专利名称：一种模拟绿色植物的光合作用:二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种模拟绿色植物的光合作用，通过二氧化碳与水合成碳氢化合物的方法，属于生物合成技术领域。
背景技术：
绿色植物的光合作用，具有重大意义1、光合作用为包括人类在内的几乎所有生物提供了物质来源和能量来源；2、光合作用制造了数量巨大的有机质，将太阳能转化为化学能，储存在有机质中；3、维持大气层中O2和(X)2的相对稳定；4、光合作用还在生物的进化中具有重要意义。因此，自古以来中外科学家对绿色植物的光合作用十分重视，并进行了大量的、深入的科学研究，取得了很多重大的科研成果。所谓光合作用，是指在绿色植物的叶绿素上，一种原料来自大气层中，即为二氧化碳；另一种原料来自土壤中，即为水；它们都是无机小分子。在光能的作用下，叶绿素上产生“光解水”，然后“光解水”与二氧化碳作用产生反应，其产物为单糖和氧气。光合作用， 是一个质变的化学过程。主要包括1、光照，叶绿素吸收光能；2、叶绿素吸附与固定二氧化碳，成为光合作用的碳源；3、光照使环境温度提高；4、增强绿色植物的蒸腾作用，即把根部吸收的水分输送到叶绿素上去；5、水合镁离子固定水，成为光合作用的水源；6、叶绿素“光解水”;7、“光解水”与二氧化碳作用，生成有机质，主要是单糖。总之，这是一个复杂的物理化学过程。光合作用，是绿色植物生物体新陈代谢的始点，是新陈代谢的重要组成部分，是绿色植物成长、成熟的基础。有光合作用，才有绿色植物。为了研究模拟绿色植物的光合作用， 本发明仅从二氧化碳与水合成单糖的角度，对叶绿素的色素分子结构、原子及其功能、光能的功能，以及它们之间如何吸附、固定二氧化碳和水，如何形成“光解水”，“光解水”如何与二氧化碳作用合成为单糖，进行了较为深入的研究，并有了新的认识。根据文献介绍，存在于绿色植物叶绿体上的绿色素，是含有镁原子的卟吩的衍生物。有两种形式a，叶绿素a，有四个甲基与卟吩核连接(R:-CH3)。b，叶绿素b，有三个甲基核一个醛基与卟吩核连接(R:_CH0)，目前已可采用化学方法合成，
权利要求
1.一种模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于该方法是采用一种含氮化合物，或者一种摩尔比1 1为含氮化合物与一种酸类化合物， 或者一种氨基酸两性化合物，其含量为0.01% 10%，余量为水；在水溶液中，上述化合物依靠自身的化学特性，转化为氧化铵类化合物。再经C0，或者CO与(X)2混合气体化学处理， 把氧化铵转化为铵离子类化合物。铵离子与水作用，产生水解反应，形成“光解水”;与此同时，通入二氧化碳，两者互动在二氧化碳还原反应体系中产生复杂的链式反应，最终目标产物为碳氢化合物，主要是3-8个碳原子的醇类化合物。
2.根据权利要求1所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的方法主要包括有①加料；②转化；③调节温度；④调节与加入二氧化碳；⑤互动与链式反应；⑥停加(X)2 ；⑦终止链式反应；⑧后续应用处理等工序，由此合成为碳氢化合物。所述的碳氢化合物主要是38个碳原子数的醇类化合物，以及少量单糖、 单酸、单酸酯；具体步骤是(1)加料在一反应釜中加入软水，然后加入一种含氮化合物，或者一种摩尔比 1 1的含氮化合物与一种酸类化合物的混合物，或者一种氨基酸两性化合物，其含量为 0.01% 10%，余量为水。对于不溶或微溶于水的含氮化合物，需进行予处理；(2)转化如上所述的水溶液中，所述一种含氮化合物，或者一种含氮化合物与一种酸类化合物，或者一种氨基酸两性化合物，依靠自身化学特性，转化成氧化铵类化合物；(3)调节温度与此同时，开动电加热器加热，把反应釜内的温度控制在室温至50°C之间；(4)调节和加入CO2采用化学方法，即用C0，或CO与(X)2混合气体，与氧化铵类化合物作用，负氧离子(0_2)与CO反应，从而除去负氧离子(0_2)，氧化铵类化合物转化为铵离子类化合物。其化学式为ΞΝΗ— 一―O———ΗΝΞ + CO —......———> 2ΞΝ + CO与此同时，加入co2。二氧化碳采用气体，可采用二氧化碳压缩泵加入；(5)互动与链式反应在反应釜内，当氧化铵类化合物转化为铵离子化合物时，其中铵离子类化合物的铵离子会与水作用，产生水解反应，其化学反应式为ΞΝΗ + H2O ^ EN H2O + H+^ ΞΝΗΟΗ + Ε 此时，启动了“光解水”。在“光解水”反应中，其中负离子(0Η_)与铵离子产生水解平衡，即电离平衡，另外，又产生了一个氢离子。上述反应时间，一般为1到48小时；(6)停加二氧化碳当观察到反应釜内浓度较大，粘度较高，合成效果显著降低，或者取样分析，达到企标，停加二氧化碳。(7)终止链式反应虽然停加二氧化碳，但反应釜内还有少量二氧化碳、自由基中间体，“光解水”机制还在进行，但已失去“碰撞反应”的条件，因此需采取机械搅拌，搅拌时间为l-30min，以利终止链式反应。当终止链式反应之后，其反应釜内为一种混合物，主要是3-8个碳原子数醇类化合物， 还有少量单酸、单糖，甚至还有酯类等化合物，以及尚未参加反应的水；(8)后续应用处理由于上述反应物为一种混合物，可以根据不同用途而进行后期应用处理，如用于洁纯煤技术，制备水煤浆，形成碳循环燃烧(发电)；或采用化学分离方法， 可分离出不同品种的碳氢化合物，用于化工原料和化学燃料；所述的“光解水”化合物，即为氧化铵类化合物，分离出来可以重新应用。
3.根据权利要求1或2所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的含氮化合物，或者含氮化合物与酸类化合物的混合物，或者氨基酸两性化合物为制备铵离子类化合物的前驱物，其中含氮化合物包括下列两大类第一类为氨(NH3)及其衍生物；第二类生物碱或称植物碱，即具有碱性的含氮化合物；所述的酸类化合物是指在水溶液中能进行电离而产生的水合氢离子(H3O+1)的化合物， 也包括在碱性条件下，能够电离出氢离子的羧酸；所述的两性化合物，是指氨基酸，是指分子中间同时含有氨基(NH2)和羧基(-C00H)的化合物。
4.根据权利要求3所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的碳氢化合物合成的原料为无机小分子，即H2O和CO2，其中二氧化碳(0) 俗称碳酸气，又称碳酸酐和碳酐，为无色无味气体，有酸味，密度1.977，相对密度 1.53(空气1.00)；其中所述的水(H20)为无臭无味液体，浅层时几乎无色，深层时呈蓝色， 相对密度0.9987(0°0，沸点1001，冰点01，分子中氢和氧的重量比是1 8.在自然中呈气态、液态和固态而存在。
5.根据权利要求2所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的步骤2中，所述转化成氧化铵类化合物，可用下列方法鉴定①采用二氧化碳鉴定。氧化铵类化合物的前驱物，都是碱性类化合物，如果没有转化成氧化铵，那么均与二氧化碳反应。如果没有反应，这说明已转化为氧化铵类化合物；反之，则说明没有转化。②采用羟基水鉴定(H2O.OH—)。在含氧化铵类化合物的水溶液中，通入CO2，然后加入羟基水，如果产生反应，这说明已转化为氧化铵类化合物。③采用羟基水(H2O.OH—)。将含有氧化铵类化合物的水溶液，加入羟基水，会产生反应， 这说明已是氧化铵类化合物。
6.根据权利要求2所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的链式反应中，氢离子首先与二氧化碳反应，有两种反应途径，产生两种自由基中间体，其化学反应式为C02+H — HCOO-........................ (2)0)2+H— C O(OH)........................ (3)由此，启动了二氧化碳还原反应体系形成自由基反应的第一步；形成的自由基中间体②式因为是酸性，很容易与铵离子中的负离子(0H_)，即为碱性离子团形成歧化反应，产生甲醛和氧气，其化学反应式为 HCOO- +or — ch2o+o2 丨........................这时，铵离子由于失去负离子(0H_)，产生电离不平衡，又与水作用，产生水解反应，其化学反应式为ξΝΗ + H2O ^ ΞΝ· H2O + HW ΞΝΗΟΗ + H ........................(5)此外，其中负离子(0H_)弥补了铵离子的电荷不平衡；另外，又产生一个氢离子(H+)；这时，氢离子(H+)又进一步引发与自由基中间体反应；自由基反应又引起“光水解”，两者互动，产生两种效应①“光解水”形成“光解水”机制；②自由基形成链式反应。
7.根据权利要求6所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的自由基链式反应是反应式④的产物是活泼分子甲醛，其中羰基(』-)是受氢基团，因此能与反应体系中的氢原子加成反应，其化学反应式为 CH20+H—CH2OH ........................(6)；第二步，链的增长是a，自由基与稳定分子反应，其中自由基中间体⑥式与CO2反应， 产生新的自由基中间体，即为链的增长，其化学反应式为 C H20H+C02 — HOCH2COO......................... (7)b，自由基自行反应，自由基中间体⑥式自行反应，即偶联反应，产生乙二醇，其化学反应式为2C.H(0H) — HOCH2CH2OH ........................(8)c，两种不同自由基反应，其中自由基中间体⑥式与自由基负离子(0H_)形成歧化反应， 产生醛乙糖和氧气，其化学反应式为HOCH2COO" + OH > HOCH.CH +O2 ...............⑶第三步，链的增长是a，稳定分子与自由基反应，其中⑨式与氢原子加成反应，产生新的自由基中间体，其化学反应式为OHOCH2CH + H > HOCH2C H(OH)...............( ο)自由基中间体⑩式又与稳定分子二氧化碳反应，其化学反应式为 HOCH2CH (OH) +CO2 — HOCH2CH (OH) COO ..................(11)b、两种不同自由基反应，其中自由基中间体(10)式与自由基负离子(0H_)歧化反应， 产生醛丙糖和氧气其化学反应式为O 、H0CH2CH(0H)C00' + OH >HOCH2CH(OH)CH+ O2 ……(12) 自由基中间体(5)式与自由基中间体(10)式反应，产生丙三醇，其化学反应式为C' H2OH+HOCH2C- H (OH) — HOCH2CH (OH) CH2OH ........................(13)自由基中间体(10)式又与自由基中间体(2)反应，产生D-甘油醛和氧气，其化学反应式为■ O 2HOCH.CH(OH) + 2HCOO· - -->2HOCHsCH(OH)CH + Q ......... (14)自由基中间体(6)式与自由基中间体(7)反应，产生二羟基丙酮和氧气，其化学反应式为OΛ2HOCH.COO' +2CIL0H ——> 2HOCH力CH2OH+ Q ……(15)第四步，链的增长是a，稳定分子与自由基反应，其中(12)式与氢原子(H)加成反应， 产生新的自由基中间体，其化学反应式为
8.根据权利要求7所述的模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法，其特征在于所述的链式反应还有其中(2)式与(2)式反应，产生乙二醛，其化学反应式为
全文摘要
一种模拟绿色植物的光合作用二氧化碳和水合成碳氢化合物的方法。该方法是采用一种含氮化合物；或者一种摩尔比1∶1为含氮化合物与一种酸类化合物；或者一种氨基酸两性化合物，其含量为0.01％～10％，余量为水。在水溶液中，上述化合物依靠自身的化学特性，转化为氧化铵类化合物；再经CO，或者CO与CO2混合气体化学处理，把氧化铵转化为铵离子类化合物；铵离子与水作用，产生水解反应，形成“光解水”；与此同时，通入二氧化碳，两者互动，在二氧化碳还原反应体系中产生复杂的链式反应，最终目标产物为碳氢化合物，得到的是主要是3-8个碳原子的醇类化合物。本发明从根本上解决碳排问题；同时，构筑了碳在工业圈循环应用(燃烧)，大大缩短了原有的碳循环周期，可缓解化石燃料日趋枯竭的局面。
文档编号C07C31/20GK102241563SQ201110217368
公开日2011年11月16日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者姜旭伟, 官建强, 杨贵荣, 赵金良 申请人:赵金良