CN106170456A - 可催化碳氢化合物氧化之分子催化剂与氧化碳氢化合物的方法 - Google Patents

可催化碳氢化合物氧化之分子催化剂与氧化碳氢化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明系关于分子催化剂及利用该等分子催化剂之化学反应，且特定言之，系关于用于有效催化氧化碳氢化合物(诸如来自天然气之碳氢化合物)的分子催化剂。本文所提供的分子催化性平台可在例如环境条件下(如接近室温及大气压力)轻易氧化碳氢化合物。

Description

可催化碳氢化合物氧化之分子催化剂与氧化碳氢化合物的 方法
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2013年10月4日申请的美国临时申请案第61/886,676号的权利，该美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中，引用程度为不与本文不兼容。
关于联邦政府赞助研究或研发的声明
不适用。
背景技术
近年来，为寻找替代燃料来取代逐渐减少的石油供应，使用催化剂将甲烷有效转化为甲醇的研发愈来愈受到关注。天然气探勘及生产技术的近期进展使得天然气产量及已知天然气储量两者显著增加。天然气主要系由与诸如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及己烷的其他挥发性碳氢化合物混合的甲烷构成。尽管天然气主要系用作可燃性燃料，但对于将天然气转化为更有效率且可运输的燃料的的技术具有极大兴趣。一种潜在具吸引力的转化途径为将天然气氧化为氧化产物，诸如醇，其具有较高比能、较低挥发性及较大的化学多用途性。
甲醇具有一系列商业应用，包括作为制造工业化学品(例如甲醛、二甲醚等)的原料、作为燃料或燃料添加剂(例如，汽车)及作为用于合成及制造应用的溶剂。目前，合成甲醇的最常用方法为使用基于铜之催化剂使一氧化碳与氢气反应。然而，此方法为吸热性且同时需要高温(约250℃)及高压(50-100atm)。可使用天然气或纯甲烷作为原料来产生一氧化碳及氢气，通常系藉由使用镍催化剂使甲烷与蒸汽反应，其随后可用于产生甲醇。然而，同样地，此反应为吸热性且需要高温(约850℃)及高压(约40atm)。因此，许多用于将甲烷转化为甲醇的习知方法系资源密集且成本高昂的，因此等方法需要多个步骤、昂贵的催化剂及大量的能源投入。
将甲烷直接转化为甲醇之气体至液体方法极具挑战性，因甲烷中的C-H键具有极高键能(104千卡/莫耳)，且因此大致呈化学惰性。另外，此反应之甲醇反应产物易在许多条件下进一步氧化，由此使得难以在高产率下选择性地产生甲醇。同样地，将除甲烷之外的短长度烷烃氧化为其对应醇亦具有挑战性，因此等分子中的C-H键能仅略低于甲烷的C-H键能，而具有类似的过度氧化问题。
即使在环境温度及压力下，诸如荚膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)及甲烷氧化菌(Methylosinus trichosporium)的嗜甲烷(Methanotrophic)细菌亦可使甲烷轻易地转化为甲醇。此等细菌藉由使用甲烷单加氧酶(MMO)酵素及氧气来介导甲醇的氧化[参见例如，Chan,Sunney等人(2004)Toward delineating the Structure and Function ofthe Particulate Methane Monooxygenase from MethanotropicBacteria.Biochemistry,43(15),4421-4430]。存在两种不同形式的MMO：颗粒状(pMMO)及可溶性(sMMO)。特定言之，pMMO酵素在氧化C1至C5直链烷烃时展现惊人之位置特异性及立体选择性。
研究者已研究其中pMMO促进烷烃转化为烷醇的生化反应，潜在目标是要产生可在环境条件下氧化碳氢化合物的仿生催化剂。根据此研究之结果，对于理解该酵素应并入多铜簇作为氧化之活性场景已开始达成共识[参见例如，Chan,Sunney等人(2008)ControlledOxidation of Hydrocarbons by the Membrane-Bound Methane Monooxygenase:TheCase for a Tricopper Cluster,Accounts of Chem.Research,41(8),969-979]。该研究亦表明，诸如sMMO及pMMO的酵素需要严格的动力控制以便将催化剂有效地再生成回前驱体状态，因而对研发可行的仿生催化剂呈现另一挑战。然而，藉由在较高氧化态下操作金属离子或藉由利用芬顿型化学(Fenton-type chemistry)，可潜在地规避过渡金属催化剂中对动力控制的需求[参见例如，Chan,Sunney等人(2012)Efficient catalytic oxidation ofhydrocarbons mediated by tricopper clusters under mild conditions,J.Catal.,293,186-194]。基于sMMO或pMMO研发的功能性仿生催化剂，先前工作的成效有限。
举例而言，Elgammal之PCT公开案第WO 2011/035064A2号系关于一种用于氧化碳氢化合物的催化剂，其包含1,2,4-三唑配位体及过渡金属。该催化剂系在0-25℃之间的温度下操作。然而，甲烷氧化为甲醇的产率仅维持在30％以下，且在大多数情况下低得多。此外，在氧化较高碳数烷烃的反应中，低位置特异性及过度氧化两者仍然为主要问题。
自前文应了解，目前此项技术中需要可在环境条件下以高度的位置特异性及立体选择性轻易氧化碳氢化合物的经改进的分子催化剂及方法。特定言之，需要对来自天然气之碳氢化合物提供催化氧化的催化剂，且其对于有用氧化产物(诸如甲醇)的形成展现高转换频率及特异性。
发明内容
本发明系关于分子催化剂及利用该等分子催化剂的化学反应，且特定言之，系关于用于有效催化氧化碳氢化合物(诸如来自天然气之碳氢化合物)的分子催化剂。本文所提供的分子催化性平台可在例如环境条件下(如接近室温及大气压力)轻易氧化碳氢化合物。
本文提供用于氧化碳氢化合物的催化剂组合物、催化系统及方法。本发明的铜催化剂及催化剂调配物，例如，展现高催化效率，且在支持一系列工业及能量相关应用的条件下具有良好的转换率及氧化产物产率。本发明提供多用途类别的铜催化剂，其具有经调整以针对一系列碳氢化合物的氧化为特定氧化产物达成基质识别及产物选择性的组成。本发明的铜催化剂及方法为灵活的，由此支持异相及均相催化两者。本发明的铜催化剂系统可使用多种易于取得的氧化剂及还原剂而在动力上驱动催化剂活化及再生步骤。
在一实施例中，本发明提供用于将天然气中的气相碳氢化合物有效转化为诸如烷醇、烷酮及烷二醇的可运输燃料及商业有用产物的仿生铜催化剂及催化方法。在一实施例中，催化剂组成及方法组合基质识别及氧原子转移，从而支持用于位置特异性烷烃羟基化的有效途径。本发明的特定铜催化剂例如可以高产率将甲烷有效氧化为甲醇而不会发生过度氧化。在一实施例中，例如，来自甲烷的催化氧化的甲醇产率系大于或等于75％，且视情况就一些应用而言大于或等于90％。本发明的此态样尤其适用于提供在环境条件下将天然气转化为液体氧化产物的选择性途径。
在一态样中，本发明提供一种氧化碳氢化合物以产生氧化产物的催化方法，该方法包含以下步骤：(i)在氧化剂存在下使碳氢化合物与铜催化剂接触，由此产生氧化产物，及(ii)再生该铜催化剂，其中该铜催化剂包含三铜错合物，其包含三个Cu离子及一个具有式(FX1)之配位体(L)：
其中m及n各自独立地为0、1或2；e、f、g及h各自独立地为0或1；X1及X2各自独立地为O、S、N或P；Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；且R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环。在一实施例中，碳氢化合物、铜催化剂及氧化剂系例如以溶液相、液相、气相或此等的组合彼此实体接触。在一实施例中，例如，经再生的铜催化剂随后与氧化剂及碳氢化合物参与进一步反应而达成催化氧化。
在某些实施例中，碳氢化合物为C1-C8烷烃或C2-C8烯烃，包括直链、分支链及环状C1-C8烷烃或C2-C8烯烃。视情况，例如，碳氢化合物为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或此等的任何组合。在一实施例中，碳氢化合物为来自天然气样品的甲烷。在一特定实施例中，例如，碳氢化合物系以天然气的样品提供。在实施例中，氧化产物为醇、酮或二醇。在某些实施例中，例如，氧化产物为醇，诸如甲醇、乙醇、丙醇。在实施例中，催化方法可在等于或低于25℃之温度下及在等于或低于1大气压之压力下进行。
在式(FX1)之情况中，将e、f、g及/或h指定为0系对应于具有式(FX1)的配位体，其中R1、R2、R5及R6分别不存在；且将e、f、g及/或h指定为1系对应于具有式(FX1)的配位体，其中分别存在R1、R2、R5及R6。在特定实施例中，本发明提供使用本发明铜催化剂的方法、调配物及组合物，该等铜催化剂包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中e、f、g及/或h中的一或多者为0，例如其中X1、X2、Y1或Y2为硫或氧。在一特定实施例中，本发明提供使用本发明铜催化剂的方法、调配物及组合物，该等铜催化剂包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中m及n各自为0或1。在一特定实施例中，本发明提供使用本发明铜催化剂的方法、调配物及组合物，该等铜催化剂包含具有式(FX1)的配位体(L)，其中e、f、g及h各自为1。在一特定实施例中，本发明提供使用本发明铜催化剂的方法、调配物及组合物，该等铜催化剂包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中e、f、g及h各自为0。
本发明的一重要特性为氧化方法的催化性质，例如其中在产生氧化产物之后，铜催化剂经有效地再生，且因此可用于随后与碳氢化合物反应且进一步产生氧化产物。在一些实施例中，例如，该方法的特征在于催化剂活化及再生步骤，其可例如经由提供充足的氧化剂及/或还原剂以在动力上驱动催化剂活化及再生步骤而达成动力控制。本发明方法可与一系列用于动力驱动催化剂活化的不同氧化剂(诸如过氧化氢、空气及氧气)及用于动力驱动催化剂再生的还原剂(诸如过氧化氢)相容。在一些实施例中，本发明包含提供能够动力驱动催化活化的浓度及/或量的氧化剂的步骤。在一些实施例中，本发明包含提供能够动力驱动催化再生的浓度及/或量的还原剂的步骤。在一些实施例中，本发明包含补充铜催化剂、氧化剂、还原剂、碳氢化合物或其组合的浓度及/或量的步骤。
在一特定实施例中，铜催化剂包含具有式[CuICuICuI(L)q]之三铜错合物，其中q为1至3之整数，且其中L为配位体。在一实施例中，例如，铜催化剂包含具有式[CuICuICuI(L)]+之三铜错合物，其中L为配位体。在一实施例中，例如，使铜催化剂与氧化剂接触，由此产生经氧化活化的铜催化剂。在实施例中，例如，经氧化活化的铜催化剂具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]+，其中L为配位体。在一特定实施例中，经氧化活化的铜催化剂具有式(FX12)：
其中m、n、X1、X2、Y1、Y2、R3、R4、R7、R8及R9系如关于(FX1)所定义。
在一特定实施例中，例如，经氧化活化的铜催化剂具有特征在于疏水性结合袋的结构，该疏水性结合袋提供碳氢化合物的分子识别，例如提供对甲烷、乙烷、丙烷及/或丁烷的分子识别。
在一实施例中，经氧化活化的铜催化剂与碳氢化合物的反应导致O原子自经氧化活化的铜催化剂转移至碳氢化合物，由此产生氧化产物。视情况，例如，O原子经插入至碳氢化合物的C-H键中，例如产生醇、酮或二醇反应产物。在一实施例中，经氧化活化的铜催化剂与碳氢化合物的反应产生经部分氧化的三铜错合物反应产物，该方法进一步包含还原该经部分氧化的三铜错合物反应产物以便再生该铜催化剂。在一实施例中，例如，经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+，其中L为配位体。在一实施例中，经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式(FX13)：
其中m、n、X1、X2、Y1、Y2、R3、R4、R7、R8及R9系如关于(FX1)所定义。在一特定实施例中，还原该经部分氧化三铜错合物反应产物的步骤系藉由使该经部分氧化三铜错合物反应产物与还原剂接触来达成。视情况，例如，该还原剂为H2O2、H2、甲酸盐或抗坏血酸盐。在实施例中，于该方法中再生的铜催化剂在催化方法中在氧化剂存在下接触碳氢化合物而进一步产生氧化产物。在一特定实施例中，该碳氢化合物为甲烷、乙烷及丙烷；且氧化产物在该氧化剂存在下与该铜催化剂接触时不经历进一步氧化。在一些实施例中，该方法的特征在于大于或等于1×10-2sec-1，视情况就一些应用而言大于或等于5×10-2sec-1的转换频率。在一些实施例中，该方法的特征在于大于或等于50％，视情况就一些应用而言大于或等于75％之催化效率。
在特定实施例中，铜催化剂进一步包含一或多种相对离子，例如，相对离子系选自由ClO4 -或BF4 -组成的群组。
本发明提供一类具有适用于氧化一系列碳氢化合物的组成的铜催化剂。在实施例中，例如，铜催化剂之配位体(L)的组成可经调节以提供关于碳氢化合物基质之分子识别的选择性及/或关于氧化产物的组成的特异性。如熟习此项技术者将认识到，本文所描述之任何铜催化剂均可用于本发明方法及调配物。
在一实施例中，例如，本发明的方法及组合物包括一种催化剂，其包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中X1、X2、Y1及Y2各自为N。在某些实施例中，本发明的方法及组合物包括一种催化剂，其包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中R1与R5结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环；且其中R2与R6结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环。在一实施例中，本发明之方法及组合物包括一种催化剂，其包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中R7及R8各自为乙基。在某些实施例中，本发明的方法及组合物包括一种催化剂，其包含具有式(FX1)之配位体(L)，其中R7及R8皆不为甲基。在实施例中，R3、R4、R7、R8及R9各自独立地为氢或C1-C5烷基。在一特定实施例中，本发明的方法及组合物包括一种催化剂，其包含具有式(FX1)的配位体(L)，其中R9为-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)。
在某些实施例中，铜催化剂包含具有式(FX2)或(FX3)的配位体(L)：
其中m、n、X1、X2、Y1、Y2、R3、R4、R7、R8及R9系如关于(FX1)所定义；且视情况其中R7及R8各自为乙基。在一些实施例中，R7及R8皆不为甲基。
在某些实施例中，铜催化剂包含具有式(FX4)或(FX5)的配位体(L)：
其中R3、R4、R7、R8及R9系如关于(FX1)所定义；且视情况其中R7及R8各自为乙基。在一些实施例中，R7及R8皆不为甲基。
在某些实施例中，铜催化剂包含具有式(FX6)或(FX7)的配位体(L)：
其中R7及R8系如关于(FX1)所定义；且视情况其中R7及R8各自为乙基。在其他实施例中，R7及R8皆不为甲基。
在某些实施例中，铜催化剂包含具有式(FX8)的配位体(L)：
在某些实施例中，铜催化剂包含具有式(FX9)、(FX10)或(FX11)的配位体(L)：
其中m、n、Y1、Y2、R1-R9系如关于(FX1)所定义；且视情况其中R7及R8各自为乙基。在一些实施例中，R7及R8皆不为甲基。
本文所提供的铜催化剂可以高度的位置特异性氧化广范围的碳氢化合物且有极少过度氧化(或在一些实施例中，无过度氧化)。本发明的一些铜催化剂例如可将烷烃(诸如甲醇)氧化为烷醇氧化产物，同时极少或没有产生烷酮或烷二醇产物的过度氧化。特定配位体对于碳氢化合物基质的组成具有高度识别力。
在一实施例中，碳氢化合物为直链、分支链或环状烷烃或烯烃。在另一实施例中，例如，碳氢化合物为C1-C8烷烃或C1-C8烯烃，且视情况就一些实施例而言，C1-C6烷烃或C1-C6烯烃；且视情况就一些实施例而言，C1-C4烷烃或C1-C4烯烃。视情况，例如，碳氢化合物为甲烷、乙烷、丙烷及/或正丁烷。视情况，例如，碳氢化合物为甲烷。在实施例中，碳氢化合物系以气相、液相、溶液相或此等的组合提供。
所揭示的催化剂组合物就适用于本发明催化方法的氧化剂而言系相当多样化的。在一特定实施例中，例如，氧化剂为一或多种氧气物质。视情况，氧化剂为O2、H2O2或空气。在实施例中，氧化剂系以气相、液相、溶液相或此等的组合提供。
本发明的催化方法、组合物及方法可有利于均相及异相催化两者。
在一些实施例中，铜催化剂为均相催化剂。举例而言，在实施例中，铜催化剂、氧化剂及碳氢化合物各自溶解于溶剂中，其中使碳氢化合物与铜催化剂在氧化剂存在下接触的步骤系在包含溶剂、经溶解铜催化剂、氧化剂及碳氢化合物的均质溶液中进行。
在实施例中，铜催化剂为异相催化剂。在一些实施例中，铜催化剂系固定在固体催化剂载体骨架之一或多个表面上。在一实施例中，催化剂载体骨架为复数个中孔粒子。在某些实施例中，铜催化剂系共价附接至聚合载体、玻璃珠粒或树脂。在一实施例中，例如，固体催化剂载体骨架包含中孔材料，且铜催化剂系提供于中孔材料的孔网络的表面上。在一些实施例中，固体催化剂载体骨架为中孔硅酸盐、中孔碳或溶胶凝胶。在一实施例中，中孔材料经官能化以产生带负电表面来达成铜催化剂的固定。在一实施例中，例如，中孔材料系藉由与Al或阴离子3-三羟基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)接触而官能化。
在一些实施例中，例如，溶液中的催化剂浓度系选自0.1-10mM，且视情况，就一些应用而言，1-10mM的范围。在一些实施例中，溶液中的碳氢化合物浓度系选自0.01-1.0M，且视情况，就一些应用而言，0.1-0.5M的范围。在一些实施例中，溶液中的氧化剂浓度系选自0.05-1M，且视情况，就一些应用而言，0.05-0.2M的范围。在一些实施例中，溶剂为非水性溶剂，诸如极性或非极性非水性溶剂。在一特定实施例中，溶剂为MeCN或氟代烃，例如C2-C20氟碳化合物。在一实施例中，该一或多种溶剂不为H2O。
本文中包含的催化剂方法、组合物及方法支持一系列应用，包括将天然气转化为液体燃料。该等催化剂方法及组合物适用于多种其他应用，包括生产工业及商业相关材料，包括醇、酮及二醇。在一实施例中，例如，(i)碳氢化合物为甲烷且氧化产物为甲醇；(ii)碳氢化合物为乙烷且氧化产物为乙醇；(iii)碳氢化合物为丙烷且氧化产物为丙醇；(iv)碳氢化合物为丁烷且氧化产物为丁醇、丁酮、2,3-丁二醇；或(v)此等的任何组合。在一实施例中，催化方法系用于将天然气转化为液体燃料。在一实施例中，该方法系用于氧化石油样品(包括源自石油加工的样品)中的碳氢化合物。在一实施例中，例如，催化方法系用于天然气中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的烷烃羟基化。在实施例中，使用空气作为氧化剂将天然气转化为液体燃料。在一实施例中，例如，将天然气转化为包含醇、酮、二醇或此等的任何组合的液体燃料。在一实施例中，例如，该方法系用于在等于或低于25℃的温度下及在等于或低于1大气压的压力下产生液体燃料。在一些实施例中，该方法进一步包含分离氧化产物。在实施例中，该方法进一步包含回收铜催化剂。
在一实施例中，本发明提供将天然气转化为一或多种液体燃料的方法。在一实施例中，例如，本发明提供将天然气转化为液体燃料的催化方法，该方法包含以下步骤：(i)使天然气中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷与铜催化剂在氧化剂存在下接触；由此产生包含醇、酮、二醇或此等的任何组合的液体燃料；及(ii)再生该铜催化剂；其中，该铜催化剂包含三铜错合物，其包含三个铜离子及具有下式(FX1)之配位体(L)：
其中m及n各自独立地为0、1或2；e、f、g及h各自独立地为0或1；X1及X2各自独立地为O、S、N或P；Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；且R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环。在一实施例中，例如，氧化剂为空气。
在另一态样中，本发明提供用于氧化碳氢化合物的催化剂调配物。在一实施例中，例如，本发明提供用于氧化碳氢化合物以产生氧化产物的催化剂调配物，该调配物包含：(i)包含三铜错合物的铜催化剂，该三铜错合物包含三个Cu离子及具有下式(FX1)之配位体(L)：
其中m及n各自独立地为0、1或2；e、f、g及h各自独立地为0或1；X1及X2各自独立地为O、S、N或P；Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；且R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；(ii)氧化剂，其用于活化铜催化剂以产生经氧化活化的铜催化剂，该经氧化活化的铜催化剂与碳氢化合物反应产生氧化产物及经部分氧化的三铜错合物反应产物；及(iii)还原剂，其用于还原该经部分氧化的三铜错合物反应产物以便再生该铜催化剂。在一实施例中，例如，催化剂调配物进一步包含一或多种溶剂。如熟习此项技术者将大体上理解，可将本文描述的任何催化剂组合物、氧化剂、还原剂及溶剂用于本发明的催化剂调配物。在一些实施例中，例如，本发明催化剂调配物的铜催化剂包含具有式[CuICuICuI(L)]+的三铜错合物，其中L为配位体。在实施例中，例如，本发明催化剂调配物的经氧化活化的铜催化剂具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]+，其中L为配位体。在实施例中，例如，经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+，其中L为配位体。在实施例中，氧化剂为O2、H2O2或空气。另外，在一些实施例中，还原剂为H2O2、H2、甲酸盐或抗坏血酸盐。视情况，在一些实施例中，氧化剂及还原剂各自为H2O2。在一实施例中，本发明的催化剂调配物系呈实质上纯化的状态。
在另一态样中，本发明提供例如应用于化学合成的铜错合物组合物。在一实施例中，例如，本发明提供一种铜错合物，其包含三个Cu离子及具有下式(FX1)之配位体(L)：
其中m及n各自独立地为0、1或2；e、f、g及h各自独立地为0或1；X1及X2各自独立地为O、S、N或P；Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；且R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；其限制条件为，当R1与R5及R2与R6各自独立地结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分产生杂环6员、7员或8员环时，则R7及R8各自不为甲基；其限制条件为，当R1及R2各自为甲基时，则R7及R8各自不为甲基；其限制条件为，当R1及R2各自为乙基时，则R7及R8各自不为乙基。在某些实施例中，铜错合物进一步包含一或多种相对离子。在实施例中，铜错合物具有式[CuICuICuI(L)]+，其中L为配位体。在实施例中，铜错合物具有特征在于疏水性结合袋的结构，该疏水性结合袋提供对甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的分子识别。在一特定实施例中，例如，m及n各自为1；其中X1、X2、Y1及Y2各自为N；且其中R1与R5结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环；且其中R2与R6结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环。视情况，例如，其中R7及R8各自为乙基。在一实施例中，本发明的铜错合物系呈实质上纯化的状态。
在另一态样中，本发明提供一种具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]+之经氧化的铜错合物；其中L为具有下式(FX1)的配位体：
其中m及n各自独立地为0、1或2；e、f、g及h各自独立地为0或1；X1及X2各自独立地为O、S、N或P；Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；且R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；其限制条件为，当R1与R5及R2与R6各自独立地结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分产生杂环6员、7员或8员环时，则R7及R8各自不为甲基；其限制条件为，当R1与R5及R2与R6各自独立地结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分产生杂环6员、7员或8员环时，则R5及R8各自不为乙基；其限制条件为，当R1及R2各自为甲基时，则R7及R8各自不为甲基；其限制条件为，当R1及R2各自为乙基时，则R7及R8各自不为乙基。在一实施例中，经氧化的铜错合物具有式(FX12)。在一些实施例中，经氧化的铜错合物与碳氢化合物反应产生具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+的经部分氧化的三铜错合物反应产物，其中L为配位体。在一实施例中，例如，经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式(FX13)。
不希望受任何特定理论束缚，本文中可能论述与本文所揭示的装置及方法相关的基础原理的信念或理解。然而，应了解，不论任何机制性解释或假说的最终正确性如何，本发明之实施例仍为可操作且适用的。
附图说明
图1说明在本发明的实例1中在室温下藉由三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+催化的利用过氧化氢(H2O2)来氧化正烷烃、环烷烃及环烯烃。
图2显示在本发明的实例1中藉由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导的利用H2O2氧化各种碳氢化合物基质的时程。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]
图3显示在本发明的实例1中H2O2的量对由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导的甲烷氧化的影响。
图4比较在本发明的实例1中，在由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导且在用作「牺牲」还原剂以再生分子催化剂的H2O2存在下，在利用O2氧化甲烷过程中的生产循环(A)与无效循环(B)。[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013).]
图5显示在本发明的实例2中将[CuIICuIICuII(7-N-Etppz)]4+错合物、[CuIICuII(μ3-O)(CuII]7-N-Etppz)]2+错合物、[CuIICuIICuII(7-Ehppz)]4+错合物或[CuIICuII(μ3-O)(CuII]7-Ehppz)]2+错合物固定在具有高吸附量且孔径为5nm的中孔硅酸盐奈米粒子(MSN)中，以用作在环境条件下氧化甲烷的异相催化剂的程序。
图6显示在本发明的实例2中，藉由穿透式电子显微镜及固态29Si核磁共振光谱法对用于固定三铜错合物的MSN-ex材料(孔径为5nm)的表征。
图7显示在本发明的实例2中，利用阴离子性3-三羟基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)使具有不同表面酸性及电荷之MSN官能化以产生带负电表面，或藉由将Al引入至框架中，以及MSN-TP及Al-MSN30-ex样品之各别的TEM显微照片。
图8显示在本发明的实例2中，用于研究甲烷至甲醇的转化的反应程序，该转化系由固定在MSN中之经完全还原的三铜错合物所介导，随后藉由O2活化且在环境条件下利用H2O2转换催化剂。
图9显示在本发明的实例2中，藉由固定在各种官能化MSN样品中的各种三铜错合物催化的甲烷氧化的时程。
图10.来自荚膜甲基球菌(Bath)的pMMO的X射线晶体结构(由R.L.Lieberman、A.C.Rosenzweig发表在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)中编辑)。显示三种多肽PmoA、PmoB及PmoC的主链的带状图式，连同单核铜中心(A位点)、二铜位点(B位点)、Zn位点(C位点)及空亲水性位点(D位点)。
图11.将顶盖(μ3-O)重建至X射线晶体结构的位点D中的经模型化为CuIICuIICuII错合物的三铜簇。多肽经色彩编码：PmoA：蓝色，及PmoC：绿色，且与三个CuII离子相关的胺基酸残基经框起：Cu1：红色，Cu2：黑色，及Cu3：蓝色。[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.]
图12.来自荚膜甲基球菌(Bath)的pMMO的催化位点。[P.P.-Y.Chen,P.Nagababu,S.S.-F.Yu,S.I.Chan,ChemCatChem 2014,6,429-437.]
图13.藉由利用氧气活化CuICuICuI簇来调控「单重态氧原子(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).]
图14.三核CuICuICuI错合物的形成及后续氧化。
图15.经氧气活化的CuICuICuI(7-N-Etppz)错合物(亦即CuIICuII(μ-O)2CuIII(7-N-Etppz))之CPK及球-棍模型；其中7-N-Etppz代表有机配位体3,3'-(1,4-二氮杂环庚烷-1,4-二基)双[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇]。色彩编码-白色：氢；灰色：碳；蓝色：氮；红色：氧；棕色：铜。[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013).]
图16.经氧气活化的CuICuICuI(7-N-Etppz)错合物的CPK模型与甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及环己烷及其醇/酮产物之CPK模型的比较，其说明使基质/产物结合至经活化三铜簇的结合袋所需的互补疏水性接触表面。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]
图17显示藉由乙腈中的三铜催化剂[CuICuICuI(L)]1+促进的甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、环己烷及环己烯的反应及氧化产物，其中L系如上文式1中所定义的配位体，且过氧化氢同时充当为氧化剂及还原剂。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]
图18显示在实例4中的实验条件下各种碳氢化合物的氧化时程。该等图绘制转换数(TON)，其为在一小时过程内转移至碳氢化合物基质的氧当量相对于时间的量度。[Catal.Sci.Technol.,4,930-935(2014).]
图19.7-N-Etppz配位体的1H NMR(A)及13C NMR(B)光谱。
图20.7-N-Etppz配位体(A)及经氧化[CuICuICuI(7-N-Etppz)](ClO4)2(B)的FAB质谱。在m/z 844amu处具有最大峰值的在m/z 842-848amu范围内的多个峰系归因于[CuIICuII(μ-O)CuII(7-N-Etppz)](ClO4)2物质。
图21.藉由在乙腈(MeCN)中利用氧气氧化[CuICuICuI(7-N-Etppz)](ClO4)错合物所形成的[CuIICuII(μ-O)CuII(7-N-Etppz)](ClO4)2物质的77K EPR光谱。
图22.A)由HIHAMLTMGDWD肽及Cu(OAc)2形成的铜错合物的FT-ICR ESI-MS。上图：在溶液中形成的铜肽物质；下图：在溶液中以及在沈淀物中观测到的铜肽物质。原生肽：m/z713.3(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)产生自具有在m/z 805.7(z＝2)处的HIHAMLTMGDWD肽，包括在天然丰度下的63Cu及65Cu同位素(63Cu为69.17％；65Cu为30.83％)之CuIICuIICuII错合物的质量簇的模拟，并与实验作比较。
图23.若干三铜-肽错合物之77K EPR光谱。针对由野生型肽HIHAMLTMGDWD及H40Q M45A突变型肽HIQAMLTAGDWD形成的三铜-肽错合物观测CuIICuIICuII簇EPR信号。对于H38Q突变型肽QIHAMLTMGDWD识别出线形改变的弱信号。针对EPR量测将蓝色沈淀物分散在KCl(1重量％)中。
图24.针对CuIICuIICuII-HIHAMLTMGDWD错合物所测定的莫耳磁化率的温度依赖性：黑色实心方块，实验数据；红色实线，针对ST＝3/2基态且交换相互作用J为35.4cm-1的CuII自旋的等边三元组所得到的χM数据的最佳拟合。
图25.在5.4当量Cu(OAc)2存在下，TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的三铜错合物的MALDI-TOF-MS。
图26.在蓝色固体CuIICuIICuII-肽与白色CuICuICuI-肽错合物(野生型肽)的沈淀物之间的XANES(图A)及EXAFS(图B)的比较。针对蓝色沈淀物的量测系在277K下进行。白色沈淀物系在经干燥N2填充的手套工作箱中制备，经密封，且置放在维持于100K下的样品固持器中。光谱为15次扫描的累积。
图27.具有HIHAMLTMGDWD肽的CuICuICuI错合物的傅里叶(Fourier)转换振幅FT[k3χ(k)](空心圆)及拟合(实曲线)，连同配位体结构对于三铜簇之最佳拟合。插图显示经拟合的k3χ(k)数据。亦将由拟合EXAFS数据所推断的原子类型的配位数与由重建至晶体结构的D位点中的三铜簇模型所预测的配位数相比较。[8]拟合良度因素R拟合为0.3％。
图28.由三铜CuICuICuI(7-N-Etppz)1+错合物介导的利用O2的甲烷氧化。A)藉由GC(滞留时间：5.5min)分析甲醇的形成；(插图)：藉由GC-MS，将质量分布与CH3OH标准品的质量分布比较来验证归因于CH3OH的产物峰。B)甲烷氧化的时程；(插图)：速率常数k1＝0.0646min-1的假一级动力曲线图(C0表示经完全还原的三铜错合物的初始浓度且C表示在任何给定时间产生的甲醇浓度)，与拟合数据的最佳直线。C)显示TON随经添加以再生「用过失效」催化剂的H2O2量(当量)变化的催化转换；(插图)：在20当量H2O2存在下藉由三铜错合物的多转换之催化性甲烷羟基化的时程。
图29.三铜-肽错合物的表征。A)固体CuICuICuI-肽错合物的FAB MS。已突出显示与Cu3-肽错合物相关的质量簇。B)CuIICuIICuII-肽错合物的77K EPR光谱。针对EPR量测已将蓝色沈淀物分散在KCl(1重量％)中。
图30.针对具有肽序列HIHAMLTMGDWDPD的TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白观测的Cu K-边缘EXAFS连同配位体结构对于三铜簇之最佳拟合(左插图)。右插图显示经拟合的k3χ(k)数据。亦显示自配位体结构预测的平均配位数(CN)。
具体实施方式
关于化合物及命名法的陈述
在一实施例中，本发明的组合物或化合物，诸如铜催化剂组合物或调配物，系经分离或实质上纯化。在一实施例中，经分离或经纯化的化合物系如此项技术中所理解至少部分经分离或实质上经纯化。在一实施例中，本发明的实质上经纯化的组合物、化合物或调配物具有95％、视情况就一些应用而言99％、视情况就一些应用而言99.9％、视情况就一些应用而言99.99％、及视情况就一些应用而言99.999％纯的化学纯度。
本文所揭示的许多分子含有一或多个可游离基团。可游离基团包括可移除质子的基团(例如-COOH)或添加质子的基团(例如胺基)及可经四级铵化的基团(例如，胺基)。该等分子及其盐的所有可能的离子形式意欲个别地包括于本文的揭示内容中。关于本文化合物的盐，一般熟习此项技术者可针对给定应用在适合于制备本发明的盐的宽广种类的可用相对离子中选择。在特定应用中，用于制备盐的给定阴离子或阳离子的选择可导致该盐的溶解度增加或减小。
本发明的化合物可含有一或多个对掌性中心。因此，本发明意欲包括外消旋混合物、非对映异构体、对映异构体、互变异构体及富含一或多种立体异构体的混合物。所描述及所主张的本发明的范畴涵盖化合物的外消旋形式，以及其个别对映异构体及非外消旋混合物。
如本文所用，术语「基团」可指化合物的官能基。本发明化合物的基团系指为该化合物一部分的原子或原子集合。本发明的基团可经由一或多个共价键附接至该化合物的其他原子。基团亦可针对其价态来表征。本发明包括经表征为单价、二价、三价等价态的基团。
如本文所用，术语「经取代」系指其中氢由另一官能基置换的化合物。
如在此项技术中所惯用且熟知，式(FX1)-(FX13)中的氢原子并非始终明确地经显示，例如，在式(FX1)-(FX13)中结合至伸烷基及/或脂环族环的碳原子的氢原子并非始终明确地经显示。例如在描述式(FX1)-(FX13)的上下文中，本文所提供的结构意欲向大致熟习此项技术者传达本发明的方法及组合物的化合物的化学组成，且如熟习此项技术者将理解，所提供的结构并不指示原子的明确位置及此等化合物的原子间的键角。
烷基包括直链、分支链及环状烷基。烷基包括具有1至30个碳原子的烷基。烷基包括具有1至3个碳原子的小烷基。烷基包括具有4-10个碳原子的中等长度烷基。烷基包括具有超过10个碳原子的长烷基，尤其具有10-30个碳原子的长烷基。术语环烷基特定地指具有环结构(诸如包含3-30个碳原子、视情况3-20个碳原子及视情况2-10个碳原子的环结构)的烷基，包括具有一或多个环的烷基。环烷基包括具有3员、4员、5员、6员、7员、8员、9员或10员碳环的环烷基，且尤其具有3员、4员、5员、6员、7员或8员环的环烷基。环烷基中的碳环亦可带有烷基。环烷基可包括双环及三环烷基。烷基可视情况经取代。经取代的烷基尤其包括经芳基取代的烷基，该等芳基又可视情况经取代。特定烷基包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、环丁基、正戊基、分支链戊基、环戊基、正己基、分支链己基及环己基，其均可视情况经取代。经取代的烷基包括完全卤化或半卤化烷基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的烷基。经取代的烷基包括完全氟化或半氟化烷基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子置换的烷基。烷氧基为已经由键连至氧而改质的烷基，且可由式R-O表示并亦可称为烷基醚基团。烷氧基的实例包括(但不限于)甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基及庚氧基。烷氧基包括经取代的烷氧基，其中该等基团的烷基部分系如本文关于烷基的描述所提供经取代。如本文所用，MeO-系指CH3O-。
烯基包括直链、分支链及环状烯基。烯基包括具有1、2或更多个双键的烯基及其中两个或更多个双键为共轭双键的烯基。烯基包括具有2至20个碳原子的烯基。烯基包括具有2至3个碳原子的小烯基。烯基包括具有4-10个碳原子的中等长度烯基。烯基包括具有超过10个碳原子的长烯基，尤其具有10-20个碳原子的长烯基。环烯基包括双键位在环中或位在附接至环的烯基中的环烯基。术语环烯基特定地指具有环结构的烯基，包括具有3员、4员、5员、6员、7员、8员、9员或10员碳环的烯基，且尤其具有3员、4员、5员、6员、7员或8员环的烯基。环烯基中的碳环亦可带有烷基。环烯基可包括双环及三环烯基。烯基可视情况经取代。经取代的烯基尤其包括经烷基或芳基取代的烯基，该等烷基或芳基又可视情况经取代。特定烯基包括乙烯基、丙-1-烯基、丙-2-烯基、环丙-1-烯基、丁-1-烯基、丁-2-烯基、环丁-1-烯基、环丁-2-烯基、戊-1-烯基、戊-2-烯基、分支链戊烯基、环戊-1-烯基、己-1-烯基、分支链己烯基、环己烯基，其均可视情况经取代。经取代的烯基包括完全卤化或半卤化烯基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的烯基。经取代的烯基包括完全氟化或半氟化烯基，诸如其中一或多个氢原子由一或多个氟原子置换的烯基。
芳基包括具有一或多个5员、6员、7员或8员芳环(包括杂环芳环)的基团。术语杂芳基特定地指具有至少一个5员、6员、7员或8员杂环芳环的芳基。芳基可含有一或多个稠合芳环，包括一或多个稠合杂芳环，及/或可经由共价键稠合或连接的一或多个芳环与一或多个非芳环的组合。杂环芳环可在环中包括一或多个N、O或S原子。杂环芳环可包括具有一个、两个或三个N原子的杂环芳环，具有一个或两个O原子的杂环芳环，及具有一个或两个S原子、或一个或两个或三个N、O或S原子的组合的杂环芳环。芳基可视情况经取代。经取代的芳基尤其包括经烷基或烯基取代的芳基，该等烷基或烯基又可视情况经取代。特定芳基包括苯基、联苯基、吡咯啶基、咪唑啶基、四氢呋喃基、四氢噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、异喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、恶唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并恶二唑基、苯并噻二唑基及萘基，其均可视情况经取代。经取代的芳基包括完全卤化或半卤化芳基，诸如其中一或多个氢经一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的芳基。经取代的芳基包括完全氟化或半氟化芳基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子置换的芳基。芳基包括(但不限于)对应于以下中之任一者的含有芳族基或含有杂环芳族基的基团：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、异喹啉、吲哚、异吲哚、吡咯、咪唑、恶唑、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、氧杂蒽酮、黄酮、香豆素、薁或蒽环霉素。如本文所用，对应于上文所列基团的基团明确地包括芳族或杂环芳族基，包括本文所列的芳族及杂环芳族基团的单价、二价及多价基团，其在本发明化合物中在任何适合附接点以共价键结组态提供。在实施例中，芳基含有5至30个碳原子。在实施例中，芳基含有一个芳族或杂芳族六员环及一或多个额外的五员或六员芳族或杂芳族环。在实施例中，芳基在环中含有五个至十八个碳原子。芳基视情况具有一或多个芳环或杂环芳环，其具有一或多个供电子基团、拉电子基团及/或以取代基形式提供的靶向配位体。
芳烷基为经一或多个芳基取代的烷基，其中该等烷基视情况带有额外的取代基且该等芳基视情况经取代。特定烷芳基为经苯基取代的烷基，例如苯基甲基。烷芳基替代性地描述为经一或多个烷基取代的芳基，其中该等烷基视情况带有额外取代基且该等芳基视情况经取代。特定烷芳基为经烷基取代的苯基，诸如甲基苯基。经取代的芳烷基包括完全卤化或半卤化芳烷基，诸如具有一或多个烷基及/或芳基且其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的芳烷基。
如本文所用，术语「伸烷基」及「伸烷基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之烷基之二价基团。本发明包括具有一或多个伸烷基的化合物。伸烷基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物可具有经取代及/或未经取代的C1-C20伸烷基、C1-C10伸烷基及C1-C5伸烷基。
如本文所用，术语「环伸烷基」及「环伸烷基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之环烷基的二价基团。本发明包括具有一或多个环伸烷基的化合物。环烷基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物可具有经取代及/或未经取代的C3-C20环伸烷基、C3-C10环伸烷基及C3-C5环伸烷基。
如本文所用，术语「伸芳基」及「伸芳基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之芳基之二价基团。本发明包括具有一或多个伸芳基的化合物。在一些实施例中，伸芳基为藉由自芳基的芳环的两个环内碳原子移除氢原子而衍生自芳基的二价基团。伸芳基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。伸芳基在一些化合物中充当发色团、荧光团、芳族天线、染料及/或成像基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的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，术语「伸杂芳基」及「伸杂芳基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的杂芳基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸杂芳基的化合物。在一些实施例中，伸杂芳基系藉由自杂芳基的杂芳环或芳环的两个环内碳原子或环内氮原子移除氢原子而衍生自杂芳基的二价基团。伸杂芳基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。伸杂芳基在一些化合物中充当发色团、芳族天线、荧光团、染料及/或成像基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C3-C30伸杂芳基、C3-C20伸杂芳基、C1-C10伸杂芳基及C3-C5伸杂芳基。
如本文所用，术语「伸烯基」及「伸烯基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的烯基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸烯基的化合物。伸烯基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C2-C20伸烯基、C2-C10伸烯基及C2-C5伸烯基。
如本文所用，术语「环伸烯基」及「环伸烯基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的环烯基的二价基团。本发明包括具有一或多个环伸烯基的化合物。环伸烯基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C3-C20环伸烯基、C3-C10环伸烯基及C3-C5环伸烯基。
如本文所用，术语「伸炔基」及「伸炔基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的炔基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸炔基的化合物。伸炔基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C2-C20伸炔基、C2-C10伸炔基及C2-C5伸炔基。
如本文所用，术语「卤基」系指卤素基团，诸如氟基(-F)、氯基(-Cl)、溴基(-Br)、碘基(-I)或砈基(-At)。
术语「杂环」系指在环中含有至少一个除碳以外的其他种类原子的环结构。该等杂原子的实例包括氮、氧及硫。杂环包括杂环脂环族环及杂环芳环。杂环之实例包括(但不限于)吡咯啶基、哌啶基、咪唑啶基、四氢呋喃基、四氢噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、异喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、恶唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并恶二唑基、苯并噻二唑基、三唑基及四唑基。杂环的原子可键结至广范围的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。
术语「碳环」系指在环中仅含有碳原子的环结构。碳环的碳原子可键结至广范围的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。
术语「脂环族环」系指不为芳环的环或复数个稠环。脂环族环包括碳环及杂环两者。
术语「芳环」系指包括至少一个芳环基团的环或复数个稠环。术语芳环包括包含碳、氢及杂原子的芳环。芳环包括碳环及杂环芳环。芳环为芳基的组分。
术语「稠环」或「稠环结构」系指以稠环组态提供的复数个脂环及/或芳环，诸如共享至少两个环内碳原子及/或杂原子的稠环。
如本文所用，术语「烷氧基烷基」系指式烷基-O-烷基的取代基。
如本文所用，术语「多羟烷基」系指具有2至12个碳原子及2至5个羟基的取代基，诸如2,3-二羟基丙基、2,3,4-三羟基丁基或2,3,4,5-四羟基戊基残基。
如本文所用，术语「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为1至10、较佳1至4、且更佳就一些实施例而言1至3的整数。
胺基酸包括甘胺酸、丙胺酸、缬胺酸、白胺酸、异白胺酸、甲硫胺酸、脯胺酸、苯丙胺酸、色胺酸、天冬酰胺、麸酰胺酸、甘胺酸、丝胺酸、苏胺酸、丝胺酸、天冬酰胺、麸酰胺酸、酪胺酸、半胱胺酸、离胺酸、精胺酸、组胺酸、天冬胺酸、麸胺酸、硒半胱胺酸及吡咯离胺酸。如本文所用，提及「天然α-胺基酸的侧链残基」特定地包括上文所提及的胺基酸的侧链。
关于本文所描述的含有一或多个取代基的任何基团，应理解该等基团不含有任何在空间上不切实际及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本发明的化合物包括由此等化合物的取代所产生的所有立体化学异构体。视情况选用的烷基的取代包括以一或多个烯基、芳基或两者取代，其中该等烯基或芳基视情况经取代。视情况选用的烯基的取代包括以一或多个烷基、芳基或两者取代，其中该等烷基或芳基视情况经取代。视情况选用的芳基的取代包括以一或多个烷基、烯基或两者取代芳基环，其中该等烷基或烯基视情况经取代。
视情况选用的用于任何烷基、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：
卤素，包括氟、氯、溴或碘；
假卤素，包括-CN；
-COOR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；
-COR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；
-CON(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-OCON(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-N(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或酰基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基、苯基或乙酰基，其均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-SR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为氢、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均视情况经取代；
-SO2R或-SOR，其中R为烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均视情况经取代；
-OCOOR，其中R为烷基或芳基；
-SO2N(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，其均视情况经取代，且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-OR，其中R为H、烷基、芳基或酰基，其均视情况经取代。在一特定实例中，R可为产生-OCOR”的酰基，其中R”为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R”为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，该等基团均视情况经取代。
特定的经取代烷基包括卤烷基，尤其为三卤甲基且特定言之，为三氟甲基。特定的经取代芳基包括经单-、二-、三-、四-及五卤基取代的苯基；经单-、二-、三-、四-、五-、六-及七-卤基取代的萘基；经3-或4-卤基取代的苯基、经3-或4-烷基取代的苯基、经3-或4-烷氧基取代的苯基、经3-或4-RCO取代的苯基、经5-或6-卤基取代的萘基。更明确而言，经取代芳基包括乙酰基苯基，尤其为4-乙酰基苯基；氟苯基，尤其为3-氟苯基及4-氟苯基；氯苯基，尤其为3-氯苯基及4-氯苯基；甲基苯基，尤其为4-甲基苯基；及甲氧苯基，尤其为4-甲氧苯基。
关于以上含有一或多个取代基的任何基团，应理解该等基团不含有任何在空间上不切实际及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本发明的化合物包括由此等化合物的取代所产生的所有立体化学异构体。
本发明的化合物可含有一或多个对掌性中心。因此，本发明意欲包括外消旋混合物、非对映异构体、对映异构体、互变异构体及富含一或多种立体异构体之混合物。所描述及所主张的本发明的范畴涵盖化合物的外消旋形式，以及其个别对映异构体及非外消旋混合物。
如本文所用，术语「基团」可指化合物的官能基。本发明化合物的基团系指为该化合物一部分的原子或原子集合。本发明的基团可经由一或多个共价键附接至该化合物的其他原子。基团亦可针对其价态来表征。本发明包括经表征为单价、二价、三价等价态的基团。
如本文所用，术语「经取代」系指其中氢由另一官能基置换的化合物。
如在此项技术中所惯用且熟知，式(FX1)-(FX13)中的氢原子并非始终明确地经显示，例如，在式(FX1)-(FX13)中结合至伸烷基及/或脂环族环的碳原子的氢原子并非始终明确地经显示。例如在描述式(FX1)-(FX13)的上下文中，本文所提供的结构意欲向大致熟习此项技术者传达本发明的方法及组合物的化合物的化学组成，且如熟习此项技术者将理解，所提供的结构并不指示原子的明确位置及此等化合物的原子间的键角。
烷基包括直链、分支链及环状烷基。烷基包括具有1至30个碳原子的烷基。烷基包括具有1至3个碳原子的小烷基。烷基包括具有4-10个碳原子的中等长度烷基。烷基包括具有超过10个碳原子的长烷基，尤其具有10-30个碳原子的长烷基。术语环烷基特定地指具有环结构(诸如包含3-30个碳原子、视情况3-20个碳原子及视情况2-10个碳原子的环结构)的烷基，包括具有一或多个环的烷基。环烷基包括具有3员、4员、5员、6员、7员、8员、9员或10员碳环的环烷基，且尤其具有3员、4员、5员、6员、7员或8员环的环烷基。环烷基中的碳环亦可带有烷基。环烷基可包括双环及三环烷基。烷基可视情况经取代。经取代的烷基尤其包括经芳基取代的烷基，该等芳基又可视情况经取代。特定烷基包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、第二丁基、第三丁基、环丁基、正戊基、分支链戊基、环戊基、正己基、分支链己基及环己基，其均可视情况经取代。经取代的烷基包括完全卤化或半卤化烷基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的烷基。经取代的烷基包括完全氟化或半氟化烷基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子置换的烷基。烷氧基为已经由键连至氧而改质的烷基，且可由式R-O表示并亦可称为烷基醚基团。烷氧基的实例包括(但不限于)甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基及庚氧基。烷氧基包括经取代的烷氧基，其中该等基团的烷基部分系如本文关于烷基的描述所提供经取代。如本文所用，MeO-系指CH3O-。
烯基包括直链、分支链及环状烯基。烯基包括具有1、2或更多个双键的烯基及其中两个或更多个双键为共轭双键的烯基。烯基包括具有2至20个碳原子的烯基。烯基包括具有2至3个碳原子的小烯基。烯基包括具有4-10个碳原子的中等长度烯基。烯基包括具有超过10个碳原子的长烯基，尤其具有10-20个碳原子的长烯基。环烯基包括双键位在环中或位在附接至环的烯基中的环烯基。术语环烯基特定地指具有环结构的烯基，包括具有3员、4员、5员、6员、7员、8员、9员或10员碳环的烯基，且尤其具有3员、4员、5员、6员、7员或8员环的烯基。环烯基中的碳环亦可带有烷基。环烯基可包括双环及三环烯基。烯基可视情况经取代。经取代的烯基尤其包括经烷基或芳基取代的烯基，该等烷基或芳基又可视情况经取代。特定烯基包括乙烯基、丙-1-烯基、丙-2-烯基、环丙-1-烯基、丁-1-烯基、丁-2-烯基、环丁-1-烯基、环丁-2-烯基、戊-1-烯基、戊-2-烯基、分支链戊烯基、环戊-1-烯基、己-1-烯基、分支链己烯基、环己烯基，其均可视情况经取代。经取代的烯基包括完全卤化或半卤化烯基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的烯基。经取代的烯基包括完全氟化或半氟化烯基，诸如其中一或多个氢原子由一或多个氟原子置换的烯基。
芳基包括具有一或多个5员、6员、7员或8员芳环(包括杂环芳环)的基团。术语杂芳基特定地指具有至少一个5员、6员、7员或8员杂环芳环的芳基。芳基可含有一或多个稠合芳环，包括一或多个稠合杂芳环，及/或可经由共价键稠合或连接的一或多个芳环与一或多个非芳环的组合。杂环芳环可在环中包括一或多个N、O或S原子。杂环芳环可包括具有一个、两个或三个N原子的杂环芳环，具有一个或两个O原子的杂环芳环，及具有一个或两个S原子、或一个或两个或三个N、O或S原子的组合的杂环芳环。芳基可视情况经取代。经取代的芳基尤其包括经烷基或烯基取代的芳基，该等烷基或烯基又可视情况经取代。特定芳基包括苯基、联苯基、吡咯啶基、咪唑啶基、四氢呋喃基、四氢噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、异喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、恶唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并恶二唑基、苯并噻二唑基及萘基，其均可视情况经取代。经取代的芳基包括完全卤化或半卤化芳基，诸如其中一或多个氢经一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的芳基。经取代的芳基包括完全氟化或半氟化芳基，诸如其中一或多个氢由一或多个氟原子置换的芳基。芳基包括(但不限于)对应于以下中之任一者的含有芳族基或含有杂环芳族基的基团：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、异喹啉、吲哚、异吲哚、吡咯、咪唑、恶唑、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、氧杂蒽酮、黄酮、香豆素、薁或蒽环霉素。如本文所用，对应于上文所列基团的基团明确地包括芳族或杂环芳族基，包括本文所列的芳族及杂环芳族基团的单价、二价及多价基团，其在本发明化合物中在任何适合附接点以共价键结组态提供。在实施例中，芳基含有5至30个碳原子。在实施例中，芳基含有一个芳族或杂芳族六员环及一或多个额外的五员或六员芳族或杂芳族环。在实施例中，芳基在环中含有五个至十八个碳原子。芳基视情况具有一或多个芳环或杂环芳环，其具有一或多个供电子基团、拉电子基团及/或以取代基形式提供的靶向配位体。
芳烷基为经一或多个芳基取代的烷基，其中该等烷基视情况带有额外的取代基且该等芳基视情况经取代。特定烷芳基为经苯基取代的烷基，例如苯基甲基。烷芳基替代性地描述为经一或多个烷基取代的芳基，其中该等烷基视情况带有额外取代基且该等芳基视情况经取代。特定烷芳基为经烷基取代的苯基，诸如甲基苯基。经取代的芳烷基包括完全卤化或半卤化芳烷基，诸如具有一或多个烷基及/或芳基且其中一或多个氢由一或多个氟原子、氯原子、溴原子及/或碘原子置换的芳烷基。
如本文所用，术语「伸烷基」及「伸烷基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之烷基之二价基团。本发明包括具有一或多个伸烷基的化合物。伸烷基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物可具有经取代及/或未经取代的C1-C20伸烷基、C1-C10伸烷基及C1-C5伸烷基。
如本文所用，术语「环伸烷基」及「环伸烷基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之环烷基的二价基团。本发明包括具有一或多个环伸烷基的化合物。环烷基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物可具有经取代及/或未经取代的C3-C20环伸烷基、C3-C10环伸烷基及C3-C5环伸烷基。
如本文所用，术语「伸芳基」及「伸芳基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义之芳基之二价基团。本发明包括具有一或多个伸芳基的化合物。在一些实施例中，伸芳基为藉由自芳基的芳环的两个环内碳原子移除氢原子而衍生自芳基的二价基团。伸芳基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。伸芳基在一些化合物中充当发色团、荧光团、芳族天线、染料及/或成像基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的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，术语「伸杂芳基」及「伸杂芳基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的杂芳基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸杂芳基的化合物。在一些实施例中，伸杂芳基系藉由自杂芳基的杂芳环或芳环的两个环内碳原子或环内氮原子移除氢原子而衍生自杂芳基的二价基团。伸杂芳基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。伸杂芳基在一些化合物中充当发色团、芳族天线、荧光团、染料及/或成像基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C3-C30伸杂芳基、C3-C20伸杂芳基、C1-C10伸杂芳基及C3-C5伸杂芳基。
如本文所用，术语「伸烯基」及「伸烯基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的烯基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸烯基的化合物。伸烯基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C2-C20伸烯基、C2-C10伸烯基及C2-C5伸烯基。
如本文所用，术语「环伸烯基」及「环伸烯基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的环烯基的二价基团。本发明包括具有一或多个环伸烯基的化合物。环伸烯基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C3-C20环伸烯基、C3-C10环伸烯基及C3-C5环伸烯基。
如本文所用，术语「伸炔基」及「伸炔基基团」系同义地使用，且系指衍生自如本文所定义的炔基的二价基团。本发明包括具有一或多个伸炔基的化合物。伸炔基在一些化合物中充当附接及/或间隔基团。本发明化合物包括经取代及/或未经取代的C2-C20伸炔基、C2-C10伸炔基及C2-C5伸炔基。
如本文所用，术语「卤基」系指卤素基团，诸如氟基(-F)、氯基(-Cl)、溴基(-Br)、碘基(-I)或砈基(-At)。
术语「杂环」系指在环中含有至少一个除碳以外的其他种类原子的环结构。该等杂原子的实例包括氮、氧及硫。杂环包括杂环脂环族环及杂环芳环。杂环之实例包括(但不限于)吡咯啶基、哌啶基、咪唑啶基、四氢呋喃基、四氢噻吩基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基、异喹啉基、嗒嗪基、吡嗪基、吲哚基、咪唑基、恶唑基、噻唑基、吡唑基、吡啶基、苯并恶二唑基、苯并噻二唑基、三唑基及四唑基。杂环的原子可键结至广范围的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。
术语「碳环」系指在环中仅含有碳原子的环结构。碳环的碳原子可键结至广范围的其他原子及官能基(例如以取代基形式提供的官能基)。
术语「脂环族环」系指不为芳环的环或复数个稠环。脂环族环包括碳环及杂环两者。
术语「芳环」系指包括至少一个芳环基团的环或复数个稠环。术语芳环包括包含碳、氢及杂原子的芳环。芳环包括碳环及杂环芳环。芳环为芳基的组分。
术语「稠环」或「稠环结构」系指以稠环组态提供的复数个脂环及/或芳环，诸如共享至少两个环内碳原子及/或杂原子的稠环。
如本文所用，术语「烷氧基烷基」系指式烷基-O-烷基的取代基。
如本文所用，术语「多羟烷基」系指具有2至12个碳原子及2至5个羟基的取代基，诸如2,3-二羟基丙基、2,3,4-三羟基丁基或2,3,4,5-四羟基戊基残基。
如本文所用，术语「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为1至10、较佳1至4、且更佳就一些实施例而言1至3的整数。
胺基酸包括甘胺酸、丙胺酸、缬胺酸、白胺酸、异白胺酸、甲硫胺酸、脯胺酸、苯丙胺酸、色胺酸、天冬酰胺、麸酰胺酸、甘胺酸、丝胺酸、苏胺酸、丝胺酸、天冬酰胺、麸酰胺酸、酪胺酸、半胱胺酸、离胺酸、精胺酸、组胺酸、天冬胺酸、麸胺酸、硒半胱胺酸及吡咯离胺酸。如本文所用，提及「天然α-胺基酸的侧链残基」特定地包括上文所提及的胺基酸的侧链。
关于本文所描述的含有一或多个取代基的任何基团，应理解该等基团不含有任何在空间上不切实际及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本发明的化合物包括由此等化合物的取代所产生的所有立体化学异构体。视情况选用的烷基的取代包括以一或多个烯基、芳基或两者取代，其中该等烯基或芳基视情况经取代。视情况选用的烯基的取代包括以一或多个烷基、芳基或两者取代，其中该等烷基或芳基视情况经取代。视情况选用的芳基的取代包括以一或多个烷基、烯基或两者取代芳基环，其中该等烷基或烯基视情况经取代。
视情况选用的用于任何烷基、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：
卤素，包括氟、氯、溴或碘；
假卤素，包括-CN；
-COOR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；
-COR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；
-CON(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-OCON(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，所有该等基团均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-N(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或酰基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基、苯基或乙酰基，其均视情况经取代；且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-SR，其中R为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R为氢、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均视情况经取代；
-SO2R或-SOR，其中R为烷基或芳基，且更特定言之，其中R为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，其均视情况经取代；
-OCOOR，其中R为烷基或芳基；
-SO2N(R)2，其中各R彼此独立地为氢或烷基或芳基，其均视情况经取代，且其中R与R可形成可含有一或多个双键且可含有一或多个额外碳原子的环；
-OR，其中R为H、烷基、芳基或酰基，其均视情况经取代。在一特定实例中，R可为产生-OCOR”的酰基，其中R”为氢或烷基或芳基，且更特定言之，其中R”为甲基、乙基、丙基、丁基或苯基，该等基团均视情况经取代。
特定的经取代烷基包括卤烷基，尤其为三卤甲基且特定言之，为三氟甲基。特定的经取代芳基包括经单-、二-、三-、四-及五卤基取代的苯基；经单-、二-、三-、四-、五-、六-及七-卤基取代的萘基；经3-或4-卤基取代的苯基、经3-或4-烷基取代的苯基、经3-或4-烷氧基取代的苯基、经3-或4-RCO取代的苯基、经5-或6-卤基取代的萘基。更明确而言，经取代芳基包括乙酰基苯基，尤其为4-乙酰基苯基；氟苯基，尤其为3-氟苯基及4-氟苯基；氯苯基，尤其为3-氯苯基及4-氯苯基；甲基苯基，尤其为4-甲基苯基；及甲氧苯基，尤其为4-甲氧苯基。
关于以上含有一或多个取代基的任何基团，应理解该等基团不含有任何在空间上不切实际及/或在合成上不可行的取代或取代模式。另外，本发明的化合物包括由此等化合物的取代所产生的所有立体化学异构体。
本发明的化合物可含有一或多个对掌性中心。因此，本发明意欲包括外消旋混合物、非对映异构体、对映异构体、互变异构体及富含一或多种立体异构体之混合物。所描述及所主张的本发明的范畴涵盖化合物的外消旋形式，以及其个别对映异构体及非外消旋混合物。
【实施方式】
一般而言，本文中所用的术语及短语具有其在技术上经认可的含义，其可藉由参考熟习此项技术者已知之标准文本、期刊参考文献及上下文而发现。提供以下定义以阐明其在本发明文中的特定用途。
氧化大体上系指涉及失去一或多个电子或提高分子或离子中的原子或原子群的氧化态的过程。氧化可指氧化-还原反应(oxidation-reduction reaction)(亦即氧化还原反应(Redox reaction))中的氧化半反应。氧化可涉及反应物经历经氧化剂氧化的反应，由此产生氧化产物，其具有特征在于与经受氧化的反应物相比氧化态较高的一或多个原子。在一些实施例中，例如，氧化导致形成含氧产物，诸如在碳氢化合物的氧化中产生醇、酮或二醇。
「氧化产物」系指氧化反应的反应产物。氧化产物的特征可在于，一或多个原子与经受氧化的反应物的氧化态相比具有较高氧化态。举例而言，诸如甲烷(CH4)的碳氢化合物基质可经氧化形成氧化产物甲醇(CH3OH)。
「铜错合物」系指包含结合至一或多个配位体的一或多个铜原子或离子之组合物。在一些实施例中，铜错合物系指包含由一或多个配位体包围的铜离子的配位错合物。本发明包括三铜错合物，其包含结合至一或多个配位体(L)或以其他方式与其联结的三个Cu离子。
「催化剂」系指提高一或多种反应物之一或多个化学反应的速率且不会在该化学反应中消耗的组合物。在一些实施例中，例如，催化剂降低化学反应的活化能，由此需要较少能量来达成过渡状态。催化剂可参与反应序列中的多个化学转化，由此提高反应物至产物的总体转化速率。在一些实施例中，本发明提供用于氧化碳氢化合物的催化剂，例如包含三铜错合物的铜催化剂。
「经部分氧化的三铜错合物反应产物」系指未经完全氧化且作为反应产物形成(例如作为经氧化活化的铜催化剂与碳氢化合物的反应产物形成)的三铜错合物。在一实施例中，例如，经部分氧化的三铜错合物反应产物的特征在于，一或多个原子具有较经氧化活化的铜催化剂低的氧化态。
藉由以下实施例来进一步解释本发明，该等实施例不意欲限制本发明的范畴。
分子催化剂的结构
本发明提供适用于氧化碳氢化合物的包含三铜错合物的铜催化剂。
在一实施例中，本发明的分子催化剂中的三铜错合物可表示为「[CuICuICuI(L)]1+」，其中「CuICuICuI」意谓三铜簇且「L」意谓由上式(1)表示的配位体。分子催化剂亦可包括相对离子，诸如ClO4 -或BF4 -。
在一实施例中，在表示配位体的上式(1)中，X、Y＝N，R1与R2结合在一起形成伸乙基，且与结合至其上的乙二胺部分形成6员环(哌嗪环)，R1'与R2'亦结合在一起形成伸乙基，R3及R3'为乙基，且R4、R4'及R5为氢。该配位体在下文中称为「7-N-Etppz」且由式(2)表示：
已建构许多三铜错合物且评估其作为用于氧化各种碳氢化合物的分子催化剂，包括(但不限于)基于流程1中所描绘的有机配位体的彼等三铜错合物。
流程1
利用分子催化剂来氧化碳氢化合物的方法
在本发明的氧化碳氢化合物的方法中，使碳氢化合物及氧化剂与分子催化剂接触以形成至少一种碳氢化合物的氧化产物。
氧化剂的实例包括氧气(O2)、空气及H2O2。
在碳氢化合物呈气态的情况下，可将其溶解于含有分子催化剂的溶剂中来与该分子催化剂接触，或使其直接与分子催化剂接触。该等碳氢化合物的实例包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、及含有约70-90％甲烷及约0-30％乙烷、丙烷及正丁烷的天然气。在碳氢化合物呈液态的情况下，可将其溶解于含有分子催化剂的溶剂中来与该分子催化剂接触，或使其以纯液态直接与分子催化剂接触。该等碳氢化合物的实例包括正戊烷、正己烷、环己烷及环己烯。
以上溶剂的一实例为乙腈(MeCN)。
在本发明方法的一实施例中，将待氧化的碳氢化合物添加在含有分子催化剂(方法1：均相催化剂)或固定在MSN中的分子催化剂(方法2：异相催化剂)的有机溶剂中，且随后或同时在溶液中添加空气或O2或诸如H2O2的液体氧化剂。
分子催化剂的催化机制
在一实施例中，当氧化剂为O2时，三铜簇首先由O2活化，如由下式所表示：
[CuICuICuI(L)]1++O2→[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]1+(k1，快速)。
当氧化剂为H2O2时，三铜簇首先由H2O2活化，如由下式所表示：
[CuICuICuI(L)]1++H2O2→[CuICuII(μ-O)2CuII(L)]1-+2H+(k1a，快速)
[CuICuII(μ-O)2CuII(L)]1-+H2O2→[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]1++2OH-(k1b，快速)。
中间物[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]1+随后与碳氢化合物反应以将其中一个氧原子转移给后者，且氧化产物可通过分子催化剂的额外催化循环经氧化剂进一步氧化。
当氧化剂为H2O2时，以上反应可由流程2表示，其中基质A经氧化为侧氧基-基质B，随后重排得到产物C或藉由H2O2进一步直接氧化产生D。
流程2
以下提供一些实例以进一步举例说明本发明催化剂及催化方法的特定态样，然而其并不意欲限制本发明的范畴。
实例1：均相催化
此实例提供本发明的例示性均相催化剂组合物、调配物及方法的描述。用于此实例的分子催化剂为根据本发明的第一实施例的[CuICuICuI(7-N-Etppz)](ClO4)。
在此实例中，使用22.7微莫耳(1当量)的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+来催化各种碳氢化合物的氧化，该氧化系在60ml玻璃样品瓶中于室温下藉由于3ml MeCN(或EtCN)中的H2O2进行。所研究的碳氢化合物包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、环己烷及环己烯，其中正戊烷、正己烷、环己烷及环己烯为液体。尽管此等液体基质皆不与MeCN以各种比例互溶，但其具有充足的溶解度，且基质氧化可藉由向含有三铜催化剂的溶剂添加适当量的碳氢化合物且随后添加所要量的H2O2来起始，且使溶液剧烈混合。
此等碳氢化合物的数据在各情况下均系用11.3毫莫耳(500当量)的碳氢化合物获得，且在实验中藉由来自33％水溶液的200当量H2O2驱动转换。在甲烷、乙烷、丙烷及正丁烷的情况下，在使用气体注射器将此等气体基质(100mL NTP或4.17×10-3莫耳，约200当量)中之一者注射至含有三铜催化剂的溶剂中之前，先用橡胶盖紧密密封玻璃样品瓶并抽空。随后使用独立的注射器注入来自33％水溶液的2.27毫莫耳H2O2(100当量)以起始乙烷、丙烷或正丁烷的氧化。同样，反应系伴随剧烈搅动溶液进行。
在甲烷的情况下，使用0.39毫莫耳(20当量)的H2O2，且历时2至3分钟逐滴添加H2O2溶液。鉴于此等碳氢化合物气体在MeCN中的有限的溶解度，碳氢化合物氧化的程度视顶部空间的气压(起始压力为1.67atm)以及溶解于溶液中的气体量而定。由于甲烷在MeCN中的低溶解度，在初始实验中仅使用20当量H2O2以减轻催化剂的无效循环。所添加H2O2的量对转换具有显著效果，其将随后讨论。结果概括于图1及表1中。
表1.H2O2对各种碳氢化合物的催化氧化
a1当量催化剂对应于22.7微莫耳。
在由三铜簇介导的甲烷、乙烷及丙烷的催化氧化中仅分别产生甲醇、乙醇及2-丙醇。不存在此等碳氢化合物过度氧化形成其对应醛或酮的迹象。然而，在正丁烷的情况下，观测到形成2-丁醇、2-丁酮及2,3-丁二醇。就正戊烷而言，产物为2-戊醇及2-戊酮，且就正己烷而言，产物为2-己醇及2-己酮，在两种情况下均偏好酮。在环己烷的情况下，以大致相同的比例形成环己醇及环己酮。在环己烯的情况下，氧化产生环氧化物、环己烯醇及环己烯酮。
环己烷为此处所讨论的催化反应类型的标准基质。与C-H键相关的键能为99.5千卡/莫耳。由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导，以H2O2作为O原子来源的环己烷氧化极其有效。在彼等实验条件下，基本上不存在无效循环。时程研究指示，几乎所有用于转换催化剂用于基质氧化的H2O2均在30min内经消耗，如图2及图3中所描述。
如同环己烷及环己烯，对于正丁烷、正戊烷及正己烷观测到一些过度氧化。最可能的解释为，较小的醇对于「活性位点」袋不具有充足的结合亲和力且一旦产物形成即被释放。与其他碳氢化合物形成的醇明显不属于此情况。举例而言，在正丁烷的情况下，2-丁醇明显驻留在活性位点中足够长的时间以允许进行另一轮氧化而产生2-丁酮及2,3-丁二醇。由于2-丁醇本身不为用于转化成2-丁酮或2,3-丁二醇的三铜错合物的良好基质，因而过度氧化明显地经动力控制。
出人意料地，在正戊烷、正己烷及环己烷的情况下，醇仅经进一步氧化以得到酮，但不形成二醇。此结果表明，三铜错合物的分子结合表面与基质之间的相互作用的细节对于氧化的位置特异性为重要的。对于较长烷烃、环己烷及环己烯，基质的脂族部分与活化中的三铜错合物的结合表面之间的凡德瓦(van der Waals)相互作用可决定此等碳氢化合物基质在结合袋中的定位及定向。
用于氧化在此研究中所检验的各种碳氢化合物的催化系统的有效性的量度系藉由用于驱动转换的H2O2的量由生产循环所消耗的H2O2百分比给出。H2O2亦为还原剂，且若储存在经O2活化的[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]1+中间物中的氧化等效物未经充分快速地转移至基质，则该还原剂可藉由还原此中间物而失效。图4说明，在本发明的实例1中，在用作「牺牲」还原剂以再生分子催化剂的H2O2存在下，在由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导的由O2氧化甲烷的过程中，生产循环(A)与无效循环(B)之间的差异。
生产转换作为包括生产循环及无效循环两者的催化剂的总转换的分数的数值列于表2中。每一生产循环消耗三个H2O2分子，且一个无效循环消耗四个H2O2分子。在此分析中，已假定，经引入介质中来驱动基质氧化的H2O2的总量在1h实验期间已耗尽，此为使用200当量H2O2时的良好概算。在任何情况下，根据此指标，三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+的确为用于在室温下氧化碳氢化合物的有效催化剂。
表2.催化剂对于不同基质的效率。a
a催化效率指示基于用于驱动转换的H2O2量，作为用于碳氢化合物氧化的催化剂的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物的有效性。其系由在1小时实验的过程期间，催化剂的生产转换对包括生产循环及无效循环的催化剂的总转换数的比率给出。
各种碳氢化合物的氧化时程在图2中显示，其中根据经转移的氧化当量的数目(TON)绘制、加权在各种时间(直至一小时)产生的侧氧基-产物的当量。此等数据揭示，所有经研究的碳氢化合物的氧化的确为极其快速的。在每一情况下，用于驱动转换的H2O2几乎均在少于20min内耗尽，远远早于一小时研究的完成。即使在甲烷的情况下亦为如此。在先前所描述的甲烷氧化实验中，仅使用20当量H2O2来驱动转换。当然，随着使用较低量的H2O2来驱动氧化，TON亦较低。其亦减缓三铜催化剂的转换，但更重要地，较低的H2O2浓度减轻经活化催化剂的失效，从而保持将更多H2O2用于生产氧化转换，如由较高比率的H2O2被催化剂的生产循环消耗所证实(催化效率98％)(参见表2)。如所预期，当使用较大量的H2O2来氧化甲烷时，TON突然减少。使用40当量H2O2时，催化效率仅为30％，且使用80当量H2O2时，仅6％的相当低的催化剂转换导致甲醇形成。
在甲烷的情况下，限制转换的因素为气体在MeCN中的低溶解度。在所研究的四种气体中，甲烷在MeCN中具有最低的溶解度。若CH4在溶液中的浓度较高以加速由催化剂所介导的二级O原子转移反应，则可使用较高量的H2O2。尽管在系统中存在过量CH4，但甲烷浓度受限于气体在顶部空间气压下在溶剂中的溶解度。
在将溶剂体积自3ml增加至6ml的情况下重复进行氧化实验，以确保该过程不受碳氢化合物的可用性限制。使用相同量的三铜催化剂且使用相同量的H2O2来驱动转换。因此，三铜催化剂的浓度及H2O2的起始浓度低了一半，但CH4浓度保持相同。因此，转换应更缓慢，但有趣的是，在1h实验结束时获得相同的TON。因此，限制TON的不是CH4的可用性，而是用于驱动该过程的H2O2的量。为了证实此结论，在8-10min后当初始量已明显地被消耗时，添加额外的20当量H2O2。如所预期，催化剂的转换快速进行而产生额外产物，TON在另一15min内快速加倍至约12，如图3中所示。伴随以15min间隔增量添加相同量的H2O2，TON按比例增加，但随着甲烷消耗而趋平。此等观测强调在催化性甲烷氧化中的生产循环与无效循环之间的相互作用以及使催化剂的输入及输出操作条件匹配来达成系统的最佳效能的重要性。
总体而言，此实例中使用的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+催化剂系统促进以H2O2作为氧化剂在MeCN中在室温下碳氢化合物的有效氧化。催化剂在200当量的H2O2浓度下的转换频率(TOF)通常为约1×10-2s-1。氧化作用为位置特异性的，且转换数仅受用于驱动该过程的H2O2的量的限制。
实例2：异相催化
此实例提供本发明的例示性异相催化剂组合物、调配物及方法的描述。在此实例中使用两种分子催化剂：在本发明第一实施例中所描述的[CuICuICuI(7-N-Etppz)](ClO4)错合物，以及[CuICuICuI(7-Ethppz)](ClO4)，其为自流程1中所描绘的配位体7-Ethppz建构的三铜错合物。配位体7-Ethppz由于以7员高哌嗪环置换6员哌嗪环而略微不同于7-N-Etppz。
此两种三铜错合物已藉由固定在中孔硅酸盐奈米粒子(MSN)中而经调配为用于碳氢化合物氧化的异相催化剂，如图5中所示。为制备异相催化剂，首先将50mg MSN(孔径为5nm)添加至10ml的99.5乙醇(EtOH)中且搅拌10min。随后将三铜错合物于10ml丙酮中的15mM溶液添加至MSN，搅拌1天，离心，洗涤且再离心四次。
用于固定三铜错合物的MSN材料已藉由穿透式电子显微镜(TEM)及固态29Si核磁共振光谱法(NMR)来表征，如图6中所示。MSN中的硅酸盐环境分布藉由29Si NMR中的各种共振峰的归属来提供。
如表3中所示，三铜错合物被紧密地固定在带负电MSN样品的奈米通道中，其在25℃下在MeCN中历经10小时后的浸出量可忽略。
表3.在MeCN中在25℃下经固定的CuIICuIICuII-错合物自MSN奈米粒子的释放。a
aMSN-ex系指孔径为5nm的硅酸盐奈米粒子。
为优化三铜错合物在分子催化剂的固定中的负载，已藉由引入阴离子性3-三羟基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)将硅酸盐奈米粒子官能化而产生带负电的表面，或已将Al引入至框架中，来促进对MSN的表面酸性及电荷的控制。MSN-TP及Al-MSN30-ex样品的TEM显微照片在图7中显示。
三铜错合物的最大吸附及此等官能化MSN样品的ξ-电位(ζ)呈现在表4中。此等数据指示，引入Al3+大大增强三铜错合物的吸附且大大降低此等MSN的ξ-电位(ζ)。
表4.三铜错合物的最大吸附及MSN样品的ζ电位(ζ)。a
a错合物吸附系藉由ICP-MS测定。
在固定三铜错合物之后亦已测定官能化MSN的Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积、孔隙体积及孔隙直径，且此等数据概括在表5中。
表5.在将三铜错合物固定至奈米粒子的奈米通道中后MSN的BET表面积、孔隙体积及孔隙直径。
图8显示在本发明的实例2中用于研究甲烷至甲醇的转化的反应程序，该转化系由固定在官能化MSN中的经完全还原的三铜错合物所介导，随后藉由O2活化且由H2O2在环境条件下转换催化剂来进行。
与实例1中所研究的均相催化剂相比，利用异相催化剂达成甲烷转化至甲醇的显著较高的转换数。表6概述藉由固定在不同官能化MSN样品中的三铜错合物催化，使用100与200当量的H2O2来驱动转换的甲烷氧化的转换数。由于分子催化剂经固定在MSN中，因此在催化剂的循环期间，催化转换不再受到甲烷的可用性的限制。因为MSN中有可容纳小甲烷气体分子的大量的中孔及微孔，因而相对于典型溶剂(例如MeCN)，甲烷显著地更可溶于中孔硅酸盐奈米粒子。因此，无效循环大大地经减轻，且催化剂的效率显著高于实例1中所描述的均相催化剂的情况。
表6.基于经引入至实验反应系统中的甲烷量，由固定在官能化MSN中的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+及[CuICuICuI(7-Ethppz)]1+错合物所介导的甲烷氧化反应的转换数及甲烷至甲醇的转化率。
aTON＝催化剂中的每莫耳错合物产生的甲醇莫耳数。
b转化率＝(每莫耳注入甲烷所产生的甲醇的莫耳数)×100％
图9中描绘藉由经调配为在MSN中的异相催化剂的两种三铜错合物介导的甲烷氧化的时程。有趣的是，就此等三铜催化剂而言，在异相系统中的转换频率类似于在均相调配物中的转换频率。然而，由于与气体在均质溶液中的MeCN中的溶解度相比，甲烷在MSN硅酸盐奈米粒子的孔隙中的溶解度显著提高，因此甲烷的转换数显著较高。
因此，与实例1中所描述的均相催化剂相比，异相催化剂作为甲烷氧化剂以及用于氧化天然气的所有组分通常为更有效的。此系统亦更易于操作且更易于经调适用于回收产物醇以及催化剂供再利用。
实例3：三铜催化剂：结构及功能
此实例3说明基于存于嗜甲烷细菌荚膜甲基球菌(Bath)中的粒状甲烷单加氧酶(pMMO)酵素进行催化剂设计的仿生途径。
甲烷至甲醇的转化为化学方法中的一种基准反应，但由于C-H键的不寻常的高键能(105千卡/莫耳)，因而该过程系极其困难的。因此，C-H键为极其惰性，且此反应已成为有机化学中的一个圣杯。
微生物可在环境条件下将甲烷有效转化为甲醇。嗜甲烷细菌中恰好存在两种此等酵素：可溶性甲烷单加氧酶(sMMO)及膜结合或粒状甲烷单加氧酶(pMMO)。sMMO为驻留在此等微生物的细胞溶质中的非血质铁酵素，而pMMO为在高铜/生质条件下在此等细菌中表现的膜结合及铜酵素。存于荚膜甲基球菌(Bath)中的pMMO酵素随后已受到大量研究关注，因其为已知最有效的甲烷氧化剂，其可以每秒每一酵素分子氧化接近约1个甲烷分子的速率将甲烷转化为甲醇。
研究者在理解上所面临的主要挑战为生长充足数量的细菌以允许自细胞的膜分离pMMO，将蛋白质纯化至均质，及生物物理/生化表征经重构至清洁剂微胞中的蛋白质，包括蛋白质的可能结晶作用以测定3-D结构及催化位点及其他金属辅因子。作为膜金属蛋白的酵素易于在纯化程序期间失去辅因子以及失去结构完整性，从而使得此过程变得极其困难。实际上，当来自荚膜甲基球菌(Bath)的酵素的x射线晶体结构在2005年出现时，其仅含有3个铜离子(图10)，而非12-15个铜辅因子。X射线结构以之为基础的蛋白质制剂经观测为非活性的。在还原条件下纯化pMMO适用于在蛋白质分离/纯化程序期间确保铜离子保持为CuI，以便在来自细胞膜的pMMO转移至清洁剂中期间以及在藉由管柱层析纯化期间减轻铜离子自蛋白质的浸出[参见，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为CuI酵素，其在不存在甲烷的情况下在好氧条件下自细菌细胞分离膜时变为经部分氧化的。藉由Cu K边缘X射线光谱法对此等膜中的pMMO的光谱表征表明，约25％的铜离子为CuII且剩余铜离子为CuI。电子顺磁共振光谱法(EPR)指示，四个CuII离子系由一个2型CuII中心(方形平面CuII)加一个三铜位点所组成，其中该三个CuII离子铁磁耦合以形成四重峰(S＝3/2)基态(亦即，在三个CuII离子中存在铁磁性交换相互作用以使三个不成对的电子在基态中排列在相同方向)。此表明在酵素中存在三铜簇。[ChemCatChem 2014,6,429-437.]
然而，在X射线晶体结构中未观测到三铜簇。在蛋白质的X射线结构出现后不久，注意到在跨膜域中存在空袋，其具有可能为铜簇的配位体的1个组胺酸(H38PmoA)、1个甲硫胺酸(M42，PmoA)及2个麸胺酸(Glu 100PmoA及Glu 154PmoC)及2个天冬胺酸(Asp 47PmoA及Asp 49PmoA)。使用此等可能存在的金属结合残基在此位点中创建三铜簇的模型(图11)。除了两个麸胺酸(E100PmoA及E154PmoC)之外，该等配位体为嵌入跨膜域中的PmoA子单元的α螺旋的延展的一部分。随后，基于HIHAMLTMGDWD(其为含有在位点D处接合假定三铜簇的可能胺基酸的片段)的序列合成肽，且该肽显示其可在溶液中的乙酸根或氯阴离子存在下形成CuICuICuI及CuIICuIICuII 1:1肽三铜错合物两者[Angew.Chem.Int.Ed.52,3731-3735(2013)]。对CuIICuIICuII错合物的EPR量测揭示，对膜中的酵素以及清洁剂微胞中经重构的纯化蛋白质观测到相同的EPR信号。EXAFS量测显示，CuII离子的配位体结构与建置至X射线结构中的假定三铜位点中的结构一致。值得注意地，CuICuICuI肽错合物可由氧气活化以介导甲烷的氧化为甲醇及丙烯的环氧化形成环氧丙烷。
图12基于在位点D处重建三铜簇的工作描绘荚膜甲基球菌(Bath)的pMMO的假定催化位点的放大。亦显示占据邻接于(在几个内)位点D处的三铜簇的碳氢化合物基质结合位点的戊烷分子(以黄色表示)。基质结合袋为「芳族盒」，其受限于结合至多仅5个碳的正烷烃；正戊烷为藉由pMMO酵素羟基化的最大直链烷烃。[Chembiochem,9,(7),1116-1123(2008).]
在由氧气活化之后，CuICuICuI簇可形成CuIICuII(μ-O)2CuIII中间物，其调控在甲烷与经活化三铜簇形成适合错合物时可经转移且跨越处于过渡状态中的甲烷的其中一个C-H键插入的单重态氧原子(图13)。
进行密度泛函理论计算且在藉由氧气活化三铜及二铜物质时比较甲烷转化为甲醇的速率[J Inorg Biochem.,100,(4)801-9(2006)]。此等结果指示，与在藉由活化二铜物质形成的CuIII(μ-O)2CuIII物质之间的类似O-原子转移相比，经氧气活化的三铜簇在介导此化学反应方面更有效104倍，且与藉由还原活化CuIII(μ-O)2CuIII物质形成的CuII(μ-O)2CuIII物质相比，更有效102倍。
出于研发可有效氧化碳氢化合物的实验室催化剂的期望，设计及合成三铜错合物。基于以下准则设计用于此等实施例的配位体：
1)配位体可截获三个CuI离子；
2)CuI离子的配位原子应为硬配位体以最小化电子密度的供给；
3)CuI离子可为配位不饱和或含有易于经置换的配位溶剂分子；
4)三个CuI离子中的两个可处于几何并列以变为藉由一个O2分子活化；及
5)在簇藉由O2活化之后，邻接CuII离子可经强力反铁磁耦合以维持簇处于总体单重态。
此等三晶核配位体(L)中的一些在流程1(上文)中显示。已显示此等配位体在乙腈中形成[CuICuICuI(L)]1+错合物，且介导自经氧气活化的三铜错合物至有机基质之轻易的O-原子转移(图14)。
第一代催化剂系基于由配位体7-Me及7-Et支持的三铜簇。经显示基于此等配位体的CuICuICuI错合物在室温下有效介导二苯基乙二酮及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键快速插入「O」原子，随后水解酐以分别产生苯甲酸及乙酸来达成。亦观测到「O」原子插入CH3CN的其中一个C-H键中以形成CH2(OH)CN。不幸地，此等氧化仅为化学计量，因此此等三铜错合物仅受限于氧化试剂。为使此等三铜错合物适用于催化，在各转换之后再生催化剂系有利的。
第二代催化剂系基于配位体7-Thio及7-Dipy，且经显示可有效地将环己烷催化转化为环己醇及环己酮。本研究揭示如何在来自经活化三铜簇的「活性」O-原子转移至基质之后藉由以H2O2作为还原剂还原「用过失效」催化剂来再生催化剂。藉由使用H2O2作为氧化剂以活化催化剂，且亦作为还原剂以再生催化剂，该策略导致发展出用于以多个转换将环己烷氧化为环己醇及环己酮的有效催化系统。实际上，该过程为有效的且该过程的程度仅由用于驱动转换的H2O2的量决定。在经研究的实验条件下，无任何显著无效循环的迹象。由于环己烷为研发用于碳氢化合物氧化的催化剂的基准基质，因此已投注大量心力来发展对此催化系统的特性的了解。
用环己烷进行的实验最终导致设计出新颖的配位体7-N-Etppz用来发展供甲烷氧化用的三铜催化剂。CuICuICuI(7-N-Etppz)不仅可介导甲烷的有效氧化，并且亦可介导包括乙烷、丙烷及丁烷的多种小烷烃的有效氧化。值得注意地，对于甲烷、乙烷及丙烷，不存在过度氧化的迹象。此为研发用于在环境条件下的甲烷氧化的有效催化剂的突破。最近，藉由将CuICuICuI(7-N-Etppz)固定在中孔硅酸盐奈米粒子中，将均相催化剂转化为异相催化剂用于甲烷氧化而具有高转换及催化效率。CuIICuII(μ-O)2CuIII(7-N-Etppz)(亦即经氧气活化的CuICuICuI(7-N-Etppz)错合物)的CPK及球-棍模型在图15中显示。
在图16中，将经氧气活化的CuICuICuI(7-N-Etppz)错合物的CPK模型与甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及环己烷及其醇/酮产物的CPK模型对比，以比较铜催化剂上的基质结合袋的疏水性接触表面与碳氢化合物基质及其产物的疏水性接触表面。为成为用于氧化给定基质的有效催化剂，基质可识别且结合于铜催化剂的疏水性结合袋，且待氧化的C-H键可处于一定位置以形成用于以过渡状态进行「O-原子」转移的瞬时错合物。
实例4.研发用于在环境条件下小烷烃的受控氧化的有效催化剂
三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+(其中7-N-Etppz指示配位体3,3'-(1,4-二氮杂环庚烷-1,4-二基)双[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇])可在室温下在藉由氧气及/或H2O2活化三铜簇之后介导甲烷的轻易转化为甲醇。此为首个可在环境条件下催化甲烷的选择性氧化为甲醇而不产生过度氧化的分子催化剂。当此CuICuICuI三铜错合物藉由氧气或H2O2活化时，三铜簇调控「单重态氧原子」，其为可用于跨越C-H键实现轻易O-原子插入的最强氧化剂。为了阐明此新颖催化系统的特性，在更宽广的条件范围内检测甲烷氧化，且考虑包括天然气的组分的其他小烷烃。此实验说明基质溶解度、基质识别及用于驱动催化氧化的H2O2的量可如何影响转换的结果，包括位置特异性、产物分布及基质氧化的产率。
地球具有巨大的甲烷(CH4)储量，甲烷可藉由转化为甲醇(CH3OH)来利用。1CH3OH为沿用已久的有价值商品，其本身为可运输燃料且为包括H2的衍生化学物质的来源。2然而，CH4至CH3OH的受控氧化具有挑战性。3首先，CH4中的C-H键归因于其之高键解离能(105千卡/莫耳)而极其惰性。3,4另外，产物CH3OH易于进一步氧化形成其他产物。5尽管如此，有效利用此有价值的资源不仅在经济上有利，并且在环境上亦有益，因为CH4亦为全球暖化的主因。6
已知甲烷单加氧酶(MMO)在环境条件的温度及压力下在嗜甲烷细菌中介导CH4至CH3OH的有效氧化。7膜结合粒状甲烷单加氧酶(pMMO)为多铜蛋白质。8,9可溶性甲烷单加氧酶(sMMO)为非血质铁蛋白质。10,11两个系统均采用金属簇来催化此困难的化学反应。尽管关于此等蛋白质已存在许多x射线晶体结构，12,13,14但对此等酵素中的金属簇如何介导此过程的理解进展缓慢，且研发此等催化性中心的功能性仿真物的工作的成效有限。15
具有自荚膜甲基球菌(Bath)14的pMMO的PmoA子单元衍生的肽HIHAMLTMGDWD的三铜错合物可在CuICuICuI-肽错合物藉由O2活化时介导丙烯至氧化丙烯的有效环氧化及CH4至CH3OH的羟基化。吾人已研发出用于烷烃氧化的三铜簇的仿生模型。已设计及制备各种三晶核配位体来支持CuI离子三元组，且此等三铜错合物已经显示可在经完全还原的三铜簇藉由氧气及/或过氧化氢活化时介导小有机基质的有效氧化。16-19特定言之，三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+(其中7-N-Etppz表示有机配位体3,3'-(1,4-二氮杂环庚烷-1,4-二基)双[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇](流程1))在三铜簇藉由氧气(O2)活化时介导在乙腈(MeCN)中在室温下CH4的轻易转化为CH3OH。16此外，当藉由以H2O2分子对经部分氧化三铜错合物进行双电子还原而使经完全还原的三铜错合物再生时，利用三铜簇错合物CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+在乙腈(MeCN)中进行的CH4至CH3OH的氧化可呈现为催化性。此为首个可在环境条件下催化CH4至CH3OH的选择性氧化的分子催化剂。
此实例在更宽广范围的条件下检视甲烷氧化以便描绘影响催化剂的转换频率(TOF)及转换数(TON)的因素。该实例亦将研究延伸至其他小烷烃，包括天然气的组分，包括乙烷、丙烷及丁烷。目的为研究基质识别、基质浓度的效应、无效循环对基质氧化结果(包括位置特异性、产物产率及分布以及基质氧化的总转换频率)的影响。
先前已描述7-N-Etppz配位体的合成及光谱表征以及[CuICuICuI(7-N-Etppz)](ClO4)错合物的制备。16当在不存在基质的情况下用O2处理CuICuICuI错合物时，其形成[CuIICuII(μ-O)CuII(7-N-Etppz)](ClO4)2物质，此为先前对于此系列的所有三铜错合物所发表的相同的经完全氧化「闭端(dead-end)」物质。17-19
三铜错合物可在环境条件下轻易氧化烷烃。在此实例中，使用22.7微莫耳(1当量)的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+来催化各种碳氢化合物的氧化，该氧化系在60ml玻璃样品瓶中于室温下用3ml MeCN(或EtCN)中的H2O2进行。由于经还原的三铜错合物对空气极为敏感，故最好在手套工作箱内在纯氮气氛围下进行基质氧化实验。使用不同样品瓶用磁性搅拌棒剧烈搅拌反应混合物持续至多1h的不同时间。以指定间隔，自手套工作箱移出样品瓶来鉴别产物且藉由GC测定产物产率。将3μl硝基苯添加至溶液中以提供用于定量产物的内标准品(IS)。
在所研究的各种碳氢化合物中，正戊烷、正己烷、环己烷及环己烯为液体。尽管此等液体基质各自不与MeCN以所有比例互溶，但其具有足够的溶解度，且基质氧化可藉由向含有三铜催化剂的溶剂添加适当量的碳氢化合物随后添加所要量的H2O2来起始，并将溶液剧烈混合。此等碳氢化合物的数据在各情况下均系以11.3毫莫耳(500当量)的碳氢化合物获得，且在实验中藉由来自33％水溶液的200当量H2O2来驱动转换。
在CH4、乙烷、丙烷及正丁烷的情况下，在使用气体注射器将此等气体基质(100mLNTP或4.17×10-3莫耳，约200当量)中之一者注射至含有三铜催化剂的溶剂中之前，先用橡胶盖紧密密封玻璃样品瓶并将其抽空。随后使用独立的注射器注入来自33％水溶液的2.27毫莫耳H2O2(100当量)以起始乙烷、丙烷或正丁烷的氧化。同样，反应系伴随剧烈搅动溶液进行。在CH4的情况下，使用0.39毫莫耳(20当量)H2O2，且历时2-3min逐滴添加H2O2溶液。鉴于此等碳氢化合物气体在MeCN中的有限的溶解度，碳氢化合物氧化的程度视顶部空间的气压(起始压力为1.67atm)以及溶解于溶液中的气体量而定。由于CH4在MeCN中的低溶解度，吾人在初始实验中仅使用20当量H2O2以减轻催化剂的无效循环。所添加H2O2的量对转换具有显著效果，如藉由使用20、40、60及80当量的H2O2以及在以20当量H2O2起始的实验的时程中递增添加H2O2进行CH4氧化所表明。
另外，亦使用[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物来介导CH3OH、乙醇、异丙醇及2-丁醇经H2O2的氧化。此等实验系用来自35％水溶液的200当量H2O2、500当量基质及一当量(22.7微莫耳)三铜错合物在MeCN(总体积为3ml)中在室温下持续进行1h。
吾人在图17及表7中概述在使用1当量(22.7微莫耳)[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+在室温下在上文所描述的条件下催化各种碳氢化合物经H2O2的氧化时所获得的结果。
在藉由三铜簇介导的CH4、乙烷及丙烷的催化氧化中，仅分别产生CH3OH、乙醇及2-丙醇。不存在此等碳氢化合物过度氧化以形成其对应醛或酮的迹象。然而，在正丁烷的情况下，吾人观测到2-丁醇、2-丁酮及2,3-丁二醇的形成。就正戊烷而言，产物为2-戊醇及2-戊酮，且就正己烷而言，产物为2-己醇及2-己酮，在两种情况下均偏好酮。在环己烷的情况下，环己醇及环己酮以大致相同比例形成。就环己烯而言，氧化产生环氧化物、环己烯醇及环己烯酮，偏向于环氧化物及环己烯酮。
各种碳氢化合物氧化的时程在图18中显示，其中吾人绘制在直至一小时的各个时间产生的侧氧基-产物的当量，其根据经转移的氧化当量的数目(TON)加权。此等数据揭示，就所有经研究的碳氢化合物而言，氧化的确为极快速的。在每一情况下，用于驱动转换的H2O2几乎均在不到20min内耗尽，远在一小时研究完成之前。即使在CH4的情况下亦为如此。
此实例亦揭示三铜错合物的催化循环。吾人在流程3图A中描绘藉由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+介导在O2及H2O2存在下CH4的催化氧化的转换循环。尽管吾人在此显示三铜错合物系藉由O2活化，但该活化亦可用两分子H2O2实现。因此，催化循环可在仅存在H2O2下进行，如吾人先前所描述18,19，且此处将再次用烷烃基质的氧化来说明。在任一情形中，需要额外一分子H2O2充当「牺牲」还原剂来再还原「用过失效」催化剂，以便再生催化剂用于另一催化转换。然而，两种情形之间不止存在细微差异。在充分高浓度的O2中，H2O2不再为良好还原剂，且在此等条件下以O2作为氧化剂通常仅观测到催化剂的单次转换。如熟习此项技术者将理解，可使用不同的「牺牲」还原剂来再生催化剂。
流程3图B描绘催化系统的无效循环，其为藉由用H2O2(在此情况为「牺牲还原剂」)直接还原使经活化三铜簇失效的竞争性过程。调控「氧原子」的经活化三铜簇具有高的氧化还原电位，因此若经调控O-原子至基质分子的转移不够快，则该经活化三铜簇可失效。此减小催化系统的催化效率的过程在k失效[H2O2]>kOT[基质]时变为操作性的，其中kOT及k失效分别指示自经活化三铜簇至有机基质的「O-原子」转移反应及失效还原的双分子速率常数，其为以高H2O2或低基质浓度获得的情形。
用于氧化在此研究中所检验的各种碳氢化合物的催化系统的有效性的量度系藉由用于驱动转换的H2O2的量由生产循环所消耗的H2O2百分比给出。吾人藉由在实验过程期间催化剂的生产转换与包括生产循环及无效循环两者的催化剂的转换总数的比率来定义催化效率。当催化转换仅由H2O2驱动时，导致产物形成的生产循环消耗3分子H2O2且无效转换消耗4分子H2O2。在此研究中在第2栏及第3栏突出显示的条件下经检验的各种碳氢化合物基质的此等催化效率列于表7的最后一栏中。在此分析中，吾人假定，经引入介质中以驱动基质氧化的H2O2的总量在1h实验期间已耗尽，此为使用200当量H2O2时的良好概算。在任何情况下，根据此指标，三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+的确为在室温下氧化碳氢化合物的有效催化剂。
催化剂系统显示高催化效率。举例而言，环己烷为用于此处所讨论类型的催化反应的基准基质。18与C-H键相关的键能为99.5千卡/莫耳，其比CH4低5千卡/莫耳。在吾人的实验条件下，对此基质基本上未注意到无效循环。时程研究指示，几乎所有用于转换催化剂以用于基质氧化的H2O2均在30min内经消耗(图18)。因此，由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物介导以H2O2作为O-原子来源的环己烷的氧化为环己醇及环己酮系极其有效的。对于此基质使用由其他三晶核配位体支持的三铜错合物已获得类似结果。18对环己烯亦未观测到无效循环。此基质经氧化为环己烯醇、环己烯酮及环氧化物。明显地，跨越C＝C键亲电子同侧添加O-原子与直接C-H插入相比更为容易。在任何情况下，在实验条件下，环己烷及环己烯均充分可溶于MeCN，kOT[基质]>k无效[H2O2]。
[1]流程3图A中显示在藉由[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+介导的CH4经O2的催化氧化中藉由H2O2驱动的转换循环及；图B描绘催化系统的无效循环，其为藉由用H2O2直接还原使经活化三铜簇失效的竞争性过程。
吾人亦已在吾人对甲烷氧化的实验中观测到极高的催化效率(98％)。然而，在此吾人仅使用20当量H2O2来驱动转换。在使用较低量H2O2来驱动氧化的情况下，TON较低。其亦减缓三铜催化剂的转换。然而，更重要地，较低的H2O2浓度减轻经活化催化剂的失效，从而保持将更多H2O2用于生产氧化转换，如由高比率的H2O2被催化剂的生产循环消耗所证实。如所预期，当使用较大量的H2O2来氧化甲烷时，TON突然减少。使用40当量H2O2时，催化效率仅为30％，且使用80当量H2O2时，仅6％的相当低的催化剂转换导致甲醇形成。
就甲烷而言，限制转换的因素为气体在MeCN中的低溶解度。若CH4在溶液中的浓度较高以加速由催化剂所介导的二级O原子转移反应，则可使用较高量的H2O2。尽管在系统中存在过量CH4，但甲烷浓度受限于气体在顶部空间气压下在溶剂中的溶解度。吾人已在将溶剂体积自3ml增加至6ml的情况下重复进行氧化实验，以确保该过程不受碳氢化合物的可用性限制。使用相同量的三铜催化剂且使用相同量的H2O2来驱动转换。因此，三铜催化剂的浓度及H2O2的起始浓度现低了一半，但CH4浓度保持相同。因此，转换应为较慢的，但催化效率可能略微改进。在1h实验结束时获得基本上相同的TON(约7)。因此，限制TON的不是CH4的可用性，而是用于驱动该过程的H2O2的量。为了证实此结论，吾人在8-10min后当初始量已明显地被消耗时，添加额外的20当量H2O2。如所预期，催化剂的转换快速进行而产生额外产物，TON在另一15min内快速加倍至约12(未显示数据)。在一相同条件的独立实验中，以20当量H2O2起始甲烷氧化(在3min时)，随后在10min、20min、30min及40min时增量逐滴添加20当量H2O2，且最终达到TON约18(图18图C)。此等观测结果清楚地强调在藉由H2O2驱动的催化性甲烷氧化中生产循环与无效循环之间的相互作用。对于其他基质(乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷及正己烷)所观测到的催化效率加强此概念。
本发明的一有价值的特征为不存在小烷烃的任何实质性过度氧化。如先前所指出，CH4、乙烷及丙烷仅分别经氧化为CH3OH、乙醇及2-丙醇。不存在此等烷烃在催化转换期间的任何过度氧化的迹象。与此发现一致，未发现CH3OH、乙醇及2-丙醇为催化系统的基质。当使用[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物来介导此等基质与H2O2的氧化反应时，GC未侦测到醛或酮。过度氧化的倾向为设计用于将CH4转化为CH3OH的催化剂中的最大挑战之一。因此，使用[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物，吾人已在吾人开发用于CH4羟基化的催化系统中达成其中一个主要目标。
在吾人设计的用于CH4氧化的三铜错合物中，吾人已靠近三元组的基础铜建构小分子表面用于识别疏水性CH4分子。此弱的相互作用有利于形成瞬时错合物，以致其可达到过渡状态以当三铜簇经活化时强制氧原子转移来氧化基质。另一方面，结合表面为充分小及疏水性的，以致一旦产物CH3OH形成，该结合表面即不能容纳该产物。明显地，对于乙烷及丙烷亦为如此。对于此等较小烷烃，产物醇对于「活性位点」袋不具有充足的结合亲和力，且一旦产物形成即被释放。
表7.各种碳氢化合物在室温下经H2O2的催化氧化及催化剂对于不同基质的效率。
a1当量催化剂对应于22.7微莫耳。
b催化效率指示作为用于碳氢化合物氧化的催化剂的[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物基于用于驱动转换的H2O2量的有效性。其系藉由在1小时实验的过程期间，催化剂的生产转换与包括生产循环及无效循环的催化剂的转换总数的比率给出。
以较高碳数烷烃形成的醇明显不为此情况。举例而言，在正丁烷的情况下，2-丁醇明显驻留在活性位点中足够长时间以允许进行另一轮氧化而产生2-丁酮及2,3-丁二醇。由于2-丁醇本身不为三铜簇的用于转化至2-丁酮或2,3-丁二醇的良好基质，因此过度氧化明显受到动力控制。当使用2-丁醇作为吾人催化系统中历经1h培育实验的基质时，仅形成极小量的2-丁酮(TON为约1)。出人意料地，使用正戊烷、正己烷及环己烷，醇仅经进一步氧化得到酮但不形成二醇。此结果表明，三铜错合物的分子结合表面与基质之间的相互作用细节对于氧化的位置特异性为重要的。对于较长烷烃、环己烷及环己烯，基质的脂族部分与活化中的三铜簇的结合表面之间的凡得瓦相互作用可决定此等碳氢化合物基质在结合袋中的定位及定向。由检验经活化三铜错合物的CPK模型连同各种碳氢化合物基质及其氧化产物的模型，吾人推测，在三铜错合物及基质/产物两者上的分子表面决定特定的凡德瓦相互作用及结合模式，其导致在氧化中所观测到的位置特异性(图16)。
就此处所描述的催化系统而言，在考虑到催化效率之后，TON或在实验时程期间所形成的产物量很大程度上系由用于驱动三铜催化剂的转换的H2O2的量决定。大体而言，有可能藉由使用较大量的H2O2或如吾人已在此说明的在各个时间向系统添加递增量的H2O2来增加TON。举例而言，当使用[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+错合物来介导环己烷的氧化时，可以此方式达到约120的TON。然而，作为分批法，水伴随添加增加量的H2O2溶液在溶液中积聚，使得三铜错合物最终自溶液中废弃。催化剂在含有少量H2O的MeCN中原本为稳固的。
催化剂在早期当H2O2浓度≈[H2O2]0时的估计转换频率(TOF)。催化剂的转换速率受生产或无效事件后「用过失效」催化剂的再生限制，且其与在特定情况下可用的[H2O2]成正比。TOF可自早期在其中不存在无效循环条件下的产物形成速率来估计。在催化效率接近1的环己烷及环己烯的情况下，在200当量H2O2下TOF为约10-1s-1。当使用20当量H2O2将CH4转化为CH3OH时，获得约5×10-3s-1的TOF。若有可能使用200当量H2O2驱动甲烷的氧化而不产生显著的无效循环，则TOF可高10倍(约5×10-2s-1)。此分析强调在本发明催化系统用于将CH4转化为CH3OH的效能中转换速率与催化效率之间的相互作用。总体而言，此实例提供明确数据，显示[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+催化剂促进在室温下在MeCN中以H2O2作为氧化剂的CH4以及其他小烷烃的有效氧化。该氧化为位置特异性，且转换数仅受用于在受控条件下驱动该过程的H2O2的量限制。
已研发出分批「反应器」以允许评估催化系统的工作原理且评估其对于烷烃氧化的功效。为了扩大规模，可使用流动系统以持续移除CH3OH/H2O，伴随输入H2O2/H2O以驱动催化氧化。在CH4氧化的一些实施例中，三铜错合物的组合物在对于CH4气体具有较大溶解度的溶剂系统(诸如全氟碳氢化合物)中起作用。或者，可将本发明三铜催化剂囊封入中孔材料的孔隙中，且将系统转化为异相催化剂。
材料与方法：
概述。除非另外说明，否则所有化学物质均以试剂级质量购自商业来源且按原样使用。乙腈(MeCN)系在氮气下自CaH2-P2O5蒸馏；且储存在干燥、填充N2烧瓶中的分子筛上。在使用之前，用氮气吹扫通过此等溶剂。用于氧合作用的氧气(99.8％，Fong Ming)藉由依次通过P2O5及Drierite的两个短管柱来干燥。根据舒伦克(Schlenk)技术在氮气下或在手套工作箱(氮气)中进行操作、反应及转化。
合成配位体3,3'-(1,4-二氮杂环庚烷-1,4-二基)双[1-(4-乙基哌嗪-1-基)丙-2-醇](7-N-Etppz)。配位体7-N-Etppz系根据现有程序合成。首先制备化合物3,3'-(1,4-二氮杂环庚烷-1,4-二基)双(1-氯丙-2-醇)(1)。[1]将表氯醇(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℃下搅拌。在-5℃下搅拌72h之后，藉由硅胶管柱层析使用在二氯甲烷(DCM)中的8％CH3OH作为溶离剂来纯化所得混合物。随后使用来自先前由Hayashi等人[2]所发表程序的略微经修改的程序将1-乙基哌嗪偶合至(1)。将含有(1)(4.28g，15mmol)、1-乙基哌嗪(3.46g，30mmol)及K2CO3(4.15g，30mmol)的MeCN(15.0ml)溶液加热至70-80℃，持续48h(N2氛围)。冷却至室温后，过滤溶液，且在蒸干滤液后，获得配位体7-N-Etppz。1H NMR(图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(图19B)δ(300MHz,CDCl3)：主要峰出现在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(正离子)：m/z 441(图20A)。
制备铜错合物。如先前所描述制备三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)1+及[CuIICuII(μ-O)CuII(7-N-Etppz)]2+。[3-6][CuIICuII(μ-O)CuII(7-N-Etppz)]2+错合物的FAB MS在m/z 844处显示正离子质量峰(图20B)。77K EPR光谱展现以g 2.06为中心的无特征各向同性信号(图21)。
由[CuICuICuI(7-N-Etppz)1+介导的CH4至CH3OH的氧化。如下进行由三铜错合物[CuICuICuI(7-N-Etppz)1+介导的甲烷气体(CH4)经O2的氧化。首先，将[CuICuICuI(7-N-Etppz)]1+(0.0113mmol)添加至在60ml玻璃样品瓶中的3ml MeCN中。由于经还原的三铜错合物对空气极为敏感，因此最好在手套工作箱内在经纯化氮气氛围下进行实验。在自手套工作箱移出样品之前，先将样品瓶用橡胶盖紧密密封且抽空，随后再使用气体注射器注入O2(于STP下10ml，0.44mmol)及CH4(于STP下100ml，4.4mmol)以用此两种气体填充样品瓶的总体积。随后用磁性搅拌棒剧烈搅拌混合物持续至多1h的不同时间。随后关闭磁力搅拌器且在用注射器针移除气体进行产物分析之前将样品瓶保持在冰中2min。在破坏玻璃样品瓶的封口后，向溶液添加3μl硝基甲烷以提供用于定量产物的内标准品(IS)。
在藉由GC进行溶液的产物分析前，使溶液通过急骤层析管柱(硅胶)以移除金属错合物。在配备有火焰电离侦测器的HP6890plus上进行GC分析。条件如下：HP5管柱(60m×0.25mm×0.25mm膜厚度)；载气，在1ml/min流动速率下的氮气；烘箱温度，恒温在30℃下；在280℃下的脉冲不分流注射，(25.0psi持续30秒且剩余采集时间为17.5psi)；且FID侦测器在300℃下。在配备有HP5873EI-MS侦测器的HP6890plus上进行GC-MS分析以鉴定产物。条件如下：DB-1MS管柱(60m×0.25mm×0.25mm膜厚度)；载气，在1.3ml/min流动速率下的氦气；烘箱温度，恒温在35℃下；在250℃下的分流注射，分流比率为25:1。
CH4:GC(恒温，30℃)，tR＝5.0min；EI-MS，m/z(％)16(100)[M+]，15(70)。
CH3OH：GC(恒温，30℃)，tR＝5.5min；EI-MS，m/z(％)32(80)[M+]，31(100)，29(70)。
自使用可靠样品制备的对应标准曲线计算产物产率。合并收集自气体及溶液的产物以得到TON。在图28中将结果描绘为反应时间的函数。此时程研究揭示反应在20min内完成，最大TON为0.92，其指示甲烷至甲醇的转化涉及催化剂的单次转换。
关于多次转换，使用H2O2作为还原剂来再生「用过失效」催化剂。使用35％H2O2的适当等分试样在5至160当量范围内的不同量还原剂存在下重复进行以上实验。此等TON概述于图28C中。
肽合成。所有肽均在PS3TM自动化肽合成器(Rainin Instruments)上藉由批式茀基甲氧基羰基(Fmoc)聚酰胺方法合成。[7]在该合成中使用0.1mmol Rink酰胺AM树脂、0.4mmolFmoc-胺基酸及0.4mmol PyBop(Merck Inc.)。去保护试剂及活化试剂分别为在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-甲基吗啉。偶合反应系藉由宁海准(ninhydrin)测试检查。通常耗时约2.0h以完成反应。在合成之后，树脂依次用DMF、乙醇及二氯甲烷洗涤且在真空中干燥1.0h。
在93％三氟乙酸(TFA)中用2.5％1,2-乙二硫醇、2.5％去离子(DI)水、2.5％三异丙基硅烷自树脂裂解粗制肽持续2.0h。侧链保护基包括：Asp(OtBu)、His(Trt)、Thr(tBu)及Gln(Trt)。随后经由G3漏斗直接过滤反应混合物，且将滤液添加至60ml冰冷的第三丁基甲基醚中。
藉由HPLC纯化肽。使用连接至Waters-2695-Alliance HPLC系统的C18HPLC管柱进行逆相HPLC。使用两种溶剂的组合，两者均在3mL/min的流动速率下：溶剂A(0.10％TFA、5.0％MeCN、95％去离子水)与溶剂B(0.10％TFA、99.9％MeCN)的二元梯度。藉由UV光谱法(HP 8453分光亮度计)使用在280nm下的吸亮度确定肽浓度。肽的实体系使用ESI Finnigan LCQ MS(Thermo Finnigan,San Jose,CA)来确认。就肽HIHAMLTMGDWD而言，m/z＝1424.6(z＝1)。
除非另外说明，否则所有用于制备肽的化学物质均获自NovaBiochem。
形成三铜-肽错合物。肽HIHAMLTMGDWD能够结合三个铜离子以在过量乙酸根(或氯离子)存在下形成CuICuICuI-肽及CuIICuIICuII-肽错合物两者。当CuIICuIICuII-肽错合物在pH6.8、超过1mM的去离子水中，以3/1的化学计量[CuII]/[肽]浓度比率，且在以上阴离子配位体存在下形成时，蓝色乙酸根或氯离子错合物自溶液中沈淀出。错合物应为电中性的，因为三个CuII离子的六个正电荷经由肽序列中的两个Asp、两个乙酸根(或氯离子)阴离子配位体及顶盖「μ-侧氧基」(参见正文)所提供的六个负电荷平衡。其在水性缓冲液中仅具有有限的溶解度(约1mM)，且解离为较低铜核性的铜-肽物质。白色CuICuICuI-肽错合物系藉由使用Cu(OAc)2用6当量抗坏血酸盐培育由化学计量CuII/肽溶液([CuII]/[肽]浓度比率为3/1)形成的蓝色CuIICuIICuII-肽沈淀物的样品，随后洗涤来容易地形成。经还原的三铜-肽错合物完全不溶于水性缓冲液中。
CuIICuIICuII-肽溶液的质谱分析。在以ESI模式操作的7.0Tesla FT ICR质谱仪(APEX IV,Bruker-Daltonics)上进行铜-肽溶液的质谱分析。铜-肽错合物系藉由在含有0.05％甲酸的去离子水(pH 4.0)中混合3.0mM肽与9.0mM Cu(OAc)2而形成。随后在Quickspin离心机中离心溶液以自所形成的固体三铜错合物沈淀物分离溶液。随后将含有0.05％甲酸的50μL 1:1H2O/CH3OH(1:1v/v)溶液(pH约4)添加至6.0μL的上清液中，且记录溶液中的铜-肽物质的质谱。
基于质谱，吾人发现肽HIHAMLTMGDWD能够结合三个CuII离子以在过量乙酸根(或氯离子)存在下形成三铜错合物。Cu3-肽物质的形成藉由FT-ICR ESI-MS来确认(图22A)。自溶液获得来自原生肽(m/z 713.3(z＝2))、Cu1-肽(m/z 743.8(z＝2))及Cu2-肽(m/z 775.2(z＝2))的质量峰。当溶液包括沈淀物时，在ESI-MS分析中辨识出额外的质量峰(m/z 805.7(z＝2))。此质量峰容易地归属于Cu3-肽物质。藉由包括63Cu及65Cu同位素的统计分布模拟在m/z 805.7(z＝2)峰附近的质量簇确认对三铜-肽错合物的归属。
固体CuICuICuI-肽错合物的FAB质谱。由HIHAMLTMGDWD形成的固体CuICuICuI-肽错合物的高速原子轰击质谱(FAB-MS)在m/z 1613.7(z＝1)处显示质量峰，其与Cu3-肽物质一致(图29A)。在m/z 1549.8-1551.8(z＝1)及m/z1489(z＝1)处分别观测到对应的2:1及1:1铜-肽物质。在JMS-700双聚焦质谱仪(JEOL,Tokyo，Japan)上以8000(3000)(5％谷线定义)的分辨率获得FAB质谱。使用在10kV的源加速电压下操作的Xe枪，且使用3-硝基苯甲基醇(NBA)作为支持固体三铜-肽错合物的基质。藉由手动混合CuICuICuI-肽错合物与1ml NBA来制备样品，且将混合物的等分试样施加至标靶尖端以用于FAB质量分析。自m/z 500至1800以32s扫描记录质谱。
配位体的实体。肽HIHAMLTMGDWD提供吾人先前用于将三铜簇建构至来自荚膜甲基球菌(Bath)的pMMO的晶体结构的D位点中的PmoA片段的大量可能存在的金属接合残基。[8]在肽序列中加粗突显的残基对应于(自左至右)PmoA的His38、Met42、Asp47及Asp49。为了鉴别在此研究中参与形成三铜-肽错合物的配位体，吾人制备大量肽突变体且发展出基于CuIICuIICuII-肽错合物的沈淀特性的简单检定。在模型三铜错合物中，使用肽序列中的第一个His及第一个Met模拟His38及Met42，及使用C端Asp模拟Asp49藉由胺基酸取代证实，如表8中所示。经发现此等经突显的胺基酸为形成三铜簇所绝对需要的。当肽序列中的前导His经Gln取代时，形成弱得多的错合物。当此His由Ala取代时，仅侦测到痕量沈淀物。类似地，肽序列中的第一个Met由Ala置换消除了三铜错合物的形成。相对地，肽序列中的第二个His由Gln置换，或肽序列中的第二个Met由Ala置换，几乎不影响三铜错合物的形成。肽中的剩余的Asp意欲模拟Asp47，且此Asp由Ala取代仅导致形成弱的错合物。
表8.自肽与Cu(OAc)2的溶液形成CuIICuIICuII-肽错合物，[Cu(II)]/[肽]浓度比＝3。
固体三铜-肽错合物的EPR光谱分析。藉由在添加三当量Cu(OAc)2或CuCl2后自1-5mM肽溶液(在去离子水中，pH 6.8)沈淀来制备固体CuIICuIICuII-肽错合物。以分光亮度法在280nm下使用ε＝5690M-1cm1测定肽样品的浓度。在各情况下，使CuII溶液缓慢向下滴流至震荡器中的肽溶液中。使蓝色沈淀物分散在KCl(1重量％)中来进行EPR量测。
在配备有Bruker TE102腔室的Bruker EMX光谱仪上记录三铜-肽错合物的77KEPR光谱(图23及图29B)。藉由使用液态氮指状杜瓦瓶(dewar)将样品温度维持在77K下。微波频率：9.490-9.516GHz；微波功率：2.0mW；调幅：3高斯。
在配备有Bruker TE102腔室的Bruker E580光谱仪上进行分散在KCl(3重量％)中的蓝色(CuIICuIICuII)及白色(CuICuICuI)沈淀物的4K EPR量测。藉由Oxford Instruments连续液态氦气低温恒温器将样品温度维持于接近4K。微波频率：9.45-9.66GHz；微波功率：20mW；调幅：1高斯。
经还原的三铜-肽错合物应为EPR沉默的。对于白色CuICuICuI-肽及蓝色CuIICuIICuII-肽沈淀物的匹配样品(3重量％分散在KCl中)所记录的4K EPR光谱的强度比较指示，在CuICuICuI-肽样品中观测到的残余的经氧化三铜簇占样品中的总三铜簇的低于1％。
铜三元组的迹象。CuIICuIICuII-肽错合物展现对于经铁磁耦合以得到ST＝3/2基态的CuII自旋的三元组所预期的无特征、几乎各向同性的电子顺磁共振(EPR)信号，如先前对于自含有全部约15个铜离子的荚膜甲基球菌(Bath)分离的pMMO-浓化膜及pMMO所发表。[9,10]用野生型及H40Q M45A肽(亦即HIHAMLTMGDWD及HIQAMLTAGDWD)形成的错合物的77KEPR光谱呈现在图23中。对于两种错合物所观测到的g值为2.1，其与对于经纯化的活性pMMO中的推断三铜簇所报告的g值良好地匹配。[10]对于1％分散在KCl中的铜-肽错合物的经称重量干燥沈淀物的EPR强度量测指示，在实验误差内，沈淀物中的CuII含量完全由CuIICuIICuII-肽错合物占据。在H40Q M45A肽-错合物沈淀物中的对应的三铜簇含量为约80％。在突变型H38Q肽QIHAMLTMGDWD的情况下，仅辨识出弱的EPR信号(线形改变)。此等EPR结果提供吾人在此制备的野生型三铜-肽错合物与在pMMO酵素中的D位点处所牵涉的推断三铜簇之间的直接联系。
所观测到EPR的归属于铁磁耦合CuII自旋的三元组的ST＝3/2基态藉由对野生型CuIICuIICuII-肽错合物的磁化率量测来确认(图24)。
磁化率量测。CuIICuIICuII-HIHAMLTMGDWD错合物的磁化率系使用超导量子干扰装置振动样品磁力计(SQUID VSM，来自Quantum Design)来量测。将含有3当量CuII的肽的沈淀物干燥且封装入明胶胶囊中。在1.8-300K的温度范围内且在1.0特斯拉(Tesla)的磁场强度下收集温度依赖性磁化(整体磁矩)数据。
整体磁矩的顺磁分量系藉由自观测到的整体磁矩减去CuIICuIICuII-肽错合物及样品固持器的反磁作用获得。自此经校正的磁矩值计算莫耳磁化率(χM)。χM对T的曲线图呈现在图24中。磁化率数据与对具有ST＝3/2基态的CuII自旋的等边三元组所得到的χM的最佳拟合产生35.4cm-1的交换相互作用J。(H交换＝-2J[SA·SB+SB·SC+SC·SA]；细节参见数据分析)。磁化率的温度依赖性指示两个ST＝1/2双重态在四重基态上方约100cm-1。
TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的选殖、蛋白质表现及纯化。含有野生型TEL-SAM域[11]的基因的质体系由Dr.James Bowie(UCLA)慷慨提供。藉由将对应核苷酸序列并入引子中来将荚膜甲基球菌(Bath)的PmoA序列(残基38-49)加C端Pro-Asp在靠近TEL-SAM域的C端处融合至His-Ile残基。将所得扩增子选殖入pET28b(+)载体(Novagen)的NdeI限制位点中以便产生具有N端His6标签的标靶蛋白。进行定点突变诱发(Stratagene)以产生TEL-SAM蛋白质的pH依赖性聚合所必需的V80E突变。藉由DNA定序检验质体的完整性。随后将编码His6标记TEL-SAM V80E突变体/PmoA(38-49)的质体+PD融合蛋白(TEL-SAM-PmoA(38-49))转化至大肠杆菌(E.coli)BL21(DE3)[pLysS]细胞(Stratagene)中。用1mM IPTG诱发融合蛋白的表现。在含有50mg/L康霉素(kanamycin)的Lauria-Bertani(LB)培养液中在37℃下使细胞生长5h达到约0.6的OD600。以4000×g持续30min将1-L细胞培养物球粒化。
将细胞小球再悬浮于20mM Tris-HCl、200mM NaCl、30mM咪唑中，且藉由音波处理溶解。在4℃下以18,000×g离心粗细胞提取物持续30min。将上清液装载至5mL床体积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)溶离。His6标记TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白在大约120mM咪唑下溶离。用20mM Tris-HCl稀释溶离液以使咪唑及NaCl浓度降低至低于20mM。随后将经稀释的溶离液施加至5mL HiTrap Q阴离子交换管柱(GE Healthsciences)，用20mM Tris-HCl及25mMNaCl洗涤，且用20mM至1M NaCl的梯度溶离。融合蛋白在大约430mM NaCl下溶离，且藉由SDS-PAGE及库马斯(Coomassie)染色纯度大于95％。将经纯化的蛋白质透析隔夜至20mMTris-HCl及200mM NaCl中，且使用Vivaspin浓缩器浓缩。藉由隔夜凝血酶分解移除His6-标记，且藉由布拉福(Bradford)方法测定蛋白质浓度。
藉由MALDI-TOF/MS来表征经纯化的TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白。亦制备用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的铜错合物且对其进行MALDI-TOF/MS及EPR量测，并随后进行X射线Cu K-边缘吸收及EXAFS研究。
用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的铜错合物的MALDI-TOF/MS。在OhioState University(Columbus,Ohio)的CCIC质谱及蛋白体学设施(CCIC MassSpectrometry and Proteomics Facility)进行TEL-SAM-PmoA(38-49)的基质辅助雷射脱附/电离飞行时间(MALDI-TOF)光谱研究。TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白在5.4当量Cu(OAc)2存在下的MALDI-TOF/MS系在以线性、正离子模式用N2雷射操作的Bruker Reflex III(Bruker,Breman,Germany)质谱仪上进行。雷射功率系在产生信号所需的临限值位准下使用。加速电压设定成28kV。用涵盖蛋白质(通常为脱辅基肌红蛋白及牛血清白蛋白的混合物)的分子量的蛋白质标准品按需要使用带双电荷、带单电荷及二聚体峰来校准仪器。样品系在0.1％TFA中以大约50pmol/μL的浓度制备。使用芥子酸作为蛋白质的基质，其经制备为在50％ACN/0.1％TFA(在水中)中的饱和溶液。将1μL基质及1μL样品的分配物彻底混合在一起；将0.5μL此物点样在标靶培养板上且使其干燥。
MALDI光谱揭示11,023.2Da的初级质量，其与蛋白质的预期分子质量11,027.3Da接近一致(图25)。在11,246.8Da下观测到第二个峰。值得注意地，此等峰之间的224Da质量差异将与结合至TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的三核铜二侧氧基或侧氧基-氢氧桥接物质的结合一致。
X射线吸收量测。如下制备用于X射线吸收光谱分析(XAS)的用TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白形成的三铜错合物的样品：用9当量乙酸铜沈淀0.9M TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白。用再蒸馏H2O充分洗涤蛋白质球粒。
在国家同步辐射研究中心(National Synchrotron Radiation ResearchCenter)(台湾新竹)中的摇摆器光束线(wiggler beamline)BL-17C1进行三铜-错合物粉末的X射线吸收量测。用Si(111)的双晶体单色器使光束单色化以达成能量分辨率ΔE/E≈2×10-4。将CuIICuIICuII-肽样品密封在聚乙烯袋中且在藉由气体冷却流控制的约278K下量测。CuICuICuI-肽错合物系在干燥N2填充手套工作箱中制备，密封，且置放在藉由DE-202G死循环循环制冷机(Advanced Research Systems,Inc.)维持在100K下的样品固持器中。用13元素固态侦测器在8779eV至9876eV的能量范围内以荧光模式取得吸收光谱。使用在Cu箔的吸收光谱的8979.0eV处的第一个拐折点进行能量校准。先前，Kau等人使用略高于8980.3eV的值。[12]数据收集策略与先前由Li等人所发表的相同。[13]所有10次扫描的可再现XANES光谱指示，对蛋白质结构的辐射损害可忽略。XAS数据针对背景进行校正，且藉由AUTOBK程序[14]根据χ(k)＝[μ(k)-μ0(k)]/Δμ0(0)标准化，其中μ(k)表示经量测的吸收系数，μ0(k)表示背景且Δμ0(0)表示边缘跃升。波向量k的值经定义为 其中E为光子能量，E0为临限值能量，为普朗克(Planck)常数，且m为电子的质量。基于XANES光谱的一阶导数曲线的局部最大值，dμ/dE，将E0设定为8990.8eV。在EXAFS区域中的χ(k)进一步由k3加权，且随后作为FT[k3χ(k)]傅里叶转化至R-空间中(图30)。
在图26A中比较CuIICuIICuII-及CuICuICuI-错合物与野生型肽的XANES光谱。在经还原错合物的光谱中在约8982eV处的明显峰表示CuI的经允许的1s→4p跃迁[12]。在图26B中比较此等铜错合物的EXAFS光谱。CuICuICuI-错合物与野生型肽的EXAFS光谱的分析及数据拟合在图27中显示。
制备由中孔碳承载的CuICuICuI-肽错合物。所有实验系在手套工作箱(Coy Lab)中在如藉由氧及氢分析器(Oxygne and Hydrogen Analyzer)(Coy Laboratory Products,Grass lake,MI)所测定O2含量低于1ppm的情况下进行。将中孔碳(Sigma Aldrich，孔径>0.2cm3/g中孔隙；80mg)与1ml 12聚肽(7.1mg，5mM)在2ml艾本德(Eppendorf)试管中在4℃下悬浮于去离子水中隔夜。藉由以13000rpm离心30min收集经吸附或经中孔碳囊封的肽。在藉由使用微量吸管(pipetman)谨慎移除上清液之后，用25mM CuCl2溶液(1mL)处理与中孔碳缔合的肽且在4℃下悬浮2天。随后以13000rpm离心样品30min以收集球粒。在移除上清液之后，用H2O洗涤球粒两次以移除未与肽错合的铜离子。77K EPR确认结合至与中孔碳缔合的肽的所有铜离子均呈铁磁耦合CuII三元组的形式。经囊封在中孔碳混合物中的CuIICuIICuII-肽错合物随后藉由用1ml 25mM抗坏血酸盐溶液处理20min而还原为CuICuICuI-肽物质。再多重复此抗坏血酸盐还原一次，之后藉由1ml经脱气的再蒸馏H2O洗涤球粒两次以移除脱氢抗坏血酸盐及过量抗坏血酸盐。在洗涤之后，藉由以13000rpm离心30min收集经中孔碳承载的CuICuICuI三铜-肽错合物，且倾析上清液。最后，藉由使用无水氯化钙作为湿气清除剂在干燥器中干燥球粒3天。在77K下对于此等球粒未侦测到EPR信号，其指示铜离子在样品中完全经还原。
中孔碳承载的CuICuICuI三铜-肽错合物的活性检定。CuICuICuI三铜-肽错合物的活性系藉由丙烯环氧化及甲烷氧化检定两者来测定。所有检定均在9mL封闭小瓶中在45℃下在水浴中进行。在丙烯环氧化活性的情况下，将经中孔碳承载的三铜错合物密封在9ml小瓶中且抽空。使用注射器针在大气压力下将6ml在STP下的丙烯(249μmol)及3ml在STP下的氧气(124μmol)依次引入小瓶中以起始检定。在甲烷氧化活性的情况下，将经囊封在中孔碳中的三铜-肽错合物密封在9ml小瓶中且抽空20秒，并在大气压力下将6ml在STP下的甲烷(249μmol)及3ml在STP下的氧气(124μmol)依次引入小瓶中以起始检定。以先前针对模型三铜错合物所描述的条件进行氧化产物的GC及GC-MS分析。
CH4:GC(恒温，30℃)，tR＝5.0min；EI-MS，m/z(％)16(100)[M+]，15(70)。
CH3OH：GC(恒温，30℃)，tR＝5.5min；EI-MS，m/z(％)32(80)[M+]，31(100)，29(70)。
C3H6:GC(恒温，30℃)，tR＝5.0min；EI-MS，m/z(％)42(70)[M+]，41(100)，39(80)。
C3H6O:GC(恒温，30℃)，tR＝6.1min；EI-MS，m/z(％)58(100)[M+]，43(70)，28(70)。
定量系使用藉由分析环氧丙烷及甲醇标准品(Merck；分光亮度法等级>99％)产生的标准曲线来进行。
数据分析
分析磁化率数据。形成等边三元组的三个SA＝SB＝SC＝1/2中心的各向同性交换将产生四重峰(4A)及双重简并二重峰(2E)。[15]就铁磁性交换(J>0)而言，四重峰4A为基态，而就反铁磁性相互作用(J<0)而言，基态将为二重峰2E。然而，在后一情形中，预期将出现三元组的Jahn-Teller失真以减轻自旋不稳态(spin frustration)。简单各向同性交换Hamiltonian可写为
H各向同性交换＝-2J[SA·SB+SB·SC+SC·SA]， (1)
且平均莫耳磁化率(χM)系藉由熟知的van Vleck方程式给出：
&chi; &OverBar; M = &lsqb; N A &mu; 0 &mu; B 2 g C u 2 4 k B T &rsqb; 1 + 5 exp ( 3 J / k B T ) 1 + exp ( 3 J / k B T ) - - - ( 2 )
其中NA为亚佛加厥(Avogadro)数；μ0为电容率；μB为波尔(Bohr)磁子；且kB为波兹曼(Boltzmann)常数。gCu指示CuII离子的平均g值，且J为各向同性交换相互作用。
EXAFS数据的分析。基于平面波单一散射，一般EXAFS式可藉由以下方程序表示为所有壳层j的总和，
&chi; ( k ) = S 0 2 &Sigma; j N j ( k ) F j ( k ) kR j 2 sin &lsqb; 2 kR j + &delta; j ( k ) &rsqb; e - 2 R j &lambda; e - 2 k 2 &sigma; j 2 - - - ( 3 )
其中Fj(k)为来自在距离Rj(相对于吸收原子)处的壳层中的各Nj原子的后向散射振幅，exp(-2k2σj 2)为Debye-Waller因子，其中均方位移σj 2、S0 2为振幅减少因子，σj(k)为总相移，且λ(k)为光电子平均自由径。基于来自Cambridge Crystallographic Data Center(CCDC)的结构编码ZONCAG及MECZUQ，[16]藉由FEFF7编码中的弯曲波从头(ab initio)程序在理论上计算Fj(k)、δj(k)及λ(k)的值。[13]藉由将S0固定为1，吾人使用藉由FEFFIT程序实施的非线性最小平方拟合算法用拟合参数ΔE0(E0的小变化)、Rj、σj 2及Nj在约1.7≤R≤约范围内拟合FT[k3χ(k)]。[14]在拟合过程中，允许ΔE0变化但局限为所有散射路径的共同值。在拟合过程的过程中，配位数(Nj)系统地变化但固定在给定拟合内。藉由如以下定义的拟合良度因素评估数据拟合质量：
其中且n为fi的评估数目，其中(且因此为R拟合)在非线性最小平方拟合算法中最小化。[14]
在TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白上收集的EXAFS数据的最佳拟合连同三铜簇的配位体结构的最佳拟合在图30中显示，且对应参数概述在表9中。基于模型构建，在约附近C原子的后向散射可来自羧酸盐及/或甲硫胺酸的作用。估计键角∠Cu-O-Cu＝119.5°使得吾人能够合理化位于三元组的中心处的「μ-侧氧基」基团的可能性，其中Cu-O距离为且Cu-Cu为
表9.用于拟合TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白的k3加权EXAFS数据的参数，包括配位数N、相对于Cu的距离R及相对均方位移σ2。拟合范围分别藉由Δk及ΔR指示。藉由拟合良度因子R拟合、χ2及χν 2(≡χ2/ν)评估拟合质量，其中ν为独立数据点的数目与用于拟合的参数数目之间的差值。
TEL-SAM-PmoA(38-49)融合蛋白
在固体CuICuICuI-HIHAMLTMGDWD错合物上收集的EXAFS数据的最佳拟合连同三铜簇的配位体结构的最佳拟合在图27中显示。
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关于以引用的方式并入及变化形式的陈述
本申请案通篇所引用的所有参考文献，例如包括已颁予或已授予专利或等效物的专利文件；专利申请公开案；及非专利文献文件或其他来源材料，特此以全文引用的方式并入本文中，如同个别地以引用的方式并入本文中一般，达到各参考文献至少部分地与本申请案中的揭示内容一致的程度(例如，部分不一致的参考文献在除了该参考文献的部分不一致的部分外以引用的方式并入本文中)。
本文中已使用的术语及表述系用作描述术语且不具限制性，且在此等术语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，而应认识到，在所主张的本发明的范畴内，各种修改为可能的。因此，应理解，尽管本发明已藉由较佳实施例、例示性实施例及视情况选用的特征特定地经揭示，但熟习此项技术者可采用本文中所揭示概念的修改及变化，且该等修改及变化被视为系在如由随附申请专利范围所界定的本发明范畴内。本文中所提供的特定实施例为本发明的适用实施例的实例，且熟习此项技术者将显而易见，本发明可使用本说明书中所阐述的装置、装置组件、方法步骤的大量变化形式执行。如熟习此项技术者所当明了，适用于本发明方法的方法及装置可包括大量视情况选用的组合物及处理要素及步骤。
当在本文中揭示一群取代基时，应理解，该群及所有子群组中的所有个别成员，包括该等群成员的任何异构体、对映异构体及非对映异构体，系分别经揭示。当在本文中使用马库西群组(Markush group)或其他分群时，群组中的所有个别成员及群组的可能的所有组合及子组合意欲个别地包括于本发明中。当在本文中描述一化合物而未例如以化学式或化学名称指定该化合物的一特定异构体、对映异构体或非对映异构体时，该描述意欲包括该化合物的个别描述或以任何组合描述的每一异构体及对映异构体。另外，除非另外指定，否则本发明意欲涵盖本文中所揭示的化合物的所有同位素变体。举例而言，应理解，所揭示分子中的任何一或多个氢可经氘或氚置换。分子的同位素变体通常可用作分子检定中及与分子或其用途有关的化学及生物研究中的标准品。用于制得该等同位素变体的方法为此项技术中已知的。化合物的特定名称意欲为例示性的，因为已知一般熟习此项技术者可以不同方式命名相同化合物。
须注意，除非上下文另外明确规定，否则如本文中及随附申请专利范围中所用，单数形式「一」及「该」包括复数个所提及物。因此，例如，提及「一细胞」包括复数个该等细胞及熟习此项技术者已知的其等效物，等等。另外，术语「一」、「一或多个」及「至少一个」在本文中可互换地使用。亦应注意，术语「包含」、「包括」及「具有」可互换地使用。表述「请求项XX至YY中任一项的」(其中XX及YY系指请求项编号)意欲以替代形式提供多个附属项，且在一些实施例中，该表述可与表述「如请求项XX至YY中任一项的」互换。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有技术及科学术语具有与一般熟习本发明所属的技术者通常所理解者相同的意义。虽然可使用类似或等效于本文中所描述者的任何方法及材料来实践或测试本发明，但现描述较佳方法及材料。不应将本文中的任何内容理解为承认本发明由于先前发明而无权先于该揭示内容。
除非另外说明，否则可使用本文中所描述或例示的组份的每一调配物或组合来实践本发明。
当本说明书中无论何时给出范围(例如温度范围、时间范围或组成或浓度范围)时，包括于所给出范围中的所有中间范围及子范围以及所有个别值均意欲包括在本发明中。如本文中所用，范围特定地包括被提供作为范围的端点值的值。举例而言，1至100的范围特定地包括端点值1及100。应理解，在包括于本文描述中的范围或子范围中的任何子范围或个别值均可自本文中的权利要求排除。
如本文中所用，「包含」与「包括」、「含有」或「特征为」系为同义，且为包括性或开放性且不排除额外、未叙述的要素或方法步骤。如本文中所用，「由……组成」排除未在所主张要素中指定的任何要素、步骤或成份。如本文中所用，「基本上由……组成」不排除本质上不影响权利要求的基本及新颖特性的材料或步骤。在本文各情况下，术语「包含」、「基本上由……组成」及「由……组成」中的任一者可由另外两个术语的任一者替代。本文中说明性描述的本发明可适当地在缺乏任何本文未特定揭示的一或多种要素或一或多个限制的情况下实践。
一般熟习此项技术者将了解，于本发明的实践中可使用除彼等经特定例示者外的起始材料、生物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、检定方法及生物方法，而无须过度实验。任何该等材料及方法的所有技术中已知的功能等效物均意欲包括于本发明中。已使用的术语及表述系用作描述术语而不具限制性，且在使用此等术语及表述时不欲排除所展示及描述的特征或其部分的任何等效物，而应认识到，在所主张的本发明范畴内，各种修改为可能的。因此，应理解，尽管本发明已藉由较佳实施例及视情况选用的特征特定地经揭示，但熟习此项技术者可采用本文中所揭示的概念的修改及变化，且该等修改及变化被视为系在由随附权利要求书所界定的本发明范畴内。

Claims (89)

1.一种氧化碳氢化合物以产生氧化产物的催化方法，该方法包含以下步骤：
使该碳氢化合物与铜催化剂在氧化剂存在下接触；由此产生该氧化产物；及
再生该铜催化剂；
其中该铜催化剂包含三铜错合物，其包含三个Cu离子及具有下式(FX1)之配位体(L)：
其中
m及n各自独立地为0、1或2；
e、f、g及h各自独立地为0或1；
X1及X2各自独立地为O、S、N或P；
Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；及
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环。
2.根据权利要求1的方法，其中该碳氢化合物为C1-C8烷烃或C1-C8烯烃。
3.根据权利要求第1至2项中任一项的方法，其中该碳氢化合物为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或此等的任何组合。
4.根据权利要求第1至3项中任一项的方法，其中该碳氢化合物系于天然气样品中提供。
5.根据权利要求第1至4项中任一项的方法，其中该氧化产物为醇、酮或二醇。
6.根据权利要求第1至5项中任一项的方法，其可在等于或低于25℃的温度下及在等于或低于1大气压的压力下进行。
7.根据权利要求第1至6项中任一项的方法，其中该铜催化剂包含具有式[CuICuICuI(L)]+的三铜错合物，其中L为该配位体。
8.根据权利要求第1至7项中任一项的方法，其中使该铜催化剂与该氧化剂接触，由此产生经氧化活化的铜催化剂。
9.根据权利要求8的方法，其中该经氧化活化的铜催化剂具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]+，其中L为该配位体。
10.根据权利要求第8至9项中任一项的方法，其中该经氧化活化的铜催化剂具有式(FX12)：
11.根据权利要求第8至10项中任一项的方法，其中该经氧化活化的铜催化剂与该碳氢化合物的反应导致O原子自该经氧化活化的铜催化剂转移至该碳氢化合物，由此产生该氧化产物。
12.根据权利要求11的方法，其中该O原子系插入至该碳氢化合物的C-H键中。
13.根据权利要求11的方法，其中该经氧化活化的铜催化剂与该碳氢化合物的反应产生经部分氧化的三铜错合物反应产物；该方法进一步包含还原该经部分氧化的三铜错合物反应产物以便再生该铜催化剂。
14.根据权利要求13的方法，其中该经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+，其中L为该配位体。
15.根据权利要求第13至14项中任一项的方法，其中该经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式(FX13)：
16.根据权利要求第13至15项中任一项的方法，其中还原该经部分氧化的三铜错合物反应产物的该步骤系藉由使该经部分氧化的三铜错合物反应产物与还原剂接触来达成。
17.根据权利要求16的方法，其中该还原剂为H2O2、H2、甲酸盐或抗坏血酸盐。
18.根据权利要求第1至17项中任一项的方法，其中于该方法中再生的该铜催化剂在该催化方法中在该氧化剂存在下与碳氢化合物接触以进一步产生该氧化产物。
19.根据权利要求第1至18项中任一项的方法，其中该碳氢化合物为甲烷、乙烷及丙烷；且其中该氧化产物在该氧化剂存在下与该铜催化剂接触时不经历进一步氧化。
20.根据权利要求第1至19项中任一项的方法，其中转换频率大于或等于1×10-2sec-1。
21.根据权利要求第1至20项中任一项的方法，其中催化效率大于或等于50％。
22.根据权利要求第1至21项中任一项的方法，其中该铜催化剂进一步包含一或多种相对离子。
23.根据权利要求22的方法，其中该一或多种相对离子系选自由ClO4 -或BF4 -组成的群组。
24.根据权利要求第1至23项中任一项的方法，其中m及n各自为1。
25.根据权利要求第1至24项中任一项的方法，其中X1、X2、Y1及Y2各自为N。
26.根据权利要求第1至25项中任一项的方法，其中R1与R5结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环；且其中R2与R6结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环。
27.根据权利要求第1至26项中任一项的方法，其中R7及R8各自为乙基。
28.根据权利要求第1至27项中任一项的方法，其中R7及R8各自不为甲基。
29.根据权利要求第1至28项中任一项的方法，其中R3、R4、R7、R8及R9各自独立地为氢或C1-C5烷基。
30.根据权利要求第1至29项中任一项的方法，其中R9为-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)。
31.根据权利要求1的方法，其中该配位体具有式(FX2)或(FX3)：
32.根据权利要求1的方法，其中该配位体具有式(FX4)或(FX5)：
33.根据权利要求1的方法，其中该配位体具有式(FX6)或(FX7)：
34.根据权利要求1的方法，其中该配位体具有式(FX8)：
35.根据权利要求1的方法，其中该配位体具有式(FX9)、(FX10)或(FX11)：
36.根据权利要求35的方法，其中R7及R8各自为乙基。
37.根据权利要求第1至36项中任一项的方法，其中该碳氢化合物为直链、分支链或环状烷烃或烯烃。
38.根据权利要求第1至37项中任一项的方法，其中该碳氢化合物为C1-C8烷烃或C1-C8烯烃。
39.根据权利要求第1至38项中任一项的方法，其中该碳氢化合物为甲烷。
40.根据权利要求第1至39项中任一项的方法，其中碳氢化合物系以气相、液相或溶液相提供。
41.根据权利要求第1至40项中任一项的方法，其中该氧化剂为氧气物质。
42.根据权利要求第1至41项中任一项的方法，其中该氧化剂为O2、H2O2或空气。
43.根据权利要求第1至42项中任一项的方法，其中该氧化剂系以气相、液相或溶液相提供。
44.根据权利要求第1至43项中任一项的方法，其中该铜催化剂为均相催化剂。
45.根据权利要求第1至44项中任一项的方法，其中该铜催化剂、该氧化剂及该碳氢化合物各自溶解于溶剂中，其中使该碳氢化合物与该铜催化剂在氧化剂存在下接触的该步骤系在包含该溶剂、该经溶解铜催化剂、该氧化剂及该碳氢化合物的均质溶液中进行。
46.根据权利要求45的方法，其中该催化剂在该溶液中的浓度系选自0.1-10mM的范围。
47.根据权利要求第45至46项中任一项的方法，其中该碳氢化合物在该溶液中的浓度系选自0.1-0.5M的范围。
48.根据权利要求第45至47项中任一项的方法，其中该氧化剂在该溶液中的浓度系选自0.05-0.2M的范围。
49.根据权利要求第45至48项中任一项的方法，其中该溶剂为非水性溶剂。
50.根据权利要求第45至49项中任一项的方法，其中该溶剂为MeCN或氟代烃。
51.根据权利要求1的方法，其中该铜催化剂为异相催化剂。
52.根据权利要求51的方法，其中该铜催化剂系固定在固体催化剂载体骨架的一或多个表面上。
53.根据权利要求51的方法，其中该铜催化剂系共价附接至聚合载体、玻璃珠粒或树脂。
54.根据权利要求52的方法，其中该固体催化剂载体骨架包含中孔材料，且该铜催化剂系提供于该中孔材料的孔网络的表面上。
55.根据权利要求52的方法，其中该固体催化剂载体骨架为中孔硅酸盐、中孔碳或溶胶凝胶。
56.根据权利要求54的方法，其中该中孔材料经官能化以产生带负电表面。
57.根据权利要求56的方法，其中该中孔材料系藉由与Al或阴离子性3-三羟基硅烷基丙基-甲基膦酸酯(TP)接触而官能化。
58.根据权利要求第51至57项中任一项的方法，其中该氧化剂及该碳氢化合物系溶解于溶剂中以产生溶液，其中使该铜催化剂与该溶液接触。
59.根据权利要求58的方法，其中该碳氢化合物在该溶液中的浓度系选自0.1-2.0M的范围。
60.根据权利要求第58至59项中任一项的方法，其中该氧化剂在该溶液中的浓度系选自0.05-0.2M的范围。
61.根据权利要求第58至60项中任一项的方法，其中该溶剂为非水性溶剂。
62.根据权利要求第58至61项中任一项的方法，其中该溶剂为MeCN或氟代烃。
63.根据权利要求1的方法，其中：
该碳氢化合物为甲烷且该氧化产物为甲醇；
该碳氢化合物为乙烷且该氧化产物为乙醇；
该碳氢化合物为丙烷且该氧化产物为丙醇；
该碳氢化合物为丁烷且该氧化产物为丁醇、丁酮或2,3-丁二醇；或此等的任何组合。
64.根据权利要求1的方法，其提供将天然气转化为液体燃料的方法。
65.根据权利要求64的方法，其提供使该天然气中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷进行烷烃羟基化的方法。
66.根据权利要求第64至65项中任一项的方法，其中该天然气系使用空气作为该氧化剂而转化为该液体燃料。
67.根据权利要求第64至66项中任一项的方法，其中该天然气经转化为包含醇、酮、二醇或此等的任何组合的该液体燃料。
68.根据权利要求第64至67项中任一项的方法，其用于在等于或低于25℃的温度下及在等于或低于1大气压的压力下产生该液体燃料。
69.根据权利要求第1至68项中任一项的方法，其进一步包含分离该氧化产物。
70.根据权利要求第1至69项中任一项的方法，其进一步包含回收该铜催化剂。
71.一种将天然气转化为液体燃料的催化方法，该方法包含以下步骤：
使该天然气中的甲烷、乙烷、丙烷或丁烷与铜催化剂在氧化剂存在下接触；由此产生包含醇、酮、二醇或此等的任何组合的该液体燃料；及
再生该铜催化剂；
其中该铜催化剂包含三铜错合物，其包含三个Cu离子及具有下式(FX1)的配位体(L)：
其中
m及n各自独立地为0、1或2；
e、f、g及h各自独立地为0或1；
X1及X2各自独立地为O、S、N或P；
Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环。
72.根据权利要求71的方法，其中该氧化剂为空气。
73.一种用于氧化碳氢化合物以产生氧化产物的催化剂调配物，该调配物包含：
包含三铜错合物的铜催化剂，该三铜错合物包含三个Cu离子及具有下式(FX1)的配位体(L)：
其中
m及n各自独立地为0、1或2；
e、f、g及h各自独立地为0或1；
X1及X2各自独立地为O、S、N或P；
Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；
氧化剂，其用于活化该铜催化剂以产生经氧化活化的铜催化剂，该经氧化活化的铜催化剂与该碳氢化合物反应以产生该氧化产物及经部分氧化的三铜错合物反应产物；及
还原剂，其用于还原该经部分氧化的三铜错合物反应产物以便再生该铜催化剂。
74.根据权利要求73的催化剂调配物，其中该铜催化剂包含具有式[CuICuICuI(L)]+的该三铜错合物，其中L为该配位体。
75.根据权利要求第73至74项中任一项的催化剂调配物，其中该经氧化活化的铜催化剂具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]+，其中L为该配位体。
76.根据权利要求第73至75项中任一项的催化剂调配物，其中该经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+，其中L为该配位体。
77.根据权利要求第73至76项中任一项的催化剂调配物，其中该氧化剂为O2、H2O2或空气。
78.根据权利要求第73至77项中任一项的催化剂调配物，其中该还原剂为H2O2、H2、甲酸盐或抗坏血酸盐。
79.根据权利要求第73至78项中任一项的催化剂调配物，其中该氧化剂及该还原剂各自为H2O2。
80.一种铜错合物，其包含三个Cu离子及具有下式(FX1)的配位体(L)：
其中
m及n各自独立地为0、1或2；
e、f、g及h各自独立地为0或1；
X1及X2各自独立地为O、S、N或P；
Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；
其限制条件为，当R1与R5及R2与R6各自独立地结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分产生杂环6员、7员或8员环时，则R7及R8各自不为甲基；
其限制条件为，当R1及R2各自为甲基时，则R7及R8各自不为甲基；及
其限制条件为，当R1及R2各自为乙基时，则R7及R8各自不为乙基。
81.根据权利要求80的铜错合物，其中该铜催化剂进一步包含一或多种相对离子。
82.根据权利要求第80至81项中任一项的铜错合物，其具有式[CuICuICuI(L)]+，其中L为该配位体。
83.根据权利要求第80至82项中任一项的铜错合物，其具有特征在于疏水性结合袋的结构，该疏水性结合袋提供对甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的分子识别。
84.根据权利要求第80至83项中任一项的铜错合物，其中m及n各自为1；
其中X1、X2、Y1及Y2各自为N；且其中R1与R5结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环；且其中R2与R6结合在一起形成伸乙基或伸丙基，由此与邻接乙二胺基团形成哌嗪环或高哌嗪环。
85.根据权利要求第80至84项中任一项的铜错合物，其中R7及R8各自为乙基。
86.一种经氧化的铜错合物，其具有式[CuIICuII(μ-O)2CuIII(L)]1+，其中L为具有下式(FX1)的配位体：
其中
m及n各自独立地为0、1或2；
e、f、g及h各自独立地为0或1；
X1及X2各自独立地为O、S、N或P；
Y1及Y2各自独立地为O、S、N或P；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及R9各自独立地为氢、C1-C10烷基、C3-C10环烷基、C5-C10芳基、C5-C10杂芳基、C1-C10酰基、C2-C10烯基、C3-C10环烯基、C2-C10炔基、C5-C10烷芳基、-OH、-CH2OH、-COOH、-NH2或-CO(NH2)；或其中R1与R5结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环，且其中R2与R6结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分形成杂环6员、7员或8员环；
其限制条件为，当R1与R5及R2与R6各自独立地结合形成C2-C4伸烷基，由此与邻接部分产生杂环6员、7员或8员环时，则R7及R8各自不为甲基；及
其限制条件为，当R1及R2各自为甲基时，则R7及R8各自不为甲基；及
其限制条件为，当R1及R2各自为乙基时，则R7及R8各自不为乙基。
87.根据权利要求86的经氧化的铜错合物，其具有式(FX12)：
88.根据权利要求第86至87项中任一项的经氧化的铜错合物，其中该经氧化的铜错合物与碳氢化合物反应以产生具有式[CuICuII(μ-O)CuII(L)]+的经部分氧化的三铜错合物反应产物，其中L为该配位体。
89.根据权利要求88的经氧化的铜错合物，其中该经部分氧化的三铜错合物反应产物具有式(FX13)：
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