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?xì)浠衔锏姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種模擬綠色植物的光合作用，通過(guò)二氧化碳與水合成碳?xì)浠衔锏姆椒?，屬于生物合成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(nèi)的幾乎所有生物提供了物質(zhì)來(lái)源和能量來(lái)源；2、光合作用制造了數(shù)量巨大的有機(jī)質(zhì)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在有機(jī)質(zhì)中；3、維持大氣層中O2和(X)2的相對(duì)穩(wěn)定；4、光合作用還在生物的進(jìn)化中具有重要意義。因此，自古以來(lái)中外科學(xué)家對(duì)綠色植物的光合作用十分重視，并進(jìn)行了大量的、深入的科學(xué)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(lái)自大氣層中，即為二氧化碳；另一種原料來(lái)自土壤中，即為水；它們都是無(wú)機(jī)小分子。在光能的作用下，葉綠素上產(chǎn)生“光解水”，然后“光解水”與二氧化碳作用產(chǎn)生反應(yīng)，其產(chǎn)物為單糖和氧氣。光合作用， 是一個(gè)質(zhì)變的化學(xué)過(guò)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(huán)境溫度提高；4、增強(qiáng)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(jī)質(zhì)，主要是單糖?？傊?，這是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。光合作用，是綠色植物生物體新陳代謝的始點(diǎn)，是新陳代謝的重要組成部分，是綠色植物成長(zhǎng)、成熟的基礎(chǔ)。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(fā)明僅從二氧化碳與水合成單糖的角度，對(duì)葉綠素的色素分子結(jié)構(gòu)、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(jìn)行了較為深入的研究，并有了新的認(rèn)識(shí)。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，存在于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(gè)甲基與卟吩核連接(R:-CH3)。b，葉綠素b，有三個(gè)甲基核一個(gè)醛基與卟吩核連接(R:_CH0)，目前已可采用化學(xué)方法合成，
權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒ǎ涮卣髟谟谠摲椒ㄊ遣捎靡环N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， 或者一種氨基酸兩性化合物，其含量為0.01% 10%，余量為水；在水溶液中，上述化合物依靠自身的化學(xué)特性，轉(zhuǎn)化為氧化銨類化合物。再經(jīng)C0，或者CO與(X)2混合氣體化學(xué)處理， 把氧化銨轉(zhuǎn)化為銨離子類化合物。銨離子與水作用，產(chǎn)生水解反應(yīng)，形成“光解水”;與此同時(shí)，通入二氧化碳，兩者互動(dòng)在二氧化碳還原反應(yīng)體系中產(chǎn)生復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終目標(biāo)產(chǎn)物為碳?xì)浠衔?，主要?-8個(gè)碳原子的醇類化合物。
2.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒?，其特征在于所述的方法主要包括有①加料；②轉(zhuǎn)化；③調(diào)節(jié)溫度；④調(diào)節(jié)與加入二氧化碳；⑤互動(dòng)與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；⑥停加(X)2 ；⑦終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；⑧后續(xù)應(yīng)用處理等工序，由此合成為碳?xì)浠衔?。所述的碳?xì)浠衔镏饕?8個(gè)碳原子數(shù)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(yīng)釜中加入軟水，然后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，或者一種氨基酸兩性化合物，其含量為 0.01% 10%，余量為水。對(duì)于不溶或微溶于水的含氮化合物，需進(jìn)行予處理；(2)轉(zhuǎn)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，或者一種氨基酸兩性化合物，依靠自身化學(xué)特性，轉(zhuǎn)化成氧化銨類化合物；(3)調(diào)節(jié)溫度與此同時(shí)，開(kāi)動(dòng)電加熱器加熱，把反應(yīng)釜內(nèi)的溫度控制在室溫至50°C之間；(4)調(diào)節(jié)和加入CO2采用化學(xué)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(fù)氧離子(0_2)與CO反應(yīng)，從而除去負(fù)氧離子(0_2)，氧化銨類化合物轉(zhuǎn)化為銨離子類化合物。其化學(xué)式為ΞΝΗ— 一―O———ΗΝΞ + CO —......———> 2ΞΝ + CO與此同時(shí)，加入co2。二氧化碳采用氣體，可采用二氧化碳?jí)嚎s泵加入；(5)互動(dòng)與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在反應(yīng)釜內(nèi)，當(dāng)氧化銨類化合物轉(zhuǎn)化為銨離子化合物時(shí)，其中銨離子類化合物的銨離子會(huì)與水作用，產(chǎn)生水解反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為ΞΝΗ + H2O ^ EN H2O + H+^ ΞΝΗΟΗ + Ε 此時(shí)，啟動(dòng)了“光解水”。在“光解水”反應(yīng)中，其中負(fù)離子(0Η_)與銨離子產(chǎn)生水解平衡，即電離平衡，另外，又產(chǎn)生了一個(gè)氫離子。上述反應(yīng)時(shí)間，一般為1到48小時(shí)；(6)停加二氧化碳當(dāng)觀察到反應(yīng)釜內(nèi)濃度較大，粘度較高，合成效果顯著降低，或者取樣分析，達(dá)到企標(biāo)，停加二氧化碳。(7)終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)雖然停加二氧化碳，但反應(yīng)釜內(nèi)還有少量二氧化碳、自由基中間體，“光解水”機(jī)制還在進(jìn)行，但已失去“碰撞反應(yīng)”的條件，因此需采取機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間為l-30min，以利終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之后，其反應(yīng)釜內(nèi)為一種混合物，主要是3-8個(gè)碳原子數(shù)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(yīng)的水；(8)后續(xù)應(yīng)用處理由于上述反應(yīng)物為一種混合物，可以根據(jù)不同用途而進(jìn)行后期應(yīng)用處理，如用于潔純煤技術(shù)，制備水煤漿，形成碳循環(huán)燃燒(發(fā)電)；或采用化學(xué)分離方法， 可分離出不同品種的碳?xì)浠衔铮糜诨ぴ虾突瘜W(xué)燃料；所述的“光解水”化合物，即為氧化銨類化合物，分離出來(lái)可以重新應(yīng)用。
3.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒?，其特征在于所述的含氮化合物，或者含氮化合物與酸類化合物的混合物，或者氨基酸兩性化合物為制備銨離子類化合物的前驅(qū)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；第二類生物堿或稱植物堿，即具有堿性的含氮化合物；所述的酸類化合物是指在水溶液中能進(jìn)行電離而產(chǎn)生的水合氫離子(H3O+1)的化合物， 也包括在堿性條件下，能夠電離出氫離子的羧酸；所述的兩性化合物，是指氨基酸，是指分子中間同時(shí)含有氨基(NH2)和羧基(-C00H)的化合物。
4.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒?，其特征在于所述的碳?xì)浠衔锖铣傻脑蠟闊o(wú)機(jī)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(wú)色無(wú)味氣體，有酸味，密度1.977，相對(duì)密度 1.53(空氣1.00)；其中所述的水(H20)為無(wú)臭無(wú)味液體，淺層時(shí)幾乎無(wú)色，深層時(shí)呈藍(lán)色， 相對(duì)密度0.9987(0°0，沸點(diǎn)1001，冰點(diǎn)01，分子中氫和氧的重量比是1 8.在自然中呈氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)而存在。
5.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒ǎ涮卣髟谟谒龅牟襟E2中，所述轉(zhuǎn)化成氧化銨類化合物，可用下列方法鑒定①采用二氧化碳鑒定。氧化銨類化合物的前驅(qū)物，都是堿性類化合物，如果沒(méi)有轉(zhuǎn)化成氧化銨，那么均與二氧化碳反應(yīng)。如果沒(méi)有反應(yīng)，這說(shuō)明已轉(zhuǎn)化為氧化銨類化合物；反之，則說(shuō)明沒(méi)有轉(zhuǎn)化。②采用羥基水鑒定(H2O.OH—)。在含氧化銨類化合物的水溶液中，通入CO2，然后加入羥基水，如果產(chǎn)生反應(yīng)，這說(shuō)明已轉(zhuǎn)化為氧化銨類化合物。③采用羥基水(H2O.OH—)。將含有氧化銨類化合物的水溶液，加入羥基水，會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)， 這說(shuō)明已是氧化銨類化合物。
6.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒ǎ涮卣髟谟谒龅逆準(zhǔn)椒磻?yīng)中，氫離子首先與二氧化碳反應(yīng)，有兩種反應(yīng)途徑，產(chǎn)生兩種自由基中間體，其化學(xué)反應(yīng)式為C02+H — HCOO-........................ (2)0)2+H— C O(OH)........................ (3)由此，啟動(dòng)了二氧化碳還原反應(yīng)體系形成自由基反應(yīng)的第一步；形成的自由基中間體②式因?yàn)槭撬嵝?，很容易與銨離子中的負(fù)離子(0H_)，即為堿性離子團(tuán)形成歧化反應(yīng)，產(chǎn)生甲醛和氧氣，其化學(xué)反應(yīng)式為 HCOO- +or — ch2o+o2 丨........................這時(shí)，銨離子由于失去負(fù)離子(0H_)，產(chǎn)生電離不平衡，又與水作用，產(chǎn)生水解反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為ξΝΗ + H2O ^ ΞΝ· H2O + HW ΞΝΗΟΗ + H ........................(5)此外，其中負(fù)離子(0H_)彌補(bǔ)了銨離子的電荷不平衡；另外，又產(chǎn)生一個(gè)氫離子(H+)；這時(shí)，氫離子(H+)又進(jìn)一步引發(fā)與自由基中間體反應(yīng)；自由基反應(yīng)又引起“光水解”，兩者互動(dòng)，產(chǎn)生兩種效應(yīng)①“光解水”形成“光解水”機(jī)制；②自由基形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
7.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒?，其特征在于所述的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是反應(yīng)式④的產(chǎn)物是活潑分子甲醛，其中羰基(』-)是受氫基團(tuán)，因此能與反應(yīng)體系中的氫原子加成反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為 CH20+H—CH2OH ........................(6)；第二步，鏈的增長(zhǎng)是a，自由基與穩(wěn)定分子反應(yīng)，其中自由基中間體⑥式與CO2反應(yīng)， 產(chǎn)生新的自由基中間體，即為鏈的增長(zhǎng)，其化學(xué)反應(yīng)式為 C H20H+C02 — HOCH2COO......................... (7)b，自由基自行反應(yīng)，自由基中間體⑥式自行反應(yīng)，即偶聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生乙二醇，其化學(xué)反應(yīng)式為2C.H(0H) — HOCH2CH2OH ........................(8)c，兩種不同自由基反應(yīng)，其中自由基中間體⑥式與自由基負(fù)離子(0H_)形成歧化反應(yīng)， 產(chǎn)生醛乙糖和氧氣，其化學(xué)反應(yīng)式為HOCH2COO" + OH > HOCH.CH +O2 ...............⑶第三步，鏈的增長(zhǎng)是a，穩(wěn)定分子與自由基反應(yīng)，其中⑨式與氫原子加成反應(yīng)，產(chǎn)生新的自由基中間體，其化學(xué)反應(yīng)式為OHOCH2CH + H > HOCH2C H(OH)...............( ο)自由基中間體⑩式又與穩(wěn)定分子二氧化碳反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為 HOCH2CH (OH) +CO2 — HOCH2CH (OH) COO ..................(11)b、兩種不同自由基反應(yīng)，其中自由基中間體(10)式與自由基負(fù)離子(0H_)歧化反應(yīng)， 產(chǎn)生醛丙糖和氧氣其化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，產(chǎn)生丙三醇，其化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，產(chǎn)生D-甘油醛和氧氣，其化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，產(chǎn)生二羥基丙酮和氧氣，其化學(xué)反應(yīng)式為OΛ2HOCH.COO' +2CIL0H ——> 2HOCH力CH2OH+ Q ……(15)第四步，鏈的增長(zhǎng)是a，穩(wěn)定分子與自由基反應(yīng)，其中(12)式與氫原子(H)加成反應(yīng)， 產(chǎn)生新的自由基中間體，其化學(xué)反應(yīng)式為
8.根據(jù)權(quán)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?xì)浠衔锏姆椒?，其特征在于所述的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)還有其中(2)式與(2)式反應(yīng)，產(chǎn)生乙二醛，其化學(xué)反應(yīng)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?xì)浠衔锏姆椒?。該方法是采用一種含氮化合物；或者一種摩爾比1∶1為含氮化合物與一種酸類化合物；或者一種氨基酸兩性化合物，其含量為0.01％～10％，余量為水。在水溶液中，上述化合物依靠自身的化學(xué)特性，轉(zhuǎn)化為氧化銨類化合物；再經(jīng)CO，或者CO與CO2混合氣體化學(xué)處理，把氧化銨轉(zhuǎn)化為銨離子類化合物；銨離子與水作用，產(chǎn)生水解反應(yīng)，形成“光解水”；與此同時(shí)，通入二氧化碳，兩者互動(dòng)，在二氧化碳還原反應(yīng)體系中產(chǎn)生復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終目標(biāo)產(chǎn)物為碳?xì)浠衔铮玫降氖侵饕?-8個(gè)碳原子的醇類化合物。本發(fā)明從根本上解決碳排問(wèn)題；同時(shí)，構(gòu)筑了碳在工業(yè)圈循環(huán)應(yīng)用(燃燒)，大大縮短了原有的碳循環(huán)周期，可緩解化石燃料日趨枯竭的局面。
文檔編號(hào)C07C31/20GK102241563SQ201110217368
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者姜旭偉, 官建強(qiáng), 楊貴榮, 趙金良 申請(qǐng)人:趙金良