劑亦可包括相對離子，諸如ClO₄^-或BF₄^-。

在一實(shí)施例中，在表示配位體的上式(1)中，X、Y＝N，R¹與R²結(jié)合在一起形成伸乙基，且與結(jié)合至其上的乙二胺部分形成6員環(huán)(哌嗪環(huán))，R¹'與R²'亦結(jié)合在一起形成伸乙基，R³及R³'為乙基，且R⁴、R⁴'及R⁵為氫。該配位體在下文中稱為「7-N-Etppz」且由式(2)表示：

已建構(gòu)許多三銅錯(cuò)合物且評估其作為用于氧化各種碳?xì)浠衔锏姆肿哟呋瘎?但不限于)基于流程1中所描繪的有機(jī)配位體的彼等三銅錯(cuò)合物。

流程1

利用分子催化劑來氧化碳?xì)浠衔锏姆椒?/p>

在本發(fā)明的氧化碳?xì)浠衔锏姆椒ㄖ?，使碳?xì)浠衔锛把趸瘎┡c分子催化劑接觸以形成至少一種碳?xì)浠衔锏难趸a(chǎn)物。

氧化劑的實(shí)例包括氧氣(O₂)、空氣及H₂O₂。

在碳?xì)浠衔锍蕷鈶B(tài)的情況下，可將其溶解于含有分子催化劑的溶劑中來與該分子催化劑接觸，或使其直接與分子催化劑接觸。該等碳?xì)浠衔锏膶?shí)例包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、及含有約70-90％甲烷及約0-30％乙烷、丙烷及正丁烷的天然氣。在碳?xì)浠衔锍室簯B(tài)的情況下，可將其溶解于含有分子催化劑的溶劑中來與該分子催化劑接觸，或使其以純液態(tài)直接與分子催化劑接觸。該等碳?xì)浠衔锏膶?shí)例包括正戊烷、正己烷、環(huán)己烷及環(huán)己烯。

以上溶劑的一實(shí)例為乙腈(MeCN)。

在本發(fā)明方法的一實(shí)施例中，將待氧化的碳?xì)浠衔锾砑釉诤蟹肿哟呋瘎?方法1：均相催化劑)或固定在MSN中的分子催化劑(方法2：異相催化劑)的有機(jī)溶劑中，且隨后或同時(shí)在溶液中添加空氣或O₂或諸如H₂O₂的液體氧化劑。

分子催化劑的催化機(jī)制

在一實(shí)施例中，當(dāng)氧化劑為O₂時(shí)，三銅簇首先由O₂活化，如由下式所表示：

[Cu^ICu^ICu^I(L)]¹⁺+O₂→[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]¹⁺(k₁，快速)。

當(dāng)氧化劑為H₂O₂時(shí)，三銅簇首先由H₂O₂活化，如由下式所表示：

[Cu^ICu^ICu^I(L)]¹⁺+H₂O₂→[Cu^ICu^II(μ-O)₂Cu^II(L)]^1-+2H⁺(k_1a，快速)

[Cu^ICu^II(μ-O)₂Cu^II(L)]^1-+H₂O₂→[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]¹⁺+2OH^-(k_1b，快速)。

中間物[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]¹⁺隨后與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)以將其中一個(gè)氧原子轉(zhuǎn)移給后者，且氧化產(chǎn)物可通過分子催化劑的額外催化循環(huán)經(jīng)氧化劑進(jìn)一步氧化。

當(dāng)氧化劑為H₂O₂時(shí)，以上反應(yīng)可由流程2表示，其中基質(zhì)A經(jīng)氧化為側(cè)氧基-基質(zhì)B，隨后重排得到產(chǎn)物C或藉由H₂O₂進(jìn)一步直接氧化產(chǎn)生D。

流程2

以下提供一些實(shí)例以進(jìn)一步舉例說明本發(fā)明催化劑及催化方法的特定態(tài)樣，然而其并不意欲限制本發(fā)明的范疇。

實(shí)例1：均相催化

此實(shí)例提供本發(fā)明的例示性均相催化劑組合物、調(diào)配物及方法的描述。用于此實(shí)例的分子催化劑為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)](ClO₄)。

在此實(shí)例中，使用22.7微莫耳(1當(dāng)量)的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺來催化各種碳?xì)浠衔锏难趸?，該氧化系?0ml玻璃樣品瓶中于室溫下藉由于3ml MeCN(或EtCN)中的H₂O₂進(jìn)行。所研究的碳?xì)浠衔锇淄?、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、環(huán)己烷及環(huán)己烯，其中正戊烷、正己烷、環(huán)己烷及環(huán)己烯為液體。盡管此等液體基質(zhì)皆不與MeCN以各種比例互溶，但其具有充足的溶解度，且基質(zhì)氧化可藉由向含有三銅催化劑的溶劑添加適當(dāng)量的碳?xì)浠衔锴译S后添加所要量的H₂O₂來起始，且使溶液劇烈混合。

此等碳?xì)浠衔锏臄?shù)據(jù)在各情況下均系用11.3毫莫耳(500當(dāng)量)的碳?xì)浠衔铽@得，且在實(shí)驗(yàn)中藉由來自33％水溶液的200當(dāng)量H₂O₂驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。在甲烷、乙烷、丙烷及正丁烷的情況下，在使用氣體注射器將此等氣體基質(zhì)(100mL NTP或4.17×10^-3莫耳，約200當(dāng)量)中之一者注射至含有三銅催化劑的溶劑中之前，先用橡膠蓋緊密密封玻璃樣品瓶并抽空。隨后使用獨(dú)立的注射器注入來自33％水溶液的2.27毫莫耳H₂O₂(100當(dāng)量)以起始乙烷、丙烷或正丁烷的氧化。同樣，反應(yīng)系伴隨劇烈攪動(dòng)溶液進(jìn)行。

在甲烷的情況下，使用0.39毫莫耳(20當(dāng)量)的H₂O₂，且歷時(shí)2至3分鐘逐滴添加H₂O₂溶液。鑒于此等碳?xì)浠衔餁怏w在MeCN中的有限的溶解度，碳?xì)浠衔镅趸某潭纫曧敳靠臻g的氣壓(起始壓力為1.67atm)以及溶解于溶液中的氣體量而定。由于甲烷在MeCN中的低溶解度，在初始實(shí)驗(yàn)中僅使用20當(dāng)量H₂O₂以減輕催化劑的無效循環(huán)。所添加H₂O₂的量對轉(zhuǎn)換具有顯著效果，其將隨后討論。結(jié)果概括于圖1及表1中。

表1.H₂O₂對各種碳?xì)浠衔锏拇呋趸?/p>

^a1當(dāng)量催化劑對應(yīng)于22.7微莫耳。

在由三銅簇介導(dǎo)的甲烷、乙烷及丙烷的催化氧化中僅分別產(chǎn)生甲醇、乙醇及2-丙醇。不存在此等碳?xì)浠衔镞^度氧化形成其對應(yīng)醛或酮的跡象。然而，在正丁烷的情況下，觀測到形成2-丁醇、2-丁酮及2,3-丁二醇。就正戊烷而言，產(chǎn)物為2-戊醇及2-戊酮，且就正己烷而言，產(chǎn)物為2-己醇及2-己酮，在兩種情況下均偏好酮。在環(huán)己烷的情況下，以大致相同的比例形成環(huán)己醇及環(huán)己酮。在環(huán)己烯的情況下，氧化產(chǎn)生環(huán)氧化物、環(huán)己烯醇及環(huán)己烯酮。

環(huán)己烷為此處所討論的催化反應(yīng)類型的標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)。與C-H鍵相關(guān)的鍵能為99.5千卡/莫耳。由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)，以H₂O₂作為O原子來源的環(huán)己烷氧化極其有效。在彼等實(shí)驗(yàn)條件下，基本上不存在無效循環(huán)。時(shí)程研究指示，幾乎所有用于轉(zhuǎn)換催化劑用于基質(zhì)氧化的H₂O₂均在30min內(nèi)經(jīng)消耗，如圖2及圖3中所描述。

如同環(huán)己烷及環(huán)己烯，對于正丁烷、正戊烷及正己烷觀測到一些過度氧化。最可能的解釋為，較小的醇對于「活性位點(diǎn)」袋不具有充足的結(jié)合親和力且一旦產(chǎn)物形成即被釋放。與其他碳?xì)浠衔镄纬傻拇济黠@不屬于此情況。舉例而言，在正丁烷的情況下，2-丁醇明顯駐留在活性位點(diǎn)中足夠長的時(shí)間以允許進(jìn)行另一輪氧化而產(chǎn)生2-丁酮及2,3-丁二醇。由于2-丁醇本身不為用于轉(zhuǎn)化成2-丁酮或2,3-丁二醇的三銅錯(cuò)合物的良好基質(zhì)，因而過度氧化明顯地經(jīng)動(dòng)力控制。

出人意料地，在正戊烷、正己烷及環(huán)己烷的情況下，醇僅經(jīng)進(jìn)一步氧化以得到酮，但不形成二醇。此結(jié)果表明，三銅錯(cuò)合物的分子結(jié)合表面與基質(zhì)之間的相互作用的細(xì)節(jié)對于氧化的位置特異性為重要的。對于較長烷烴、環(huán)己烷及環(huán)己烯，基質(zhì)的脂族部分與活化中的三銅錯(cuò)合物的結(jié)合表面之間的凡德瓦(van der Waals)相互作用可決定此等碳?xì)浠衔锘|(zhì)在結(jié)合袋中的定位及定向。

用于氧化在此研究中所檢驗(yàn)的各種碳?xì)浠衔锏拇呋到y(tǒng)的有效性的量度系藉由用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂的量由生產(chǎn)循環(huán)所消耗的H₂O₂百分比給出。H₂O₂亦為還原劑，且若儲存在經(jīng)O₂活化的[Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(L)]¹⁺中間物中的氧化等效物未經(jīng)充分快速地轉(zhuǎn)移至基質(zhì)，則該還原劑可藉由還原此中間物而失效。圖4說明，在本發(fā)明的實(shí)例1中，在用作「犧牲」還原劑以再生分子催化劑的H₂O₂存在下，在由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)的由O₂氧化甲烷的過程中，生產(chǎn)循環(huán)(A)與無效循環(huán)(B)之間的差異。

生產(chǎn)轉(zhuǎn)換作為包括生產(chǎn)循環(huán)及無效循環(huán)兩者的催化劑的總轉(zhuǎn)換的分?jǐn)?shù)的數(shù)值列于表2中。每一生產(chǎn)循環(huán)消耗三個(gè)H₂O₂分子，且一個(gè)無效循環(huán)消耗四個(gè)H₂O₂分子。在此分析中，已假定，經(jīng)引入介質(zhì)中來驅(qū)動(dòng)基質(zhì)氧化的H₂O₂的總量在1h實(shí)驗(yàn)期間已耗盡，此為使用200當(dāng)量H₂O₂時(shí)的良好概算。在任何情況下，根據(jù)此指標(biāo)，三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺的確為用于在室溫下氧化碳?xì)浠衔锏挠行Т呋瘎?/p>

表2.催化劑對于不同基質(zhì)的效率。^a

^a催化效率指示基于用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂量，作為用于碳?xì)浠衔镅趸拇呋瘎┑腫Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物的有效性。其系由在1小時(shí)實(shí)驗(yàn)的過程期間，催化劑的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換對包括生產(chǎn)循環(huán)及無效循環(huán)的催化劑的總轉(zhuǎn)換數(shù)的比率給出。

各種碳?xì)浠衔锏难趸瘯r(shí)程在圖2中顯示，其中根據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)移的氧化當(dāng)量的數(shù)目(TON)繪制、加權(quán)在各種時(shí)間(直至一小時(shí))產(chǎn)生的側(cè)氧基-產(chǎn)物的當(dāng)量。此等數(shù)據(jù)揭示，所有經(jīng)研究的碳?xì)浠衔锏难趸拇_為極其快速的。在每一情況下，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂幾乎均在少于20min內(nèi)耗盡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于一小時(shí)研究的完成。即使在甲烷的情況下亦為如此。在先前所描述的甲烷氧化實(shí)驗(yàn)中，僅使用20當(dāng)量H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，隨著使用較低量的H₂O₂來驅(qū)動(dòng)氧化，TON亦較低。其亦減緩三銅催化劑的轉(zhuǎn)換，但更重要地，較低的H₂O₂濃度減輕經(jīng)活化催化劑的失效，從而保持將更多H₂O₂用于生產(chǎn)氧化轉(zhuǎn)換，如由較高比率的H₂O₂被催化劑的生產(chǎn)循環(huán)消耗所證實(shí)(催化效率98％)(參見表2)。如所預(yù)期，當(dāng)使用較大量的H₂O₂來氧化甲烷時(shí)，TON突然減少。使用40當(dāng)量H₂O₂時(shí)，催化效率僅為30％，且使用80當(dāng)量H₂O₂時(shí)，僅6％的相當(dāng)?shù)偷拇呋瘎┺D(zhuǎn)換導(dǎo)致甲醇形成。

在甲烷的情況下，限制轉(zhuǎn)換的因素為氣體在MeCN中的低溶解度。在所研究的四種氣體中，甲烷在MeCN中具有最低的溶解度。若CH₄在溶液中的濃度較高以加速由催化劑所介導(dǎo)的二級O原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，則可使用較高量的H₂O₂。盡管在系統(tǒng)中存在過量CH₄，但甲烷濃度受限于氣體在頂部空間氣壓下在溶劑中的溶解度。

在將溶劑體積自3ml增加至6ml的情況下重復(fù)進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)，以確保該過程不受碳?xì)浠衔锏目捎眯韵拗?。使用相同量的三銅催化劑且使用相同量的H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。因此，三銅催化劑的濃度及H₂O₂的起始濃度低了一半，但CH₄濃度保持相同。因此，轉(zhuǎn)換應(yīng)更緩慢，但有趣的是，在1h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)獲得相同的TON。因此，限制TON的不是CH₄的可用性，而是用于驅(qū)動(dòng)該過程的H₂O₂的量。為了證實(shí)此結(jié)論，在8-10min后當(dāng)初始量已明顯地被消耗時(shí)，添加額外的20當(dāng)量H₂O₂。如所預(yù)期，催化劑的轉(zhuǎn)換快速進(jìn)行而產(chǎn)生額外產(chǎn)物，TON在另一15min內(nèi)快速加倍至約12，如圖3中所示。伴隨以15min間隔增量添加相同量的H₂O₂，TON按比例增加，但隨著甲烷消耗而趨平。此等觀測強(qiáng)調(diào)在催化性甲烷氧化中的生產(chǎn)循環(huán)與無效循環(huán)之間的相互作用以及使催化劑的輸入及輸出操作條件匹配來達(dá)成系統(tǒng)的最佳效能的重要性。

總體而言，此實(shí)例中使用的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺催化劑系統(tǒng)促進(jìn)以H₂O₂作為氧化劑在MeCN中在室溫下碳?xì)浠衔锏挠行а趸?。催化劑?00當(dāng)量的H₂O₂濃度下的轉(zhuǎn)換頻率(TOF)通常為約1×10^-2s^-1。氧化作用為位置特異性的，且轉(zhuǎn)換數(shù)僅受用于驅(qū)動(dòng)該過程的H₂O₂的量的限制。

實(shí)例2：異相催化

此實(shí)例提供本發(fā)明的例示性異相催化劑組合物、調(diào)配物及方法的描述。在此實(shí)例中使用兩種分子催化劑：在本發(fā)明第一實(shí)施例中所描述的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)](ClO₄)錯(cuò)合物，以及[Cu^ICu^ICu^I(7-Ethppz)](ClO₄)，其為自流程1中所描繪的配位體7-Ethppz建構(gòu)的三銅錯(cuò)合物。配位體7-Ethppz由于以7員高哌嗪環(huán)置換6員哌嗪環(huán)而略微不同于7-N-Etppz。

此兩種三銅錯(cuò)合物已藉由固定在中孔硅酸鹽奈米粒子(MSN)中而經(jīng)調(diào)配為用于碳?xì)浠衔镅趸漠愊啻呋瘎鐖D5中所示。為制備異相催化劑，首先將50mg MSN(孔徑為5nm)添加至10ml的99.5乙醇(EtOH)中且攪拌10min。隨后將三銅錯(cuò)合物于10ml丙酮中的15mM溶液添加至MSN，攪拌1天，離心，洗滌且再離心四次。

用于固定三銅錯(cuò)合物的MSN材料已藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)及固態(tài)²⁹Si核磁共振光譜法(NMR)來表征，如圖6中所示。MSN中的硅酸鹽環(huán)境分布藉由²⁹Si NMR中的各種共振峰的歸屬來提供。

如表3中所示，三銅錯(cuò)合物被緊密地固定在帶負(fù)電MSN樣品的奈米通道中，其在25℃下在MeCN中歷經(jīng)10小時(shí)后的浸出量可忽略。

表3.在MeCN中在25℃下經(jīng)固定的Cu^IICu^IICu^II-錯(cuò)合物自MSN奈米粒子的釋放。^a

^aMSN-ex系指孔徑為5nm的硅酸鹽奈米粒子。

為優(yōu)化三銅錯(cuò)合物在分子催化劑的固定中的負(fù)載，已藉由引入陰離子性3-三羥基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)將硅酸鹽奈米粒子官能化而產(chǎn)生帶負(fù)電的表面，或已將Al引入至框架中，來促進(jìn)對MSN的表面酸性及電荷的控制。MSN-TP及Al-MSN30-ex樣品的TEM顯微照片在圖7中顯示。

三銅錯(cuò)合物的最大吸附及此等官能化MSN樣品的ξ-電位(ζ)呈現(xiàn)在表4中。此等數(shù)據(jù)指示，引入Al³⁺大大增強(qiáng)三銅錯(cuò)合物的吸附且大大降低此等MSN的ξ-電位(ζ)。

表4.三銅錯(cuò)合物的最大吸附及MSN樣品的ζ電位(ζ)。^a

^a錯(cuò)合物吸附系藉由ICP-MS測定。

在固定三銅錯(cuò)合物之后亦已測定官能化MSN的Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面積、孔隙體積及孔隙直徑，且此等數(shù)據(jù)概括在表5中。

表5.在將三銅錯(cuò)合物固定至奈米粒子的奈米通道中后MSN的BET表面積、孔隙體積及孔隙直徑。

圖8顯示在本發(fā)明的實(shí)例2中用于研究甲烷至甲醇的轉(zhuǎn)化的反應(yīng)程序，該轉(zhuǎn)化系由固定在官能化MSN中的經(jīng)完全還原的三銅錯(cuò)合物所介導(dǎo)，隨后藉由O₂活化且由H₂O₂在環(huán)境條件下轉(zhuǎn)換催化劑來進(jìn)行。

與實(shí)例1中所研究的均相催化劑相比，利用異相催化劑達(dá)成甲烷轉(zhuǎn)化至甲醇的顯著較高的轉(zhuǎn)換數(shù)。表6概述藉由固定在不同官能化MSN樣品中的三銅錯(cuò)合物催化，使用100與200當(dāng)量的H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的甲烷氧化的轉(zhuǎn)換數(shù)。由于分子催化劑經(jīng)固定在MSN中，因此在催化劑的循環(huán)期間，催化轉(zhuǎn)換不再受到甲烷的可用性的限制。因?yàn)镸SN中有可容納小甲烷氣體分子的大量的中孔及微孔，因而相對于典型溶劑(例如MeCN)，甲烷顯著地更可溶于中孔硅酸鹽奈米粒子。因此，無效循環(huán)大大地經(jīng)減輕，且催化劑的效率顯著高于實(shí)例1中所描述的均相催化劑的情況。

表6.基于經(jīng)引入至實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)中的甲烷量，由固定在官能化MSN中的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺及[Cu^ICu^ICu^I(7-Ethppz)]¹⁺錯(cuò)合物所介導(dǎo)的甲烷氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)及甲烷至甲醇的轉(zhuǎn)化率。

^aTON＝催化劑中的每莫耳錯(cuò)合物產(chǎn)生的甲醇莫耳數(shù)。

^b轉(zhuǎn)化率＝(每莫耳注入甲烷所產(chǎn)生的甲醇的莫耳數(shù))×100％

圖9中描繪藉由經(jīng)調(diào)配為在MSN中的異相催化劑的兩種三銅錯(cuò)合物介導(dǎo)的甲烷氧化的時(shí)程。有趣的是，就此等三銅催化劑而言，在異相系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換頻率類似于在均相調(diào)配物中的轉(zhuǎn)換頻率。然而，由于與氣體在均質(zhì)溶液中的MeCN中的溶解度相比，甲烷在MSN硅酸鹽奈米粒子的孔隙中的溶解度顯著提高，因此甲烷的轉(zhuǎn)換數(shù)顯著較高。

因此，與實(shí)例1中所描述的均相催化劑相比，異相催化劑作為甲烷氧化劑以及用于氧化天然氣的所有組分通常為更有效的。此系統(tǒng)亦更易于操作且更易于經(jīng)調(diào)適用于回收產(chǎn)物醇以及催化劑供再利用。

實(shí)例3：三銅催化劑：結(jié)構(gòu)及功能

此實(shí)例3說明基于存于嗜甲烷細(xì)菌莢膜甲基球菌(Bath)中的粒狀甲烷單加氧酶(pMMO)酵素進(jìn)行催化劑設(shè)計(jì)的仿生途徑。

甲烷至甲醇的轉(zhuǎn)化為化學(xué)方法中的一種基準(zhǔn)反應(yīng)，但由于C-H鍵的不尋常的高鍵能(105千卡/莫耳)，因而該過程系極其困難的。因此，C-H鍵為極其惰性，且此反應(yīng)已成為有機(jī)化學(xué)中的一個(gè)圣杯。

微生物可在環(huán)境條件下將甲烷有效轉(zhuǎn)化為甲醇。嗜甲烷細(xì)菌中恰好存在兩種此等酵素：可溶性甲烷單加氧酶(sMMO)及膜結(jié)合或粒狀甲烷單加氧酶(pMMO)。sMMO為駐留在此等微生物的細(xì)胞溶質(zhì)中的非血質(zhì)鐵酵素，而pMMO為在高銅/生質(zhì)條件下在此等細(xì)菌中表現(xiàn)的膜結(jié)合及銅酵素。存于莢膜甲基球菌(Bath)中的pMMO酵素隨后已受到大量研究關(guān)注，因其為已知最有效的甲烷氧化劑，其可以每秒每一酵素分子氧化接近約1個(gè)甲烷分子的速率將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇。

研究者在理解上所面臨的主要挑戰(zhàn)為生長充足數(shù)量的細(xì)菌以允許自細(xì)胞的膜分離pMMO，將蛋白質(zhì)純化至均質(zhì)，及生物物理/生化表征經(jīng)重構(gòu)至清潔劑微胞中的蛋白質(zhì)，包括蛋白質(zhì)的可能結(jié)晶作用以測定3-D結(jié)構(gòu)及催化位點(diǎn)及其他金屬輔因子。作為膜金屬蛋白的酵素易于在純化程序期間失去輔因子以及失去結(jié)構(gòu)完整性，從而使得此過程變得極其困難。實(shí)際上，當(dāng)來自莢膜甲基球菌(Bath)的酵素的x射線晶體結(jié)構(gòu)在2005年出現(xiàn)時(shí)，其僅含有3個(gè)銅離子(圖10)，而非12-15個(gè)銅輔因子。X射線結(jié)構(gòu)以之為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)制劑經(jīng)觀測為非活性的。在還原條件下純化pMMO適用于在蛋白質(zhì)分離/純化程序期間確保銅離子保持為Cu^I，以便在來自細(xì)胞膜的pMMO轉(zhuǎn)移至清潔劑中期間以及在藉由管柱層析純化期間減輕銅離子自蛋白質(zhì)的浸出[參見，例如，1998年的J.Biol.Chem.[J.Biol.Chem.,273(14)7957-7966(1998)]及2003年的J.Bacteriology中的另一者[J.Bacteriol.,185,5915-5924(2003)]。

咸信pMMO為Cu^I酵素，其在不存在甲烷的情況下在好氧條件下自細(xì)菌細(xì)胞分離膜時(shí)變?yōu)榻?jīng)部分氧化的。藉由Cu K邊緣X射線光譜法對此等膜中的pMMO的光譜表征表明，約25％的銅離子為Cu^II且剩余銅離子為Cu^I。電子順磁共振光譜法(EPR)指示，四個(gè)Cu^II離子系由一個(gè)2型Cu^II中心(方形平面Cu^II)加一個(gè)三銅位點(diǎn)所組成，其中該三個(gè)Cu^II離子鐵磁耦合以形成四重峰(S＝3/2)基態(tài)(亦即，在三個(gè)Cu^II離子中存在鐵磁性交換相互作用以使三個(gè)不成對的電子在基態(tài)中排列在相同方向)。此表明在酵素中存在三銅簇。[ChemCatChem 2014,6,429-437.]

然而，在X射線晶體結(jié)構(gòu)中未觀測到三銅簇。在蛋白質(zhì)的X射線結(jié)構(gòu)出現(xiàn)后不久，注意到在跨膜域中存在空袋，其具有可能為銅簇的配位體的1個(gè)組胺酸(H38PmoA)、1個(gè)甲硫胺酸(M42，PmoA)及2個(gè)麩胺酸(Glu 100PmoA及Glu 154PmoC)及2個(gè)天冬胺酸(Asp 47PmoA及Asp 49PmoA)。使用此等可能存在的金屬結(jié)合殘基在此位點(diǎn)中創(chuàng)建三銅簇的模型(圖11)。除了兩個(gè)麩胺酸(E100PmoA及E154PmoC)之外，該等配位體為嵌入跨膜域中的PmoA子單元的α螺旋的延展的一部分。隨后，基于HIHAMLTMGDWD(其為含有在位點(diǎn)D處接合假定三銅簇的可能胺基酸的片段)的序列合成肽，且該肽顯示其可在溶液中的乙酸根或氯陰離子存在下形成Cu^ICu^ICu^I及Cu^IICu^IICu^II 1:1肽三銅錯(cuò)合物兩者[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013)]。對Cu^IICu^IICu^II錯(cuò)合物的EPR量測揭示，對膜中的酵素以及清潔劑微胞中經(jīng)重構(gòu)的純化蛋白質(zhì)觀測到相同的EPR信號。EXAFS量測顯示，Cu^II離子的配位體結(jié)構(gòu)與建置至X射線結(jié)構(gòu)中的假定三銅位點(diǎn)中的結(jié)構(gòu)一致。值得注意地，Cu^ICu^ICu^I肽錯(cuò)合物可由氧氣活化以介導(dǎo)甲烷的氧化為甲醇及丙烯的環(huán)氧化形成環(huán)氧丙烷。

圖12基于在位點(diǎn)D處重建三銅簇的工作描繪莢膜甲基球菌(Bath)的pMMO的假定催化位點(diǎn)的放大。亦顯示占據(jù)鄰接于(在幾個(gè)內(nèi))位點(diǎn)D處的三銅簇的碳?xì)浠衔锘|(zhì)結(jié)合位點(diǎn)的戊烷分子(以黃色表示)。基質(zhì)結(jié)合袋為「芳族盒」，其受限于結(jié)合至多僅5個(gè)碳的正烷烴；正戊烷為藉由pMMO酵素羥基化的最大直鏈烷烴。[Chembiochem,9,(7),1116-1123(2008).]

在由氧氣活化之后，Cu^ICu^ICu^I簇可形成Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III中間物，其調(diào)控在甲烷與經(jīng)活化三銅簇形成適合錯(cuò)合物時(shí)可經(jīng)轉(zhuǎn)移且跨越處于過渡狀態(tài)中的甲烷的其中一個(gè)C-H鍵插入的單重態(tài)氧原子(圖13)。

進(jìn)行密度泛函理論計(jì)算且在藉由氧氣活化三銅及二銅物質(zhì)時(shí)比較甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的速率[J Inorg Biochem.,100,(4)801-9(2006)]。此等結(jié)果指示，與在藉由活化二銅物質(zhì)形成的Cu^III(μ-O)₂Cu^III物質(zhì)之間的類似O-原子轉(zhuǎn)移相比，經(jīng)氧氣活化的三銅簇在介導(dǎo)此化學(xué)反應(yīng)方面更有效10⁴倍，且與藉由還原活化Cu^III(μ-O)₂Cu^III物質(zhì)形成的Cu^II(μ-O)₂Cu^III物質(zhì)相比，更有效10²倍。

出于研發(fā)可有效氧化碳?xì)浠衔锏膶?shí)驗(yàn)室催化劑的期望，設(shè)計(jì)及合成三銅錯(cuò)合物。基于以下準(zhǔn)則設(shè)計(jì)用于此等實(shí)施例的配位體：

1)配位體可截獲三個(gè)Cu^I離子；

2)Cu^I離子的配位原子應(yīng)為硬配位體以最小化電子密度的供給；

3)Cu^I離子可為配位不飽和或含有易于經(jīng)置換的配位溶劑分子；

4)三個(gè)Cu^I離子中的兩個(gè)可處于幾何并列以變?yōu)榻逵梢粋€(gè)O₂分子活化；及

5)在簇藉由O₂活化之后，鄰接Cu^II離子可經(jīng)強(qiáng)力反鐵磁耦合以維持簇處于總體單重態(tài)。

此等三晶核配位體(L)中的一些在流程1(上文)中顯示。已顯示此等配位體在乙腈中形成[Cu^ICu^ICu^I(L)]¹⁺錯(cuò)合物，且介導(dǎo)自經(jīng)氧氣活化的三銅錯(cuò)合物至有機(jī)基質(zhì)之輕易的O-原子轉(zhuǎn)移(圖14)。

第一代催化劑系基于由配位體7-Me及7-Et支持的三銅簇。經(jīng)顯示基于此等配位體的Cu^ICu^ICu^I錯(cuò)合物在室溫下有效介導(dǎo)二苯基乙二酮及2,3-丁二酮的氧化，其系藉由跨越此等β-二酮各者中的β-二羰基的中心C-C鍵快速插入「O」原子，隨后水解酐以分別產(chǎn)生苯甲酸及乙酸來達(dá)成。亦觀測到「O」原子插入CH₃CN的其中一個(gè)C-H鍵中以形成CH₂(OH)CN。不幸地，此等氧化僅為化學(xué)計(jì)量，因此此等三銅錯(cuò)合物僅受限于氧化試劑。為使此等三銅錯(cuò)合物適用于催化，在各轉(zhuǎn)換之后再生催化劑系有利的。

第二代催化劑系基于配位體7-Thio及7-Dipy，且經(jīng)顯示可有效地將環(huán)己烷催化轉(zhuǎn)化為環(huán)己醇及環(huán)己酮。本研究揭示如何在來自經(jīng)活化三銅簇的「活性」O-原子轉(zhuǎn)移至基質(zhì)之后藉由以H₂O₂作為還原劑還原「用過失效」催化劑來再生催化劑。藉由使用H₂O₂作為氧化劑以活化催化劑，且亦作為還原劑以再生催化劑，該策略導(dǎo)致發(fā)展出用于以多個(gè)轉(zhuǎn)換將環(huán)己烷氧化為環(huán)己醇及環(huán)己酮的有效催化系統(tǒng)。實(shí)際上，該過程為有效的且該過程的程度僅由用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂的量決定。在經(jīng)研究的實(shí)驗(yàn)條件下，無任何顯著無效循環(huán)的跡象。由于環(huán)己烷為研發(fā)用于碳?xì)浠衔镅趸拇呋瘎┑幕鶞?zhǔn)基質(zhì)，因此已投注大量心力來發(fā)展對此催化系統(tǒng)的特性的了解。

用環(huán)己烷進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)出新穎的配位體7-N-Etppz用來發(fā)展供甲烷氧化用的三銅催化劑。Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)不僅可介導(dǎo)甲烷的有效氧化，并且亦可介導(dǎo)包括乙烷、丙烷及丁烷的多種小烷烴的有效氧化。值得注意地，對于甲烷、乙烷及丙烷，不存在過度氧化的跡象。此為研發(fā)用于在環(huán)境條件下的甲烷氧化的有效催化劑的突破。最近，藉由將Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)固定在中孔硅酸鹽奈米粒子中，將均相催化劑轉(zhuǎn)化為異相催化劑用于甲烷氧化而具有高轉(zhuǎn)換及催化效率。Cu^IICu^II(μ-O)₂Cu^III(7-N-Etppz)(亦即經(jīng)氧氣活化的Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)錯(cuò)合物)的CPK及球-棍模型在圖15中顯示。

在圖16中，將經(jīng)氧氣活化的Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)錯(cuò)合物的CPK模型與甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及環(huán)己烷及其醇/酮產(chǎn)物的CPK模型對比，以比較銅催化劑上的基質(zhì)結(jié)合袋的疏水性接觸表面與碳?xì)浠衔锘|(zhì)及其產(chǎn)物的疏水性接觸表面。為成為用于氧化給定基質(zhì)的有效催化劑，基質(zhì)可識別且結(jié)合于銅催化劑的疏水性結(jié)合袋，且待氧化的C-H鍵可處于一定位置以形成用于以過渡狀態(tài)進(jìn)行「O-原子」轉(zhuǎn)移的瞬時(shí)錯(cuò)合物。

實(shí)例4.研發(fā)用于在環(huán)境條件下小烷烴的受控氧化的有效催化劑

三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺(其中7-N-Etppz指示配位體3,3'-(1,4-二氮雜環(huán)庚烷-1,4-二基)雙[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇])可在室溫下在藉由氧氣及/或H₂O₂活化三銅簇之后介導(dǎo)甲烷的輕易轉(zhuǎn)化為甲醇。此為首個(gè)可在環(huán)境條件下催化甲烷的選擇性氧化為甲醇而不產(chǎn)生過度氧化的分子催化劑。當(dāng)此Cu^ICu^ICu^I三銅錯(cuò)合物藉由氧氣或H₂O₂活化時(shí)，三銅簇調(diào)控「單重態(tài)氧原子」，其為可用于跨越C-H鍵實(shí)現(xiàn)輕易O-原子插入的最強(qiáng)氧化劑。為了闡明此新穎催化系統(tǒng)的特性，在更寬廣的條件范圍內(nèi)檢測甲烷氧化，且考慮包括天然氣的組分的其他小烷烴。此實(shí)驗(yàn)說明基質(zhì)溶解度、基質(zhì)識別及用于驅(qū)動(dòng)催化氧化的H₂O₂的量可如何影響轉(zhuǎn)換的結(jié)果，包括位置特異性、產(chǎn)物分布及基質(zhì)氧化的產(chǎn)率。

地球具有巨大的甲烷(CH₄)儲量，甲烷可藉由轉(zhuǎn)化為甲醇(CH₃OH)來利用。¹CH₃OH為沿用已久的有價(jià)值商品，其本身為可運(yùn)輸燃料且為包括H₂的衍生化學(xué)物質(zhì)的來源。²然而，CH₄至CH₃OH的受控氧化具有挑戰(zhàn)性。³首先，CH₄中的C-H鍵歸因于其之高鍵解離能(105千卡/莫耳)而極其惰性。³,⁴另外，產(chǎn)物CH₃OH易于進(jìn)一步氧化形成其他產(chǎn)物。⁵盡管如此，有效利用此有價(jià)值的資源不僅在經(jīng)濟(jì)上有利，并且在環(huán)境上亦有益，因?yàn)镃H₄亦為全球暖化的主因。⁶

已知甲烷單加氧酶(MMO)在環(huán)境條件的溫度及壓力下在嗜甲烷細(xì)菌中介導(dǎo)CH₄至CH₃OH的有效氧化。⁷膜結(jié)合粒狀甲烷單加氧酶(pMMO)為多銅蛋白質(zhì)。^8,9可溶性甲烷單加氧酶(sMMO)為非血質(zhì)鐵蛋白質(zhì)。^10,11兩個(gè)系統(tǒng)均采用金屬簇來催化此困難的化學(xué)反應(yīng)。盡管關(guān)于此等蛋白質(zhì)已存在許多x射線晶體結(jié)構(gòu)，^12,13,14但對此等酵素中的金屬簇如何介導(dǎo)此過程的理解進(jìn)展緩慢，且研發(fā)此等催化性中心的功能性仿真物的工作的成效有限。¹⁵

具有自莢膜甲基球菌(Bath)¹⁴的pMMO的PmoA子單元衍生的肽HIHAMLTMGDWD的三銅錯(cuò)合物可在Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物藉由O₂活化時(shí)介導(dǎo)丙烯至氧化丙烯的有效環(huán)氧化及CH₄至CH₃OH的羥基化。吾人已研發(fā)出用于烷烴氧化的三銅簇的仿生模型。已設(shè)計(jì)及制備各種三晶核配位體來支持Cu^I離子三元組，且此等三銅錯(cuò)合物已經(jīng)顯示可在經(jīng)完全還原的三銅簇藉由氧氣及/或過氧化氫活化時(shí)介導(dǎo)小有機(jī)基質(zhì)的有效氧化。^16-19特定言之，三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺(其中7-N-Etppz表示有機(jī)配位體3,3'-(1,4-二氮雜環(huán)庚烷-1,4-二基)雙[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇](流程1))在三銅簇藉由氧氣(O₂)活化時(shí)介導(dǎo)在乙腈(MeCN)中在室溫下CH₄的輕易轉(zhuǎn)化為CH₃OH。¹⁶此外，當(dāng)藉由以H₂O₂分子對經(jīng)部分氧化三銅錯(cuò)合物進(jìn)行雙電子還原而使經(jīng)完全還原的三銅錯(cuò)合物再生時(shí)，利用三銅簇錯(cuò)合物Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺在乙腈(MeCN)中進(jìn)行的CH₄至CH₃OH的氧化可呈現(xiàn)為催化性。此為首個(gè)可在環(huán)境條件下催化CH₄至CH₃OH的選擇性氧化的分子催化劑。

此實(shí)例在更寬廣范圍的條件下檢視甲烷氧化以便描繪影響催化劑的轉(zhuǎn)換頻率(TOF)及轉(zhuǎn)換數(shù)(TON)的因素。該實(shí)例亦將研究延伸至其他小烷烴，包括天然氣的組分，包括乙烷、丙烷及丁烷。目的為研究基質(zhì)識別、基質(zhì)濃度的效應(yīng)、無效循環(huán)對基質(zhì)氧化結(jié)果(包括位置特異性、產(chǎn)物產(chǎn)率及分布以及基質(zhì)氧化的總轉(zhuǎn)換頻率)的影響。

先前已描述7-N-Etppz配位體的合成及光譜表征以及[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)](ClO₄)錯(cuò)合物的制備。¹⁶當(dāng)在不存在基質(zhì)的情況下用O₂處理Cu^ICu^ICu^I錯(cuò)合物時(shí)，其形成[Cu^IICu^II(μ-O)Cu^II(7-N-Etppz)](ClO₄)₂物質(zhì)，此為先前對于此系列的所有三銅錯(cuò)合物所發(fā)表的相同的經(jīng)完全氧化「閉端(dead-end)」物質(zhì)。^17-19

三銅錯(cuò)合物可在環(huán)境條件下輕易氧化烷烴。在此實(shí)例中，使用22.7微莫耳(1當(dāng)量)的[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺來催化各種碳?xì)浠衔锏难趸撗趸翟?0ml玻璃樣品瓶中于室溫下用3ml MeCN(或EtCN)中的H₂O₂進(jìn)行。由于經(jīng)還原的三銅錯(cuò)合物對空氣極為敏感，故最好在手套工作箱內(nèi)在純氮?dú)夥諊逻M(jìn)行基質(zhì)氧化實(shí)驗(yàn)。使用不同樣品瓶用磁性攪拌棒劇烈攪拌反應(yīng)混合物持續(xù)至多1h的不同時(shí)間。以指定間隔，自手套工作箱移出樣品瓶來鑒別產(chǎn)物且藉由GC測定產(chǎn)物產(chǎn)率。將3μl硝基苯添加至溶液中以提供用于定量產(chǎn)物的內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品(IS)。

在所研究的各種碳?xì)浠衔镏校焱?、正己烷、環(huán)己烷及環(huán)己烯為液體。盡管此等液體基質(zhì)各自不與MeCN以所有比例互溶，但其具有足夠的溶解度，且基質(zhì)氧化可藉由向含有三銅催化劑的溶劑添加適當(dāng)量的碳?xì)浠衔镫S后添加所要量的H₂O₂來起始，并將溶液劇烈混合。此等碳?xì)浠衔锏臄?shù)據(jù)在各情況下均系以11.3毫莫耳(500當(dāng)量)的碳?xì)浠衔铽@得，且在實(shí)驗(yàn)中藉由來自33％水溶液的200當(dāng)量H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。

在CH₄、乙烷、丙烷及正丁烷的情況下，在使用氣體注射器將此等氣體基質(zhì)(100mL NTP或4.17×10^-3莫耳，約200當(dāng)量)中之一者注射至含有三銅催化劑的溶劑中之前，先用橡膠蓋緊密密封玻璃樣品瓶并將其抽空。隨后使用獨(dú)立的注射器注入來自33％水溶液的2.27毫莫耳H₂O₂(100當(dāng)量)以起始乙烷、丙烷或正丁烷的氧化。同樣，反應(yīng)系伴隨劇烈攪動(dòng)溶液進(jìn)行。在CH₄的情況下，使用0.39毫莫耳(20當(dāng)量)H₂O₂，且歷時(shí)2-3min逐滴添加H₂O₂溶液。鑒于此等碳?xì)浠衔餁怏w在MeCN中的有限的溶解度，碳?xì)浠衔镅趸某潭纫曧敳靠臻g的氣壓(起始壓力為1.67atm)以及溶解于溶液中的氣體量而定。由于CH₄在MeCN中的低溶解度，吾人在初始實(shí)驗(yàn)中僅使用20當(dāng)量H₂O₂以減輕催化劑的無效循環(huán)。所添加H₂O₂的量對轉(zhuǎn)換具有顯著效果，如藉由使用20、40、60及80當(dāng)量的H₂O₂以及在以20當(dāng)量H₂O₂起始的實(shí)驗(yàn)的時(shí)程中遞增添加H₂O₂進(jìn)行CH₄氧化所表明。

另外，亦使用[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物來介導(dǎo)CH₃OH、乙醇、異丙醇及2-丁醇經(jīng)H₂O₂的氧化。此等實(shí)驗(yàn)系用來自35％水溶液的200當(dāng)量H₂O₂、500當(dāng)量基質(zhì)及一當(dāng)量(22.7微莫耳)三銅錯(cuò)合物在MeCN(總體積為3ml)中在室溫下持續(xù)進(jìn)行1h。

吾人在圖17及表7中概述在使用1當(dāng)量(22.7微莫耳)[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺在室溫下在上文所描述的條件下催化各種碳?xì)浠衔锝?jīng)H₂O₂的氧化時(shí)所獲得的結(jié)果。

在藉由三銅簇介導(dǎo)的CH₄、乙烷及丙烷的催化氧化中，僅分別產(chǎn)生CH₃OH、乙醇及2-丙醇。不存在此等碳?xì)浠衔镞^度氧化以形成其對應(yīng)醛或酮的跡象。然而，在正丁烷的情況下，吾人觀測到2-丁醇、2-丁酮及2,3-丁二醇的形成。就正戊烷而言，產(chǎn)物為2-戊醇及2-戊酮，且就正己烷而言，產(chǎn)物為2-己醇及2-己酮，在兩種情況下均偏好酮。在環(huán)己烷的情況下，環(huán)己醇及環(huán)己酮以大致相同比例形成。就環(huán)己烯而言，氧化產(chǎn)生環(huán)氧化物、環(huán)己烯醇及環(huán)己烯酮，偏向于環(huán)氧化物及環(huán)己烯酮。

各種碳?xì)浠衔镅趸臅r(shí)程在圖18中顯示，其中吾人繪制在直至一小時(shí)的各個(gè)時(shí)間產(chǎn)生的側(cè)氧基-產(chǎn)物的當(dāng)量，其根據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)移的氧化當(dāng)量的數(shù)目(TON)加權(quán)。此等數(shù)據(jù)揭示，就所有經(jīng)研究的碳?xì)浠衔锒?，氧化的確為極快速的。在每一情況下，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂幾乎均在不到20min內(nèi)耗盡，遠(yuǎn)在一小時(shí)研究完成之前。即使在CH₄的情況下亦為如此。

此實(shí)例亦揭示三銅錯(cuò)合物的催化循環(huán)。吾人在流程3圖A中描繪藉由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺介導(dǎo)在O₂及H₂O₂存在下CH₄的催化氧化的轉(zhuǎn)換循環(huán)。盡管吾人在此顯示三銅錯(cuò)合物系藉由O₂活化，但該活化亦可用兩分子H₂O₂實(shí)現(xiàn)。因此，催化循環(huán)可在僅存在H₂O₂下進(jìn)行，如吾人先前所描述^18,19，且此處將再次用烷烴基質(zhì)的氧化來說明。在任一情形中，需要額外一分子H₂O₂充當(dāng)「犧牲」還原劑來再還原「用過失效」催化劑，以便再生催化劑用于另一催化轉(zhuǎn)換。然而，兩種情形之間不止存在細(xì)微差異。在充分高濃度的O₂中，H₂O₂不再為良好還原劑，且在此等條件下以O(shè)₂作為氧化劑通常僅觀測到催化劑的單次轉(zhuǎn)換。如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將理解，可使用不同的「犧牲」還原劑來再生催化劑。

流程3圖B描繪催化系統(tǒng)的無效循環(huán)，其為藉由用H₂O₂(在此情況為「犧牲還原劑」)直接還原使經(jīng)活化三銅簇失效的競爭性過程。調(diào)控「氧原子」的經(jīng)活化三銅簇具有高的氧化還原電位，因此若經(jīng)調(diào)控O-原子至基質(zhì)分子的轉(zhuǎn)移不夠快，則該經(jīng)活化三銅簇可失效。此減小催化系統(tǒng)的催化效率的過程在k_失效[H₂O₂]>k_OT[基質(zhì)]時(shí)變?yōu)椴僮餍缘?，其中k_OT及k_失效分別指示自經(jīng)活化三銅簇至有機(jī)基質(zhì)的「O-原子」轉(zhuǎn)移反應(yīng)及失效還原的雙分子速率常數(shù)，其為以高H₂O₂或低基質(zhì)濃度獲得的情形。

用于氧化在此研究中所檢驗(yàn)的各種碳?xì)浠衔锏拇呋到y(tǒng)的有效性的量度系藉由用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂的量由生產(chǎn)循環(huán)所消耗的H₂O₂百分比給出。吾人藉由在實(shí)驗(yàn)過程期間催化劑的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換與包括生產(chǎn)循環(huán)及無效循環(huán)兩者的催化劑的轉(zhuǎn)換總數(shù)的比率來定義催化效率。當(dāng)催化轉(zhuǎn)換僅由H₂O₂驅(qū)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)物形成的生產(chǎn)循環(huán)消耗3分子H₂O₂且無效轉(zhuǎn)換消耗4分子H₂O₂。在此研究中在第2欄及第3欄突出顯示的條件下經(jīng)檢驗(yàn)的各種碳?xì)浠衔锘|(zhì)的此等催化效率列于表7的最后一欄中。在此分析中，吾人假定，經(jīng)引入介質(zhì)中以驅(qū)動(dòng)基質(zhì)氧化的H₂O₂的總量在1h實(shí)驗(yàn)期間已耗盡，此為使用200當(dāng)量H₂O₂時(shí)的良好概算。在任何情況下，根據(jù)此指標(biāo)，三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺的確為在室溫下氧化碳?xì)浠衔锏挠行Т呋瘎?/p>

催化劑系統(tǒng)顯示高催化效率。舉例而言，環(huán)己烷為用于此處所討論類型的催化反應(yīng)的基準(zhǔn)基質(zhì)。¹⁸與C-H鍵相關(guān)的鍵能為99.5千卡/莫耳，其比CH₄低5千卡/莫耳。在吾人的實(shí)驗(yàn)條件下，對此基質(zhì)基本上未注意到無效循環(huán)。時(shí)程研究指示，幾乎所有用于轉(zhuǎn)換催化劑以用于基質(zhì)氧化的H₂O₂均在30min內(nèi)經(jīng)消耗(圖18)。因此，由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物介導(dǎo)以H₂O₂作為O-原子來源的環(huán)己烷的氧化為環(huán)己醇及環(huán)己酮系極其有效的。對于此基質(zhì)使用由其他三晶核配位體支持的三銅錯(cuò)合物已獲得類似結(jié)果。¹⁸對環(huán)己烯亦未觀測到無效循環(huán)。此基質(zhì)經(jīng)氧化為環(huán)己烯醇、環(huán)己烯酮及環(huán)氧化物。明顯地，跨越C＝C鍵親電子同側(cè)添加O-原子與直接C-H插入相比更為容易。在任何情況下，在實(shí)驗(yàn)條件下，環(huán)己烷及環(huán)己烯均充分可溶于MeCN，k_OT[基質(zhì)]>k_無效[H₂O₂]。

[1]流程3圖A中顯示在藉由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺介導(dǎo)的CH₄經(jīng)O₂的催化氧化中藉由H₂O₂驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換循環(huán)及；圖B描繪催化系統(tǒng)的無效循環(huán)，其為藉由用H₂O₂直接還原使經(jīng)活化三銅簇失效的競爭性過程。

吾人亦已在吾人對甲烷氧化的實(shí)驗(yàn)中觀測到極高的催化效率(98％)。然而，在此吾人僅使用20當(dāng)量H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。在使用較低量H₂O₂來驅(qū)動(dòng)氧化的情況下，TON較低。其亦減緩三銅催化劑的轉(zhuǎn)換。然而，更重要地，較低的H₂O₂濃度減輕經(jīng)活化催化劑的失效，從而保持將更多H₂O₂用于生產(chǎn)氧化轉(zhuǎn)換，如由高比率的H₂O₂被催化劑的生產(chǎn)循環(huán)消耗所證實(shí)。如所預(yù)期，當(dāng)使用較大量的H₂O₂來氧化甲烷時(shí)，TON突然減少。使用40當(dāng)量H₂O₂時(shí)，催化效率僅為30％，且使用80當(dāng)量H₂O₂時(shí)，僅6％的相當(dāng)?shù)偷拇呋瘎┺D(zhuǎn)換導(dǎo)致甲醇形成。

就甲烷而言，限制轉(zhuǎn)換的因素為氣體在MeCN中的低溶解度。若CH₄在溶液中的濃度較高以加速由催化劑所介導(dǎo)的二級O原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，則可使用較高量的H₂O₂。盡管在系統(tǒng)中存在過量CH₄，但甲烷濃度受限于氣體在頂部空間氣壓下在溶劑中的溶解度。吾人已在將溶劑體積自3ml增加至6ml的情況下重復(fù)進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)，以確保該過程不受碳?xì)浠衔锏目捎眯韵拗?。使用相同量的三銅催化劑且使用相同量的H₂O₂來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。因此，三銅催化劑的濃度及H₂O₂的起始濃度現(xiàn)低了一半，但CH₄濃度保持相同。因此，轉(zhuǎn)換應(yīng)為較慢的，但催化效率可能略微改進(jìn)。在1h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)獲得基本上相同的TON(約7)。因此，限制TON的不是CH₄的可用性，而是用于驅(qū)動(dòng)該過程的H₂O₂的量。為了證實(shí)此結(jié)論，吾人在8-10min后當(dāng)初始量已明顯地被消耗時(shí)，添加額外的20當(dāng)量H₂O₂。如所預(yù)期，催化劑的轉(zhuǎn)換快速進(jìn)行而產(chǎn)生額外產(chǎn)物，TON在另一15min內(nèi)快速加倍至約12(未顯示數(shù)據(jù))。在一相同條件的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中，以20當(dāng)量H₂O₂起始甲烷氧化(在3min時(shí))，隨后在10min、20min、30min及40min時(shí)增量逐滴添加20當(dāng)量H₂O₂，且最終達(dá)到TON約18(圖18圖C)。此等觀測結(jié)果清楚地強(qiáng)調(diào)在藉由H₂O₂驅(qū)動(dòng)的催化性甲烷氧化中生產(chǎn)循環(huán)與無效循環(huán)之間的相互作用。對于其他基質(zhì)(乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷及正己烷)所觀測到的催化效率加強(qiáng)此概念。

本發(fā)明的一有價(jià)值的特征為不存在小烷烴的任何實(shí)質(zhì)性過度氧化。如先前所指出，CH₄、乙烷及丙烷僅分別經(jīng)氧化為CH₃OH、乙醇及2-丙醇。不存在此等烷烴在催化轉(zhuǎn)換期間的任何過度氧化的跡象。與此發(fā)現(xiàn)一致，未發(fā)現(xiàn)CH₃OH、乙醇及2-丙醇為催化系統(tǒng)的基質(zhì)。當(dāng)使用[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物來介導(dǎo)此等基質(zhì)與H₂O₂的氧化反應(yīng)時(shí)，GC未偵測到醛或酮。過度氧化的傾向?yàn)樵O(shè)計(jì)用于將CH₄轉(zhuǎn)化為CH₃OH的催化劑中的最大挑戰(zhàn)之一。因此，使用[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物，吾人已在吾人開發(fā)用于CH₄羥基化的催化系統(tǒng)中達(dá)成其中一個(gè)主要目標(biāo)。

在吾人設(shè)計(jì)的用于CH₄氧化的三銅錯(cuò)合物中，吾人已靠近三元組的基礎(chǔ)銅建構(gòu)小分子表面用于識別疏水性CH₄分子。此弱的相互作用有利于形成瞬時(shí)錯(cuò)合物，以致其可達(dá)到過渡狀態(tài)以當(dāng)三銅簇經(jīng)活化時(shí)強(qiáng)制氧原子轉(zhuǎn)移來氧化基質(zhì)。另一方面，結(jié)合表面為充分小及疏水性的，以致一旦產(chǎn)物CH₃OH形成，該結(jié)合表面即不能容納該產(chǎn)物。明顯地，對于乙烷及丙烷亦為如此。對于此等較小烷烴，產(chǎn)物醇對于「活性位點(diǎn)」袋不具有充足的結(jié)合親和力，且一旦產(chǎn)物形成即被釋放。

表7.各種碳?xì)浠衔镌谑覝叵陆?jīng)H₂O₂的催化氧化及催化劑對于不同基質(zhì)的效率。

^a1當(dāng)量催化劑對應(yīng)于22.7微莫耳。

^b催化效率指示作為用于碳?xì)浠衔镅趸拇呋瘎┑腫Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物基于用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的H₂O₂量的有效性。其系藉由在1小時(shí)實(shí)驗(yàn)的過程期間，催化劑的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換與包括生產(chǎn)循環(huán)及無效循環(huán)的催化劑的轉(zhuǎn)換總數(shù)的比率給出。

以較高碳數(shù)烷烴形成的醇明顯不為此情況。舉例而言，在正丁烷的情況下，2-丁醇明顯駐留在活性位點(diǎn)中足夠長時(shí)間以允許進(jìn)行另一輪氧化而產(chǎn)生2-丁酮及2,3-丁二醇。由于2-丁醇本身不為三銅簇的用于轉(zhuǎn)化至2-丁酮或2,3-丁二醇的良好基質(zhì)，因此過度氧化明顯受到動(dòng)力控制。當(dāng)使用2-丁醇作為吾人催化系統(tǒng)中歷經(jīng)1h培育實(shí)驗(yàn)的基質(zhì)時(shí)，僅形成極小量的2-丁酮(TON為約1)。出人意料地，使用正戊烷、正己烷及環(huán)己烷，醇僅經(jīng)進(jìn)一步氧化得到酮但不形成二醇。此結(jié)果表明，三銅錯(cuò)合物的分子結(jié)合表面與基質(zhì)之間的相互作用細(xì)節(jié)對于氧化的位置特異性為重要的。對于較長烷烴、環(huán)己烷及環(huán)己烯，基質(zhì)的脂族部分與活化中的三銅簇的結(jié)合表面之間的凡得瓦相互作用可決定此等碳?xì)浠衔锘|(zhì)在結(jié)合袋中的定位及定向。由檢驗(yàn)經(jīng)活化三銅錯(cuò)合物的CPK模型連同各種碳?xì)浠衔锘|(zhì)及其氧化產(chǎn)物的模型，吾人推測，在三銅錯(cuò)合物及基質(zhì)/產(chǎn)物兩者上的分子表面決定特定的凡德瓦相互作用及結(jié)合模式，其導(dǎo)致在氧化中所觀測到的位置特異性(圖16)。

就此處所描述的催化系統(tǒng)而言，在考慮到催化效率之后，TON或在實(shí)驗(yàn)時(shí)程期間所形成的產(chǎn)物量很大程度上系由用于驅(qū)動(dòng)三銅催化劑的轉(zhuǎn)換的H₂O₂的量決定。大體而言，有可能藉由使用較大量的H₂O₂或如吾人已在此說明的在各個(gè)時(shí)間向系統(tǒng)添加遞增量的H₂O₂來增加TON。舉例而言，當(dāng)使用[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺錯(cuò)合物來介導(dǎo)環(huán)己烷的氧化時(shí)，可以此方式達(dá)到約120的TON。然而，作為分批法，水伴隨添加增加量的H₂O₂溶液在溶液中積聚，使得三銅錯(cuò)合物最終自溶液中廢棄。催化劑在含有少量H₂O的MeCN中原本為穩(wěn)固的。

催化劑在早期當(dāng)H₂O₂濃度≈[H₂O₂]₀時(shí)的估計(jì)轉(zhuǎn)換頻率(TOF)。催化劑的轉(zhuǎn)換速率受生產(chǎn)或無效事件后「用過失效」催化劑的再生限制，且其與在特定情況下可用的[H₂O₂]成正比。TOF可自早期在其中不存在無效循環(huán)條件下的產(chǎn)物形成速率來估計(jì)。在催化效率接近1的環(huán)己烷及環(huán)己烯的情況下，在200當(dāng)量H₂O₂下TOF為約10^-1s^-1。當(dāng)使用20當(dāng)量H₂O₂將CH₄轉(zhuǎn)化為CH₃OH時(shí)，獲得約5×10^-3s^-1的TOF。若有可能使用200當(dāng)量H₂O₂驅(qū)動(dòng)甲烷的氧化而不產(chǎn)生顯著的無效循環(huán)，則TOF可高10倍(約5×10^-2s^-1)。此分析強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明催化系統(tǒng)用于將CH₄轉(zhuǎn)化為CH₃OH的效能中轉(zhuǎn)換速率與催化效率之間的相互作用?？傮w而言，此實(shí)例提供明確數(shù)據(jù)，顯示[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺催化劑促進(jìn)在室溫下在MeCN中以H₂O₂作為氧化劑的CH₄以及其他小烷烴的有效氧化。該氧化為位置特異性，且轉(zhuǎn)換數(shù)僅受用于在受控條件下驅(qū)動(dòng)該過程的H₂O₂的量限制。

已研發(fā)出分批「反應(yīng)器」以允許評估催化系統(tǒng)的工作原理且評估其對于烷烴氧化的功效。為了擴(kuò)大規(guī)模，可使用流動(dòng)系統(tǒng)以持續(xù)移除CH₃OH/H₂O，伴隨輸入H₂O₂/H₂O以驅(qū)動(dòng)催化氧化。在CH₄氧化的一些實(shí)施例中，三銅錯(cuò)合物的組合物在對于CH₄氣體具有較大溶解度的溶劑系統(tǒng)(諸如全氟碳?xì)浠衔?中起作用。或者，可將本發(fā)明三銅催化劑囊封入中孔材料的孔隙中，且將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為異相催化劑。

材料與方法：

概述。除非另外說明，否則所有化學(xué)物質(zhì)均以試劑級質(zhì)量購自商業(yè)來源且按原樣使用。乙腈(MeCN)系在氮?dú)庀伦訡aH₂-P₂O₅蒸餾；且儲存在干燥、填充N₂燒瓶中的分子篩上。在使用之前，用氮?dú)獯祾咄ㄟ^此等溶劑。用于氧合作用的氧氣(99.8％，F(xiàn)ong Ming)藉由依次通過P₂O₅及Drierite的兩個(gè)短管柱來干燥。根據(jù)舒?zhèn)惪?Schlenk)技術(shù)在氮?dú)庀禄蛟谑痔坠ぷ飨?氮?dú)?中進(jìn)行操作、反應(yīng)及轉(zhuǎn)化。

合成配位體3,3'-(1,4-二氮雜環(huán)庚烷-1,4-二基)雙[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇](7-N-Etppz)。配位體7-N-Etppz系根據(jù)現(xiàn)有程序合成。首先制備化合物3,3'-(1,4-二氮雜環(huán)庚烷-1,4-二基)雙(1-氯丙-2-醇)(1)。^[1]將表氯醇(1.85g，20mmol)于甲醇(15.0ml)中的溶液逐滴添加至高哌嗪(1.00g，10mmol)于甲醇(30.0ml)中的溶液中，伴之以在-5℃下攪拌。在-5℃下攪拌72h之后，藉由硅膠管柱層析使用在二氯甲烷(DCM)中的8％CH₃OH作為溶離劑來純化所得混合物。隨后使用來自先前由Hayashi等人^[2]所發(fā)表程序的略微經(jīng)修改的程序?qū)?-乙基哌嗪偶合至(1)。將含有(1)(4.28g，15mmol)、1-乙基哌嗪(3.46g，30mmol)及K₂CO₃(4.15g，30mmol)的MeCN(15.0ml)溶液加熱至70-80℃，持續(xù)48h(N₂氛圍)。冷卻至室溫后，過濾溶液，且在蒸干濾液后，獲得配位體7-N-Etppz。¹H NMR(圖19A)δ(CDCl₃,300MHz)：1.8(t,2H,CH₃)；2.05-2.93(m,CH₂)；3.6(s,2H,CH),4.4(s 2H,CH)。¹³C NMR(圖19B)δ(300MHz,CDCl₃)：主要峰出現(xiàn)在11.6、11.65、27.23、52.0、52.5、53.2、54.4、55.3、62.2、62.4及64.7。ESI-MS(正離子)：m/z 441(圖20A)。

制備銅錯(cuò)合物。如先前所描述制備三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)¹⁺及[Cu^IICu^II(μ-O)Cu^II(7-N-Etppz)]²⁺。^[3-6][Cu^IICu^II(μ-O)Cu^II(7-N-Etppz)]²⁺錯(cuò)合物的FAB MS在m/z 844處顯示正離子質(zhì)量峰(圖20B)。77K EPR光譜展現(xiàn)以g 2.06為中心的無特征各向同性信號(圖21)。

由[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)¹⁺介導(dǎo)的CH₄至CH₃OH的氧化。如下進(jìn)行由三銅錯(cuò)合物[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)¹⁺介導(dǎo)的甲烷氣體(CH₄)經(jīng)O₂的氧化。首先，將[Cu^ICu^ICu^I(7-N-Etppz)]¹⁺(0.0113mmol)添加至在60ml玻璃樣品瓶中的3ml MeCN中。由于經(jīng)還原的三銅錯(cuò)合物對空氣極為敏感，因此最好在手套工作箱內(nèi)在經(jīng)純化氮?dú)夥諊逻M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在自手套工作箱移出樣品之前，先將樣品瓶用橡膠蓋緊密密封且抽空，隨后再使用氣體注射器注入O₂(于STP下10ml，0.44mmol)及CH₄(于STP下100ml，4.4mmol)以用此兩種氣體填充樣品瓶的總體積。隨后用磁性攪拌棒劇烈攪拌混合物持續(xù)至多1h的不同時(shí)間。隨后關(guān)閉磁力攪拌器且在用注射器針移除氣體進(jìn)行產(chǎn)物分析之前將樣品瓶保持在冰中2min。在破壞玻璃樣品瓶的封口后，向溶液添加3μl硝基甲烷以提供用于定量產(chǎn)物的內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品(IS)。

在藉由GC進(jìn)行溶液的產(chǎn)物分析前，使溶液通過急驟層析管柱(硅膠)以移除金屬錯(cuò)合物。在配備有火焰電離偵測器的HP6890plus上進(jìn)行GC分析。條件如下：HP5管柱(60m×0.25mm×0.25mm膜厚度)；載氣，在1ml/min流動(dòng)速率下的氮?dú)?；烘箱溫度，恒溫?0℃下；在280℃下的脈沖不分流注射，(25.0psi持續(xù)30秒且剩余采集時(shí)間為17.5psi)；且FID偵測器在300℃下。在配備有HP5873EI-MS偵測器的HP6890plus上進(jìn)行GC-MS分析以鑒定產(chǎn)物。條件如下：DB-1MS管柱(60m×0.25mm×0.25mm膜厚度)；載氣，在1.3ml/min流動(dòng)速率下的氦氣；烘箱溫度，恒溫在35℃下；在250℃下的分流注射，分流比率為25:1。

CH₄:GC(恒溫，30℃)，t_R＝5.0min；EI-MS，m/z(％)16(100)[M⁺]，15(70)。

CH₃OH：GC(恒溫，30℃)，t_R＝5.5min；EI-MS，m/z(％)32(80)[M⁺]，31(100)，29(70)。

自使用可靠樣品制備的對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算產(chǎn)物產(chǎn)率。合并收集自氣體及溶液的產(chǎn)物以得到TON。在圖28中將結(jié)果描繪為反應(yīng)時(shí)間的函數(shù)。此時(shí)程研究揭示反應(yīng)在20min內(nèi)完成，最大TON為0.92，其指示甲烷至甲醇的轉(zhuǎn)化涉及催化劑的單次轉(zhuǎn)換。

關(guān)于多次轉(zhuǎn)換，使用H₂O₂作為還原劑來再生「用過失效」催化劑。使用35％H₂O₂的適當(dāng)?shù)确衷嚇釉?至160當(dāng)量范圍內(nèi)的不同量還原劑存在下重復(fù)進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)。此等TON概述于圖28C中。

肽合成。所有肽均在PS3^TM自動(dòng)化肽合成器(Rainin Instruments)上藉由批式茀基甲氧基羰基(Fmoc)聚酰胺方法合成。^[7]在該合成中使用0.1mmol Rink酰胺AM樹脂、0.4mmol Fmoc-胺基酸及0.4mmol PyBop(Merck Inc.)。去保護(hù)試劑及活化試劑分別為在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的20％(v/v)哌啶及在DMF中的4.5％(v/v)N-甲基嗎啉。偶合反應(yīng)系藉由寧海準(zhǔn)(ninhydrin)測試檢查。通常耗時(shí)約2.0h以完成反應(yīng)。在合成之后，樹脂依次用DMF、乙醇及二氯甲烷洗滌且在真空中干燥1.0h。

在93％三氟乙酸(TFA)中用2.5％1,2-乙二硫醇、2.5％去離子(DI)水、2.5％三異丙基硅烷自樹脂裂解粗制肽持續(xù)2.0h。側(cè)鏈保護(hù)基包括：Asp(OtBu)、His(Trt)、Thr(tBu)及Gln(Trt)。隨后經(jīng)由G3漏斗直接過濾反應(yīng)混合物，且將濾液添加至60ml冰冷的第三丁基甲基醚中。

藉由HPLC純化肽。使用連接至Waters-2695-Alliance HPLC系統(tǒng)的C18HPLC管柱進(jìn)行逆相HPLC。使用兩種溶劑的組合，兩者均在3mL/min的流動(dòng)速率下：溶劑A(0.10％TFA、5.0％MeCN、95％去離子水)與溶劑B(0.10％TFA、99.9％MeCN)的二元梯度。藉由UV光譜法(HP 8453分光亮度計(jì))使用在280nm下的吸亮度確定肽濃度。肽的實(shí)體系使用ESI Finnigan LCQ MS(Thermo Finnigan,San Jose,CA)來確認(rèn)。就肽HIHAMLTMGDWD而言，m/z＝1424.6(z＝1)。

除非另外說明，否則所有用于制備肽的化學(xué)物質(zhì)均獲自NovaBiochem。

形成三銅-肽錯(cuò)合物。肽HIHAMLTMGDWD能夠結(jié)合三個(gè)銅離子以在過量乙酸根(或氯離子)存在下形成Cu^ICu^ICu^I-肽及Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物兩者。當(dāng)Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物在pH 6.8、超過1mM的去離子水中，以3/1的化學(xué)計(jì)量[Cu^II]/[肽]濃度比率，且在以上陰離子配位體存在下形成時(shí)，藍(lán)色乙酸根或氯離子錯(cuò)合物自溶液中沈淀出。錯(cuò)合物應(yīng)為電中性的，因?yàn)槿齻€(gè)Cu^II離子的六個(gè)正電荷經(jīng)由肽序列中的兩個(gè)Asp、兩個(gè)乙酸根(或氯離子)陰離子配位體及頂蓋「μ-側(cè)氧基」(參見正文)所提供的六個(gè)負(fù)電荷平衡。其在水性緩沖液中僅具有有限的溶解度(約1mM)，且解離為較低銅核性的銅-肽物質(zhì)。白色Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物系藉由使用Cu(OAc)₂用6當(dāng)量抗壞血酸鹽培育由化學(xué)計(jì)量Cu^II/肽溶液([Cu^II]/[肽]濃度比率為3/1)形成的藍(lán)色Cu^IICu^IICu^II-肽沈淀物的樣品，隨后洗滌來容易地形成。經(jīng)還原的三銅-肽錯(cuò)合物完全不溶于水性緩沖液中。

Cu^IICu^IICu^II-肽溶液的質(zhì)譜分析。在以ESI模式操作的7.0Tesla FT ICR質(zhì)譜儀(APEX IV,Bruker-Daltonics)上進(jìn)行銅-肽溶液的質(zhì)譜分析。銅-肽錯(cuò)合物系藉由在含有0.05％甲酸的去離子水(pH 4.0)中混合3.0mM肽與9.0mM Cu(OAc)₂而形成。隨后在Quickspin離心機(jī)中離心溶液以自所形成的固體三銅錯(cuò)合物沈淀物分離溶液。隨后將含有0.05％甲酸的50μL 1:1H₂O/CH₃OH(1:1v/v)溶液(pH約4)添加至6.0μL的上清液中，且記錄溶液中的銅-肽物質(zhì)的質(zhì)譜。

基于質(zhì)譜，吾人發(fā)現(xiàn)肽HIHAMLTMGDWD能夠結(jié)合三個(gè)Cu^II離子以在過量乙酸根(或氯離子)存在下形成三銅錯(cuò)合物。Cu₃-肽物質(zhì)的形成藉由FT-ICR ESI-MS來確認(rèn)(圖22A)。自溶液獲得來自原生肽(m/z 713.3(z＝2))、Cu₁-肽(m/z 743.8(z＝2))及Cu₂-肽(m/z 775.2(z＝2))的質(zhì)量峰。當(dāng)溶液包括沈淀物時(shí)，在ESI-MS分析中辨識出額外的質(zhì)量峰(m/z 805.7(z＝2))。此質(zhì)量峰容易地歸屬于Cu₃-肽物質(zhì)。藉由包括⁶³Cu及⁶⁵Cu同位素的統(tǒng)計(jì)分布模擬在m/z 805.7(z＝2)峰附近的質(zhì)量簇確認(rèn)對三銅-肽錯(cuò)合物的歸屬。

固體Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物的FAB質(zhì)譜。由HIHAMLTMGDWD形成的固體Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物的高速原子轟擊質(zhì)譜(FAB-MS)在m/z 1613.7(z＝1)處顯示質(zhì)量峰，其與Cu₃-肽物質(zhì)一致(圖29A)。在m/z 1549.8-1551.8(z＝1)及m/z1489(z＝1)處分別觀測到對應(yīng)的2:1及1:1銅-肽物質(zhì)。在JMS-700雙聚焦質(zhì)譜儀(JEOL,Tokyo，Japan)上以8000(3000)(5％谷線定義)的分辨率獲得FAB質(zhì)譜。使用在10kV的源加速電壓下操作的Xe槍，且使用3-硝基苯甲基醇(NBA)作為支持固體三銅-肽錯(cuò)合物的基質(zhì)。藉由手動(dòng)混合Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物與1ml NBA來制備樣品，且將混合物的等分試樣施加至標(biāo)靶尖端以用于FAB質(zhì)量分析。自m/z 500至1800以32s掃描記錄質(zhì)譜。

配位體的實(shí)體。肽HIHAMLTMGDWD提供吾人先前用于將三銅簇建構(gòu)至來自莢膜甲基球菌(Bath)的pMMO的晶體結(jié)構(gòu)的D位點(diǎn)中的PmoA片段的大量可能存在的金屬接合殘基。^[8]在肽序列中加粗突顯的殘基對應(yīng)于(自左至右)PmoA的His38、Met42、Asp47及Asp49。為了鑒別在此研究中參與形成三銅-肽錯(cuò)合物的配位體，吾人制備大量肽突變體且發(fā)展出基于Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物的沈淀特性的簡單檢定。在模型三銅錯(cuò)合物中，使用肽序列中的第一個(gè)His及第一個(gè)Met模擬His38及Met42，及使用C端Asp模擬Asp49藉由胺基酸取代證實(shí)，如表8中所示。經(jīng)發(fā)現(xiàn)此等經(jīng)突顯的胺基酸為形成三銅簇所絕對需要的。當(dāng)肽序列中的前導(dǎo)His經(jīng)Gln取代時(shí)，形成弱得多的錯(cuò)合物。當(dāng)此His由Ala取代時(shí)，僅偵測到痕量沈淀物。類似地，肽序列中的第一個(gè)Met由Ala置換消除了三銅錯(cuò)合物的形成。相對地，肽序列中的第二個(gè)His由Gln置換，或肽序列中的第二個(gè)Met由Ala置換，幾乎不影響三銅錯(cuò)合物的形成。肽中的剩余的Asp意欲模擬Asp47，且此Asp由Ala取代僅導(dǎo)致形成弱的錯(cuò)合物。

表8.自肽與Cu(OAc)₂的溶液形成Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物，[Cu(II)]/[肽]濃度比＝3。

固體三銅-肽錯(cuò)合物的EPR光譜分析。藉由在添加三當(dāng)量Cu(OAc)₂或CuCl₂后自1-5mM肽溶液(在去離子水中，pH 6.8)沈淀來制備固體Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物。以分光亮度法在280nm下使用ε＝5690M^-1cm¹測定肽樣品的濃度。在各情況下，使Cu^II溶液緩慢向下滴流至震蕩器中的肽溶液中。使藍(lán)色沈淀物分散在KCl(1重量％)中來進(jìn)行EPR量測。

在配備有Bruker TE102腔室的Bruker EMX光譜儀上記錄三銅-肽錯(cuò)合物的77K EPR光譜(圖23及圖29B)。藉由使用液態(tài)氮指狀杜瓦瓶(dewar)將樣品溫度維持在77K下。微波頻率：9.490-9.516GHz；微波功率：2.0mW；調(diào)幅：3高斯。

在配備有Bruker TE102腔室的Bruker E580光譜儀上進(jìn)行分散在KCl(3重量％)中的藍(lán)色(Cu^IICu^IICu^II)及白色(Cu^ICu^ICu^I)沈淀物的4K EPR量測。藉由Oxford Instruments連續(xù)液態(tài)氦氣低溫恒溫器將樣品溫度維持于接近4K。微波頻率：9.45-9.66GHz；微波功率：20mW；調(diào)幅：1高斯。

經(jīng)還原的三銅-肽錯(cuò)合物應(yīng)為EPR沉默的。對于白色Cu^ICu^ICu^I-肽及藍(lán)色Cu^IICu^IICu^II-肽沈淀物的匹配樣品(3重量％分散在KCl中)所記錄的4K EPR光譜的強(qiáng)度比較指示，在Cu^ICu^ICu^I-肽樣品中觀測到的殘余的經(jīng)氧化三銅簇占樣品中的總?cè)~簇的低于1％。

銅三元組的跡象。Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物展現(xiàn)對于經(jīng)鐵磁耦合以得到S_T＝3/2基態(tài)的Cu^II自旋的三元組所預(yù)期的無特征、幾乎各向同性的電子順磁共振(EPR)信號，如先前對于自含有全部約15個(gè)銅離子的莢膜甲基球菌(Bath)分離的pMMO-濃化膜及pMMO所發(fā)表。^[9,10]用野生型及H40Q M45A肽(亦即HIHAMLTMGDWD及HIQAMLTAGDWD)形成的錯(cuò)合物的77K EPR光譜呈現(xiàn)在圖23中。對于兩種錯(cuò)合物所觀測到的g值為2.1，其與對于經(jīng)純化的活性pMMO中的推斷三銅簇所報(bào)告的g值良好地匹配。^[10]對于1％分散在KCl中的銅-肽錯(cuò)合物的經(jīng)稱重量干燥沈淀物的EPR強(qiáng)度量測指示，在實(shí)驗(yàn)誤差內(nèi)，沈淀物中的Cu^II含量完全由Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物占據(jù)。在H40Q M45A肽-錯(cuò)合物沈淀物中的對應(yīng)的三銅簇含量為約80％。在突變型H38Q肽QIHAMLTMGDWD的情況下，僅辨識出弱的EPR信號(線形改變)。此等EPR結(jié)果提供吾人在此制備的野生型三銅-肽錯(cuò)合物與在pMMO酵素中的D位點(diǎn)處所牽涉的推斷三銅簇之間的直接聯(lián)系。

所觀測到EPR的歸屬于鐵磁耦合Cu^II自旋的三元組的S_T＝3/2基態(tài)藉由對野生型Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物的磁化率量測來確認(rèn)(圖24)。

磁化率量測。Cu^IICu^IICu^II-HIHAMLTMGDWD錯(cuò)合物的磁化率系使用超導(dǎo)量子干擾裝置振動(dòng)樣品磁力計(jì)(SQUID VSM，來自Quantum Design)來量測。將含有3當(dāng)量Cu^II的肽的沈淀物干燥且封裝入明膠膠囊中。在1.8-300K的溫度范圍內(nèi)且在1.0特斯拉(Tesla)的磁場強(qiáng)度下收集溫度依賴性磁化(整體磁矩)數(shù)據(jù)。

整體磁矩的順磁分量系藉由自觀測到的整體磁矩減去Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物及樣品固持器的反磁作用獲得。自此經(jīng)校正的磁矩值計(jì)算莫耳磁化率(χ_M)。χ_M對T的曲線圖呈現(xiàn)在圖24中。磁化率數(shù)據(jù)與對具有S_T＝3/2基態(tài)的Cu^II自旋的等邊三元組所得到的χ_M的最佳擬合產(chǎn)生35.4cm^-1的交換相互作用J。(H_交換＝-2J[S_A·S_B+S_B·S_C+S_C·S_A]；細(xì)節(jié)參見數(shù)據(jù)分析)。磁化率的溫度依賴性指示兩個(gè)S_T＝1/2雙重態(tài)在四重基態(tài)上方約100cm^-1。

TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的選殖、蛋白質(zhì)表現(xiàn)及純化。含有野生型TEL-SAM域^[11]的基因的質(zhì)體系由Dr.James Bowie(UCLA)慷慨提供。藉由將對應(yīng)核苷酸序列并入引子中來將莢膜甲基球菌(Bath)的PmoA序列(殘基38-49)加C端Pro-Asp在靠近TEL-SAM域的C端處融合至His-Ile殘基。將所得擴(kuò)增子選殖入pET28b(+)載體(Novagen)的NdeI限制位點(diǎn)中以便產(chǎn)生具有N端His₆標(biāo)簽的標(biāo)靶蛋白。進(jìn)行定點(diǎn)突變誘發(fā)(Stratagene)以產(chǎn)生TEL-SAM蛋白質(zhì)的pH依賴性聚合所必需的V80E突變。藉由DNA定序檢驗(yàn)質(zhì)體的完整性。隨后將編碼His₆標(biāo)記TEL-SAM V80E突變體/PmoA(38-49)的質(zhì)體+PD融合蛋白(TEL-SAM-PmoA(38-49))轉(zhuǎn)化至大腸桿菌(E.coli)BL21(DE3)[pLysS]細(xì)胞(Stratagene)中。用1mM IPTG誘發(fā)融合蛋白的表現(xiàn)。在含有50mg/L康霉素(kanamycin)的Lauria-Bertani(LB)培養(yǎng)液中在37℃下使細(xì)胞生長5h達(dá)到約0.6的OD₆₀₀。以4000×g持續(xù)30min將1-L細(xì)胞培養(yǎng)物球?；?。

將細(xì)胞小球再懸浮于20mM Tris-HCl、200mM NaCl、30mM咪唑中，且藉由音波處理溶解。在4℃下以18,000×g離心粗細(xì)胞提取物持續(xù)30min。將上清液裝載至5mL床體積Ni-活化HisTrap HP管柱(GE Healthsciences)上且用在20mM Tris-HCl及200mM NaCl中的咪唑梯度(10-500mM)溶離。His₆標(biāo)記TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白在大約120mM咪唑下溶離。用20mM Tris-HCl稀釋溶離液以使咪唑及NaCl濃度降低至低于20mM。隨后將經(jīng)稀釋的溶離液施加至5mL HiTrap Q陰離子交換管柱(GE Healthsciences)，用20mM Tris-HCl及25mM NaCl洗滌，且用20mM至1M NaCl的梯度溶離。融合蛋白在大約430mM NaCl下溶離，且藉由SDS-PAGE及庫馬斯(Coomassie)染色純度大于95％。將經(jīng)純化的蛋白質(zhì)透析隔夜至20mM Tris-HCl及200mM NaCl中，且使用Vivaspin濃縮器濃縮。藉由隔夜凝血酶分解移除His₆-標(biāo)記，且藉由布拉福(Bradford)方法測定蛋白質(zhì)濃度。

藉由MALDI-TOF/MS來表征經(jīng)純化的TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白。亦制備用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的銅錯(cuò)合物且對其進(jìn)行MALDI-TOF/MS及EPR量測，并隨后進(jìn)行X射線Cu K-邊緣吸收及EXAFS研究。

用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的銅錯(cuò)合物的MALDI-TOF/MS。在Ohio State University(Columbus,Ohio)的CCIC質(zhì)譜及蛋白體學(xué)設(shè)施(CCIC Mass Spectrometry and Proteomics Facility)進(jìn)行TEL-SAM-PmoA(38-49)的基質(zhì)輔助雷射脫附/電離飛行時(shí)間(MALDI-TOF)光譜研究。TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白在5.4當(dāng)量Cu(OAc)₂存在下的MALDI-TOF/MS系在以線性、正離子模式用N₂雷射操作的Bruker Reflex III(Bruker,Breman,Germany)質(zhì)譜儀上進(jìn)行。雷射功率系在產(chǎn)生信號所需的臨限值位準(zhǔn)下使用。加速電壓設(shè)定成28kV。用涵蓋蛋白質(zhì)(通常為脫輔基肌紅蛋白及牛血清白蛋白的混合物)的分子量的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品按需要使用帶雙電荷、帶單電荷及二聚體峰來校準(zhǔn)儀器。樣品系在0.1％TFA中以大約50pmol/μL的濃度制備。使用芥子酸作為蛋白質(zhì)的基質(zhì)，其經(jīng)制備為在50％ACN/0.1％TFA(在水中)中的飽和溶液。將1μL基質(zhì)及1μL樣品的分配物徹底混合在一起；將0.5μL此物點(diǎn)樣在標(biāo)靶培養(yǎng)板上且使其干燥。

MALDI光譜揭示11,023.2Da的初級質(zhì)量，其與蛋白質(zhì)的預(yù)期分子質(zhì)量11,027.3Da接近一致(圖25)。在11,246.8Da下觀測到第二個(gè)峰。值得注意地，此等峰之間的224Da質(zhì)量差異將與結(jié)合至TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的三核銅二側(cè)氧基或側(cè)氧基-氫氧橋接物質(zhì)的結(jié)合一致。

X射線吸收量測。如下制備用于X射線吸收光譜分析(XAS)的用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的三銅錯(cuò)合物的樣品：用9當(dāng)量乙酸銅沈淀0.9M TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白。用再蒸餾H₂O充分洗滌蛋白質(zhì)球粒。

在國家同步輻射研究中心(National Synchrotron Radiation Research Center)(臺灣新竹)中的搖擺器光束線(wiggler beamline)BL-17C1進(jìn)行三銅-錯(cuò)合物粉末的X射線吸收量測。用Si(111)的雙晶體單色器使光束單色化以達(dá)成能量分辨率ΔE/E≈2×10^-4。將Cu^IICu^IICu^II-肽樣品密封在聚乙烯袋中且在藉由氣體冷卻流控制的約278K下量測。Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物系在干燥N₂填充手套工作箱中制備，密封，且置放在藉由DE-202G死循環(huán)循環(huán)制冷機(jī)(Advanced Research Systems,Inc.)維持在100K下的樣品固持器中。用13元素固態(tài)偵測器在8779eV至9876eV的能量范圍內(nèi)以熒光模式取得吸收光譜。使用在Cu箔的吸收光譜的8979.0eV處的第一個(gè)拐折點(diǎn)進(jìn)行能量校準(zhǔn)。先前，Kau等人使用略高于8980.3eV的值。^[12]數(shù)據(jù)收集策略與先前由Li等人所發(fā)表的相同。^[13]所有10次掃描的可再現(xiàn)XANES光譜指示，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的輻射損害可忽略。XAS數(shù)據(jù)針對背景進(jìn)行校正，且藉由AUTOBK程序^[14]根據(jù)χ(k)＝[μ(k)-μ₀(k)]/Δμ₀(0)標(biāo)準(zhǔn)化，其中μ(k)表示經(jīng)量測的吸收系數(shù)，μ₀(k)表示背景且Δμ₀(0)表示邊緣躍升。波向量k的值經(jīng)定義為其中E為光子能量，E₀為臨限值能量，為普朗克(Planck)常數(shù)，且m為電子的質(zhì)量。基于XANES光譜的一階導(dǎo)數(shù)曲線的局部最大值，dμ/dE，將E₀設(shè)定為8990.8eV。在EXAFS區(qū)域中的χ(k)進(jìn)一步由k³加權(quán)，且隨后作為FT[k³χ(k)]傅里葉轉(zhuǎn)化至R-空間中(圖30)。

在圖26A中比較Cu^IICu^IICu^II-及Cu^ICu^ICu^I-錯(cuò)合物與野生型肽的XANES光譜。在經(jīng)還原錯(cuò)合物的光譜中在約8982eV處的明顯峰表示Cu^I的經(jīng)允許的1s→4p躍遷^[12]。在圖26B中比較此等銅錯(cuò)合物的EXAFS光譜。Cu^ICu^ICu^I-錯(cuò)合物與野生型肽的EXAFS光譜的分析及數(shù)據(jù)擬合在圖27中顯示。

制備由中孔碳承載的Cu^ICu^ICu^I-肽錯(cuò)合物。所有實(shí)驗(yàn)系在手套工作箱(Coy Lab)中在如藉由氧及氫分析器(Oxygne and Hydrogen Analyzer)(Coy Laboratory Products,Grass lake,MI)所測定O₂含量低于1ppm的情況下進(jìn)行。將中孔碳(Sigma Aldrich，孔徑>0.2cm³/g中孔隙；80mg)與1ml 12聚肽(7.1mg，5mM)在2ml艾本德(Eppendorf)試管中在4℃下懸浮于去離子水中隔夜。藉由以13000rpm離心30min收集經(jīng)吸附或經(jīng)中孔碳囊封的肽。在藉由使用微量吸管(pipetman)謹(jǐn)慎移除上清液之后，用25mM CuCl₂溶液(1mL)處理與中孔碳締合的肽且在4℃下懸浮2天。隨后以13000rpm離心樣品30min以收集球粒。在移除上清液之后，用H₂O洗滌球粒兩次以移除未與肽錯(cuò)合的銅離子。77K EPR確認(rèn)結(jié)合至與中孔碳締合的肽的所有銅離子均呈鐵磁耦合Cu^II三元組的形式。經(jīng)囊封在中孔碳混合物中的Cu^IICu^IICu^II-肽錯(cuò)合物隨后藉由用1ml 25mM抗壞血酸鹽溶液處理20min而還原為Cu^ICu^ICu^I-肽物質(zhì)。再多重復(fù)此抗壞血酸鹽還原一次，之后藉由1ml經(jīng)脫氣的再蒸餾H₂O洗滌球粒兩次以移除脫氫抗壞血酸鹽及過量抗壞血酸鹽。在洗滌之后，藉由以13000rpm離心30min收集經(jīng)中孔碳承載的Cu^ICu^ICu^I三銅-肽錯(cuò)合物，且傾析上清液。最后，藉由使用無水氯化鈣作為濕氣清除劑在干燥器中干燥球粒3天。在77K下對于此等球粒未偵測到EPR信號，其指示銅離子在樣品中完全經(jīng)還原。

中孔碳承載的Cu^ICu^ICu^I三銅-肽錯(cuò)合物的活性檢定。Cu^ICu^ICu^I三銅-肽錯(cuò)合物的活性系藉由丙烯環(huán)氧化及甲烷氧化檢定兩者來測定。所有檢定均在9mL封閉小瓶中在45℃下在水浴中進(jìn)行。在丙烯環(huán)氧化活性的情況下，將經(jīng)中孔碳承載的三銅錯(cuò)合物密封在9ml小瓶中且抽空。使用注射器針在大氣壓力下將6ml在STP下的丙烯(249μmol)及3ml在STP下的氧氣(124μmol)依次引入小瓶中以起始檢定。在甲烷氧化活性的情況下，將經(jīng)囊封在中孔碳中的三銅-肽錯(cuò)合物密封在9ml小瓶中且抽空20秒，并在大氣壓力下將6ml在STP下的甲烷(249μmol)及3ml在STP下的氧氣(124μmol)依次引入小瓶中以起始檢定。以先前針對模型三銅錯(cuò)合物所描述的條件進(jìn)行氧化產(chǎn)物的GC及GC-MS分析。

CH₄:GC(恒溫，30℃)，t_R＝5.0min；EI-MS，m/z(％)16(100)[M⁺]，15(70)。

CH₃OH：GC(恒溫，30℃)，t_R＝5.5min；EI-MS，m/z(％)32(80)[M⁺]，31(100)，29(70)。

C₃H₆:GC(恒溫，30℃)，t_R＝5.0min；EI-MS，m/z(％)42(70)[M⁺]，41(100)，39(80)。

C₃H₆O:GC(恒溫，30℃)，t_R＝6.1min；EI-MS，m/z(％)58(100)[M⁺]，43(70)，28(70)。

定量系使用藉由分析環(huán)氧丙烷及甲醇標(biāo)準(zhǔn)品(Merck；分光亮度法等級>99％)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)曲線來進(jìn)行。

數(shù)據(jù)分析

分析磁化率數(shù)據(jù)。形成等邊三元組的三個(gè)S_A＝S_B＝S_C＝1/2中心的各向同性交換將產(chǎn)生四重峰(⁴A)及雙重簡并二重峰(²E)。^[15]就鐵磁性交換(J>0)而言，四重峰⁴A為基態(tài)，而就反鐵磁性相互作用(J<0)而言，基態(tài)將為二重峰²E。然而，在后一情形中，預(yù)期將出現(xiàn)三元組的Jahn-Teller失真以減輕自旋不穩(wěn)態(tài)(spin frustration)。簡單各向同性交換Hamiltonian可寫為

H_{各向同性交換}＝-2J[S_A·S_B+S_B·S_C+S_C·S_A]， (1)

且平均莫耳磁化率(χ_M)系藉由熟知的van Vleck方程式給出：

${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&chi;}}}_M=\&lsqb;\frac{N_A{\mathrm{\&mu;}}_0{{\mathrm{\&mu;}}_B}^2{g_{Cu}}^2}{4k_{B}T}\&rsqb;\frac{1+5\exp (3J/k_{B}T)}{1+\exp (3J/k_{B}T)}---\left(2\right)$

其中N_A為亞佛加厥(Avogadro)數(shù)；μ₀為電容率；μ_B為波爾(Bohr)磁子；且k_B為波茲曼(Boltzmann)常數(shù)。g_Cu指示Cu^II離子的平均g值，且J為各向同性交換相互作用。

EXAFS數(shù)據(jù)的分析。基于平面波單一散射，一般EXAFS式可藉由以下方程序表示為所有殼層j的總和，

$\mathrm{\&chi;}\left(k\right)={S_0}^2\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{N_j\left(k\right)F_j\left(k\right)}{{{\mathrm{kR}}_j}^2}\sin \&lsqb;2{\mathrm{kR}}_j+{\mathrm{\&delta;}}_j\left(k\right)\&rsqb;e^{-\frac{2R_j}{\mathrm{\&lambda;}}}{e}^{-2k^2{{\mathrm{\&sigma;}}_j}^2}---\left(3\right)$

其中F_j(k)為來自在距離R_j(相對于吸收原子)處的殼層中的各N_j原子的后向散射振幅，exp(-2k²σ_j²)為Debye-Waller因子，其中均方位移σ_j²、S₀²為振幅減少因子，σ_j(k)為總相移，且λ(k)為光電子平均自由徑?；趤碜訡ambridge Crystallographic Data Center(CCDC)的結(jié)構(gòu)編碼ZONCAG及MECZUQ，^[16]藉由FEFF7編碼中的彎曲波從頭(ab initio)程序在理論上計(jì)算F_j(k)、δ_j(k)及λ(k)的值。^[13]藉由將S0固定為1，吾人使用藉由FEFFIT程序?qū)嵤┑姆蔷€性最小平方擬合算法用擬合參數(shù)ΔE0(E0的小變化)、R_j、σ_j²及N_j在約1.7≤R≤約范圍內(nèi)擬合FT[k³χ(k)]。^[14]在擬合過程中，允許ΔE₀變化但局限為所有散射路徑的共同值。在擬合過程的過程中，配位數(shù)(N_j)系統(tǒng)地變化但固定在給定擬合內(nèi)。藉由如以下定義的擬合良度因素評估數(shù)據(jù)擬合質(zhì)量：

其中且n為f_i的評估數(shù)目，其中(且因此為R_擬合)在非線性最小平方擬合算法中最小化。^[14]

在TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白上收集的EXAFS數(shù)據(jù)的最佳擬合連同三銅簇的配位體結(jié)構(gòu)的最佳擬合在圖30中顯示，且對應(yīng)參數(shù)概述在表9中?；谀Ｐ蜆?gòu)建，在約附近C原子的后向散射可來自羧酸鹽及/或甲硫胺酸的作用。估計(jì)鍵角∠Cu-O-Cu＝119.5°使得吾人能夠合理化位于三元組的中心處的「μ-側(cè)氧基」基團(tuán)的可能性，其中Cu-O距離為且Cu-Cu為

表9.用于擬合TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的k³加權(quán)EXAFS數(shù)據(jù)的參數(shù)，包括配位數(shù)N、相對于Cu的距離R及相對均方位移σ²。擬合范圍分別藉由Δk及ΔR指示。藉由擬合良度因子R_擬合、χ²及χ_ν²(≡χ²/ν)評估擬合質(zhì)量，其中ν為獨(dú)立數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目與用于擬合的參數(shù)數(shù)目之間的差值。

TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白

在固體Cu^ICu^ICu^I-HIHAMLTMGDWD錯(cuò)合物上收集的EXAFS數(shù)據(jù)的最佳擬合連同三銅簇的配位體結(jié)構(gòu)的最佳擬合在圖27中顯示。

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本申請案通篇所引用的所有參考文獻(xiàn)，例如包括已頒予或已授予專利或等效物的專利文件；專利申請公開案；及非專利文獻(xiàn)文件或其他來源材料，特此以全文引用的方式并入本文中，如同個(gè)別地以引用的方式并入本文中一般，達(dá)到各參考文獻(xiàn)至少部分地與本申請案中的揭示內(nèi)容一致的程度(例如，部分不一致的參考文獻(xiàn)在除了該參考文獻(xiàn)的部分不一致的部分外以引用的方式并入本文中)。

本文中已使用的術(shù)語及表述系用作描述術(shù)語且不具限制性，且在此等術(shù)語及表述的使用中不意欲排除所展示及描述的特征或其部分的任何等效物，而應(yīng)認(rèn)識到，在所主張的本發(fā)明的范疇內(nèi)，各種修改為可能的。因此，應(yīng)理解，盡管本發(fā)明已藉由較佳實(shí)施例、例示性實(shí)施例及視情況選用的特征特定地經(jīng)揭示，但熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者可采用本文中所揭示概念的修改及變化，且該等修改及變化被視為系在如由隨附申請專利范圍所界定的本發(fā)明范疇內(nèi)。本文中所提供的特定實(shí)施例為本發(fā)明的適用實(shí)施例的實(shí)例，且熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將顯而易見，本發(fā)明可使用本說明書中所闡述的裝置、裝置組件、方法步驟的大量變化形式執(zhí)行。如熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者所當(dāng)明了，適用于本發(fā)明方法的方法及裝置可包括大量視情況選用的組合物及處理要素及步驟。

當(dāng)在本文中揭示一群取代基時(shí)，應(yīng)理解，該群及所有子群組中的所有個(gè)別成員，包括該等群成員的任何異構(gòu)體、對映異構(gòu)體及非對映異構(gòu)體，系分別經(jīng)揭示。當(dāng)在本文中使用馬庫西群組(Markush group)或其他分群時(shí)，群組中的所有個(gè)別成員及群組的可能的所有組合及子組合意欲個(gè)別地包括于本發(fā)明中。當(dāng)在本文中描述一化合物而未例如以化學(xué)式或化學(xué)名稱指定該化合物的一特定異構(gòu)體、對映異構(gòu)體或非對映異構(gòu)體時(shí)，該描述意欲包括該化合物的個(gè)別描述或以任何組合描述的每一異構(gòu)體及對映異構(gòu)體。另外，除非另外指定，否則本發(fā)明意欲涵蓋本文中所揭示的化合物的所有同位素變體。舉例而言，應(yīng)理解，所揭示分子中的任何一或多個(gè)氫可經(jīng)氘或氚置換。分子的同位素變體通?？捎米鞣肿訖z定中及與分子或其用途有關(guān)的化學(xué)及生物研究中的標(biāo)準(zhǔn)品。用于制得該等同位素變體的方法為此項(xiàng)技術(shù)中已知的。化合物的特定名稱意欲為例示性的，因?yàn)橐阎话闶炝?xí)此項(xiàng)技術(shù)者可以不同方式命名相同化合物。

須注意，除非上下文另外明確規(guī)定，否則如本文中及隨附申請專利范圍中所用，單數(shù)形式「一」及「該」包括復(fù)數(shù)個(gè)所提及物。因此，例如，提及「一細(xì)胞」包括復(fù)數(shù)個(gè)該等細(xì)胞及熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者已知的其等效物，等等。另外，術(shù)語「一」、「一或多個(gè)」及「至少一個(gè)」在本文中可互換地使用。亦應(yīng)注意，術(shù)語「包含」、「包括」及「具有」可互換地使用。表述「請求項(xiàng)XX至YY中任一項(xiàng)的」(其中XX及YY系指請求項(xiàng)編號)意欲以替代形式提供多個(gè)附屬項(xiàng)，且在一些實(shí)施例中，該表述可與表述「如請求項(xiàng)XX至YY中任一項(xiàng)的」互換。

除非另外定義，否則本文中所使用的所有技術(shù)及科學(xué)術(shù)語具有與一般熟習(xí)本發(fā)明所屬的技術(shù)者通常所理解者相同的意義。雖然可使用類似或等效于本文中所描述者的任何方法及材料來實(shí)踐或測試本發(fā)明，但現(xiàn)描述較佳方法及材料。不應(yīng)將本文中的任何內(nèi)容理解為承認(rèn)本發(fā)明由于先前發(fā)明而無權(quán)先于該揭示內(nèi)容。

除非另外說明，否則可使用本文中所描述或例示的組份的每一調(diào)配物或組合來實(shí)踐本發(fā)明。

當(dāng)本說明書中無論何時(shí)給出范圍(例如溫度范圍、時(shí)間范圍或組成或濃度范圍)時(shí)，包括于所給出范圍中的所有中間范圍及子范圍以及所有個(gè)別值均意欲包括在本發(fā)明中。如本文中所用，范圍特定地包括被提供作為范圍的端點(diǎn)值的值。舉例而言，1至100的范圍特定地包括端點(diǎn)值1及100。應(yīng)理解，在包括于本文描述中的范圍或子范圍中的任何子范圍或個(gè)別值均可自本文中的權(quán)利要求排除。

如本文中所用，「包含」與「包括」、「含有」或「特征為」系為同義，且為包括性或開放性且不排除額外、未敘述的要素或方法步驟。如本文中所用，「由……組成」排除未在所主張要素中指定的任何要素、步驟或成份。如本文中所用，「基本上由……組成」不排除本質(zhì)上不影響權(quán)利要求的基本及新穎特性的材料或步驟。在本文各情況下，術(shù)語「包含」、「基本上由……組成」及「由……組成」中的任一者可由另外兩個(gè)術(shù)語的任一者替代。本文中說明性描述的本發(fā)明可適當(dāng)?shù)卦谌狈θ魏伪疚奈刺囟ń沂镜囊换蚨喾N要素或一或多個(gè)限制的情況下實(shí)踐。

一般熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者將了解，于本發(fā)明的實(shí)踐中可使用除彼等經(jīng)特定例示者外的起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、檢定方法及生物方法，而無須過度實(shí)驗(yàn)。任何該等材料及方法的所有技術(shù)中已知的功能等效物均意欲包括于本發(fā)明中。已使用的術(shù)語及表述系用作描述術(shù)語而不具限制性，且在使用此等術(shù)語及表述時(shí)不欲排除所展示及描述的特征或其部分的任何等效物，而應(yīng)認(rèn)識到，在所主張的本發(fā)明范疇內(nèi)，各種修改為可能的。因此，應(yīng)理解，盡管本發(fā)明已藉由較佳實(shí)施例及視情況選用的特征特定地經(jīng)揭示，但熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者可采用本文中所揭示的概念的修改及變化，且該等修改及變化被視為系在由隨附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明范疇內(nèi)。