З повітря: Як вуглекислий газ стає каталізом сировиною для амінокислот
Це давня мрія хімії: виведіть надлишок вуглекислого газу з атмосфери і перетворіть його на високоякісні речовини. За цим стоїть ідея переробки нетоксичного та легкодоступного парникового газу шляхом включення його в іншу молекулу. Однією з таких реакцій сновидінь є перетворення метану з вуглекислим газом в оцтову кислоту. Однак вона ще не реалізована і тому все ще належить до сфери мрій. Оскільки переробка матеріалів вуглекислого газу, як правило, пов’язана з великими витратами енергії. До цієї мети може призвести лише розвиток складних каталітичних систем.
Не в останню чергу з цієї причини близько десяти років у галузі досліджень каталізаторів ведеться інтенсивна діяльність, і "реакції мрії" відповідно прогресують. Наприклад, поліуретан, основний матеріал для піноматраців, тепер можна виробляти в промислових масштабах, додаючи CO₂. Зараз група хіміків з Технічного університету Мюнхена синтезувала ще одну важливу речовину, додаючи вуглекислий газ. Джулії Мартін, Лукасу Ейзольдту та Арне Скеррі вдалося отримати амінокислоту метіонін за допомогою ферментів. Цей білковий будівельний матеріал використовується у великих кількостях, особливо при відгодівлі тварин.
На початку була реклама
Троє хіміків використовували в якості вихідної речовини речовину метіонал, природний продукт розпаду метіоніну. Раніше вважалося, що реакція, при якій метіонін перетворюється на метіональний з виділенням CO₂, не є настільки легко оборотною. Зазвичай для цього потрібен високий тиск і температура. Але мюнхенські хіміки знайшли більш простий спосіб: вони виділили два ферменти, які, поєднуючись, виробляють велику кількість амінокислоти з метіонального та газоподібного вуглекислого газу під тиском всього два бари. Оптимізувавши біокаталізатори, дослідники Скерри навіть змогли досягти врожайності до 40 відсотків, як вони пишуть у журналі "Nature Catalysis".
Спочатку експерименти проводили в невеликому лабораторному автоклаві. Процедура була порівняно простою: всі реакційні інгредієнти виливали в посудину під тиском і залишали там максимум на дві доби. Як показали докладні дослідження, фермент декарбоксилаза спочатку виконує свою роботу і приєднує до метіона групи CO₂. На другому етапі аміногрупа потім переноситься іншим відповідним ферментом. Результатом є амінокислота метіонін.
Серія випробувань розпочалася тендером хімічної компанії Evonik, одного з найбільших виробників метіоніну. Ця речовина є однією з восьми амінокислот, необхідних для людини, і широко застосовується при відгодівлі тварин, оскільки птиця та свині краще використовують свій корм завдяки її додаванню. Щорічне виробництво метіоніну становить десять мільйонів тонн. Амінокислота виробляється в промислових масштабах у шестиступеневому процесі, в якому використовується ціанід водню - також відомий як високотоксичний ціанід водню.
У пошуках більш безпечного виробничого процесу Evonik звернувся до німецьких університетів п’ять років тому. Було відібрано низку пропозицій, включаючи пропозиції мюнхенських хіміків. Арне Скерра та його колеги змогли продемонструвати ранні успіхи у співпраці, завдяки чому їх дослідницький проект фінансувався з тих пір.
Високий урожай, незважаючи на м’які умови
Природа завжди є великим прикладом для наслідування, коли справа доходить до фіксації CO₂. Під час фотосинтезу - завдяки світловій енергії - вуглекислий газ поглинається зеленими рослинами і накопичується в органічні сполуки. Однак загалом 14 ферментів беруть участь у фіксації CO₂, а вихід становить лише 20 відсотків. Завдяки своєму процесу Скерра та його колеги можуть показати кращі результати.
У минулому було кілька спроб біокаталітично зафіксувати вуглекислий газ. Однак це було зроблено із надкритичним CO₂, який спричиняв надзвичайно високий тиск, або з розчинами, що містять карбонат, що є високолужними та, отже, сильно корозійними. Мюнхенські вчені, навпаки, використовують газоподібний CO₂ за м’яких умов тиску та з майже нейтральним ступенем кислотності.
На додаток до метіоніну, інші амінокислоти також можуть бути отримані біокаталітично в процесі. Хімікам вдалося отримати лейцин та ізолейцин з 3-метилбутаналу та 2-метибутаналу відповідно. Подальші вдосконалення ферментів повинні забезпечити масштабне виробництво в майбутньому. У наступному році Evonik відкриє новий завод з виробництва метіоніну в Сінгапурі річною потужністю 150 000 тонн - але мюнхенська реакція мрії там ще не використовується.