JP2016540725A - 炭化水素の酸化を触媒することのできる分子触媒および炭化水素を酸化する方法 - Google Patents

炭化水素の酸化を触媒することのできる分子触媒および炭化水素を酸化する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、分子触媒および分子触媒を利用する化学反応に関し、特に天然ガス由来の炭化水素などの炭化水素の効率的な触媒酸化のための分子触媒に関する。本明細書で提供される分子触媒プラットフォームは、例えば室温および大気圧近くなどの周囲条件下で、炭化水素を容易に酸化することができる。本明細書では、触媒組成物、触媒系、および炭化水素を酸化するための方法が提供される。本発明の銅触媒および触媒配合物は、例えば高い触媒効率を呈し、様々な工業適用およびエネルギー関連適用を支持する条件下で、良好な回転率および酸化生成物収量を伴う。

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１３年１０月４日に出願された米国仮特許出願第６１／８８６，６７６号の利益を主張し、当該出願は、本明細書と矛盾しない限りにおいて、その全体が参考として援用される。
連邦の出資を受けた研究または開発に関する供述
適用なし
メタンをメタノールに効率的に変換するための触媒の開発は、先細りする石油の供給を置き換える代替燃料に関する研究と共に、近年ますます注目されている。天然ガスの探査および生成技術の近年の進歩によって、天然ガスの生成と公知の天然ガスの埋蔵量の両方が、劇的に増加している。天然ガスは、主に他の揮発性炭化水素、例えばエタン、プロパン ブタン、ペンタンおよびヘキサンと混合されたメタンから構成される。天然ガスは、一次可燃性燃料として使用されているが、天然ガスを、より効率的な可搬型燃料に変換することができる技術には、実質的な利益がある。潜在的に魅力的な一変換経路は、天然ガスを、比エネルギーがより高く、揮発性がより低く、化学的多用途性がより高い、アルコールなどの酸化生成物に酸化することである。
メタノールには、工業化学薬品（例えばホルムアルデヒド、ジメチルエーテル等）の製造のための原料として、燃料または燃料添加剤として（例えば自動車）、ならびに合成および製造適用のための溶媒としてのその使用を含めて、様々な商業的適用がある。現在、メタノールを合成するための最も一般的な方法は、銅ベースの触媒を使用して、一酸化炭素を水素ガスと反応させることである。しかし、この方法は吸熱性であり、高温（約２５０℃）と高圧（５０〜１００気圧）の両方が必要である。天然ガスまたは純粋なメタンは、典型的にメタンを、ニッケル触媒を使用する蒸気と反応させることによって、一酸化炭素および水素を作製するための原料として使用することができ、後にメタノールを作製するために使用することができる。しかしこの反応は、やはり吸熱性であり、高温（約８５０℃）および高圧（約４０気圧）が必要である。したがって、メタンをメタノールに変換するための多くの従来の方法は、複数のステップ、高価な触媒および著しいエネルギー投入が必要であるという点で、資源消費型であり、高価である。
気体から液体を合成するプロセスであるメタンからメタノールへの直接変換は、メタンのＣ−Ｈ結合が非常に高い結合エネルギー（１０４ｋｃａｌ／モル）を有し、したがって化学的に非常に不活性なので難易度が高い。さらに、この反応のメタノール反応生成物は、多くの条件下でさらに酸化する傾向があり、それによってメタノールを高収量で選択的に作製することが困難になる。同様に、メタン以外の長さが短いアルカンを、それらの対応するアルコールに酸化することは、これらの分子のＣ−Ｈ結合エネルギーがメタンのＣ−Ｈ結合エネルギーよりもごくわずかに低いので、同様の過酸化問題を伴って、やはり難易度が高い。
メタン資化性細菌、例えばＭｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓおよびＭｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍは、周囲温度および周囲圧力でも、メタンをメタノールに容易に変換することができる。これらの細菌は、酵素であるメタンモノオキシゲナーゼ（ＭＭＯ）および二酸素を使用することによって、メタノールの酸化を媒介する［例えば、Ｃｈａｎ， Ｓｕｎｎｅｙら（２００４年）Ｔｏｗａｒｄ ｄｅｌｉｎｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｍｏｎｏｏｘｙｇｅｎａｓｅ ｆｒｏｍ Ｍｅｔｈａｎｏｔｒｏｐｉｃ Ｂａｃｔｅｒｉａ． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、４３巻（１５号）、４４２１〜４４３０頁参照］。ＭＭＯには、微粒子型（ｐＭＭＯ）および可溶性型（ｓＭＭＯ）の２つの異なる形態がある。特に、ｐＭＭＯ酵素は、Ｃ１〜Ｃ５の直鎖アルカンの酸化において、驚くべき位置特異性および立体選択性を呈する。
研究者らは、周囲条件下で炭化水素を酸化することができる生物模倣型触媒を生成することを潜在的な目的として、ｐＭＭＯがアルカンからアルカノールへの変換を容易にする生化学的反応について研究してきた。この研究の結果、この酵素が酸化のための活性部位としてマルチ銅クラスターを組み込むという理解を支える意見の一致が得られ始めた。［例えば、Ｃｈａｎ， Ｓｕｎｎｅｙら（２００８年）Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ｂｙ ｔｈｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｂｏｕｎｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｍｏｎｏｏｘｙｇｅｎａｓｅ： Ｔｈｅ Ｃａｓｅ ｆｏｒ ａ Ｔｒｉｃｏｐｐｅｒ Ｃｌｕｓｔｅｒ、Ａｃｃｏｕｎｔｓ ｏｆ Ｃｈｅｍ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ、４１巻（８号）、９６９〜９７９頁参照］。このような研究は、触媒を前駆体状態に効率的に再生して戻すために、ｓＭＭＯおよびｐＭＭＯなどの酵素には厳密な動態制御が必要となることも実証しており、このことは実行可能な生物模倣型触媒の開発にとってさらなる難問となる。しかし動態制御の必要は、遷移金属触媒では、金属イオンをより高い酸化状態で操作することによって、またはＦｅｎｔｏｎタイプの化学を用いることによって潜在的に回避され得る［例えば、Ｃｈａｎ， Ｓｕｎｎｅｙら（２０１２年）Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ｍｅｄｉａｔｅｄ ｂｙ ｔｒｉｃｏｐｐｅｒ ｃｌｕｓｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｍｉｌｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ、Ｊ． Ｃａｔａｌ．、２９３巻、１８６〜１９４頁参照］。ｓＭＭＯまたはｐＭＭＯに基づく機能的な生物模倣型触媒を開発するための過去の試みは、大きな成果が得られていない。
Ｅｌｇａｍｍａｌの国際特許出願第２０１１／０３５０６４Ａ２号は、例えば、１，２，４−トリアゾール配位子および遷移金属を含む、炭化水素を酸化するための触媒を対象としている。この触媒は、０〜２５℃の温度で操作される。しかし、メタンからメタノールへの酸化収量は、３０％未満のままであり、ほとんどの場合それよりかなり低い。さらに、より大きいアルカンを酸化するための反応では、低い位置特異性と過酸化の両方が、主な問題として残っている。
Ｃｈａｎ， Ｓｕｎｎｅｙら（２００４年）Ｔｏｗａｒｄ ｄｅｌｉｎｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｍｏｎｏｏｘｙｇｅｎａｓｅ ｆｒｏｍ Ｍｅｔｈａｎｏｔｒｏｐｉｃ Ｂａｃｔｅｒｉａ． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、４３巻（１５号）、４４２１〜４４３０頁
前述のことから、当技術分野では、高度な位置特異性および立体選択性を伴う分子触媒の改善および周囲条件で炭化水素を容易に酸化できる方法が、現在必要であることを理解されよう。特に、高い回転頻度およびメタノールなどの有用な酸化生成物を形成する特異性を呈する、天然ガスから炭化水素を触媒酸化する触媒が必要である。
本発明は、分子触媒および分子触媒を利用する化学反応に関し、特に天然ガス由来の炭化水素などの炭化水素の効率的な触媒酸化のための分子触媒に関する。本明細書で提供される分子触媒プラットフォームは、例えば室温および大気圧近くなどの周囲条件下で、炭化水素を容易に酸化することができる。
本明細書では、触媒組成物、触媒系、および炭化水素を酸化するための方法が提供される。本発明の銅触媒および触媒配合物は、例えば高い触媒効率を呈し、様々な工業適用およびエネルギー関連適用を支持する条件下で、良好な回転率および酸化生成物収量を伴う。本発明は、様々な炭化水素を特定の酸化生成物に酸化するための、基質認識および生成物選択性を達成するように調整され得る組成を有する多用途クラスの銅触媒を提供する。本発明の銅触媒および方法は、柔軟であり、それによって不均一系および均一系触媒作用の両方を支持する。本発明の銅触媒系は、容易に利用可能な様々な酸化剤および還元剤を使用して、動態学的に行われる触媒活性化ステップおよび再生ステップを可能にする。
一実施形態では、本発明は、天然ガス中の気相炭化水素を、アルカノール（ａｋａｎｏｌ）、アルカノンおよびアルカンジオールなどの可搬型燃料および商業的に有用な生成物に効率的に変換するための、生物模倣型銅触媒および触媒方法を提供する。一実施形態では、触媒組成物および方法は、基質認識と酸素原子の移動を組み合わせて、位置特異的なアルカンヒドロキシル化のための効率的な経路を支持する。本発明の特定の銅触媒は、例えばメタンからメタノールへの効率的な酸化を、過酸化なしに高収量で行うことができる。一実施形態では、例えば、メタンの触媒酸化に由来するメタノールの収量は、７５％またはそれを超え、任意選択でいくつかの適用では、９０％またはそれを超える。本発明のこの態様は、周囲条件下で天然ガスを液体酸化生成物に変換するための選択的経路を提供するのに、特に有用である。
一態様では、本発明は、炭化水素を酸化して酸化生成物を作製するための触媒方法を提供し、該方法は、（ｉ）炭化水素を、酸化剤の存在下で銅触媒と接触させ、それによって酸化生成物を作製するステップと、（ｉｉ）銅触媒を再生するステップとを含み、ここで銅触媒は、３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
［式中、ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１、または２であり、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む。一実施形態では、炭化水素、銅触媒、および酸化剤は、例えば溶液相、液相、気相またはこれらの組合せで、互いに物理的に接触させられる。例えば一実施形態では、再生された銅触媒は、その後、酸化剤および炭化水素とのさらなる反応に関与して、触媒酸化を達成する。
ある特定の実施形態では、炭化水素は、直鎖、分岐および環式Ｃ１〜Ｃ８アルカンまたはＣ２〜Ｃ８アルケンを含むＣ１〜Ｃ８アルカンまたはＣ２〜Ｃ８アルケンである。任意選択で、例えば炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、またはこれらの任意の組合せである。一実施形態では、炭化水素は、天然ガス試料由来のメタンである。特定の一実施形態では、例えば炭化水素は、天然ガスの試料で提供される。諸実施形態では、酸化生成物は、アルコール、ケトンまたはジオールである。ある特定の実施形態では、例えば、酸化生成物は、アルコール、例えばメタノール、エタノール、プロパノールである。諸実施形態では、触媒方法は、２５℃またはそれ未満の温度および１気圧またはそれ未満の圧力で行うことができる。
式（ＦＸ１）の文脈では、０と指定されるｅ、ｆ、ｇ、および／またはｈは、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５およびＲ６がそれぞれ存在しない式（ＦＸ１）を有する配位子に対応し、１と指定されるｅ、ｆ、ｇ、および／またはｈは、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５およびＲ６がそれぞれ存在する式（ＦＸ１）を有する配位子に相当する。特定の実施形態では、本発明は、例えばｅ、ｆ、ｇ、および／またはｈの１つまたは複数が０であり、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１またはＹ２が硫黄または酸素である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む本発明の銅触媒を使用する方法、配合物および組成物を提供する。特定の一実施形態では、本発明は、ｍおよびｎのそれぞれが０または１である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む本発明の銅触媒を使用する方法、配合物および組成物を提供する。特定の一実施形態では、本発明は、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれが１である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む本発明の銅触媒を使用する方法、配合物および組成物を提供する。特定の一実施形態では、本発明は、ｅ、ｆ、ｇ、およびｈのそれぞれが０である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む本発明の銅触媒を使用する方法、配合物および組成物を提供する。
本発明の重要な一特性は、例えば酸化生成物の作製後に銅触媒が効率的に再生され、したがってその後炭化水素との反応に利用可能となり、酸化生成物をさらに作製する酸化プロセスの触媒性質である。一部の実施形態では、例えば該方法は、触媒活性化ステップおよび再生ステップを動態学的に行うのに十分な酸化剤および／または還元剤を提供することによって、動態を制御することができる触媒活性化ステップおよび再生ステップによって特徴付けられる。本発明の方法は、動態学的に行われる触媒活性化のための様々な異なる酸化剤、例えば過酸化水素、空気および酸素、ならびに動態学的に行われる触媒再生のための還元剤、例えば過酸化水素と適合性がある。一部の実施形態では、本発明は、触媒作用活性化を動態学的に行うことができる濃度および／または量で酸化剤を提供するステップを含む。一部の実施形態では、本発明は、触媒作用再生を動態学的に行うことができる濃度および／または量で還元剤を提供するステップを含む。一部の実施形態では、本発明は、銅触媒、酸化剤、還元剤、炭化水素またはこれらの組合せの濃度および／または量を補充するステップを含む。
特定の一実施形態では、銅触媒は、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）ｑ］（ｑは１〜３の整数であり、Ｌは配位子である）を有する三核銅錯体を含む。一実施形態では、例えば、銅触媒は、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する三核銅錯体を含む。一実施形態では、例えば、銅触媒は、酸化剤と接触させられ、それによって酸素化された活性化銅触媒を作製する。諸実施形態では、例えば、酸素化された活性化銅触媒は、式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する。特定の一実施形態では、酸素化された活性化銅触媒は、式（ＦＸ１２）：
［式中、ｍ、ｎ、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｒ３、Ｒ４ Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りである］を有する。ある特定の実施形態では、例えば、酸素化された活性化銅触媒は、炭化水素を分子認識するための、例えばメタン、エタン、プロパンおよび／またはブタンを分子認識するための疎水性結合ポケットによって特徴付けられる構造を有する。
一実施形態では、酸素化された活性化銅触媒と炭化水素の反応によって、Ｏ原子が酸素化された活性化銅触媒から炭化水素に移動し、それによって酸化生成物が作製される。任意選択で、例えばＯ原子が炭化水素のＣ−Ｈ結合に挿入されると、例えばアルコール、ケトンまたはジオール反応生成物が作製される。一実施形態では、酸素化された活性化銅触媒と炭化水素の反応によって、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が作製され、この方法は、銅触媒を再生するために、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元するステップをさらに含む。一実施形態では、例えば、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物は、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する。一実施形態では、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物は、式（ＦＸ１３）：
［式中、ｍ、ｎ、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｒ３、Ｒ４ Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りである］を有する。特定の一実施形態では、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元するステップは、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元剤と接触させることによって達成される。任意選択で、例えば還元剤は、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２、ギ酸塩またはアスコルビン酸塩である。諸実施形態では、この方法で再生された銅触媒は、触媒方法において酸化剤の存在下で炭化水素と接触して、酸化生成物をさらに作製する。特定の一実施形態では、炭化水素は、メタン、エタンおよびプロパンであり、酸化生成物は、前記酸化剤の存在下で前記銅触媒と接触していると、それ以上酸化を受けない。一部の実施形態では、該方法は、１×１０−２秒−１またはそれを超える、任意選択でいくつかの適用では５×１０−２秒−１またはそれを超える回転頻度によって特徴付けられる。一部の実施形態では、該方法は、５０％またはそれを超える、任意選択でいくつかの適用では７５％またはそれを超える触媒効率によって特徴付けられる。
特定の実施形態では、銅触媒は、１つまたは複数の対イオンをさらに含み、例えば対イオンは、ＣｌＯ４ −またはＢＦ４ −からなる群から選択される。
本発明は、様々な炭化水素を酸化するのに有用な組成を有するクラスの銅触媒を提供する。一実施形態では、例えば、銅触媒の配位子（Ｌ）の組成は、炭化水素基質の分子認識に関する選択性および／または酸化生成物の組成に関する特異性を提供するように調整することができる。当業者には認識される通り、本明細書に記載の銅触媒のいずれも、本発明の方法および配合物において使用することができる。
一実施形態では、例えば本発明の方法および組成物は、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１およびＹ２のそれぞれがＮである、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む触媒を含む。ある特定の実施形態では、本発明の方法および組成物は、Ｒ１およびＲ５が一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成し、Ｒ２およびＲ６が、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成する、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む触媒を含む。一実施形態では、本発明の方法および組成物は、Ｒ７およびＲ８のそれぞれがエチル基である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む触媒を含む。ある特定の実施形態では、本発明の方法および組成物は、Ｒ７およびＲ８のそれぞれがメチル基である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む触媒を含む。諸実施形態では、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素またはＣ１〜Ｃ５アルキルである。特定の一実施形態では、本発明の方法および組成物は、Ｒ９が、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２または−ＣＯ（ＮＨ２）である、式（ＦＸ１）を有する配位子（Ｌ）を含む触媒を含む。
ある特定の実施形態では、銅触媒は、式（ＦＸ２）または（ＦＸ３）：
［式中、ｍ、ｎ、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｒ３、Ｒ４ Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りであり、任意選択でＲ７およびＲ８のそれぞれは、エチル基である］を有する配位子（Ｌ）を含む。一部の実施形態では、Ｒ７およびＲ８のそれぞれは、メチル基ではない。
ある特定の実施形態では、銅触媒は、式（ＦＸ４）または（ＦＸ５）：
［式中、Ｒ３、Ｒ４ Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りであり、任意選択でＲ７およびＲ８のそれぞれは、エチル基である］を有する配位子（Ｌ）を含む。一部の実施形態では、Ｒ７およびＲ８のそれぞれは、メチル基ではない。
ある特定の実施形態では、銅触媒は、式（ＦＸ６）または（ＦＸ７）：
［式中、Ｒ７およびＲ８は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りであり、任意選択でＲ７およびＲ８のそれぞれは、エチル基である］を有する配位子（Ｌ）を含む。一部の実施形態では、Ｒ７およびＲ８のそれぞれは、メチル基ではない。
ある特定の実施形態では、銅触媒は、式（ＦＸ８）：
を有する配位子（Ｌ）を含む。
ある特定の実施形態では、銅触媒は、式（ＦＸ９）、（ＦＸ１０）または（ＦＸ１１）：
［式中、ｍ、ｎ、Ｙ１、Ｙ２、Ｒ１〜Ｒ９は、（ＦＸ１）に関連して定義されている通りであり、任意選択でＲ７およびＲ８のそれぞれは、エチル基である］を有する配位子（Ｌ）を含む。一部の実施形態では、Ｒ７およびＲ８のそれぞれは、メチル基ではない。
本明細書で提供される銅触媒は、高度な位置特異性を伴って、過酸化をほとんど伴わず、または一部の実施形態では過酸化を全く伴わず、広範な炭化水素を酸化することができる。本発明の一部の銅触媒は、例えばアルカノンまたはアルカンジオール生成物を作製するのに過酸化をほとんどまたは全く伴わずに、メタノールなどのアルカノール酸化生成物にアルカンを酸化することができる。特定の配位子は、炭化水素基質の組成に関して、高い認識度を有する。
一実施形態では、炭化水素は、直鎖、分岐または環式アルカンまたはアルケンである。別の実施形態では、例えば、炭化水素は、Ｃ１〜Ｃ８アルカンまたはＣ１〜Ｃ８アルケンであり、任意選択で一部の実施形態ではＣ１〜Ｃ６アルカンまたはＣ１〜Ｃ６アルケンであり、任意選択で一部の実施形態ではＣ１〜Ｃ４アルカンまたはＣ１〜Ｃ４アルケンである。任意選択で、例えば炭化水素は、メタン、エタン、プロパンおよび／またはｎ−ブタンである。任意選択で、例えば炭化水素はメタンである。諸実施形態では、炭化水素は、気相、液相、溶液相またはこれらの組合せで提供される。
開示の触媒組成物は、本発明の触媒方法において有用な酸化剤に関して多用途である。特定の一実施形態では、例えば酸化剤は、１つまたは複数の二酸素種である。任意選択で、酸化剤は、Ｏ２、Ｈ２Ｏ２または空気である。諸実施形態では、酸化剤は、気相、液相、溶液相またはこれらの組合せで提供される。
本発明の触媒方法、組成物、および方法は、均一系触媒作用と不均一系触媒作用の両方を容易にすることができる。
一部の実施形態では、銅触媒は、均一系触媒である。例えば、諸実施形態では、銅触媒、酸化剤および炭化水素は、それぞれ溶媒に溶解され、酸化剤の存在下で炭化水素を銅触媒と接触させるステップは、溶媒、溶解した銅触媒、酸化剤および炭化水素を含む均一溶液中で行われる。
諸実施形態では、銅触媒は、不均一系触媒である。一部の実施形態では、銅触媒は、固体触媒担持足場の１つまたは複数の表面上に固定化されている。一実施形態では、触媒担持足場は、複数のメソ多孔性粒子である。ある特定の実施形態では、銅触媒は、ポリマー支持体、ガラスビーズ、または樹脂に共有結合によって付着している。一実施形態では、例えば固体触媒担持足場は、メソ多孔性材料を含み、銅触媒は、メソ多孔性材料を含む細孔ネットワークの表面上に提供される。一部の実施形態では、固体触媒担持足場は、メソ多孔性ケイ酸、メソ多孔性炭素、またはゾルゲルである。一実施形態では、メソ多孔性材料は、負電荷表面を作製して、銅触媒の固定化を達成するように官能化される。一実施形態では、例えばメソ多孔性材料は、Ａｌまたはアニオン性３−トリヒドロキシシリルプロピル（ｔｒｉｈｙｄｒｏｘｙｓｉｌｙｐｒｏｐｙｌ）−メチルホスホネート（ＴＰ）と接触することによって官能化される。
一部の実施形態では、例えば、溶液中の触媒の濃度は、０．１〜１０ｍＭの範囲、任意選択でいくつかの適用では１〜１０ｍＭの範囲から選択される。一部の実施形態では、溶液中の炭化水素の濃度は、０．０１〜１．０Ｍの範囲、任意選択でいくつかの適用では０．１〜０．５Ｍの範囲から選択される。一部の実施形態では、溶液中の酸化剤の濃度は、０．０５〜１Ｍの範囲、任意選択で一部の実施形態では０．０５〜０．２Ｍの範囲から選択される。一部の実施形態では、溶媒は、非水性溶媒、例えば極性または非極性の非水性溶媒である。特定の一実施形態では、溶媒は、ＭｅＣＮまたはフッ化炭化水素、例えばＣ２〜Ｃ２０フッ化炭素である。一実施形態では、１種または複数の溶媒は、Ｈ２Ｏではない。
本明細書に含有される触媒方法、組成物、および方法は、天然ガスから液体燃料への変換を含む様々な適用を支持する。触媒方法および組成物は、アルコール、ケトンおよびジオールを含む工業的および商業的に関係する材料の生成を含めた、様々な他の適用に有用である。一実施形態では、例えば、（ｉ）炭化水素は、メタンであり、酸化生成物は、メタノールであり、（ｉｉ）炭化水素は、エタンであり、酸化生成物は、エタノールであり、（ｉｉｉ）炭化水素は、プロパンであり、酸化生成物は、プロパノールであり、（ｉｖ）炭化水素は、ブタンであり、酸化生成物は、ブタノール、ブタノン、２，３−ブタンジオールであり、または（ｖ）これらの任意の組合せである。一実施形態では、触媒方法は、天然ガスを液体燃料に変換するためのものである。一実施形態では、該方法は、石油処理から派生する試料を含む石油試料における炭化水素を酸化するためのものである。一実施形態では、例えば、触媒方法は、天然ガス中のメタン、エタン、プロパンまたはブタンをアルカンヒドロキシル化するためのものである。諸実施形態では、天然ガスは、酸化剤として空気を使用して液体燃料に変換される。一実施形態では、例えば天然ガスは、アルコール、ケトン、ジオールまたはこれらの任意の組合せを含む液体燃料に変換される。一実施形態では、例えば、該方法は、液体燃料を、２５℃またはそれ未満の温度および１気圧またはそれ未満の圧力で作製するためのものである。一部の実施形態では、該方法は、酸化生成物を単離するステップをさらに含む。諸実施形態では、該方法は、銅触媒を回収するステップをさらに含む。
一実施形態では、本発明は、天然ガスを１種または複数の液体燃料に変換するための方法を提供する。一実施形態では、例えば本発明は、天然ガスを液体燃料に変換するための触媒方法を提供し、該方法は、（ｉ）天然ガス中のメタン、エタン、プロパンまたはブタンを、酸化剤の存在下で銅触媒と接触させ、それによってアルコール、ケトン、ジオールまたはこれらの任意の組合せを含む液体燃料を作製するステップと、（ｉｉ）銅触媒を再生するステップとを含み、ここで銅触媒は、３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
［式中、ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む。一実施形態では、例えば酸化剤は、空気である。
別の態様では、本発明は、炭化水素を酸化するための触媒配合物を提供する。一実施形態では、例えば本発明は、炭化水素を酸化して酸化生成物を作製するための触媒配合物を提供し、該配合物は、（ｉ）３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
［式中、ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む銅触媒と、（ｉｉ）銅触媒を活性化して、炭化水素と反応する酸素化された活性化銅触媒を作製して、酸化生成物および部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を作製するための酸化剤と、（ｉｉｉ）銅触媒を再生するために、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元するための還元剤とを含む。一実施形態では、例えば触媒配合物は、１種または複数の溶媒をさらに含む。一般に当業者に理解される通り、本明細書に記載の触媒組成物、酸化剤、還元剤および溶媒のいずれも、本発明の触媒配合物において使用することができる。一部の実施形態では、例えば、本発明の触媒配合物の銅触媒は、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する三核銅錯体を含む。諸実施形態では、例えば、本発明の触媒配合物の酸素化された活性化銅触媒は、式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する。諸実施形態では、例えば、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物は、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する。諸実施形態では、酸化剤は、Ｏ２、Ｈ２Ｏ２または空気である。さらに一部の実施形態では、還元剤は、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２、ギ酸塩またはアスコルビン酸塩である。任意選択で、一部の実施形態では、酸化剤および還元剤は、それぞれＨ２Ｏ２である。一実施形態では、本発明の触媒配合物は、実質的に精製された状態である。
別の態様では、本発明は、例えば化学合成に適用するための銅錯体組成物を提供する。一実施形態では、例えば本発明は、３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
［式中、ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、ただし、Ｒ１およびＲ５およびＲ２およびＲ６のそれぞれが、独立に合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を作製する場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれメチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれエチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれエチルではない］を有する配位子（Ｌ）を含む銅錯体を提供する。ある特定の実施形態では、銅錯体は、１つまたは複数の対イオンをさらに含む。諸実施形態では、銅錯体は、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する。諸実施形態では、銅錯体は、メタン、エタン、プロパン、またはブタンを分子認識するための疎水性結合ポケットによって特徴付けられる構造を有する。特定の一実施形態では、例えば、ｍおよびｎのそれぞれは、１であり、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、Ｎであり、Ｒ１およびＲ５は、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成する。任意選択で、例えばＲ７およびＲ８のそれぞれは、エチル基である。一実施形態では、本発明の銅錯体は、実質的に精製された状態である。
別の態様では、本発明は、式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、式（ＦＸ１）：
［式中、ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、ただし、Ｒ１およびＲ５およびＲ２およびＲ６のそれぞれが、独立に合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を作製する場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、ただし、Ｒ１およびＲ５およびＲ２およびＲ６のそれぞれが、独立に合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を作製する場合、Ｒ５およびＲ８は、それぞれエチルではなく、ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれメチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれエチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれエチルではない］を有する配位子である）を有する、酸素化された銅錯体を提供する。一実施形態では、酸素化された銅錯体は、式（ＦＸ１２）を有する。一部の実施形態では、酸素化された銅錯体は、炭化水素と反応して、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、配位子である）を有する部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を作製する。一実施形態では、例えば、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物は、式（ＦＸ１３）を有する。
いかなる特定の理論にも拘泥するものではないが、本明細書では、本明細書に開示のデバイスおよび方法に関係する根本的な原則の信念または理解について議論することができる。いかなる機構的説明または仮説の最終的な正当性にも関わらず、本発明の一実施形態は、効力を発揮し、有用となり得ると認識される。
図１は、本発明の実施例１において、室温で三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋によって触媒された、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）によるｎ−アルカン、シクロアルカンおよびシクロアルケンの酸化を示す図である。
図２は、本発明の実施例１において、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介された、Ｈ２Ｏ２による様々な炭化水素基質の酸化の時間経過を示す図である［Ｃａｔａｌ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、４巻、９３０〜９３５頁（２０１４年）］。
図３は、本発明の実施例１において、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介された、メタンの酸化に対するＨ２Ｏ２の量の効果を示す図である。
図４は、本発明の実施例１において分子触媒を再生するための、「犠牲的な」還元体としてのＨ２Ｏ２の存在下で、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介されたＯ２によるメタンの酸化における、生成サイクリング（Ａ）と不全（ａｂｏｒｔｉｖｅ）サイクリング（Ｂ）を比較する図である。［Ａｎｇｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｔ． Ｅｄ． ５２巻、３７３１〜３７３５頁（２０１３年）］。
図５は、本発明の実施例２において、周囲条件下でメタンを酸化するための不均一系触媒として使用されることになる、吸着量の多い細孔径５ｎｍのメソ多孔性ケイ酸ナノ粒子（ＭＳＮ）における［ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］４＋錯体、［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ３−Ｏ）（ＣｕＩＩ］７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］２＋錯体、［ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ（７−Ｅｈｐｐｚ）］４＋錯体、または［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ３−Ｏ）（ＣｕＩＩ］７−Ｅｈｐｐｚ）］２＋錯体の固定化手順を示す図である。
図６は、本発明の実施例２において、透過型電子顕微鏡および固体２９Ｓｉ核磁気共鳴分光法による、三核銅錯体を固定化するために使用したＭＳＮ−ｅｘ材料（細孔径５ｎｍ）の特徴付けを示す図である。
図７は、本発明の実施例２において、アニオン性３−トリヒドロキシシリルプロピル−メチルホスホネート（ＴＰ）を用いて負電荷表面を作製するか、またはＡｌをその枠組みに導入して、異なる表面酸性度および電荷を有するようにＭＳＮを官能化することを示す図、ならびにそれぞれＭＳＮ−ＴＰおよびＡｌ−ＭＳＮ３０−ｅｘ試料のＴＥＭ顕微鏡写真である。
図８は、本発明の実施例２において、周囲条件下で、ＭＳＮにおいて固定化された、完全に還元された三核銅錯体、その後のＯ２による活性化によって媒介されるメタンからメタノールへの変換、およびＨ２Ｏ２による触媒回転を研究するために使用した反応手順を示す図である。
図９は、本発明の実施例２において、様々な官能化ＭＳＮ試料において固定化された様々な三核銅錯体によって触媒されるメタンの酸化の時間経過を示す図である。
図１０は、Ｎａｔｕｒｅ ２００５年、４３４巻、１７７〜１８２頁においてＲ． Ｌ． Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ、Ａ． Ｃ． Ｒｏｓｅｎｚｗｅｉｇより報告され、Ａｃｃ． Ｃｈｅｍ． Ｒｅｓ．、４１巻（８号）、９６９〜９７９頁（２００８年）においてＳ． Ｉ． ＣｈａｎおよびＳ． Ｓ．−Ｆ． Ｙｕにより編集された、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）由来のｐＭＭＯのＸ線結晶構造を示す図である。３つのポリペプチドＰｍｏＡ、ＰｍｏＢ、およびＰｍｏＣの主鎖のリボンダイヤグラムを、単核銅中心（Ａ部位）、二核銅部位（Ｂ部位）、Ｚｎ部位（Ｃ部位）および空の親水性部位（Ｄ部位）と一緒に示す。
図１１は、Ｘ線結晶構造の部位Ｄ内に再構築されたキャッピング（μ３−Ｏ）を有するＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ錯体としてモデル化された三核銅クラスターの図である。ポリペプチドを、以下の通り色付し（ＰｍｏＡ、青色およびＰｍｏＣ、緑色）、３つのＣｕＩＩイオンと会合しているアミノ酸残基を以下の色で囲んだ（Ｃｕ１、赤色、Ｃｕ２、黒色、およびＣｕ３、青色）。［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年、１１９巻、２０３８〜２０４０頁；Ａｎｇｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｔ． Ｅｄ． ２００７年、４６巻、１９９２〜１９９４頁］。
図１２は、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）由来のｐＭＭＯの触媒部位を示す図である。［Ｐ． Ｐ．−Ｙ． Ｃｈｅｎ、Ｐ． Ｎａｇａｂａｂｕ、Ｓ． Ｓ．−Ｆ． Ｙｕ、Ｓ． Ｉ． Ｃｈａｎ、ＣｈｅｍＣａｔＣｈｅｍ ２０１４年、６巻、４２９〜４３７頁］。
図１３は、二酸素によるＣｕＩＣｕＩＣｕＩクラスターの活性化による、「一重項オキセン」の活用を示す図である。［Ｓ． Ｉ． Ｃｈａｎ、Ｋ． Ｈ．−Ｃ． Ｃｈｅｎ、Ｓ． Ｓ．−Ｆ． Ｙｕ、Ｃ．−Ｌ． Ｃｈｅｎ、Ｓ． Ｓ．−Ｊ． Ｋｕｏ、Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、４３巻、４４２１〜４４３０頁（２００４年）］。
図１４は、三核性ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ錯体の形成およびその後の酸素化を示す図である。
図１５は、二酸素によって活性化されたＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）錯体、すなわちＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）（ここで、７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚは、有機配位子３，３’−（１，４−ジアゼパン−１，４−ジイル）ビス［１−（４−エチルピペラジン−１−イル）プロパン−２−オール］を表す）のＣＰＫモデルおよび球棒モデルを示す図である。色コード−白色は水素、灰色は炭素、青色は窒素、赤色は酸素、褐色は銅である。［Ａｎｇｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｔ． Ｅｄ． ５２巻、３７３１〜３７３５頁（２０１３年）］。
図１６は、活性化三核銅クラスターの結合ポケットへの基質／生成物の結合に必要な、相補的な疎水性接触表面を示すために、二酸素によって活性化されたＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）錯体のＣＰＫモデルを、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンおよびシクロヘキサン、ならびにそれらのアルコール／ケトン生成物のＣＰＫモデルと比較する図である。［Ｃａｔａｌ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、４巻、９３０〜９３５頁（２０１４年）］。
図１７は、アセトニトリル中、三核銅触媒［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］１＋（Ｌは、式１に先に定義されている配位子である）によって容易に生じるメタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、およびシクロヘキセンの反応物および酸化生成物を示す図であり、過酸化水素は、酸化剤および還元剤の両方として作用する。［Ｃａｔａｌ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、４巻、９３０〜９３５頁（２０１４年）］。
図１８は、実施例４の実験条件における、様々な炭化水素の酸化の時間経過を示す図である。この図では、１時間にわたって炭化水素基質に移動した当量の酸素の測定値である回転数（ＴＯＮ）をプロットする。［Ｃａｔａｌ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、４巻、９３０〜９３５頁（２０１４年）］。
図１９は、７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ配位子の１Ｈ ＮＭＲ（Ａ）および１３Ｃ ＮＭＲ（Ｂ）スペクトルである。
図２０は、７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ配位子（Ａ）および酸素化［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２（Ｂ）のＦＡＢ質量スペクトルである。［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２種には、ピーク最大値ｍ／ｚ８４４ａｍｕを有するｍ／ｚ８４２〜８４８ａｍｕの範囲の複数のピークが割り当てられる。 図２０は、７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ配位子（Ａ）および酸素化［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２（Ｂ）のＦＡＢ質量スペクトルである。［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２種には、ピーク最大値ｍ／ｚ８４４ａｍｕを有するｍ／ｚ８４２〜８４８ａｍｕの範囲の複数のピークが割り当てられる。
図２１は、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）中、二酸素による［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）錯体の酸化によって形成された、［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２種の７７Ｋ ＥＰＲスペクトルである。
図２２のＡ）は、ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤペプチドおよびＣｕ（ＯＡｃ）２を用いて形成された銅錯体のＦＴ−ＩＣＲ ＥＳＩ−ＭＳである。上パネル：溶液中で形成された銅ペプチド種。下パネル：溶液および沈殿物中に観測された銅ペプチド種。天然ペプチド：ｍ／ｚ７１３．３（ｚ＝２）、Ｃｕ１−ペプチド：ｍ／ｚ７４３．８（ｚ＝２）、Ｃｕ２−ペプチド：ｍ／ｚ７７５．２（ｚ＝２）、およびＣｕ３−ペプチド：ｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２）。図２２のＢ）は、天然存在度の６３Ｃｕおよび６５Ｃｕ同位体（６３Ｃｕ６９．１７％、６５Ｃｕ３０．８３％）を含む、ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤペプチドを含むＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ錯体から生じる質量クラスターのｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２）におけるシミュレーション、ならびに実験による比較を示す図である。 図２２のＡ）は、ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤペプチドおよびＣｕ（ＯＡｃ）２を用いて形成された銅錯体のＦＴ−ＩＣＲ ＥＳＩ−ＭＳである。上パネル：溶液中で形成された銅ペプチド種。下パネル：溶液および沈殿物中に観測された銅ペプチド種。天然ペプチド：ｍ／ｚ７１３．３（ｚ＝２）、Ｃｕ１−ペプチド：ｍ／ｚ７４３．８（ｚ＝２）、Ｃｕ２−ペプチド：ｍ／ｚ７７５．２（ｚ＝２）、およびＣｕ３−ペプチド：ｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２）。図２２のＢ）は、天然存在度の６３Ｃｕおよび６５Ｃｕ同位体（６３Ｃｕ６９．１７％、６５Ｃｕ３０．８３％）を含む、ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤペプチドを含むＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ錯体から生じる質量クラスターのｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２）におけるシミュレーション、ならびに実験による比較を示す図である。
図２３は、いくつかの三核銅ペプチド錯体の７７Ｋ ＥＰＲスペクトルである。野生型ペプチド およびＨ４０Ｑ Ｍ４５Ａ変異ペプチド
を用いて形成された三核銅ペプチド錯体について、ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−クラスターＥＰＲシグナルを観測した。線形変化を伴う弱いシグナルが、Ｈ３８Ｑ変異ペプチド
について識別された。青色沈殿物を、ＥＰＲ測定のためにＫＣｌに分散させた（１重量％）。
図２４は、ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤ錯体について決定されたモル磁化率の温度依存性を示す図である。黒色四角は、実験データであり、赤色実線は、ＳＴ＝３／２の基底状態、交換相互作用Ｊ３５．４ｃｍ−１を伴うＣｕＩＩスピンの正三角形について導出されたχＭへのデータの最良フィットである。
図２５は、５．４当量のＣｕ（ＯＡｃ）２が存在する状態の、ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質の三核銅錯体のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳである。
図２６は、青色固体ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチドの沈殿物と白色ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体（野生型ペプチド）の沈殿物の間のＸＡＮＥＳ（パネルＡ）およびＥＸＡＦＳ（パネルＢ）の比較を示す図である。青色沈殿物の測定を、２７７Ｋにおいて実施した。白色沈殿物を、乾燥Ｎ２充填グローブボックス内で調製し、封止し、１００Ｋに維持した試料ホルダーに入れた。スペクトルは、１５回のスキャンの蓄積である。
図２７は、三核銅クラスターの配位子構造の最良フィットと一緒に、ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤペプチドを含むＣｕＩＣｕＩＣｕＩ錯体のフーリエ変換振幅ＦＴ［ｋ３χ（ｋ）］（白丸）およびフィット（実線曲線）を示す図である。挿入図は、フィットしたｋ３χ（ｋ）データを示す。また、ＥＸＡＦＳデータのフィットから推測される原子タイプの配位数を、結晶構造のＤ部位内に再構築された三核銅クラスターモデルから予測される配位数と比較する［８］。適合度因子Ｒｆｉｔは、０．３％であった。
図２８は、三核銅ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）１＋錯体によって媒介される、Ｏ２によるメタンの酸化を示す図である。Ａ）メタノールの形成を、ＧＣによって分析する（保持時間：５．５分）。（挿入図）ＣＨ３ＯＨへの生成物ピークの割当てを、ＧＣ−ＭＳによって検証し、その質量分布をＣＨ３ＯＨ標準の質量分布と比較する。Ｂ）メタンの酸化の時間経過。（挿入図）速度定数ｋ１＝０．０６４６分−１を有する擬似一次動態プロットであり（Ｃ０は、完全に還元された三核銅錯体の初期濃度を表し、Ｃは、任意の所与の時間において生成されたメタノールの濃度を表す）、データに最良の直線をフィットさせた。Ｃ）「使用済み」触媒を再生するために添加されるＨ２Ｏ２の量（当量）の関数としてのＴＯＮを示す触媒回転。（挿入図）２０当量のＨ２Ｏ２が存在する状態の、三核銅錯体の複数回転による触媒的メタンヒドロキシル化の時間経過。
図２９は、三核銅ペプチド錯体の特徴付けを示す図である。Ａ）固体ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体のＦＡＢ ＭＳ。Ｃｕ３−ペプチド錯体と会合している質量クラスターを、強調した。Ｂ）ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体の７７Ｋ ＥＰＲスペクトル。青色沈殿物を、ＥＰＲ測定のためにＫＣｌに分散させた（１重量％）。
図３０は、三核銅クラスターの配位子構造の最良フィット（左挿入図）と一緒に、ペプチド配列ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤＰＤを有するＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質について観測されたＣｕ ＫエッジＥＸＡＦＳの図である。右挿入図は、フィットしたｋ３χ（ｋ）データを示す。また、配位子構造から予測される平均配位数（ＣＮ）を示す。
化合物および命名法に関する説明
一実施形態では、本発明の組成物または化合物、例えば銅触媒組成物または配合物は、単離され、または実質的に精製される。一実施形態では、単離または精製された化合物は、当技術分野で理解され得る通り、少なくとも部分的に単離され、または実質的に精製されている。一実施形態では、本発明の実質的に精製された組成物、化合物または配合物は、９５％の化学的純度を有し、任意選択でいくつかの適用では９９％、任意選択でいくつかの適用では９９．９％、任意選択でいくつかの適用では９９．９９％、任意選択でいくつかの適用では９９．９９９％純粋である。
本明細書に開示の分子の多くは、１つまたは複数のイオン化できる基を含有する。イオン化できる基には、プロトンが除去され得る基（例えば、−ＣＯＯＨ）またはプロトンが添加され得る基（例えば、アミン）、および四級化され得る基（例えば、アミン）が含まれる。このような分子およびそれらの塩のあらゆる可能なイオン形態は、本明細書の開示に個々に含まれるものとする。本明細書の化合物の塩に関して、当業者は、所与の適用に合わせて本発明の塩を調製するのに適した、利用可能な多種多様な対イオンの中から選択することができる。特定の適用において、塩を調製するための所与のアニオンまたはカチオンの選択によって、その塩の溶解性が増大または低下する場合がある。
本発明の化合物は、１つまたは複数のキラル中心を含有することができる。したがって本発明は、ラセミ混合物、ジアステレオマー（ｄｉａｓｔｅｒｏｍｅｒ）、鏡像異性体、互変異性体、および１つまたは複数の立体異性体が濃縮された混合物を含むものとする。記載され、特許請求される本発明の範囲は、化合物のラセミ形態、ならびにそれらの個々の鏡像異性体および非ラセミ混合物を網羅する。
本明細書で使用される場合、用語「基」は、化合物の官能基を指すことができる。本発明の化合物の基は、化合物の一部である原子または原子の集まりを指す。本発明の基は、１つまたは複数の共有結合を介して化合物の他の原子に付着することができる。また基は、それらの原子価状態に関して特徴付けることができる。本発明は、一価、二価、三価等の原子価状態として特徴付けられる基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「置換されている」は、水素が別の官能基によって置き換えられている化合物を指す。
通例であり、当技術分野で周知の通り、式（ＦＸ１）〜（ＦＸ１３）の水素原子は、常に明確に示されているわけではなく、例えばアルキレン基および／または脂環式環の炭素原子に結合している水素原子は、式（ＦＸ１）〜（ＦＸ１３）において常に明確に示されているわけではない。例えば式（ＦＸ１）〜（ＦＸ１３）の説明の文脈において本明細書で提示されている構造は、本発明の方法および組成物の化合物の化学組成を当業者に伝えることを企図し、当業者に理解される通り、提供されている構造は、これらの化合物の原子の特定の位置および原子間の結合角を示していない。
アルキル基には、直鎖、分岐および環式アルキル基が含まれる。アルキル基には、１〜３０個の炭素原子を有するアルキル基が含まれる。アルキル基には、１〜３個の炭素原子を有する低分子アルキル基が含まれる。アルキル基には、４〜１０個の炭素原子を有する中程度の長さのアルキル基が含まれる。アルキル基には、１０個を超える炭素原子を有する長いアルキル基、特に１０〜３０個の炭素原子を有するアルキル基が含まれる。シクロアルキルという用語は、具体的には、１つまたは複数の環を有するアルキル基を含む、３〜３０個の炭素原子、任意選択で３〜２０個の炭素原子、任意選択で２〜１０個の炭素原子を含む環構造などの環構造を有するアルキル（ａｌｋｙ）基を指す。シクロアルキル基には、３員、４員、５員、６員、７員、８員、９員または１０員の炭素環（複数可）を有するもの、特に３員、４員、５員、６員、７員または８員環（複数可）を有するものが含まれる。また、シクロアルキル基における炭素環は、アルキル基を保有することができる。シクロアルキル基には、二環式およびトリシクロアルキル基が含まれ得る。アルキル基は、任意選択で置換されている。置換アルキル基には、中でもアリール基で置換されているものが含まれ、このアリール基は、任意選択で置換されていてもよい。具体的なアルキル基には、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソ−プロピル、シクロプロピル、ｎ−ブチル、ｓ−ブチル、ｔ−ブチル、シクロブチル、ｎ−ペンチル、分岐−ペンチル、シクロペンチル、ｎ−ヘキシル、分岐ヘキシル、およびシクロヘキシル基が含まれ、これらはすべて任意選択で置換されている。置換アルキル基には、完全ハロゲン化または半ハロゲン化アルキル基、例えば１つまたは複数のフッ素原子、塩素原子、臭素原子および／またはヨウ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有するアルキル基が含まれる。置換アルキル基には、完全フッ素化または半フッ素化アルキル基、例えば１つまたは複数のフッ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有するアルキル基が含まれる。アルコキシ基は、酸素との連結によって修飾されているアルキル基であり、式Ｒ−Ｏによって表すことができ、アルキルエーテル基と呼ぶこともできる。アルコキシ基の例として、それに限定されるものではないが、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシおよびヘプトキシが挙げられる。アルコキシ基には、アルキル基の説明に関連して基のアルキル部分が本明細書で提示されている通り置換されている、置換アルコキシ基が含まれる。本明細書で使用される場合、ＭｅＯ−は、ＣＨ３Ｏ−を指す。
アルケニル基には、直鎖、分岐および環式アルケニル基が含まれる。アルケニル基には、１つ、２つまたはそれを超える二重結合を有するアルケニル基、および２つまたはそれを超える二重結合が、コンジュゲートした二重結合であるアルケニル基が含まれる。アルケニル基には、２〜２０個の炭素原子を有するアルケニル基が含まれる。アルケニル基には、２〜３個の炭素原子を有する低分子アルケニル基が含まれる。アルケニル基には、４〜１０個の炭素原子を有する中程度の長さのアルケニル基が含まれる。アルケニル基には、１０個を超える炭素原子を有する長いアルケニル基、特に１０〜２０個の炭素原子を有するアルケニル基が含まれる。シクロアルケニル基には、二重結合が、環中または環に付着しているアルケニル基中に存在するシクロアルケニル基が含まれる。シクロアルケニルという用語は、具体的には、３員、４員、５員、６員、７員、８員、９員または１０員の炭素環（複数可）を有するアルケニル基、特に３員、４員、５員、６員、７員または８員環（複数可）を有するアルケニル基を含む、環構造を有するアルケニル基を指す。また、シクロアルキル基における炭素環は、アルキル基を保有することができる。シクロアルケニル基には、二環式および三環式アルケニル基が含まれ得る。アルケニル基は、任意選択で置換されている。置換アルケニル基には、中でもアルキル基またはアリール基で置換されているものが含まれ、これらの基は、任意選択で置換されていてもよい。具体的なアルケニル基には、エテニル、プロパ−１−エニル、プロパ−２−エニル、シクロプロパ−１−エニル、ブタ−１−エニル、ブタ−２−エニル、シクロブタ−１−エニル、シクロブタ−２−エニル、ペンタ−１−エニル、ペンタ−２−エニル、分岐ペンテニル、シクロペンタ−１−エニル、ヘキサ−１−エニル、分岐ヘキセニル、シクロヘキセニルが含まれ、これらはすべて任意選択で置換されている。置換アルケニル基には、完全ハロゲン化または半ハロゲン化アルケニル基、例えば１つまたは複数のフッ素原子、塩素原子、臭素原子および／またはヨウ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有するアルケニル基が含まれる。置換アルケニル基には、完全フッ素化または半フッ素化アルケニル基、例えば１つまたは複数のフッ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素原子を有するアルケニル基が含まれる。
アリール基には、複素環式芳香環を含む１つまたは複数の５員、６員、７員または８員の芳香環を有する基が含まれる。ヘテロアリールという用語は、具体的には、少なくとも１つの５員、６員、７員または８員の複素環式芳香環を有するアリール基を指す。アリール基は、１つもしくは複数の縮合芳香族複素環を含む１つもしくは複数の縮合芳香環、および／または共有結合を介して縮合もしくは連結していてもよい１つもしくは複数の芳香環および１つもしくは複数の非芳香環の組合せを含有することができる。複素環式芳香環は、環中に１つまたは複数のＮ、ＯまたはＳ原子を含むことができる。複素環式芳香環には、１つ、２つもしくは３つのＮ原子を有するもの、１つもしくは２つのＯ原子を有するもの、および１つもしくは２つのＳ原子を有するもの、または１つもしくは２つもしくは３つのＮ、ＯもしくはＳ原子の組合せを有するものが含まれ得る。アリール基は、任意選択で置換されている。置換アリール基には、中でもアルキル基またはアルケニル基で置換されているものが含まれ、これらの基は、任意選択で置換されていてもよい。具体的なアリール基には、フェニル、ビフェニル基、ピロリジニル、イミダゾリジニル、テトラヒドロフリル、テトラヒドロチエニル、フリル、チエニル、ピリジル、キノリル、イソキノリル、ピリダジニル、ピラジニル、インドリル、イミダゾリル、オキサゾリル、チアゾリル、ピラゾリル、ピリジニル、ベンゾオキサジアゾリル、ベンゾチアジアゾリル、およびナフチル基が含まれ、これらはすべて任意選択で置換されている。置換アリール基には、完全ハロゲン化または半ハロゲン化アリール基、例えば１つまたは複数のフッ素原子、塩素原子、臭素原子および／またはヨウ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有するアリール基が含まれる。置換アリール基には、完全フッ素化または半フッ素化アリール基、例えば１つまたは複数のフッ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有するアリール基が含まれる。アリール基には、それに限定されるものではないが、ベンゼン、ナフタレン、ナフトキノン、ジフェニルメタン、フルオレン、アントラセン、アントラキノン、フェナントレン、テトラセン、テトラセンジオン、ピリジン、キノリン、イソキノリン、インドール、イソインドール、ピロール、イミダゾール、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、ピラジン、ピリミジン、プリン、ベンズイミダゾール、フラン、ベンゾフラン、ジベンゾフラン、カルバゾール、アクリジン、アクリドン、フェナントリジン、チオフェン、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、キサンテン、キサントン、フラボン、クマリン、アズレンまたはアントラサイクリンのいずれか１つに相当する、芳香族基を含有するまたは複素環式（ｈｅｔｅｒｏｃｙｌｉｃ）芳香族基を含有する基が含まれる。本明細書で使用される場合、先に明確に列挙した基に相当する基には、本発明の化合物において任意の適切な付着点で共有結合している立体構造で提供される、本明細書に列挙した芳香族および複素環式芳香族基の一価、二価および多価の基を含む芳香族基または複素環式芳香族基が含まれる。諸実施形態では、アリール基は、５〜３０個の炭素原子を含有する。諸実施形態では、アリール基は、１つの芳香族または複素芳香族の６員環、および１つまたは複数の追加の５員または６員の芳香環または芳香族複素環を含有する。諸実施形態では、アリール基は、環中に５〜１８個の炭素原子を含有する。アリール基は、任意選択で、置換基として提供されている１つまたは複数の電子供与基、電子求引基および／または標的配位子を有する１つまたは複数の芳香環または複素環式芳香環を有する。
アリールアルキル基は、１つまたは複数のアリール基で置換されているアルキル基であり、ここでアルキル基は、任意選択で追加の置換基を保有し、アリール基は、任意選択で置換されている。具体的なアルキルアリール基は、フェニルで置換されているアルキル基、例えばフェニルメチル基である。あるいはアルキルアリール基は、１つまたは複数のアルキル基で置換されているアリール基として説明され、ここでアルキル基は、任意選択で追加の置換基を保有し、アリール基は、任意選択で置換されている。具体的なアルキルアリール基は、アルキル置換フェニル基、例えばメチルフェニルである。置換アリールアルキル基には、完全ハロゲン化または半ハロゲン化アリールアルキル基、例えば１つまたは複数のフッ素原子、塩素原子、臭素原子および／またはヨウ素原子で置き換えられている１つまたは複数の水素を有する１つまたは複数のアルキル基および／またはアリール基を有するアリールアルキル基が含まれる。
本明細書で使用される場合、用語「アルキレン」および「アルキレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるアルキル基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のアルキレン基を有する化合物を含む。いくつかの化合物におけるアルキレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ１〜Ｃ２０アルキレン、Ｃ１〜Ｃ１０アルキレンおよびＣ１〜Ｃ５アルキレン基を有することができる。
本明細書で使用される場合、用語「シクロアルキレン」および「シクロアルキレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるシクロアルキル基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のシクロアルキレン基を有する化合物を含む。いくつかの化合物におけるシクロアルキル基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルキレン、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキレンおよびＣ３〜Ｃ５シクロアルキレン基を有することができる。
本明細書で使用される場合、用語「アリーレン」および「アリーレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるアリール基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のアリーレン基を有する化合物を含む。一部の実施形態では、アリーレンは、アリール基の芳香環の２つの環内炭素原子から水素原子を除去することによって、アリール基から派生する二価の基である。いくつかの化合物におけるアリーレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。いくつかの化合物におけるアリーレン基は、発色団、フルオロフォア、芳香族アンテナ、色素および／またはイメージング基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ３〜Ｃ３０アリーレン、Ｃ３〜Ｃ２０アリーレン、Ｃ３〜Ｃ１０アリーレンおよびＣ１〜Ｃ５アリーレン基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「ヘテロアリーレン」および「ヘテロアリーレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるヘテロアリール基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のヘテロアリーレン基を有する化合物を含む。一部の実施形態では、ヘテロアリーレンは、ヘテロアリール基の複素芳香環または芳香環の２つの環内炭素原子または環内窒素原子から水素原子を除去することによって、ヘテロアリール基から派生する二価の基である。いくつかの化合物におけるヘテロアリーレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。いくつかの化合物におけるヘテロアリーレン基は、発色団、芳香族アンテナ、フルオロフォア、色素および／またはイメージング基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ３〜Ｃ３０ヘテロアリーレン、Ｃ３〜Ｃ２０ヘテロアリーレン、Ｃ１〜Ｃ１０ヘテロアリーレンおよびＣ３〜Ｃ５ヘテロアリーレン基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「アルケニレン」および「アルケニレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるアルケニル基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のアルケニレン基を有する化合物を含む。いくつかの化合物におけるアルケニレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ２〜Ｃ２０アルケニレン、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニレンおよびＣ２〜Ｃ５アルケニレン基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「シクロアルケニレン（ｃｙｌｃｏａｌｋｅｎｙｌｅｎｅ）」および「シクロアルケニレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるシクロアルケニル（ｃｙｌｃｏａｌｋｅｎｙｌ）基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のシクロアルケニレン基を有する化合物を含む。いくつかの化合物におけるシクロアルケニレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ３〜Ｃ２０シクロアルケニレン、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニレンおよびＣ３〜Ｃ５シクロアルケニレン基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「アルキニレン」および「アルキニレン基」は、同義で使用され、本明細書で定義されるアルキニル基から派生する二価の基を指す。本発明は、１つまたは複数のアルキニレン基を有する化合物を含む。いくつかの化合物におけるアルキニレン基は、付着基および／またはスペーサー基として機能する。本発明の化合物は、置換および／または非置換Ｃ２〜Ｃ２０アルキニレン、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニレンおよびＣ２〜Ｃ５アルキニレン基を含む。
本明細書で使用される場合、用語「ハロ」は、ハロゲン基、例えばフルオロ（−Ｆ）、クロロ（−Ｃｌ）、ブロモ（−Ｂｒ）、ヨード（−Ｉ）またはアスタト（−Ａｔ）を指す。
用語「複素環式」は、環中の炭素に加えて、少なくとも１つの他の種類の原子を含有する環構造を指す。このようなヘテロ原子の例として、窒素、酸素および硫黄が挙げられる。複素環式環には、複素環式脂環式環および複素環式芳香環が含まれる。複素環式環の例として、それに限定されるものではないが、ピロリジニル、ピペリジル、イミダゾリジニル、テトラヒドロフリル、テトラヒドロチエニル、フリル、チエニル、ピリジル、キノリル、イソキノリル、ピリダジニル、ピラジニル、インドリル、イミダゾリル、オキサゾリル、チアゾリル、ピラゾリル、ピリジニル、ベンゾオキサジアゾリル、ベンゾチアジアゾリル、トリアゾリルおよびテトラゾリル基が挙げられる。複素環式環の原子は、例えば置換基として提供される広範な他の原子および官能基に結合することができる。
用語「炭素環式」は、環中に炭素原子だけを含有している環構造を指す。炭素環式環の炭素原子は、例えば置換基として提供される広範な他の原子および官能基に結合することができる。
用語「脂環式環」は、芳香環ではない環または複数の縮合環を指す。脂環式環には、炭素環式環および複素環式環の両方が含まれる。
用語「芳香環」は、少なくとも１つの芳香環基を含む環または複数の縮合環を指す。芳香環という用語には、炭素、水素およびヘテロ原子を含む芳香環が含まれる。芳香環には、炭素環式および複素環式芳香環が含まれる。芳香環は、アリール基の構成成分である。
用語「縮合環」または「縮合環構造」は、少なくとも２つの環内炭素原子および／またはヘテロ原子を共有する縮合環などの縮合環立体構造で提供される、複数の脂環式環および／または芳香環を指す。
本明細書で使用される場合、用語「アルコキシアルキル」は、式アルキル−Ｏ−アルキルの置換基を指す。
本明細書で使用される場合、用語「ポリヒドロキシアルキル」は、２〜１２個の炭素原子および２〜５個のヒドロキシル基を有する置換基、例えば２，３−ジヒドロキシプロピル、２，３，４−トリヒドロキシブチルまたは２，３，４，５−テトラヒドロキシペンチル残基を指す。
本明細書で使用される場合、用語「ポリアルコキシアルキル」は、式アルキル−（アルコキシ）ｎ−アルコキシ（ｎは、整数１〜１０、好ましくは１〜４、一部の実施形態ではより好ましくは１〜３である）の置換基を指す。
アミノ酸には、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン、グルタミン、グリシン、セリン、スレオニン、セリン、アスパラギン、グルタミン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジン、アスパラギン酸、グルタミン酸、セレノシステインおよびピロリシンが含まれる。本明細書で使用される場合、「天然のα−アミノ酸の側鎖残基」への言及には、具体的には、先に言及したアミノ酸の側鎖が含まれる。
１つまたは複数の置換基を含有する本明細書に記載の基のいずれに関しても、このような基は、立体的に非実用的な、かつ／または合成で実現不可能ないかなる置換または置換パターンも含有しないと理解される。さらに本発明の化合物は、これらの化合物の置換から生じるあらゆる立体化学的な異性体を含む。アルキル基の任意選択の置換には、１つまたは複数のアルケニル基、アリール基またはその両方による置換が含まれ、ここでアルケニル基またはアリール基は、任意選択で置換されている。アルケニル基の任意選択の置換には、１つまたは複数のアルキル基、アリール基またはその両方による置換が含まれ、ここでアルキル基またはアリール基は、任意選択で置換されている。アリール基の任意選択の置換には、１つまたは複数のアルキル基、アルケニル基またはその両方によるアリール環の置換が含まれ、ここでアルキル基またはアルケニル基は、任意選択で置換されている。
任意のアルキル、アルケニルおよびアリール基の任意選択の置換基には、中でも、以下の置換基の１つまたは複数による置換が含まれる。
フッ素、塩素、臭素またはヨウ素を含むハロゲン；
−ＣＮを含む擬ハロゲン化物；
−ＣＯＯＲ（Ｒは、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらの基はすべて、任意選択で置換されている）；
−ＣＯＲ（Ｒは、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらの基はすべて、任意選択で置換されている）；
−ＣＯＮ（Ｒ）２（各Ｒは、他の各Ｒとは独立に、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらの基はすべて、任意選択で置換されており、ＲおよびＲは、１つまたは複数の二重結合を含有することができ、１つまたは複数の追加の炭素原子を含有することができる環を形成することができる）；
−ＯＣＯＮ（Ｒ）２（各Ｒは、他の各Ｒとは独立に、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらの基はすべて、任意選択で置換されており、ＲおよびＲは、１つまたは複数の二重結合を含有することができ、１つまたは複数の追加の炭素原子を含有することができる環を形成することができる）；
−Ｎ（Ｒ）２（各Ｒは、他の各Ｒとは独立に、水素またはアルキル基またはアシル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、フェニルまたはアセチル基であり、これらはすべて任意選択で置換されており、ＲおよびＲは、１つまたは複数の二重結合を含有することができ、１つまたは複数の追加の炭素原子を含有することができる環を形成することができる）；
−ＳＲ（Ｒは、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらは任意選択で置換されている）；
−ＳＯ２Ｒ、または−ＳＯＲ（Ｒは、アルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらはすべて任意選択で置換されている）；
−ＯＣＯＯＲ（Ｒは、アルキル基またはアリール基である）；
−ＳＯ２Ｎ（Ｒ）２（各Ｒは、他の各Ｒとは独立に、水素またはアルキル基またはアリール基であり、これらはすべて任意選択で置換されており、ＲおよびＲは、１つまたは複数の二重結合を含有することができ、１つまたは複数の追加の炭素原子を含有することができる環を形成することができる）；
−ＯＲ（Ｒは、Ｈ、アルキル基、アリール基またはアシル基であり、これらはすべて任意選択で置換されている。特別な一例では、Ｒは、−ＯＣＯＲ’’を生じるアシルであってよく、ここでＲ’’は、水素またはアルキル基またはアリール基であり、より具体的には、Ｒ’’は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、またはフェニル基であり、これらの基はすべて、任意選択で置換されている）。
特定の置換アルキル基には、ハロアルキル基、特にトリハロメチル基が含まれ、具体的にはトリフルオロメチル基が含まれる。具体的な置換アリール基には、モノ、ジ、トリ、テトラおよびペンタ−ハロ置換フェニル基；モノ、ジ、トリ、テトラ、ペンタ、ヘキサ、およびヘプタ−ハロ置換ナフタレン基；３−または４−ハロ置換フェニル基、３−または４−アルキル置換フェニル基、３−または４−アルコキシ置換フェニル基、３−または４−ＲＣＯ置換フェニル、５−または６−ハロ置換ナフタレン基が含まれる。より具体的には、置換アリール基には、アセチルフェニル基、特に４−アセチルフェニル基、フルオロフェニル基、特に３−フルオロフェニルおよび４−フルオロフェニル基、クロロフェニル基、特に３−クロロフェニルおよび４−クロロフェニル基、メチルフェニル基、特に４−メチルフェニル基、ならびにメトキシフェニル基、特に４−メトキシフェニル基が含まれる。
１つまたは複数の置換基を含有する先の基のいずれに関しても、このような基は、立体的に非実用的な、かつ／または合成で実現不可能ないかなる置換または置換パターンも含有しないと理解される。さらに、本発明の化合物は、これらの化合物の置換から生じるあらゆる立体化学的な異性体を含む。
本発明の化合物は、１つまたは複数のキラル中心を含有することができる。したがって本発明は、ラセミ混合物、ジアステレオマー、鏡像異性体、互変異性体、および１つまたは複数の立体異性体が濃縮された混合物を含むものとする。記載され、特許請求される本発明の範囲は、化合物のラセミ形態、ならびにそれらの個々の鏡像異性体および非ラセミ混合物を網羅する。
一般に、本明細書で使用される用語および句は、当該技術分野において認識されているそれらの意味を有し、それらの意味は、当業者に公知の標準書、雑誌の参考文献および文脈を参照することによって見出すことができる。以下の定義は、本発明の文脈におけるそれらの特定の使用を明確にするために提供される。
酸化は、一般に、１つもしくは複数の電子の喪失、または分子もしくはイオンにおける原子もしくは原子群の酸化状態の増大を伴うプロセスを指す。酸化は、酸化還元反応（すなわち、レドックス反応）の酸化半反応を指すことができる。酸化は、酸化剤による酸化を受け、それによって、酸化を受ける反応物と比較してより高い酸化状態によって特徴付けられる、１つまたは複数の原子を有する酸化生成物が生じる反応物の反応を含むことができる。一部の実施形態では、例えば酸化は、アルコール、ケトンまたはジオールを生じる炭化水素の酸化などにおいて、酸素含有生成物を形成する。
「酸化生成物」は、酸化反応の反応生成物を指す。酸化生成物は、酸化を受ける反応物の酸化状態と比較してより高い酸化状態を有する１つまたは複数の原子によって特徴付けることができる。例えば、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素基質を酸化して、酸化生成物であるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を形成することができる。
「銅錯体」は、１つまたは複数の配位子に結合している１つまたは複数の銅原子または銅イオンを含む組成物を指す。一部の実施形態では、銅錯体は、１つまたは複数の配位子によって取り囲まれた銅イオンを含む配位錯体を指す。本発明は、１つまたは複数の配位子（Ｌ）と結合するか、またはそれ以外の方法で会合している３つのＣｕイオンを含む三核銅錯体を含む。
「触媒」は、１つまたは複数の反応物の１つまたは複数の化学反応速度を増大させ、化学反応では消費されない組成物を指す。一部の実施形態では、例えば触媒は、化学反応の活性化エネルギーを低減させ、それによって遷移状態を達成するためのエネルギーが少なくて済む。触媒は、反応順序における複数の化学変換に関与し、それによって反応物から生成物への全体的な変換速度を増大させることができる。一部の実施形態では、本発明は、炭化水素を酸化するための触媒、例えば三核銅錯体を含む銅触媒を提供する。
「部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物」は、完全に酸化されておらず、反応生成物として形成され、例えば酸素化された活性化銅触媒と炭化水素の反応生成物として形成される三核銅錯体を指す。一実施形態では、例えば、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物は、酸素化された活性化銅触媒の酸化状態よりも低い酸化状態を有する１つまたは複数の原子によって特徴付けられる。
本発明を、以下の実施形態を用いてさらに説明するが、これらの実施形態は、本発明の範囲を制限するものではない。
分子触媒の構造
本発明は、炭化水素を酸化するのに有用な、三核銅錯体を含む銅触媒を提供する。
一実施形態では、本発明の分子触媒における三核銅錯体は、「［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］１＋」と表すことができる（「ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ」は、三核銅クラスターを意味し、「Ｌ」は、先の式（１）によって表される配位子を意味する）。また分子触媒は、対イオン、例えばＣｌＯ４ −またはＢＦ４ −を含み得る。
一実施形態では、配位子を表す先の式（１）において、Ｘ、Ｙ＝Ｎ、Ｒ１およびＲ２は、一緒になってエチレン基を形成し、それらと結合するエチレンジアミン部分と共に６員環（ピペラジン環）を形成し、またＲ１’およびＲ２’は、一緒になってエチレン基を形成し、Ｒ３およびＲ３’は、エチルであり、Ｒ４、Ｒ４’およびＲ５は、水素である。このような配位子は、以下「７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ」と呼ばれ、式（２）によって表される。
それに限定されるものではないが、スキーム１に図示した有機配位子に基づくものを含む多くの三核銅錯体を、様々な炭化水素を酸化するための分子触媒として構築し、評価した。
分子触媒を用いて炭化水素を酸化する方法
炭化水素を酸化する本発明の方法では、炭化水素および酸化剤を分子触媒と接触させて、炭化水素の少なくとも１つの酸化生成物を形成する。
酸化剤の例として、二酸素（Ｏ２）、空気、およびＨ２Ｏ２が挙げられる。
炭化水素が気体状態である場合、炭化水素を、分子触媒を含有する溶媒に溶解して、分子触媒と接触させることができ、または分子触媒と直接接触させることができる。このような炭化水素の例として、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、ならびに約７０〜９０％のメタンおよび約０〜３０％のエタン、プロパンおよびｎ−ブタンを含有する天然ガスが挙げられる。炭化水素が液体状態である場合、炭化水素を、分子触媒を含有する溶媒に溶解して、分子触媒と接触させることができ、または純粋な液体状態で分子触媒と直接接触させることができる。このような炭化水素の例として、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、およびシクロヘキセンが挙げられる。
先の溶媒の一例は、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）である。
本発明の方法の一実施形態では、酸化される炭化水素は、分子触媒を含有する有機溶媒に添加され（方法１：均一系触媒）、またはＭＳＮにおいて固定化されている分子触媒を含有する有機溶媒に添加され（方法２：不均一系触媒）、空気もしくはＯ２、またはＨ２Ｏ２などの液体酸化剤は、次にまたは同時に溶液に添加される。
分子触媒の触媒作用機序
一実施形態では、酸化剤がＯ２である場合、三核銅クラスターは、次式によって表される通り、最初にＯ２によって活性化される。
［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］１＋＋Ｏ２→［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］１＋（ｋ１、急速）。
酸化剤がＨ２Ｏ２である場合、三核銅クラスターは、次式によって表される通り、最初にＨ２Ｏ２によって活性化される。
［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］１＋＋Ｈ２Ｏ２→［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩ（Ｌ）］１−＋２Ｈ＋（ｋ１ａ、急速）
［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩ（Ｌ）］１−＋Ｈ２Ｏ２→［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］１＋＋２ＯＨ−（ｋ１ｂ、急速）。
次に、中間体［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］１＋は、炭化水素と反応して、酸素原子の１つが炭化水素に移動し、酸化生成物は、分子触媒の追加の触媒サイクルを介して酸化剤によってさらに酸化され得る。
酸化剤がＨ２Ｏ２である場合、先の反応は、スキーム２によって表すことができ、ここで基質Ａは、オキソ基質Ｂに酸化され、その後転位を受けて生成物Ｃを生成し、またはＨ２Ｏ２による直接的な酸化をさらに受けて、Ｄを生成する。
本発明の触媒および触媒方法の具体的な態様をさらに例示するために、以下にいくつかの実施例を提示するが、これらの実施例は、本発明の範囲を制限するものではない。
（実施例１）均一系触媒作用
この実施例では、本発明の例示的な均一系触媒組成物、配合物および方法を説明する。この実施例で使用される分子触媒は、本発明の第１の実施形態による［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）である。
この実施例では、２２．７μモル（１当量）の［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋を使用して、６０ｍｌのガラス試料瓶中、室温においてＭｅＣＮ（またはＥｔＣＮ）３ｍｌ中Ｈ２Ｏ２による様々な炭化水素の酸化を触媒した。研究した炭化水素には、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンが含まれており、ここでｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンは液体であった。これらの液体基質のそれぞれは、あらゆる割合でＭｅＣＮとは混和しなかったが、十分な溶解性を有しており、基質酸化は、三核銅触媒を含有する溶媒に適量の炭化水素を添加し、その後、所望の量のＨ２Ｏ２を添加することによって開始することができ、溶液を激しく混合した。
これらの炭化水素に関するデータを、各場合、１１．３ミリモル（５００当量）の炭化水素を用いて得、実験では３３％水溶液由来の２００当量のＨ２Ｏ２によって回転を行った。メタン、エタン、プロパンおよびｎ−ブタンの場合、ガラス試料瓶を、最初にゴムキャップで密封し、脱気した後、これらのガス基質の１つ（１００ｍｌのＮＴＰまたは４．１７×１０−３モル、約２００当量）を、ガスシリンジを使用して三核銅触媒を含有する溶媒に注入した。次に、３３％水溶液由来の２．２７ミリモルのＨ２Ｏ２（１００当量）を、別個のシリンジを使用して注入して、エタン、プロパンまたはｎ−ブタンの酸化を開始した。再び、溶液を激しくかき混ぜることによって反応させた。
メタンの場合、０．３９ミリモル（２０当量）のＨ２Ｏ２を使用し、Ｈ２Ｏ２溶液を２〜３分かけて滴加した。ＭｅＣＮへのこれらの炭化水素の溶解性に限界があることを考慮すると、炭化水素の酸化程度は、オーバーヘッドスペースのガス圧（出発圧力１．６７気圧）、および溶液に溶解したガスの量に応じて決まる。ＭｅＣＮへのメタンの溶解性は低いので、初期実験ではわずか２０当量のＨ２Ｏ２を使用して、触媒の不全サイクリングを軽減した。添加されるＨ２Ｏ２の量は、回転に対して劇的な効果を及ぼすが、これについては後に論じる。知見を、図１および表１にまとめる。
三核銅クラスターによって媒介されるメタン、エタンおよびプロパンの触媒酸化では、それぞれメタノール、エタノールおよび２−プロパノールだけが生成される。これらの炭化水素が過酸化されて、それらの対応するアルデヒドまたはケトンが形成されるという証拠はない。しかしｎ−ブタンの場合には、２−ブタノール、２−ブタノンおよび２，３−ブタンジオールの形成が観測された。ｎ−ペンタンについては、生成物は、２−ペンタノールおよび２−ペンタノン、ｎ−ヘキサンについては、２−ヘキサノールおよび２−ヘキサノンであり、どちらの場合もケトンが優先された。シクロヘキサンでは、シクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンがほぼ等しい割合で形成された。シクロヘキセンについては、酸化によってエポキシド、シクロヘキセノールおよびシクロヘキセノンが生じた。
シクロヘキサンは、ここで議論されるタイプの触媒反応の基準基質である。Ｃ−Ｈ結合に伴う結合エネルギーは、９９．５ｋｃａｌ／モルである。Ｏ原子源としてＨ２Ｏ２を用いる、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介されるシクロヘキサンの酸化は、極めて効率的であった。これらの実験条件下では、不全サイクリングは本質的に生じなかった。経時的研究によって、基質酸化の触媒を回転させるために使用した実質上すべてのＨ２Ｏ２が、図２および３に記載の通り、３０分以内に消費されることが示された。
シクロヘキサンおよびシクロヘキセンと同様に、ある程度の過酸化が、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタンおよびｎ−ヘキサンで観測された。これについては、低分子量のアルコールが、「活性部位」ポケットに十分な結合親和性を有しておらず、生成物が形成されるとすぐに放出されたと説明できる可能性が最も高い。このことは、その他の炭化水素によって形成されたアルコールには明らかに当てはまらなかった。例えば、ｎ−ブタンの場合、２−ブタノールは、２−ブタノンおよび２，３−ブタンジオールを生成するための別の１回の酸化にとって十分に長い時間、活性部位に明らかに存在していた。２−ブタノール自体は、２−ブタノンまたは２，３−ブタンジオールへの変換のための三核銅錯体の良好な基質ではないので、過酸化は、動態学的に明らかに制御された。
驚くべきことに、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサンおよびシクロヘキサンを用いると、アルコールは、さらに酸化されてケトンを生じるだけで、ジオールは形成されなかった。この結果は、三核銅錯体の分子結合表面と基質の間の相互作用の詳細が、酸化の位置特異性にとって重要であることを示唆している。より長いアルカン、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンでは、基質の脂肪族部分と活性化三核銅錯体の結合表面の間のファンデルワールス相互作用は、結合ポケットにおけるこれらの炭化水素基質の位置決めおよび配向を決定付けることができる。
この研究で調査した様々な炭化水素を酸化するための触媒系の有効性の尺度は、回転を行うために使用されるＨ２Ｏ２の量に対する、生成サイクリングによって消費されたＨ２Ｏ２の百分率によって与えられる。またＨ２Ｏ２は、還元体であり、Ｏ２活性化［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］１＋中間体に保存された酸化当量が基質に十分に急速に移動しない場合、この中間体を還元することによって不全となる場合がある。図４は、本発明の実施例１において分子触媒を再生するための、「犠牲的な」還元体として使用されるＨ２Ｏ２の存在下で、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介されるＯ２によるメタンの酸化における、生成サイクリング（Ａ）と不全サイクリング（Ｂ）の間の差異を示している。
生成サイクルおよび不全サイクルの両方を含む触媒の全回転数の一部としての生成回転数を、表２に列挙する。生成サイクル１回で３つのＨ２Ｏ２分子が消費され、不全サイクル１回で４つのＨ２Ｏ２分子が消費される。この分析では、基質酸化を行うために媒体に導入されたＨ２Ｏ２の総量が、１時間の実験中に消耗され、２００当量のＨ２Ｏ２を使用した場合、正確な概算が得られると推定された。いずれの場合も、この指標によれば、三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋は、実際に炭化水素を室温で酸化するのに効率的な触媒である。
様々な炭化水素の酸化の時間経過を、図２に示し、ここで、移動した酸化当量の数（ＴＯＮ）に従って加重した、最長１時間までの様々な時点で生成されたオキソ生成物の当量をプロットする。これらのデータから、研究したすべての炭化水素について、実際に酸化が非常に急速に生じたことが明らかとなった。あらゆる場合において、回転を行うために使用したＨ２Ｏ２は、１時間の研究の完了まで十分に時間を残して２０分未満でほとんど消耗された。このことは、メタンの場合にも当てはまった。初期に記載したメタンの酸化実験では、回転を行うのにわずか２０当量のＨ２Ｏ２を使用した。当然のことながら、酸化を行うためにより少量のＨ２Ｏ２を用いると、ＴＯＮは低かった。また少量のＨ２Ｏ２は、三核銅触媒の回転を緩徐するが、より重要なことには、触媒の生成サイクリングによって消費された高い分率のＨ２Ｏ２によって証拠付けられる通り（触媒効率９８％）（表２参照）、Ｈ２Ｏ２濃度がより低いと、活性化触媒の不全が軽減され、生成酸化回転のためにより多くのＨ２Ｏ２が維持される。予期した通り、メタンを酸化するためにより多量のＨ２Ｏ２を使用すると、ＴＯＮは突然に減少した。４０当量のＨ２Ｏ２を用いると、触媒効率はわずか３０％となり、８０当量では、実にわずか６％の触媒回転によって、メタノールが形成される。
メタンの場合、回転を制限する要素は、ＭｅＣＮへのガスの溶解性が低いということであった。研究した４種類のガスの中でも、メタンはＭｅＣＮへの溶解性が最も低い。溶液中のＣＨ４の濃度がより高く、触媒によって媒介される二次的なＯ原子移動反応の速度が上昇する場合、より多量のＨ２Ｏ２を使用することができる。この系では過剰のＣＨ４が存在していたが、メタン濃度は、ヘッドスペースガス圧の下で、溶媒へのガスの溶解性によって制限された。
酸化実験を、溶媒の体積を３ｍｌから６ｍｌまで増大して反復して、このプロセスが、炭化水素の利用性によって制限されないようにした。同量の三核銅触媒を使用し、同量のＨ２Ｏ２を使用して、回転を行った。したがって、三核銅触媒の濃度およびＨ２Ｏ２の出発濃度は、２分の１に低下したが、ＣＨ４濃度は同じままであった。したがって、回転は、より緩慢になるはずであるが、興味深いことに、１時間の実験の最後には、同じＴＯＮが得られた。したがって、ＴＯＮを制限したのは、ＣＨ４の利用性ではなく、プロセスを行うために使用したＨ２Ｏ２の量であった。この結論を実証するために、初期量が既に消費されたように見えてから８〜１０分後に、追加の２０当量のＨ２Ｏ２を添加した。予期した通り、触媒回転は急速に進行して、さらなる生成物を生じ、ＴＯＮは、図３に示されている通り、それから１５分以内に急速に約１２倍になった。同量のＨ２Ｏ２を１５分間隔で漸増的に添加すると、ＴＯＮは比例的に増大したが、メタンが消費されると平坦になった。これらの観測は、触媒的メタン酸化における生成サイクリングと不全サイクリングの間に相互作用があること、ならびに系の至適な性能を得るように触媒の入力および出力操作条件を一致させることが重要であることを強調している。
つまり、この実施例で使用した［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋触媒系によって、室温でＭｅＣＮ中、Ｈ２Ｏ２をオキシダントとして用いると、炭化水素の効率的な酸化が促進された。触媒の回転頻度（ＴＯＦ）は、２００当量のＨ２Ｏ２濃度で、典型的に約１×１０−２ｓ−１であった。酸化は、位置特異的であり、回転数は、プロセスを行うために使用されるＨ２Ｏ２の量だけによって制限される。
（実施例２）
不均一系触媒作用
この実施例は、本発明の例示的な不均一系触媒組成物、配合物および方法を説明する。この実施例では、本発明の第１の実施形態に記載の［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）錯体、およびスキーム１に図示した配位子７−Ｅｔｈｐｐｚから構築された三核銅錯体である［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｅｔｈｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）の、２種類の分子触媒を使用する。配位子７−Ｅｔｈｐｐｚは、６員のピペラジン環を７員のホモピペラジン環で置き換えたことによって、７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚとはわずかに異なっている。
これらの２種類の三核銅錯体を、図５に示されている通りメソ多孔性ケイ酸ナノ粒子（ＭＳＮ）において固定化することによって、炭化水素を酸化するための不均一系触媒として配合した。不均一系触媒を調製するために、ＭＳＮ（細孔径５ｎｍ）５０ｍｇを、最初に９９．５エタノール（ＥｔＯＨ）１０ｍｌに添加し、１０分間撹拌した。次に、アセトン１０ｍｌ中三核銅錯体の１５ｍＭ溶液をＭＳＮに添加し、１日撹拌し、遠心分離処理し、洗浄し、さらに４回遠心分離処理した。
三核銅錯体を固定化するために使用したＭＳＮ材料を、図６に示されている通り、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および固体２９Ｓｉ核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）によって特徴付けた。２９Ｓｉ ＮＭＲで様々な共鳴ピークを割り当てることによって、ＭＳＮにおけるケイ酸環境の分布を提供する。
表３に示される通り、三核銅錯体は、負電荷ＭＳＮ試料のナノチャネル内で強固に固定化され、ＭｅＣＮ中２５℃で１０時間経った後の浸出は、無視できる量である。
分子触媒の固定化における三核銅錯体の負荷を最適化するために、アニオン性３−トリヒドロキシシリルプロピル−メチルホスホネート（ＴＰ）を導入することによってケイ酸ナノ粒子を官能化して、負電荷表面を作製するか、またはＡｌをその枠組みに導入して、ＭＳＮの表面酸性度および電荷の制御を容易にした。ＭＳＮ−ＴＰおよびＡｌ−ＭＳＮ３０−ｅｘ試料のＴＥＭ顕微鏡写真を、図７に示す。
三核銅錯体の最大吸着およびこれらの官能化ＭＳＮ試料のゼータ電位（ζ）を、表４に提示する。これらのデータは、Ａｌ３＋の導入が、三核銅錯体の吸着を劇的に増強し、これらのＭＳＮのゼータ電位（ζ）を劇的に低減することを示している。
また、三核銅錯体を固定化した後の官能化ＭＳＮのブルナウアー−エメット−テラー（ＢＥＴ）表面積、細孔体積、および細孔直径を決定し、これらのデータを表５にまとめる。
図８は、本発明の実施例２において周囲条件下で、官能化ＭＳＮにおいて固定化された、完全に還元された三核銅錯体、その後のＯ２による活性化によって媒介されるメタンからメタノールへの変換、およびＨ２Ｏ２による触媒回転を研究するために使用した反応手順を示す。
不均一系触媒を用いると、実施例１で研究した均一系触媒と比較して、メタンからメタノールへの変換の著しく高い回転数が達成された。表６には、回転を行うために１００当量および２００当量のＨ２Ｏ２を使用して、異なる官能化ＭＳＮ試料において固定化されている三核銅錯体によって触媒されたメタンの酸化の回転数をまとめる。ＭＳＮにおいて固定化されている分子触媒を用いると、触媒回転は、触媒のサイクリング中、メタンの利用性によってもはや制限されない。ＭＳＮ中の豊富なメソ細孔およびマイクロ細孔は、低分子メタンガス分子を収容することができるので、メタンは、典型的な溶媒（例えば、ＭｅＣＮ）と比較して、メソ多孔性ケイ酸ナノ粒子への可溶性がかなり高い。したがって、不全サイクリングは大きく軽減され、触媒効率は、実施例１に記載の均一系触媒の場合よりも著しく高い。
ＭＳＮ中不均一系触媒として配合された２種類の三核銅錯体によって媒介されるメタンの酸化の時間経過を、図９に図示する。興味深いことに、これらの三核銅触媒では、不均一系における回転頻度は、均一系配合物の回転頻度と類似している。しかしメタンの回転数は、ＭＳＮケイ酸ナノ粒子の細孔へのメタンの溶解性が、均一溶液としてのＭｅＣＮへのガスの溶解性と比較して著しく増強されるので、劇的に高くなる。
したがって不均一系触媒は、一般に、メタン酸化性物質として、および天然ガスのすべての構成成分を酸化するのに、実施例１に記載の均一系触媒よりも効率的である。またこの系は、生成物であるアルコールを回収するにも、再使用するための触媒を回収するにも、取扱いがより容易であり、より容易に適合することができる。
（実施例３）
三核銅触媒：構造および機能
この実施例３は、メタン資化性（ｍｅｔｈａｎｏｔｒｏｐｉｃ）細菌であるＭｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）に見出される酵素である微粒子メタンモノオキシゲナーゼ（ｍｏｎｏｏｙｇｅｎａｓｅ）（ｐＭＭＯ）に基づいて触媒を設計するための生物模倣型手法を例示する。
メタンからメタノールへの変換は、基準化学反応の１つであるが、このプロセスは、極めて高いＣ−Ｈ結合の結合エネルギー（１０５ｋｃａｌ／モル）が原因となり、非常に難しいプロセスとなる。したがって、Ｃ−Ｈ結合は、非常に不活性であり、この反応は、有機化学の至高の目的の１つになっている。
この微生物は、周囲条件でメタンをメタノールに効率的に変換することができる。メタン資化性細菌におけるこれらの酵素には、可溶性型メタンモノオキシゲナーゼ（ｓＭＭＯ）と、膜結合型または微粒子型メタンモノオキシゲナーゼ（ｍｏｎｏｏｘｙｇｅａｓｅ）（ｐＭＭＯ）の２種類がある。ｓＭＭＯは、これらの微生物のサイトゾルに存在する非ヘム鉄酵素であり、ｐＭＭＯは、膜結合しており、高銅／バイオマス条件下でこれらの細菌に発現する銅酵素である。Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）に見出されたｐＭＭＯ酵素は、酵素分子１個当たり毎秒約１個に近いメタン分子を酸化する速度でメタンをメタノールに変換することができる、最も効率的な公知のメタン酸化性物質なので、研究上、後に大きな注目を集めてきた。
理解する上で研究者らが直面した主な難問は、３Ｄ構造ならびに触媒部位および他の金属補因子を決定するためのタンパク質の可能な結晶化を含めた、細胞膜からのｐＭＭＯの単離、タンパク質の均一な精製、および界面活性剤であるミセルに再構築されたタンパク質の生物物理学的／生化学的な特徴付けを可能にするのに十分な量の細菌を増殖させることであった。この酵素は、膜金属タンパク質として、精製手順中に補因子を喪失し、構造的完全性を喪失する傾向があるので、このプロセスは極めて困難になる。実際、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）由来の酵素のＸ線結晶構造が２００５年に明らかになったとき、１２〜１５個の銅補因子の代わりに３個の銅イオンだけが含有されていた（図１０）。Ｘ線構造の基になるタンパク質の調製物は、不活性であったことが観測された。還元条件下でｐＭＭＯを精製することは、細胞膜から界面活性剤にｐＭＭＯを移動させる最中、およびカラムクロマトグラフィーによって精製する最中に、タンパク質から銅イオンが浸出するのを軽減するために、タンパク質の単離／精製手順中に銅イオンがＣｕＩで確実に留まるようにするのに有用である［例えば、Ｊ． Ｂｉｏｌ． Ｃｈｅｍ．、１９９８年［Ｊ． Ｂｉｏｌ． Ｃｈｅｍ．、２７３巻（１４号）７９５７〜７９６６頁（１９９８年）］およびその他にＪ． Ｂａｃｔｅｒｉｏｌｏｇｙ、２００３年［Ｊ． Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．、１８５巻、５９１５〜５９２４頁（２００３年）参照］。
ｐＭＭＯは、膜が好気条件下でメタンがない状態でバクテリア細胞から単離されると、部分的に酸化されるＣｕＩ酵素であると思われる。これらの膜におけるｐＭＭＯの、Ｃｕ ＫエッジＸ線分光法による分光学的特徴付けは、銅イオンの約２５％がＣｕＩＩであり、残りの銅イオンがＣｕＩであることを示唆している。電子常磁性共鳴分光法（ＥＰＲ）は、４つのＣｕＩＩイオンが、１つのタイプの２つのＣｕＩＩ中心（平面正方形ＣｕＩＩ）と、１つの三核銅部位からなっていたことを示しており、その３つのＣｕＩＩイオンは、強磁性的にカップリングして、四重項（Ｓ＝３／２）基底状態を形成する（すなわち、３つのＣｕＩＩイオンの間に強磁性の交換相互作用が存在して、３つの不対電子が同じ方向に基底状態で整列する）。このことは、酵素に三核銅クラスターが存在することを示唆している。［ＣｈｅｍＣａｔＣｈｅｍ ２０１４年、６巻、４２９〜４３７頁］。
しかし三核銅クラスターは、Ｘ線結晶構造では観測されなかった。タンパク質のＸ線構造が明らかとなった直後、銅クラスターの配位子になると思われる、１つのヒスチジン（Ｈ３８ ＰｍｏＡ）、１つのメチオニン（Ｍ４２、ＰｍｏＡ）、および２つのグルタミン酸（Ｇｌｕ １００ ＰｍｏＡおよびＧｌｕ １５４ ＰｍｏＣ）および２つのアスパラギン酸（Ａｓｐ ４７ ＰｍｏＡおよびＡｓｐ ４９ ＰｍｏＡ）を有する膜貫通ドメインに、空のポケットが存在することが指摘された。これらの潜在的に可能な金属結合残基を使用して、この部位に三核銅クラスターのモデルを作り出した（図１１）。配位子は、２つのグルタミン酸（Ｅ１００ ＰｍｏＡおよびＥ１５４ ＰｍｏＣ）を除き、膜貫通ドメインに包埋されたＰｍｏＡサブユニットのひと続きのアルファらせん体の一部であった。その後、部位Ｄに推定上の三核銅クラスターをライゲーションする潜在的に可能なアミノ酸を含有する断片であるＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤの配列に基づいてペプチドが合成され、そのペプチドが、溶液中に酢酸アニオンまたは塩化物アニオンの存在下で、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩおよびＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ１：１ペプチド三核銅錯体の両方を形成できることが示された。［Ａｎｇｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｔ． Ｅｄ． ５２巻、３７３１〜３７３５頁（２０１３年）］。ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ錯体のＥＰＲ測定では、膜における酵素について同じＥＰＲシグナルが観測され、界面活性剤であるミセル内に精製タンパク質が再構築されたことが明らかになった。ＥＸＡＦＳ測定は、ＣｕＩＩイオンの配位子構造が、Ｘ線構造内の推定上の三核銅部位に構築された構造と一致していたことを示した。意義深いことには、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩペプチド錯体を二酸素によって活性化すると、メタンからメタノールへの酸化およびプロペンのエポキシ化が媒介されて、酸化プロピレンを形成することができた。
図１２は、部位Ｄに三核銅クラスターを再構築するための試みに基づく、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）のｐＭＭＯの推定上の触媒部位の拡大表示である。また、部位Ｄの三核銅クラスターに隣接する（数Å以内）炭化水素基質の結合部位を占めるペンタン分子（黄色）を示している。基質結合ポケットは、炭素が最大５つのｎ−アルカンの結合だけに限定された「芳香族ボックス」であり、ｎ−ペンタンは、ｐＭＭＯ酵素によってヒドロキシル化される最大の直鎖アルカンである。［Ｃｈｅｍｂｉｏｃｈｅｍ、９巻、（７号）、１１１６〜１１２３頁（２００８年）］。
ＣｕＩＣｕＩＣｕＩクラスターは、二酸素によって活性化されると、一重項オキセンを活用するＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ中間体を形成することができ、この一重項オキセンは、メタンが活性化三核銅クラスターと適切な錯体を形成すると、メタンのＣ−Ｈ結合の１つに遷移状態で移動し、挿入され得る（図１３）。
密度汎関数理論計算が行われ、二酸素によって三核銅種および二核銅種が活性化されるときのメタンからメタノールへの変換率が比較された。［Ｊ Ｉｎｏｒｇ Ｂｉｏｃｈｅｍ．、１００巻、（４号）８０１〜９頁（２００６年）］。これらの結果によって、二酸素によって活性化された三核銅クラスターは、二核銅種の活性化によって形成されたＣｕＩＩＩ（（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ種間の類似のＯ原子移動と比較して、この化学的性質を媒介するのに１０４倍も効率的であり、ＣｕＩＩＩ（（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ種の還元的活性化によって形成されたＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ種と比較して、１０２倍も効率的であることが示された。
炭化水素を効率的に酸化することができる実験用触媒を開発できることを期待して、三核銅錯体を設計し、合成した。これらの実施形態の配位子の設計は、以下の目安に基づいて行われる。
１）配位子は、３つのＣｕＩイオンを捕捉することができる。
２）ＣｕＩイオンに配位する原子は、電子密度の供与を最小限に抑えるために、硬質配位子であるべきである。
３）ＣｕＩイオンは、配位的に不飽和であってもよく、または容易に置き換えられる配位溶媒分子を含有することができる。
４）３つのＣｕＩイオンのうちの２つは、１つのＯ２分子によって活性化されるように、幾何的に並置状態であり得る。
５）隣接するＣｕＩＩイオンは、クラスターがＯ２によって活性化された後、反強磁性的に強力にカップリングして、クラスターを全体的一重項状態に維持することができる。
これらの三核形成配位子（Ｌ）のいくつかは、スキーム１（前述）に示されている。これらの配位子は、アセトニトリル中で［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］１＋錯体を形成し、二酸素によって活性化された三核銅錯体から有機基質への、Ｏ原子の容易な移動を媒介することが示されている（図１４）。
第１世代の触媒は、配位子７−Ｍｅおよび７−Ｅｔによって担持された三核銅クラスターに基づくものであった。これらの配位子に基づくＣｕＩＣｕＩＣｕＩ錯体は、これらのβ−ジケトンのそれぞれにおけるβ−ジカルボニルの中心Ｃ−Ｃ結合に「Ｏ」原子を急速に挿入し、その後、無水物を加水分解して、それぞれ安息香酸および酢酸を得ることによって、ベンジルおよび２，３−ブタンジオンの酸化を室温で効率的に媒介することが示された。ＣＨ３ＣＮのＣ−Ｈ結合の１つに「Ｏ」原子が挿入されると、ＣＨ２（ＯＨ）ＣＮが形成されることも観測された。残念ながら、これらの酸化は化学量論的でしかなく、したがってこれらの三核銅錯体は、酸化試薬だけに限定された。これらの三核銅錯体を、触媒作用に有用なものにするためには、各回転後に触媒を再生することが有益であった。
第２世代の触媒は、配位子７−Ｔｈｉｏおよび７−Ｄｉｐｙに基づくものであり、シクロヘキサンをシクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンに効率的に触媒変換できることが示された。この作業によって、活性化三核銅クラスターから基質に「活性な」Ｏ原子を移動した後、「使用済み」触媒を還元剤としてのＨ２Ｏ２で還元することによって、触媒を再生する方法が明らかになった。この戦略では、Ｈ２Ｏ２を、触媒を活性化するためのオキシダントとして、さらには触媒を再生するための還元体として使用することによって、シクロヘキサンをシクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンに多くの回転で酸化するための効率的な触媒系が開発された。実際、このプロセスは効率的であり、このプロセスの程度は、回転を行うために使用されるＨ２Ｏ２の量だけによって決定される。研究した実験条件下では、いかなる著しい不全サイクリングの証拠もない。シクロヘキサンは、炭化水素を酸化するための触媒の開発のための基準基質なので、この触媒系の特性の理解を深めるために、相当多量の試みが行われてきた。
シクロヘキサンを用いた実験では、最終的に、メタンを酸化するための三核銅触媒を開発するために、新しい配位子７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚを設計した。ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）は、メタンの効率的な酸化だけでなく、エタン、プロパンおよびブタンを含めた多くの低分子アルカンの効率的な酸化を媒介することができる。メタン、エタンおよびプロパンが過酸化される証拠がないことは、意義深い。このことは、メタンを周囲条件で酸化するための効率的な触媒の開発の突破口である。近年、メソ多孔性ケイ酸ナノ粒子においてＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）を固定化することによって、均一系触媒が、高い回転率および触媒効率でメタンを酸化するための不均一系触媒に変換された。ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）、すなわち二酸素で活性化されたＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）錯体のＣＰＫモデルおよび球棒モデルを、図１５に示す。
図１６では、銅触媒上の基質結合ポケットの疎水性接触表面を、炭化水素基質およびそれらの生成物の疎水性接触表面と比較するために、二酸素によって活性化されたＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）錯体のＣＰＫモデルを、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、およびシクロヘキサンならびにそれらのアルコール／ケトン生成物のＣＰＫモデルと比較する。所与の基質を酸化するのに有効な触媒とするために、基質は、銅触媒の疎水性結合ポケットを認識し、それに結合することができ、酸化されるＣ−Ｈ結合が、「Ｏ原子」が遷移状態で移動するための一過性錯体を形成する位置にあり得る。
（実施例４）
低分子アルカンの酸化を周囲条件下で制御するのに効率的な触媒の開発
三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚは、配位子３，３’−（１，４−ジアゼパン−１，４−ジイル）ビス［１−（４−エチルピペラジン−１−イル）プロパン−２−オール］を示す）は、二酸素および／またはＨ２Ｏ２によって室温で三核銅クラスターを活性化すると、メタンからメタノールへの容易な変換を媒介することができる。この錯体は、過酸化なしに周囲条件でメタンからメタノールへの選択的酸化を触媒することができる第１の分子触媒である。このＣｕＩＣｕＩＣｕＩ三核銅錯体が、二酸素またはＨ２Ｏ２によって活性化される場合、三核銅クラスターは、Ｃ−Ｈ結合へのＯ原子の容易な挿入を達成するために使用することができる最も強いオキシダントである「一重項オキセン」を活用する。この新規な触媒系の特性を解明するために、メタンの酸化を広範な条件で調査し、天然ガスの構成成分を含む他の低分子アルカンを考慮する。この実験は、基質の溶解性、基質の認識、および触媒酸化を行うために使用されるＨ２Ｏ２の量によって、位置特異性、生成物分布および基質酸化の収量を含めた回転の結末がどの程度影響を受け得るかについて例示するものである。
地球には、膨大なメタン（ＣＨ４）埋蔵量があり、メタンは、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）への変換に活用することができる１。ＣＨ３ＯＨは、それ自体が可搬型燃料として、またＨ２を含む化学物質を派生するための供給源として、共に有益な商品として確立されている２。しかし、ＣＨ４からＣＨ３ＯＨへの酸化の制御は、難易度が高い３。まず、ＣＨ４のＣ−Ｈ結合は、その結合解離エネルギーが高い（１０５ｋｃａｌ／モル）ことに起因して、極めて不活性である３、４。さらに、生成物であるＣＨ３ＯＨは、さらに酸化を受けて、他の生成物を形成する傾向がある５。それにもかかわらず、ＣＨ４は、世界的な温度上昇の主な誘因でもあるため、この有益な資源の有効利用は、経済的に有利なだけでなく、環境上も有益である６。
メタンモノオキシゲナーゼ（ＭＭＯ）は、メタン資化性細菌中、温度および圧力の周囲条件下でＣＨ４からＣＨ３ＯＨへの効率的な酸化を媒介することが知られている７。膜結合した微粒子メタンモノオキシゲナーゼ（ｐＭＭＯ）は、マルチ銅タンパク質である８、９。可溶性メタンモノオキシゲナーゼ（ｓＭＭＯ）は、非ヘム鉄タンパク質である１０、１１。これらの系は、共に、この困難な化学的性質を触媒するために、金属クラスターを利用する。これらのタンパク質に関していくつかのＸ線結晶構造が存在しているが１２、１３、１４、これらの酵素における金属クラスターがこのプロセスを媒介する方法に関する理解は、進歩が遅く、これらの触媒中心の機能的模倣物を開発するための試みは、わずかしか成功していない１５。
Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）由来のｐＭＭＯのＰｍｏＡサブユニットから派生したペプチドＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤとの三核銅錯体は１４、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体をＯ２によって活性化すると、プロペンからプロペン酸化物への効率的なエポキシ化、およびＣＨ４からＣＨ３ＯＨへのヒドロキシル化を媒介することができる。本発明者らは、アルカンを酸化するための三核銅クラスターの生物模倣型モデルを開発した。ＣｕＩイオンの三角形を担持するために、様々な三核性配位子を設計し調製すると、これらの三核銅錯体は、完全に還元された三核銅クラスターが二酸素および／または過酸化水素によって活性化される場合、低分子量の有機基質の効率的な酸化を媒介できることが示された１６〜１９。特に、三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚは、有機配位子３，３’−（１，４−ジアゼパン−１，４−ジイル）ビス［１−（４−エチルピペラジン−１−イル）プロパン−２−オール］（スキーム１）を表す）は、三核銅クラスターが二酸素（Ｏ２）によって活性化されると、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）中、室温においてＣＨ４からＣＨ３ＯＨへの容易な変換を媒介する１６。さらに、三核銅クラスター錯体ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋を用いて、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）中、ＣＨ４をＣＨ３ＯＨに酸化すると、部分的に酸化された三核銅錯体の２つの電子をＨ２Ｏ２分子によって還元することによって、完全に還元された三核銅錯体が再生されるときに触媒になることができる。この錯体は、周囲条件でＣＨ４からＣＨ３ＯＨへの選択的酸化を触媒することができる、第１の分子触媒である。
この実施例では、触媒の回転頻度（ＴＯＦ）および回転数（ＴＯＮ）に影響を及ぼす要素を正確に説明するために、広範な条件でメタンの酸化を調査する。またこの実施例は、エタン、プロパンおよびブタンを含む天然ガスの構成成分を含む他の低分子量アルカンの研究にまで及ぶ。目的は、基質認識効果、基質濃度、位置特異性、生成物収量および分布、ならびに基質酸化の全体的回転頻度を含む、基質酸化の結末に対する無益サイクルの効果を研究することである。
７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ配位子の合成および分光学的特徴付け、ならびに［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）錯体の調製は、既に説明されている１６。ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ錯体は、基質がない状態でＯ２により処理すると、［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］（ＣｌＯ４）２種を形成するが、この種は、このシリーズのすべての三核銅錯体について既に報告されている、完全に酸化された「デッドエンド」種である１７〜１９。
三核銅錯体は、周囲条件でアルカンを容易に酸化することができる。この実施例では、２２．７μモル（１当量）の［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋を使用して、６０ｍｌのガラス試料瓶中、室温においてＭｅＣＮ（またはＥｔＣＮ）３ｍｌ中Ｈ２Ｏ２による様々な炭化水素の酸化を触媒する。還元された三核銅錯体は、空気に対して極めて感受性が高いので、グローブボックス内で、精製窒素雰囲気において基質の酸化実験を実施することが有益である。反応混合物を、異なる試料瓶を使用して最大１時間、様々な時点で磁気撹拌棒を用いて激しく撹拌する。指定の間隔において、試料瓶をグローブボックスから取り出して、ＧＣによって生成物を識別し、生成物の収量を決定する。ニトロベンゼン３μｌを溶液に添加して、生成物の定量化のための内部標準（ＩＳ）を準備する。
研究した様々な炭化水素のうち、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンは、液体である。これらの液体基質のそれぞれは、あらゆる割合でＭｅＣＮとは混和しないが、十分な溶解性を有しており、基質酸化は、三核銅触媒を含有する溶媒に適量の炭化水素を添加し、その後、所望の量のＨ２Ｏ２を添加することによって開始することができ、溶液を激しく混合する。これらの炭化水素に関するデータを、各場合、１１．３ミリモル（５００当量）の炭化水素を用いて得、実験では３３％水溶液由来の２００当量のＨ２Ｏ２によって回転を行う。
ＣＨ４、エタン、プロパンおよびｎ−ブタンの場合、ガラス試料瓶を、最初にゴムキャップで密封し、脱気した後、これらのガス基質の１つ（１００ｍｌのＮＴＰまたは４．１７×１０−３モル、約２００当量）を、ガスシリンジを使用して三核銅触媒を含有する溶媒に注入する。次に、３３％水溶液由来の２．２７ミリモルのＨ２Ｏ２（１００当量）を、別個のシリンジを使用して注入して、エタン、プロパンまたはｎ−ブタンの酸化を開始する。再び、溶液を激しくかき混ぜることによって反応させる。ＣＨ４の場合、０．３９ミリモル（２０当量）のＨ２Ｏ２を使用し、Ｈ２Ｏ２溶液を２〜３分かけて滴加する。ＭｅＣＮへのこれらの炭化水素ガスの溶解性に限界があることを考慮すると、炭化水素の酸化程度は、オーバーヘッドスペースのガス圧（出発圧力１．６７気圧）、および溶液に溶解したガスの量に応じて決まる。ＭｅＣＮへのＣＨ４の溶解性は低いので、初期実験ではわずか２０当量のＨ２Ｏ２を使用して、触媒の不全サイクリングを軽減する。２０、４０、６０および８０当量のＨ２Ｏ２を使用してＣＨ４の酸化を実施し、２０当量のＨ２Ｏ２を用いて開始して、実験の時間経過にわたってＨ２Ｏ２を漸増的に添加することによって実証される通り、添加されるＨ２Ｏ２の量は、回転に対して劇的な効果を及ぼす。
さらに、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体も使用して、Ｈ２Ｏ２によるＣＨ３ＯＨ、エタノール、イソプロパノール、および２−ブタノールの酸化を媒介する。これらの実験は、ＭｅＣＮ（総体積３ｍｌ）中、３５％水溶液由来の２００当量のＨ２Ｏ２、５００当量の基質、および１当量（２２．７μモル）の三核銅錯体を用いて、室温で１時間かけて実施する。
本発明者らは、１当量（２２．７μモル）の［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋を使用して、前述の条件下で、室温においてＨ２Ｏ２による様々な炭化水素の酸化を触媒して得られた知見を、図１７および表７にまとめる。
三核銅クラスターによって媒介されるＣＨ４、エタンおよびプロパンの触媒酸化では、それぞれＣＨ３ＯＨ、エタノールおよび２−プロパノールだけが生成される。これらの炭化水素が過酸化されて、それらの対応するアルデヒドまたはケトンが形成されるという証拠はない。しかしｎ−ブタンの場合には、２−ブタノール、２−ブタノンおよび２，３−ブタンジオールの形成が観測される。ｎ−ペンタンについては、生成物は、２−ペンタノールおよび２−ペンタノンであり、ｎ−ヘキサンについては、２−ヘキサノールおよび２−ヘキサノンであり、どちらの場合もケトンが優先される。シクロヘキサンでは、シクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンがほぼ等しい割合で形成される。シクロヘキセンについては、酸化によってエポキシド、シクロヘキセノールおよびシクロヘキセノンが生じ、エポキシドおよびシクロヘキセノンが優先される。
様々な炭化水素の酸化の時間経過を、図１８に示し、ここで、移動した酸化当量の数（ＴＯＮ）に従って加重した、最長１時間までの様々な時点で生成されたオキソ生成物の当量をプロットした。これらのデータから、研究したすべての炭化水素について、実際に酸化が非常に急速に生じることが明らかである。あらゆる場合において、回転を行うために使用したＨ２Ｏ２は、１時間の研究の完了まで十分に時間を残して２０分足らずでほとんど消耗される。このことは、ＣＨ４の場合にも当てはまる。
またこの実施例では、三核銅錯体の触媒サイクルを開示する。スキーム３のパネルＡに、Ｏ２およびＨ２Ｏ２が存在する状態の、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋によって媒介されるＣＨ４の触媒酸化の回転サイクルを図示する。ここで本発明者らは、三核銅錯体がＯ２によって活性化されることを示すが、活性化は、２つのＨ２Ｏ２分子を用いて完遂することもできた。したがって触媒サイクルは、本発明者らが既に記載した通り１８、１９、Ｈ２Ｏ２単独の存在下で実施することができ、ここでアルカン基質の酸化を用いて再び実証する。いずれかの状況において、別の触媒回転のための触媒を再生するために、「犠牲的な」還元体として働いて「使用済み」触媒を再還元するには、さらに１つのＨ２Ｏ２分子が必要である。しかし、２つの状況の間には、わずかとは言えない差異がある。Ｏ２が十分に高濃度である場合、Ｈ２Ｏ２は、もはや良好な還元体ではなく、典型的にこれらの条件下では、Ｏ２をオキシダントとして用いると、触媒の単一回転だけが観測される。当業者に理解される通り、異なる「犠牲的な」還元体を使用して、触媒を再生することができる。
スキーム３のパネルＢは、触媒系の不全サイクリングを図示しており、これは、この場合「犠牲的な還元体」であるＨ２Ｏ２による直接的な還元によって、活性化三核銅クラスターが不全にされる競合プロセスである。「オキセン」を活用する活性化三核銅クラスターは、潜在的に高い酸化還元能を有しているので、活用されたＯ原子の基質分子への移動が十分に急速でない場合、不全になる場合がある。触媒系の触媒効率を低減するこのプロセスは、ｋ不全［Ｈ２Ｏ２］＞ｋＯＴ［基質］の場合に有効となる（ｋＯＴおよびｋ不全は、それぞれ、活性化三核銅クラスターから有機基質への「Ｏ原子」の移動反応および不全となる還元の二分子速度定数を示し、高Ｈ２Ｏ２濃度または低基質濃度で得られる状況である）。
この研究で調査した様々な炭化水素を酸化するための触媒系の有効性の尺度は、回転を行うために使用されるＨ２Ｏ２の量に対する、生成サイクリングによって消費されたＨ２Ｏ２の百分率によって与えられる。本発明者らは、触媒効率を、実験中の触媒の生成回転と、生成サイクルおよび無益サイクルの両方を含む触媒の回転総数の比によって定義する。触媒回転が、Ｈ２Ｏ２単独によって行われる場合、３つのＨ２Ｏ２分子が、生成物を形成する生成サイクルで消費され、４つのＨ２Ｏ２分子が、不全回転で消費される。これらの触媒効率を、表７の最後のカラムに、この研究においてカラム２および３で強調した条件下で調査した様々な炭化水素基質について列挙する。この分析では、本発明者らは、基質の酸化を行うために媒体に導入されるＨ２Ｏ２の総量が、１時間の実験中に消耗され、２００当量のＨ２Ｏ２を使用した場合、正確な概算が得られると推定した。いずれの場合も、この指標によれば、三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋は、実際に炭化水素を室温で酸化するのに効率的な触媒である。
この触媒系は、高い触媒効率を示す。例えば、シクロヘキサンは、ここで議論されるタイプの触媒反応の基準基質である１８。Ｃ−Ｈ結合に伴う結合エネルギーは、９９．５ｋｃａｌ／モルであり、これはＣＨ４の結合エネルギーよりも５ｋｃａｌ／モル低い。本発明者らの実験条件下では、この基質に関して記録された不全サイクリングは、本質的に存在しない。経時的研究によって、基質酸化の触媒を回転させるために使用した実質上すべてのＨ２Ｏ２が、３０分以内に消費されることが示される（図１８）。したがって、Ｏ原子源としてＨ２Ｏ２を用いる、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体によって媒介されるシクロヘキサンからシクロヘキサノールおよびシクロヘキサノンへの酸化は、極めて効率的である。他の三核性配位子によって担持された三核銅錯体を用いると、この基質について類似の結果が得られた１８。シクロヘキセンを用いても、不全サイクリングは同様に観測されない。この基質は、シクロヘキセノール、シクロヘキセノンおよびエポキシドに酸化される。明らかに、Ｃ＝Ｃ結合にＯ原子を求電子的にｓｙｎ付加することは、Ｃ−Ｈを直接挿入するよりも容易である。いずれの場合も、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンの両方は、実験条件下で、ｋＯＴ［基質］＞ｋ不全［Ｈ２Ｏ２］となり、ＭｅＣＮに十分に可溶性を示す。
また本発明者らは、本発明者らの実験においてメタンの酸化に対する非常に高い触媒効率（９８％）を観測した。しかしここで、本発明者らは、回転を行うのにわずか２０当量のＨ２Ｏ２を使用した。酸化を行うためにより少量のＨ２Ｏ２を用いると、ＴＯＮは低くなる。また少量のＨ２Ｏ２は、三核銅触媒の回転を緩徐する。しかしより重要なことには、触媒の生成サイクリングによって消費される高い分率のＨ２Ｏ２によって証拠付けられる通り、Ｈ２Ｏ２濃度がより低いと、活性化触媒の不全が軽減され、生成酸化回転のためにより多くのＨ２Ｏ２が維持される。予期した通り、メタンを酸化するためにより多量のＨ２Ｏ２を使用すると、ＴＯＮは突然に減少する。４０当量のＨ２Ｏ２を用いると、触媒効率はわずか３０％となり、８０当量では、実にわずか６％の触媒回転によって、メタノールが形成される。
メタンについて回転を制限する要素は、ＭｅＣＮへのガスの溶解性が低いということである。溶液中のＣＨ４の濃度がより高く、触媒によって媒介される二次的なＯ原子移動反応の速度が上昇する場合、より多量のＨ２Ｏ２を使用することができる。この系では過剰のＣＨ４が存在するが、メタン濃度は、ヘッドスペースガス圧の下で、溶媒へのガスの溶解性によって制限される。酸化実験を、溶媒の体積を３ｍｌから６ｍｌまで増大して反復して、このプロセスが、炭化水素の利用性によって制限されないようにする。同量の三核銅触媒を使用し、同量のＨ２Ｏ２を使用して、回転を行う。したがって、ここで三核銅触媒の濃度およびＨ２Ｏ２の出発濃度は、２分の１に低下するが、ＣＨ４濃度は同じままである。したがって、回転は、より緩慢になるはずであるが、触媒効率はわずかに改善されると思われる。１時間の実験の最後には、本質的に同じＴＯＮ（約７）が得られる。したがって、ＴＯＮを制限するのは、ＣＨ４の利用性ではなく、プロセスを行うために使用されるＨ２Ｏ２の量である。この結論を実証するために、初期量が既に消費されたように見えてから８〜１０分後に、追加の２０当量のＨ２Ｏ２を添加する。予期した通り、触媒回転は急速に進行して、さらなる生成物を生じ、ＴＯＮは、それから１５分以内に急速に約１２倍になる（データ示さず）。同じ条件による別個の実験では、メタンの酸化を、２０当量のＨ２Ｏ２を用いて開始し（３分の時点）、その後１０分、２０分、３０分および４０分の時点で２０当量を漸増的に滴加すると、ＴＯＮは、最終的に約１８に到達する（図１８、パネルＣ）。これらの観測は、Ｈ２Ｏ２によって行われる触媒的メタン酸化における生成サイクリングと不全サイクリングの間に相互作用があることを明らかに強調している。その他の基質（エタン、プロパン、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタンおよびｎ−ヘキサン）について観測された触媒効率は、この事実を強固にしている。
本発明の有益な特徴は、低分子量アルカンの実質的な過酸化が全くないことである。前述の通り、ＣＨ４、エタンおよびプロパンは、それぞれＣＨ３ＯＨ、エタノールおよび２−プロパノールに酸化されるだけである。触媒回転中にこれらのアルカンが過酸化されるという証拠は全くない。この知見と一致して、ＣＨ３ＯＨ、エタノールおよび２−プロパノールが触媒系の基質になることは見出されていない。［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体を、Ｈ２Ｏ２によるこれらの基質の酸化を媒介するために使用する場合、アルデヒドまたはケトンはＧＣによって検出されない。過酸化傾向は、ＣＨ４をＣＨ３ＯＨに変換するための触媒の設計において、最大の難問の１つである。したがって本発明者らは、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体を用いることにより、ＣＨ４をヒドロキシル化するための触媒系を開発するという本発明者らの主目的の１つを達成した。
本発明者らは、ＣＨ４を酸化するための三核銅錯体を設計する上で、疎水性ＣＨ４分子を認識するための三角形の基礎的な銅の近くに小分子表面を構築した。この弱い相互作用によって、一過性錯体の形成が容易になり、したがってその一過性錯体は、三核銅クラスターが活性化されると不可避のオキセン移動のための遷移状態に到達して、基質を酸化することができる。他方では、結合表面は、生成物であるＣＨ３ＯＨが形成されてもＣＨ３ＯＨを収容できないほど十分に小さく、疎水性である。このことは、明らかにエタンおよびプロパンにも同様に当てはまる。これらのより低分子量のアルカンについては、生成物であるアルコールは、「活性部位」ポケットに十分な結合親和性を有しておらず、生成物が形成されるとすぐに放出される。
このことは、より高分子量のアルカンを用いて形成されたアルコールには明らかに当てはまらない。例えば、ｎ−ブタンの場合、２−ブタノールは、２−ブタノンおよび２，３−ブタンジオールを生成するための別の１回の酸化にとって十分に長い時間、活性部位に明らかに存在している。２−ブタノール自体は、２−ブタノンまたは２，３−ブタンジオールへの変換のための三核銅クラスターの良好な基質ではないので、過酸化は、動態学的に明らかに制御される。１時間のインキュベーション実験で、本発明者らの触媒系において、２−ブタノールを基質として用いると、ごく少量の２−ブタノンが形成される（ＴＯＮ約１）。驚くべきことに、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサンおよびシクロヘキサンを用いると、アルコールは、さらに酸化されてケトンを生じるだけで、ジオールは形成されない。この結果は、三核銅錯体の分子結合表面と基質の間の相互作用の詳細が、酸化の位置特異性にとって重要であることを示唆している。より長いアルカン、シクロヘキサンおよびシクロヘキセンでは、基質の脂肪族部分と活性化三核銅クラスターの結合表面の間のファンデルワールス相互作用は、結合ポケットにおけるこれらの炭化水素基質の位置決めおよび配向を決定付けることができる。本発明者らは、活性化三核銅錯体のＣＰＫモデルと一緒に様々な炭化水素基質およびそれらの酸化生成物モデルを用いる実験から、三核銅錯体および基質／生成物の両方の分子表面によって、酸化において観測される位置特異性をもたらす特定のファンデルワールス相互作用および結合モードが決定付けられると推察する（図１６）。
ここで前述の触媒系を用いると、ＴＯＮ、または実験の時間経過中に形成された生成物の量は、触媒効率を考慮に入れた後、三核銅触媒の回転を行うために使用されるＨ２Ｏ２の量によって主に決定される。原則として、本発明者らがここで実証した通り、より多量のＨ２Ｏ２を使用し、または様々な時点でこの系に漸増的な量のＨ２Ｏ２を添加することによって、ＴＯＮを増大することが可能である。例えば、シクロヘキサンの酸化を媒介するために［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋錯体が使用される場合、ＴＯＮは、この方式で約１２０に到達し得る。しかしバッチプロセスの場合、水は、添加されるＨ２Ｏ２溶液の量が増大すると共に溶液中に蓄積し、したがって最終的には、溶液から三核銅錯体が没する。触媒は、そうでなければ少量のＨ２Ｏを含有するＭｅＣＮにおいて強力である。
Ｈ２Ｏ２濃度≒［Ｈ２Ｏ２］０であるときの初期の触媒の推定回転頻度（ＴＯＦ）。触媒の回転率は、生成事象または不全事象のいずれかの後、「使用済み」触媒の再生によって制限され、特定の場合に利用可能な［Ｈ２Ｏ２］に正比例する。ＴＯＦは、不全サイクリングがない条件下で、初期の生成物形成率から推定することができる。触媒効率がほぼ一致するシクロヘキサンおよびシクロヘキセンの場合、ＴＯＦは、２００当量のＨ２Ｏ２で約１０−１ｓ−１である。２０当量のＨ２Ｏ２を使用して、ＣＨ４をＣＨ３ＯＨに変換する場合、約５×１０−３ｓ−１のＴＯＦが得られる。２００当量のＨ２Ｏ２を使用して、著しい不全サイクリングなしにメタンを酸化することが可能であれば、ＴＯＦは、１０倍を超え得る（約５×１０−２ｓ−１）。この分析は、本発明の触媒系がＣＨ４をＣＨ３ＯＨに変換する性能における回転率と触媒効率の間の相互作用を強調している。
つまりこの実施例では、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋触媒が、Ｈ２Ｏ２をオキシダントとして用いた、ＭｅＣＮ中室温におけるＣＨ４および他の低分子量アルカンの効率的な酸化を促進することを示す特定のデータを提供する。酸化は、位置特異的であり、回転数は、制御条件下でプロセスを行うのに使用されるＨ２Ｏ２の量によってのみ制限される。
触媒系の作用原理を評価し、アルカンの酸化に対するその有効性を評価するために、バッチ用「反応器」を開発した。スケールアップのために、フローシステムを使用してＣＨ３ＯＨ／Ｈ２Ｏを連続的に除去すると同時に、Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏを投入して、触媒酸化を行うことができる。ＣＨ４を酸化するための一部の実施形態では、三核銅錯体の組成物は、ＣＨ４ガスの溶解性がより高いペルフルオロ炭化水素などの溶媒系において機能的である。あるいは、本発明の三核銅触媒は、メソ多孔性材料の細孔に被包されていてもよく、その系は、不均一系触媒に変換される。
材料および方法
概要。すべての化学薬品は、試薬グレード品質のものとして商業的供給源から購入し、別段記載されない限り受け取ったまま使用した。アセトニトリル（ＭｅＣＮ）を、窒素中でＣａＨ２−Ｐ２Ｏ５から蒸留し、乾燥Ｎ２充填フラスコに入れて４Å分子ふるい上で保存した。窒素を、使用前にこれらの溶媒を通してパージした。酸素化のために使用した酸素ガス（９９．８％、Ｆｏｎｇ Ｍｉｎｇ）を、Ｐ２Ｏ５およびＤｒｉｅｒｉｔｅの連続の２つのショートカラムに通過させることによって乾燥させた。操作、反応および移動を、窒素中でシュレンク技術に従って、またはグローブボックス（窒素ガス）内で実施した。
配位子３，３’−（１，４−ジアゼパン−１，４−ジイル）ビス［１−（４−エチルピペラジン−１−イル）プロパン−２−オール］（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）の合成。配位子７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚを、確立された手順に従って合成した。最初に、化合物３，３’−（１，４−ジアゼパン−１，４−ジイル）ビス（１−クロロプロパン−２−オール）（１）を調製した［１］。エピクロロヒドリン（１．８５ｇ、２０ｍｍｏｌ）のメタノール（１５．０ｍｌ）溶液を、ホモピペラジン（１．００ｇ、１０ｍｍｏｌ）のメタノール（３０．０ｍｌ）溶液に、撹拌しながら−５℃で滴加した。−５℃で７２時間撹拌した後、得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィーによって、ジクロロメタン（ＤＣＭ）中８％ＣＨ３ＯＨを溶出剤として使用して精製した。次に、Ｈａｙａｓｈｉら［２］によって既に報告された手順をわずかに改変した手順を使用して、１−エチルピペラジンを（１）にカップリングさせた。（１）（４．２８ｇ、１５ｍｍｏｌ）、１−エチルピペラジン（３．４６ｇ、３０ｍｍｏｌ）、およびＫ２ＣＯ３（４．１５ｇ、３０ｍｍｏｌ）を含有するＭｅＣＮ（１５．０ｍｌ）溶液を、７０〜８０℃に４８時間加熱した（Ｎ２雰囲気）。室温に冷却した後、溶液を濾過し、濾液を蒸発させて乾燥させると、配位子７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚが得られた。１Ｈ ＮＭＲ （図１９Ａ） δ （ＣＤＣｌ３， ３００ ＭＨｚ）： １．８ （ｔ， ２Ｈ， ＣＨ３）； ２．０５ −２．９３ （ｍ， ＣＨ２）； ３．６ （ｓ， ２Ｈ， ＣＨ）， ４．４ （ｓ ２Ｈ， ＣＨ）． １３Ｃ ＮＭＲ （図１９Ｂ） δ （３００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ３）： 主要ピークが次の位置に現れた：１１．６， １１．６５， ２７．２３， ５２．０， ５２．５， ５３．２， ５４．４， ５５．３， ６２．２， ６２．４および６４．７。ＥＳＩ−ＭＳ（正イオン）：ｍ／ｚ４４１（図２０Ａ）。
銅錯体の調製。三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）１＋および［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］２＋を、既に記載されている通り調製した［３〜６］。［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］２＋錯体のＦＡＢ ＭＳは、ｍ／ｚ８４４において正イオン質量ピークを示した（図２０Ｂ）。７７Ｋ ＥＰＲスペクトルは、ｇ２．０６を中心とする特色のない等方性シグナルを呈した（図２１）。
［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）１＋によって媒介されるＣＨ４からＣＨ３ＯＨへの酸化。三核銅錯体［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）１＋によって媒介されるＯ２によるメタンガス（ＣＨ４）の酸化を、以下の通り行った。最初に、［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（７−Ｎ−Ｅｔｐｐｚ）］１＋（０．０１１３ｍｍｏｌ）を、６０ｍｌのガラス試料瓶中、ＭｅＣＮ３ｍｌに添加した。還元された三核銅錯体は、空気に対して極めて感受性が高いので、グローブボックス内で、精製窒素雰囲気において実験を実施することが有益である。グローブボックスから試料を取り出す前に、試料瓶をゴムキャップで密封し、脱気した後、ガスシリンジを使用してＯ２（ＳＴＰにおいて１０ｍｌ、０．４４ｍｍｏｌ）およびＣＨ４（ＳＴＰにおいて１００ｍｌ、４．４ｍｍｏｌ）を注入して、試料瓶の総容積をこれらの２種類のガスで充填した。次に混合物を、最大１時間、様々な時点で磁気撹拌棒を用いて激しく撹拌した。次に、磁気撹拌機を停止し、試料瓶を氷中で２分間維持した後、生成物を分析するためにシリンジ針を用いてガスを除去した。ガラス試料瓶の封を開けた後、ニトロメタン３μｌを溶液に添加して、生成物の定量化のための内部標準（ＩＳ）を準備した。
ＧＣによって溶液の生成物を分析する前に、溶液を、フラッシュクロマトグラフィーカラム（シリカゲル）を通過させて、金属錯体を除去した。ＧＣ分析は、水素炎イオン化型検出器を備えたＨＰ６８９０ ｐｌｕｓで実施した。条件は以下の通りであった。ＨＰ５カラム（６０ｍ×０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍフィルム厚さ）；キャリアガス、流速１ｍｌ／分の窒素；オーブン温度、３０℃の等温；２８０℃におけるパルススプリットレス注入（３０秒間は２５．０ｐｓｉおよび取得時間の残りは１７．５ｐｓｉ）；および３００℃におけるＦＩＤ検出器。ＧＣ−ＭＳ分析を行って、ＨＰ５８７３ ＥＩ−ＭＳ検出器を備えたＨＰ６８９０ ｐｌｕｓで生成物を識別した。条件は以下の通りであった。ＤＢ−１ＭＳカラム（６０ｍ×０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍフィルム厚さ）；キャリアガス、流速１．３ｍｌ／分のヘリウム；オーブン温度、３５℃の等温；２５０℃においてスプリット比２５：１でスプリット注入。
ＣＨ４：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝５．０分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）１６（１００）［Ｍ＋］、１５（７０）。
ＣＨ３ＯＨ：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝５．５分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）３２（８０）［Ｍ＋］、３１（１００）、２９（７０）。
生成物の収量を、基準試料を用いて準備した対応する標準曲線から算出した。ガスおよび溶液から収集した生成物を合わせて、ＴＯＮを得た。結果を、反応時間の関数として図２８に図示する。この経時的研究によって、反応は、最大ＴＯＮ０．９２で２０分以内に完了したことが明らかになったが、このことは、メタンからメタノールへの変換が単一回転の触媒を伴っていたことを示す。
複数回転のためにＨ２Ｏ２を還元体として使用して、「使用済み」触媒を再生した。先の実験を、５〜１６０当量の範囲の様々な量の還元体の存在下で、適切な一定分量の３５％Ｈ２Ｏ２を使用して反復した。これらのＴＯＮを、図２８Ｃにまとめる。
ペプチド合成。すべてのペプチドを、ＰＳ３（商標）自動化ペプチド合成装置（Ｒａｉｎｉｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）で、バッチフルオレニルメトキシカルボニル（Ｆｍｏｃ）ポリアミド法によって合成した［７］。０．１ｍｍｏｌのＲｉｎｋアミドＡＭ樹脂、０．４ｍｍｏｌのＦｍｏｃ−アミノ酸および０．４ｍｍｏｌのＰｙＢｏｐ（Ｍｅｒｃｋ Ｉｎｃ．）を、合成で使用した。脱保護試薬および活性化試薬は、それぞれＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中２０％（ｖ／ｖ）ピペリジンおよびＤＭＦ中４．５％（ｖ／ｖ）Ｎ−メチルモルホリンであった。カップリング反応を、ニンヒドリン試験によってチェックした。通常、反応が完了するまで約２．０時間かかった。合成の後、樹脂を、ＤＭＦ、エタノールおよびジクロロメタンで順次洗浄し、真空中で１．０時間乾燥させた。
粗製ペプチドを、９３％トリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）と２．５％１，２−エタンジチオール、２．５％脱イオン（ＤＩ）水、２．５％トリイソプロピルシラン中、２．０時間かけて樹脂から切断した。側鎖保護基は、Ａｓｐ（ＯｔＢｕ）、Ｈｉｓ（Ｔｒｔ）、Ｔｈｒ（ｔＢｕ）、およびＧｌｎ（Ｔｒｔ）を含んでいた。次に反応混合物を、Ｇ３漏斗を介して直接濾過し、濾液を、氷冷したｔ−ブチルメチルエーテル６０ｍｌに添加した。
ペプチドをＨＰＬＣによって精製した。逆相ＨＰＬＣを、Ｗａｔｅｒｓ−２６９５−Ａｌｌｉａｎｃｅ ＨＰＬＣ系に接続したＡｓｃｅｎｔｉｓ（登録商標）Ｃ１８ ＨＰＬＣカラムを使用して実施した。溶媒Ａ（０．１０％ＴＦＡ、５．０％ＭｅＣＮ、９５％ＤＩ水）と溶媒Ｂ（０．１０％ＴＦＡ、９９．９％ＭｅＣＮ）のバイナリグラジエントの、２種類の溶媒の組合せを、共に流速３ｍＬ／分で用いた。ペプチド濃度を、ＵＶ分光法（ＨＰ ８４５３分光光度計）によって、２８０ｎｍの吸光度を使用して決定した。ペプチドの識別を、ＥＳＩ Ｆｉｎｎｉｇａｎ ＬＣＱ ＭＳ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｎｎｉｇａｎ、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ）を使用して確認した。ペプチドＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤについては、ｍ／ｚ＝１４２４．６（ｚ＝１）であった。
ペプチドの調製に使用したすべての化学薬品は、別段記載されない限りＮｏｖａＢｉｏｃｈｅｍから得た。
三核銅−ペプチド錯体の形成。ペプチドＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤは、過剰の酢酸塩（または塩化物）の存在下で、３つの銅イオンを結合して、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−およびＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体の両方を形成することができる。ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体が、ｐＨ６．８のＤＩ水中、１ｍＭを超えて化学量論の［ＣｕＩＩ］／［ペプチド］濃度比３／１で、先のアニオン性配位子の存在下で形成されると、溶液から青色の酢酸塩または塩化物錯体が沈殿した。３つのＣｕＩＩイオンの６つの正電荷が、ペプチド配列の２つのＡｓｐ、２つの酢酸（または塩化物）アニオン性配位子、およびキャッピング「μ−オキソ」によって提供される６つの負電荷によって平衡化されるので、錯体は電気的に中性になるはずである（本文を参照）。錯体は、水性バッファーへの溶解性がごく限られており（約１ｍＭ）、銅の核性がより低い銅−ペプチド種に解離した。Ｃｕ（ＯＡｃ）２を使用して化学量論のＣｕＩＩ／ペプチド溶液（［ＣｕＩＩ］／［ペプチド］濃度比３／１）から形成された青色ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド沈殿物の試料を、６当量のアスコルビン酸塩と共にインキュベートすることによって、白色ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体を容易に形成した後、洗浄した。還元された三核銅−ペプチド錯体は、水性バッファーに完全に不溶性であった。
ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド溶液の質量分光分析。銅−ペプチド溶液の質量分光分析を、７．０ Ｔｅｓｌａ ＦＴ ＩＣＲ質量分析計（ＡＰＥＸ ＩＶ、Ｂｒｕｋｅｒ−Ｄａｌｔｏｎｉｃｓ）をＥＳＩモードで操作して行った。０．０５％ギ酸を含有する脱イオン水（ｐＨ４．０）中、３．０ｍＭのペプチドを９．０ｍＭのＣｕ（ＯＡｃ）２と混合することによって、銅−ペプチド錯体を形成した。次に、溶液をＱｕｉｃｋｓｐｉｎ遠心分離機で遠心分離処理して、形成された固体三核銅錯体沈殿物から溶液を分離した。次に、０．０５％ギ酸を含有する１：１Ｈ２Ｏ／ＣＨ３ＯＨ（１：１ｖ／ｖ）溶液５０μＬ（ｐＨ約４）を、上清６．０μＬに添加し、溶液中の銅−ペプチド種の質量スペクトルを記録した。
質量分析に基づくと、ペプチドＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤが、過剰の酢酸塩（または塩化物）の存在下で、３つのＣｕＩＩイオンを結合して三核銅錯体を形成できることが見出された。Ｃｕ３−ペプチド種の形成を、ＦＴ−ＩＣＲ ＥＳＩ−ＭＳによって確認した（図２２Ａ）。天然ペプチドの質量ピーク（ｍ／ｚ７１３．３（ｚ＝２））、Ｃｕ１−ペプチドの質量ピーク（ｍ／ｚ７４３．８（ｚ＝２））、およびＣｕ２−ペプチドの質量ピーク（ｍ／ｚ７７５．２（ｚ＝２））を、溶液から得た。沈殿物が溶液に含まれていた場合、ＥＳＩ−ＭＳ分析で追加の質量ピーク（ｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２））を読み取った。この質量ピークは、Ｃｕ３−ペプチド種に容易に割り当てられる。６３Ｃｕおよび６５Ｃｕ同位体の統計分布を含むことによってｍ／ｚ８０５．７（ｚ＝２）ピークの近傍の質量クラスターをシミュレートして、三核銅−ペプチド錯体への割当てを確認する。
固体ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体のＦＡＢ質量分析。ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤを用いて形成された固体ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体の高速原子衝撃質量分析法（ＦＡＢ−ＭＳ）では、Ｃｕ３−ペプチド種に一致するｍ／ｚ１６１３．７（ｚ＝１）の質量ピークが明らかになった（図２９Ａ）。対応する２：１および１：１銅−ペプチド種は、それぞれｍ／ｚ１５４９．８〜１５５１．８（ｚ＝１）、およびｍ／ｚ１４８９（ｚ＝１）において観測された。ＦＡＢ質量スペクトルを、ＪＭＳ−７００二重収束質量分析計（ＪＥＯＬ、日本、東京）で、８０００（３０００）分解（５％谷の定義）を用いて得た。Ｘｅガンを電源加速電圧１０ｋＶで操作して使用し、３−ニトロベンジルアルコール（ＮＢＡ）をマトリックスとして使用して、固体三核銅−ペプチド錯体を担持した。ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体をＮＢＡ１ｍｌと手動で混合することによって、試料を調製し、一定分量の混合物を、ＦＡＢ質量分析のために標的先端に適用した。質量スペクトルを、ｍ／ｚ５００から１８００まで３２ｓスキャンで記録した。
配位子の識別。ペプチド
によって、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）由来のｐＭＭＯの結晶構造のＤ部位に三核銅クラスターを構築するために、本発明者らが既に使用したＰｍｏＡ断片の潜在的に可能な金属ライゲーション残基のバルクを準備する［８］。ペプチド配列の太字で強調した残基は、（左から右に）ＰｍｏＡのＨｉｓ３８、Ｍｅｔ４２、Ａｓｐ４７、およびＡｓｐ４９に相当する。本発明者らは、この研究で三核銅−ペプチド錯体の形成に関与する配位子を識別するために、いくつかのペプチド変異体を調製し、ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体の沈殿特性に基づいて単純なアッセイを展開した。三核銅錯体モデルにおいて、Ｈｉｓ３８およびＭｅｔ４２を模倣するペプチド配列の第１のＨｉｓおよび第１のＭｅｔ、ならびにＡｓｐ４９を模倣するＣ末端Ａｓｐの使用を、表８に示される通り、アミノ酸置換によって実証した。強調されたこれらのアミノ酸は、三核銅クラスターを形成するのに絶対的に必要であることが見出された。ペプチド配列の主要Ｈｉｓが、Ｇｌｎによって置換される場合、かなり弱い錯体が形成された。このＨｉｓがＡｌａで置換されている場合、ごく微量の沈殿物が検出された。同様に、ペプチド配列の第１のＭｅｔがＡｌａで置き換えられると、三核銅錯体の形成が消失した。それとは対照的に、ペプチド配列の第２のＨｉｓがＧｌｎで置き換えられるか、またはペプチド配列の第２のＭｅｔがＡｌａで置き換えられると、三核銅錯体の形成にはほとんど効果がなかった。ペプチドの残りのＡｓｐは、Ａｓｐ４７を模倣することを企図され、このＡｓｐをＡｌａで置換して初めて、弱い錯体が形成された。
固体三核銅−ペプチド錯体のＥＰＲ分光法。固体ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体を、３当量のＣｕ（ＯＡｃ）２またはＣｕＣｌ２を添加して、１〜５ｍＭのペプチド溶液（脱イオン水中、ｐＨ６．８）から沈殿させることによって調製した。ペプチド試料の濃度を、ε＝５６９０Ｍ−１ｃｍ−１を使用して２８０ｎｍで分光光度的に決定した。各場合、ＣｕＩＩ溶液を、振とう機内でペプチド溶液にゆっくり滴下した。青色沈殿物を、ＥＰＲ測定のためにＫＣｌに分散させた（１重量％）。
三核銅−ペプチド錯体の７７Ｋ ＥＰＲスペクトル（図２３および図２９Ｂ）を、Ｂｒｕｋｅｒ ＴＥ１０２キャビティを備えたＢｒｕｋｅｒ ＥＭＸ分光計で記録した。試料温度を、液体窒素フィンガーデュワーを使用することによって７７Ｋに維持した。マイクロ波周波数：９．４９０〜９．５１６ＧＨｚ；マイクロ波電力：２．０ｍＷ；振幅変調：３ガウス。
ＫＣｌに分散させた（３重量％）青色（ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ）および白色（ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ）沈殿物に対して、Ｂｒｕｋｅｒ ＴＥ１０２キャビティを備えたＢｒｕｋｅｒ Ｅ５８０分光計で、４Ｋ ＥＰＲ測定を実施した。試料温度を、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの連続液体ヘリウムクライオスタットによってほぼ４Ｋに維持した。マイクロ波周波数：９．４５〜９．６６ＧＨｚ；マイクロ波電力：２０ｍＷ；振幅変調：１ガウス。
還元された三核銅−ペプチド錯体は、ＥＰＲサイレントであるはずである。白色ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド沈殿物および青色ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド沈殿物（３重量％をＫＣｌに分散させた）の適合試料について記録された４Ｋ ＥＰＲスペクトルの強度比較によって、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド試料において観測された残留酸化三核銅クラスターが、試料中の全三核銅クラスターの１％未満を占めていたことが示された。
銅三角形の証拠。ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体は、ｐＭＭＯが豊富な膜および約１５個の銅イオンの完全補体を含有するＭｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）から単離されたｐＭＭＯについて既に報告された通り［９、１０］、ＳＴ＝３／２基底状態をもたらすように強磁性的にカップリングされているＣｕＩＩスピンの三角形について予期される、特色のないほとんど等方性の電子常磁性共鳴分光法（ＥＰＲ）シグナルを呈した。野生型およびＨ４０Ｑ Ｍ４５Ａペプチド、すなわち
を用いて形成された錯体の７７Ｋ ＥＰＲスペクトルを、図２３に提示する。両方の錯体について観測されたｇ値は、２．１であり、これは、精製された活性なｐＭＭＯにおける推定上の三核銅クラスターについて報告されたｇ値とよく一致している［１０］。ＫＣｌに１％分散させた銅−ペプチド錯体の秤量した量の乾燥沈殿物に関するＥＰＲ強度測定では、沈殿物におけるＣｕＩＩ含量が、実験誤差内でＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体によって完全に説明されることが示された。Ｈ４０Ｑ Ｍ４５Ａペプチド−錯体沈殿物における、対応する三核銅−クラスター含量は、約８０％であった。変異体Ｈ３８Ｑペプチドである
の場合、弱いＥＰＲシグナル（線形変化を伴う）だけが読み取られる。これらのＥＰＲの結果は、ここで本発明者らが調製した野生型三核銅−ペプチド錯体と、ｐＭＭＯ酵素のＤ部位に関与している推定上の三核銅クラスターの間の直接的なつながりを提示している。
強磁的にカップリングしたＣｕＩＩスピンの三角形のＳＴ＝３／２基底状態への、観測されたＥＰＲの割当てを、野生型ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体に関する磁化率測定によって確認した（図２４）。
磁化率測定。ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤ錯体の磁化率を、超伝導量子干渉素子振動試料磁気計（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ製のＳＱＵＩＤ ＶＳＭ）を使用して測定した。３当量のＣｕＩＩを含有するペプチドの沈殿物を乾燥させ、ゼラチンカプセルに詰めた。温度依存性磁化（バルク磁気モーメント）データを、温度範囲１．８〜３００Ｋにわたって、磁場強度１．０テスラで収集した。
バルク磁気モーメントの常磁性構成成分を、観測されたバルク磁気モーメントから、ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体および試料ホルダーの反磁性寄与分を減算することによって得た。モル磁化率（ＸＭ）を、この補正磁気モーメント値から算出した。ＸＭ対Ｔのプロットを図２４に提示する。ＳＴ＝３／２基底状態を有するＣｕＩＩスピンの正三角形について導出されたＸＭに対する磁化率データの最良フィットによって、３５．４ｃｍ−１の交換相互作用Ｊが得られる。（Ｈ交換＝−２Ｊ［ＳＡ・ＳＢ＋ＳＢ・ＳＣ＋ＳＣ・ＳＡ］；詳細についてはデータ分析参照）。磁化率の温度依存性によって、２つのＳＴ＝１／２二重項状態が、四重項基底状態を約１００ｃｍ−１超えることが示される。
ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質のクローン化、タンパク質発現、および精製。野生型ＴＥＬ−ＳＡＭドメインの遺伝子を有するプラスミド［１１］は、Ｊａｍｅｓ Ｂｏｗｉｅ博士（ＵＣＬＡ）によって厚意により提供された。ＰｍｏＡ配列（Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（Ｂａｔｈ）の残基３８〜４９とＣ末端Ｐｒｏ−Ａｓｐを、対応するヌクレオチド配列をプライマーに組み込むことによって、ＴＥＬ−ＳＡＭドメインのＣ末端近くのＨｉｓ−Ｉｌｅ残基に縮合させた。Ｎ末端Ｈｉｓ６タグを有する標的タンパク質を生成するために、得られたアンプリコンを、ｐＥＴ２８ｂ（＋）ベクター（Ｎｏｖａｇｅｎ）のＮｄｅＩ制限部位にクローン化した。部位特異的変異誘発（Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ）を実施して、ＴＥＬ−ＳＡＭタンパク質のｐＨ依存性重合に必要なＶ８０Ｅ変異を生成した。プラスミドの完全性を、ＤＮＡ配列決定によって検証した。次に、Ｈｉｓ６タグ付きＴＥＬ−ＳＡＭ Ｖ８０Ｅ変異体／ＰｍｏＡ（３８〜４９）＋ＰＤ融合タンパク質（ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９））をコードするプラスミドを、Ｅ．ｃｏｌｉ ＢＬ２１（ＤＥ３）［ｐＬｙｓＳ］細胞（Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ）に形質転換した。融合タンパク質の発現を、１ｍＭのＩＰＴＧで誘発した。細胞を、５０ｍｇ／Ｌのカナマイシンを含有するＬａｕｒｉａ−Ｂｅｒｔａｎｉ（ＬＢ）ブロス中で、ＯＤ６００約０．６になるまで３７℃において５時間増殖させた。１−Ｌ細胞培養物を、４０００×ｇで３０分間かけてペレット化した。
細胞ペレットを、２０ｍＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌ、２００ｍＭのＮａＣｌ、３０ｍＭのイミダゾールに再懸濁させ、超音波処理によって溶解させた。粗製細胞抽出物を、１８，０００×ｇで４℃において３０分間遠心分離処理した。上清をベッドボリューム５ｍＬのＮｉ活性化ＨｉｓＴｒａｐ ＨＰカラム（ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｓｃｉｅｎｃｅｓ）に搭載し、２０ｍＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌおよび２００ｍＭのＮａＣｌ中、イミダゾールグラジエント（１０〜５００ｍＭ）で溶出した。Ｈｉｓ６タグ付きＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を、およそ１２０ｍＭのイミダゾールで溶出した。溶出物を２０ｍＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌで希釈して、イミダゾールおよびＮａＣｌの濃度を２０ｍＭ未満に低減した。次に、希釈した溶出物を、５ｍＬのＨｉＴｒａｐ Ｑアニオン交換カラム（ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｓｃｉｅｎｃｅｓ）に適用し、２０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌおよび２５ｍＭのＮａＣｌで洗浄し、２０ｍＭから１ＭのグラジエントのＮａＣｌで溶出した。融合タンパク質を、およそ４３０ｍＭのＮａＣｌで溶出し、ＳＤＳ−ＰＡＧＥおよびＣｏｏｍａｓｓｉｅ染色によって９５％を超える純度にした。精製タンパク質を、終夜、２０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌおよび２００ｍＭのＮａＣｌに透析し、Ｖｉｖａｓｐｉｎ濃縮器を使用して濃縮した。Ｈｉｓ６−タグを、終夜トロンビン消化によって除去し、タンパク質濃度を、Ｂｒａｄｆｏｒｄ法によって決定した。
精製ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ／ＭＳによって特徴付けた。また、ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を用いて形成した銅錯体を調製し、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ／ＭＳおよびＥＰＲ測定に付し、その後、Ｘ線Ｃｕ Ｋエッジ吸収およびＥＸＡＦＳ研究に付した。
ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を用いて形成した銅錯体のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ／ＭＳ。ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）のマトリックス支援レーザー脱離／電離飛行時間型（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ）分光学的研究を、オハイオ州コロンバス、オハイオ州立大学のＣＣＩＣ質量分析およびプロテオミクス施設で実施した。５．４当量のＣｕ（ＯＡｃ）２の存在下で、ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ／ＭＳを、Ｂｒｕｋｅｒ Ｒｅｆｌｅｘ ＩＩＩ（Ｂｒｕｋｅｒ、Ｂｒｅｍａｎ、ドイツ）質量分析計により、Ｎ２レーザーを用いて線形正イオンモードで操作して実施した。レーザー出力を、シグナルを生じるのに必要な閾値レベルで使用した。加速電圧は２８ｋＶに設定した。機器は、タンパク質分子量をブラケットするタンパク質標準（典型的にアポミオグロビンおよびウシ血清アルブミンの混合物）を用いて、適宜、二価、一価および二量体のピークを使用して較正した。試料を、０．１％ＴＦＡ中、近似濃度５０ｐｍｏｌ／μＬで調製した。シナピン酸を、５０％ＡＣＮ／０．１％ＴＦＡ（水中）飽和溶液として調製したタンパク質のためのマトリックスとして使用した。分配量１μＬのマトリックスおよび１μＬの試料を、一緒にして十分に混合し、このうち０．５μＬを標的プレート上にスポットし、乾燥させた。
ＭＡＬＤＩスペクトルによって、１１，０２３．２Ｄａの第１の質量が明らかになったが、これは予期されるタンパク質分子量、１１，０２７．３Ｄａとほぼ一致する（図２５）。第２のピークは、１１，２４６．８Ｄａにおいて観測された。特に、これらのピーク間の２２４Ｄａの質量差異は、ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質に結合した三核性銅ジオキソまたはオキソ−ヒドロキソ架橋種の結合と一致すると思われる。
Ｘ線吸収測定。Ｘ線吸収分光法（ＸＡＳ）のために、ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を用いて形成した三核銅錯体の試料を、以下の通り調製した。０．９ＭのＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質を、９当量の酢酸銅を用いて沈殿させた。タンパク質ペレットを、再蒸留Ｈ２Ｏで十分に洗浄した。
三核銅錯体粉末のＸ線吸収測定を、台湾ＨｓｉｎｃｈｕのＮａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒで、ウィグラービームラインＢＬ−１７Ｃ１で実施した。ビームを、ほぼ２×１０−４のエネルギー分解能ΔＥ／ＥのためにＳｉ（１１１）のダブル結晶モノクロメーターを用いて単色化した。ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド試料を、ポリエチレンバッグに入れて封止し、ガス冷却ストリームによって制御して約２７８Ｋにおいて測定した。ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体を、乾燥Ｎ２充填グローブボックス内で調製し、封止し、ＤＥ−２０２Ｇ閉ループサイクル低温クーラー（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｉｎｃ．）を用いて１００Ｋに維持した試料ホルダーに入れた。吸収スペクトルを、第１３族元素固体検出器を用いて蛍光モードで、エネルギー範囲８７７９〜９８７６ｅＶで得た。Ｃｕ箔の吸収スペクトルの８９７９．０ｅＶにおける第１の変曲点を、エネルギー較正のために使用した。既に、８９８０．３ｅＶのわずかに高い値が、Ｋａｕらによって使用された［１２］。データ収集戦略は、Ｌｉらによって既に報告されたものと同じとした［１３］。すべての１０回のスキャンに関する再現可能なＸＡＮＥＳスペクトルによって、タンパク質構造に対する放射線損傷は無視できることが示された。ＸＡＳデータをバックグラウンド補正し、ＡＵＴＯＢＫプログラム［１４］によってＸ（ｋ）＝［μ（ｋ）−μ０（ｋ）］／Δμ０（０）に従って正規化した（μ（ｋ）は、測定された吸収係数を表し、μ０（ｋ）はバックグラウンドを表し、Δμ０（０）はエッジジャンプを表す）。波ベクトルｋの値は、
（Ｅは光子エネルギーであり、Ｅ０は閾値エネルギーであり、
はプランク定数であり、ｍは電子質量である）と定義される。ＸＡＮＥＳスペクトル、ｄμ／ｄＥの一次導関数プロファイルの局所的最大値に基づいて、Ｅ０を８９９０．８ｅＶに設定した。ＥＸＡＦＳ領域２．５５≦ｋ≦１２．２５Å−１のχ（ｋ）を、ｋ３によってさらに加重し、次にＦＴ［ｋ３χ（ｋ）］としてＲ空間にフーリエ変換した（図３０）。
ＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−錯体のＸＡＮＥＳスペクトルと、野生型ペプチドとのＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−錯体のＸＡＮＥＳスペクトルを、図２６Ａにおいて比較する。還元された錯体のスペクトルにおける約８９８２ｅＶの明白なピークは、ＣｕＩに許容される１ｓ→４ｐ遷移［１２］を示している。これらの銅錯体のＥＸＡＦＳスペクトルを、図２６Ｂにおいて比較する。野生型ペプチドとのＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−錯体のＥＸＡＦＳスペクトルの分析およびデータフィッティングを、図２７に示す。
メソ多孔性炭素担持ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド錯体の調製。すべての実験を、グローブボックス（Ｃｏｙ Ｌａｂ）内で、酸素および水素分析器（Ｃｏｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｇｒａｓｓ ｌａｋｅ、ＭＩ）によって決定して１ｐｐｍ未満のＯ２レベルで実施した。メソ多孔性炭素（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、細孔径＞０．２ｃｍ３／ｇのメソ多孔度；８０ｍｇ）を、２ｍｌのエッペンドルフ管中、１２ｍｅｒのペプチド１ｍｌ（７．１ｍｇ、５ｍＭ）と共にＤＩ水に４℃で終夜懸濁させた。メソ多孔性炭素に吸着したペプチドまたはメソ多孔性炭素によって被包されたペプチドを、１３０００ｒｐｍで３０分間遠心分離処理することによって収集した。ピペットマンを使用して上清を丁寧に除去した後、メソ多孔性炭素に会合しているペプチドを、２５ｍＭのＣｕＣｌ２溶液（１ｍｌ）で処理し、４℃で２日間懸濁させておいた。次に、試料を１３０００ｒｐｍで３０分間遠心分離処理して、ペレットを収集した。上清を除去した後、ペレットをＨ２Ｏで２回洗浄して、ペプチドと錯体化しなかった銅イオンを除去した。７７Ｋ ＥＰＲによって、メソ多孔性炭素に会合しているペプチドと結合したすべての銅イオンが、強磁性的にカップリングしたＣｕＩＩ三角形の形態であったことを確認した。次に、メソ多孔性炭素混合物に被包されたＣｕＩＩＣｕＩＩＣｕＩＩ−ペプチド錯体を、２５ｍＭのアスコルビン酸塩溶液１ｍｌで２０分間処理することによって、ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ペプチド種に還元した。このアスコルビン酸塩による還元をもう１回反復した後、ペレットを、脱ガスした再蒸留Ｈ２Ｏ１ｍｌで２回洗浄して、デヒドロ−アスコルビン酸塩および過剰のアスコルビン酸塩を除去した。洗浄した後、メソ多孔性炭素担持ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ三核銅−ペプチド錯体を、１３０００ｒｐｍで３０分間遠心分離処理することによって収集し、上清をデカントした。最後に、ペレットをデシケーター内で、無水塩化カルシウムを水分捕捉剤として使用することによって３日間乾燥させた。これらのペレットでは、７７ＫにおいてＥＰＲシグナルは検出されなかったが、このことは、銅イオンが試料中で完全に還元されたことを示している。
メソ多孔性炭素担持ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ三核銅−ペプチド錯体の活性アッセイ。ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ三核銅−ペプチド錯体の活性を、プロピレンエポキシ化アッセイとメタン酸化アッセイの両方によって決定した。すべてのアッセイを、９ｍＬの閉鎖バイアル中、水浴により４５℃で実施した。プロピレンエポキシ化活性の場合、メソ多孔性炭素担持三核銅錯体を９ｍｌのバイアルに入れて封止し、脱気した。ＳＴＰにおいてプロピレン６ｍｌ（２４９μｍｏｌ）およびＳＴＰにおいて酸素３ｍｌ（１２４μｍｏｌ）を、順次、シリンジ針を使用して大気圧下でバイアルに導入して、アッセイを開始した。メタンの酸化活性の場合、メソ多孔性炭素に被包された三核銅−ペプチド錯体を、９ｍｌのバイアルに入れて封止し、２０秒間脱気し、順次、ＳＴＰにおいてメタン６ｍｌ（２４９μｍｏｌ）およびＳＴＰにおいて酸素３ｍｌ（１２４μｍｏｌ）を、大気圧下でバイアルに導入して、アッセイを開始した。三核銅錯体モデルについて最初に記載した条件を用いて、酸化生成物のＧＣおよびＧＣ−ＭＳ分析を実施した。
ＣＨ４：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝５．０分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）１６（１００）［Ｍ＋］、１５（７０）。
ＣＨ３ＯＨ：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝５．５分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）３２（８０）［Ｍ＋］、３１（１００）、２９（７０）。
Ｃ３Ｈ６：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝５．０分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）４２（７０）［Ｍ＋］、４１（１００）、３９（８０）。
Ｃ３Ｈ６Ｏ：ＧＣ（等温、３０℃）、ｔＲ＝６．１分；ＥＩ−ＭＳ、ｍ／ｚ（％）５８（１００）［Ｍ＋］、４３（７０）、２８（７０）。
定量化を、酸化プロピレンおよびメタノール標準（Ｍｅｒｃｋ；分光光度グレード＞９９％）を分析することによって作製した標準曲線を使用して実施した。
データ分析
磁化率データの分析。正三角形を形成する３つのＳＡ＝ＳＢ＝ＳＣ＝１／２中心の等方的交換は、四重項（４Ａ）を生じ、二重項（２Ｅ）に二重縮退する［１５］。強磁性的交換（Ｊ＞０）については、四重項４Ａは基底状態であり、抗強磁性相互作用（Ｊ＜０）では、基底状態は二重項２Ｅになる。しかし後者の状況では、三角形のヤーン−テラー変形が生じて、スピンフラストレーションを緩和すると予期される。単純な等方的交換ハミルトニアンは、
Ｈ等方的交換＝−２Ｊ［ＳＡ・ＳＢ＋ＳＢ・ＳＣ＋ＳＣ・ＳＡ］、（１）
と説明することができ、平均モル磁化率（ＸＭ）は、周知のバンブレック方程式によって与えられる。
式中、ＮＡはアボガドロ数であり、μ０は誘電率であり、μＢはボーア核磁子であり、ｋＢはボルツマン定数である。ｇＣｕは、ＣｕＩＩイオンの平均ｇ値を示し、Ｊは、等方的交換相互作用である。
ＥＸＡＦＳデータの分析。平面波単一散乱に基づくと、ＥＸＡＦＳ公式は、以下の方程式によってすべてのシェルｊの総和として表すことができる。
式中、Ｆｊ（ｋ）は、距離Ｒｊ（吸収原子に対する）におけるシェルのＮｊ原子のそれぞれに由来する後方散乱振幅であり、ｅｘｐ（−２ｋ２σｊ ２）は、平均二乗変位量σｊ ２を伴うデバイ−ワラー因子であり、Ｓ０ ２は、振幅減少因子であり、σｊ（ｋ）は、全位相変位であり、λ（ｋ）は、光電子平均自由行程である。Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ（ＣＣＤＣ）から得た構造コードＺＯＮＣＡＧおよびＭＥＣＺＵＱに基づいて［１６］、Ｆｊ（ｋ）、δｊ（ｋ）、およびλ（ｋ）の値を、ＦＥＦＦ７コードの曲線波第１原理（ｃｕｒｖｅｄ ｗａｖｅ ａｂ ｉｎｉｔｉｏ）手順によって、理論的に算出した［１３］。定数Ｓ０をくくり出して、約１．７≦Ｒ≦約３．７Åの範囲でフィッティングパラメータΔＥ０（Ｅ０の小さい変動）、Ｒｊ、σｊ ２およびＮｊを用いて、ＦＥＦＦＩＴプログラムによって実施される非線形最小二乗フィッティングアルゴリズムを使用して、ＦＴ［ｋ３χ（ｋ）］をフィットした［１４］。フィッティングプロセスでは、ΔＥ０は変えることができたが、すべての散乱経路について共通の値になるように制限した。配位数（Ｎｊ）は、フィッティングプロセス過程で系統的に変えたが、所与のフィット内では固定した。データフィッティングの質を、以下の通り定義される適合度因子によって評価した。
式中、
であり、ｎは、ｆｉの評価数であり、
（したがってＲｆｉｔ）を、非線形最小二乗フィッティングアルゴリズムにおいて最小となるようにした［１４］。
ＴＥＬ−ＳＡＭ−ＰｍｏＡ（３８〜４９）融合タンパク質で収集したＥＸＡＦＳデータの最良フィットを、三核銅クラスターに関する配位子構造の最良フィットと一緒に図３０に示し、対応するパラメータを表９にまとめる。モデル構築に基づいて、約３．１４ÅのＣ原子（複数可）の後方散乱は、カルボキシレートおよび／またはメチオニンの寄与から生じ得る。結合角∠Ｃｕ−Ｏ−Ｃｕ＝１１９．５°と推定することによって、Ｃｕ−Ｏ距離が２．０２Åであり、Ｃｕ−Ｃｕ距離が３．４９Åである三角形の中心に位置する「μ−オキソ」基の可能性を合理的に説明することができる。
固体ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ−ＨＩＨＡＭＬＴＭＧＤＷＤ錯体で収集したＥＸＡＦＳデータの最良フィットを、三核銅クラスターに関する配位子構造の最良フィットと一緒に図２７に示す。
（参考文献）
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本願を通して引用したすべての参考文献、例えば発行済みの特許または特許権が与えられた特許または均等物を含む特許文献、特許出願文書、および非特許文献または他の原資料は、各参考文献が本願の開示と少なくとも部分的に矛盾しない程度まで参照によって個々に援用されるように、その全体が参照によって本明細書に援用される（例えば、部分的に矛盾する参考文献は、その参考文献の部分的に矛盾する部分を除いて、参照によって援用される）。
本明細書で用いた用語および表現は、説明するという観点で使用されており、限定的ではなく、またこのような用語および表現の使用は、示し記載されている特色またはその一部のいかなる均等物も除外することを企図しないが、特許請求する本発明の範囲内では様々な改変が可能であることが認識される。したがって本発明は、好ましい実施形態、例示的な実施形態および任意選択の特色によって具体的に開示されているが、当業者は、本明細書に開示されている概念の改変および変更を行うことができ、このような改変および変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に含まれるとみなされることを理解されたい。本明細書で提供される特定の実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本発明は、本発明の説明に記載のデバイス、デバイスの構成成分、方法ステップの数多くの変更を使用して実施され得ることが、当業者には明らかとなろう。当業者には明らかな通り、本発明の方法に有用な方法およびデバイスは、数多くの任意選択の組成物、ならびに処理要素およびステップを含み得る。
置換基の群が本明細書中に開示される場合、これらの群およびすべての部分群のすべての個々のメンバー（その群のメンバーの任意の異性体、鏡像異性体およびジアステレオマーを含む）が別個に開示されていることが理解される。マーカッシュ群または他の群が本明細書で使用される場合、その群ならびにその群の可能なすべての組合せおよび部分的な組合せのすべての個々のメンバーが、本開示に個々に含まれるものとする。化合物の特定の異性体、鏡像異性体またはジアステレオマーが、例えば式または化学名で特定されずに、その化合物が本明細書で記載されている場合、その説明は、個々にまたは任意の組合せで記載される化合物の各異性体および鏡像異性体を含むものとする。さらに、別段特定されない限り、本明細書に開示される化合物のすべての同位体変種は、本開示によって網羅されるものとする。例えば、開示される分子における任意の１つまたは複数の水素は、重水素またはトリチウムで置き換えられ得ることを理解されよう。分子の同位体変種は、一般に、その分子についてのアッセイ、ならびにその分子またはその使用に関係する化学的および生物学的研究における標準物質として有用である。このような同位体変種の作製方法は、当技術分野で公知である。化合物の具体的な名称は、当業者が同じ化合物を異なる名称で呼ぶことができることが公知の通り、例示的なものとする。
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、状況によって別段明示されない限り、複数の言及を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば「１つの細胞」への言及は、複数個のこのような細胞および当業者に公知のその均等物等を含む。さらに、用語「ａ」（または「ａｎ」）、「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」および「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」は、本明細書では交換可能に使用することができる。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、交換可能に使用できることにも留意されたい。「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれかに記載の」という表現（ここで、ＸＸおよびＹＹは、請求項番号を指す）は、代替形態の複数の独立請求項を提供するものとし、一部の実施形態では、「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれか一項に記載の」という表現と交換可能である。
別段定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の通常の技術を有する者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似のまたは等しい任意の方法および材料を、本発明の実施または試験で使用することができるが、好ましい方法および材料をここに記載する。本明細書では、先行発明が理由となり、本発明がこのような開示に先行する権利を得られないことが認められると解釈されるべきではない。
本明細書に記載または例示されている構成成分のすべての配合物または組合せは、別段記載されない限り、本発明を実施するために使用することができる。
ある範囲、例えば温度範囲、時間範囲、または組成もしくは濃度範囲が本明細書に示される場合は常に、すべての中間範囲および部分範囲、ならびに示される範囲に含まれるすべての個々の値が、本開示に含まれるものとする。本明細書で使用される場合、範囲は、その範囲の端点の値として提供される値を具体的に含む。例えば、１〜１００という範囲は、端点の値１および１００を具体的に含む。本明細書の説明に含まれる範囲または部分範囲の任意の部分範囲または個々の値は、本明細書の特許請求の範囲から除外され得ることが理解されよう。
本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、または「によって特徴付けられる（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ）」と同義であり、包括的であり、または制限がなく、列挙されていないさらなる要素または方法ステップを除外するものではない。本明細書で使用される場合、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、特許請求の範囲の要素で特定されない任意の要素、ステップまたは成分を除外する。本明細書で使用される場合、「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、特許請求の範囲の基本的な特徴および新規な特徴に本質的に影響を与えない材料またはステップを除外しない。本明細書において各場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「から本質的になる」および「からなる」のいずれも、その他の２つのいずれかで置き換えることができる。本明細書で例示的に記載される本発明は、適切には、本明細書に具体的には開示されていない任意の１つまたは複数の要素、１つまたは複数の制限なしに実施され得る。
具体的に例示されているもの以外の、出発材料、生体材料、試薬、合成方法、精製方法、分析方法、アッセイ方法および生物学的方法は、過度な実験に頼ることなく、本発明の実施において用いられ得ることを、当業者は理解されよう。このような任意の材料および方法の、当技術分野で公知のすべての機能的均等物は、本発明に含まれるものとする。用いた用語および表現は、説明するという観点で使用されており、限定的ではなく、またこのような用語および表現の使用は、示し記載されている特色またはその一部のいかなる均等物も除外することを企図しないが、特許請求する本発明の範囲内では様々な改変が可能であることが認識される。したがって本発明は、好ましい実施形態および任意選択の特色によって具体的に開示されているが、当業者は、本明細書に開示されている概念の改変および変更を行うことができ、このような改変および変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に含まれるとみなされることを理解されたい。

Claims (89)

  1. 炭化水素を酸化して酸化生成物を作製するための触媒方法であって、
    前記炭化水素を、酸化剤の存在下で銅触媒と接触させ、それによって前記酸化生成物を作製するステップと、
    前記銅触媒を再生するステップとを含み、
    前記銅触媒が、３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
    ［式中、
    ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、
    ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む、触媒方法。
  2. 前記炭化水素が、Ｃ１〜Ｃ８アルカンまたはＣ１〜Ｃ８アルケンである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記炭化水素が、メタン、エタン、プロパン、ブタンまたはこれらの任意の組合せである、請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
  4. 前記炭化水素が、天然ガスの試料で提供される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記酸化生成物が、アルコール、ケトンまたはジオールである、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. ２５℃またはそれ未満の温度および１気圧またはそれ未満の圧力で行うことができる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記銅触媒が、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する三核銅錯体を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記銅触媒が、前記酸化剤と接触させられ、それによって酸素化された活性化銅触媒を作製する、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記酸素化された活性化銅触媒が、式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記酸素化された活性化銅触媒が、式（ＦＸ１２）：
    を有する、請求項８〜９のいずれかに記載の方法。
  11. 前記酸素化された活性化銅触媒と前記炭化水素の反応によって、前記酸素化された活性化銅触媒から前記炭化水素にＯ原子が移動し、それによって前記酸化生成物を作製する、請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
  12. 前記Ｏ原子が、前記炭化水素のＣ−Ｈ結合に挿入される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記酸素化された活性化銅触媒と前記炭化水素の反応によって、部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が作製され、前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元して、前記銅触媒を再生するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が、式（ＦＸ１３）：
    を有する、請求項１３〜１４のいずれかに記載の方法。
  16. 前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元する前記ステップが、前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元剤と接触させることによって達成される、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
  17. 前記還元剤が、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２、ギ酸塩またはアスコルビン酸塩である、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記方法で再生された前記銅触媒が、前記触媒方法において前記酸化剤の存在下で炭化水素と接触して、前記酸化生成物をさらに作製する、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
  19. 前記炭化水素が、メタン、エタンおよびプロパンであり、前記酸化生成物が、前記酸化剤の存在下で前記銅触媒と接触していると、それ以上酸化を受けない、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
  20. １×１０−２秒−１またはそれを超える回転頻度によって特徴付けられる、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
  21. ５０％またはそれを超える触媒効率によって特徴付けられる、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
  22. 前記銅触媒が、１つまたは複数の対イオンをさらに含む、請求項１〜２１のいずれかに記載の方法。
  23. 前記１つまたは複数の対イオンが、ＣｌＯ４ −またはＢＦ４ −からなる群から選択される、請求項２２に記載の方法。
  24. ｍおよびｎのそれぞれが、１である、請求項１〜２３のいずれかに記載の方法。
  25. Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１およびＹ２のそれぞれが、Ｎである、請求項１〜２４のいずれかに記載の方法。
  26. Ｒ１およびＲ５が、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成し、Ｒ２およびＲ６が、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成する、請求項１〜２５のいずれかに記載の方法。
  27. Ｒ７およびＲ８のそれぞれが、エチル基である、請求項１〜２６のいずれかに記載の方法。
  28. Ｒ７およびＲ８のそれぞれが、メチル基ではない、請求項１〜２７のいずれかに記載の方法。
  29. Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれが、独立に、水素またはＣ１〜Ｃ５アルキルである、請求項１〜２８のいずれかに記載の方法。
  30. Ｒ９が、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２または−ＣＯ（ＮＨ２）である、請求項１〜２９のいずれかに記載の方法。
  31. 前記配位子が、式（ＦＸ２）または（ＦＸ３）：
    を有する、請求項１に記載の方法。
  32. 前記配位子が、式（ＦＸ４）または（ＦＸ５）：
    を有する、請求項１に記載の方法。
  33. 前記配位子が、式（ＦＸ６）または（ＦＸ７）：
    を有する、請求項１に記載の方法。
  34. 前記配位子が、式（ＦＸ８）：
    を有する、請求項１に記載の方法。
  35. 前記配位子が、式（ＦＸ９）、（ＦＸ１０）または（ＦＸ１１）：
    を有する、請求項１に記載の方法。
  36. Ｒ７およびＲ８のそれぞれが、エチル基である、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記炭化水素が、直鎖、分岐または環式アルカンまたはアルケンである、請求項１〜３６のいずれかに記載の方法。
  38. 前記炭化水素が、Ｃ１〜Ｃ８アルカンまたはＣ１〜Ｃ８アルケンである、請求項１〜３７のいずれかに記載の方法。
  39. 前記炭化水素が、メタンである、請求項１〜３８のいずれかに記載の方法。
  40. 炭化水素が、気相、液相または溶液相で提供される、請求項１〜３９のいずれかに記載の方法。
  41. 前記酸化剤が、二酸素種である、請求項１〜４０のいずれかに記載の方法。
  42. 前記酸化剤が、Ｏ２、Ｈ２Ｏ２または空気である、請求項１〜４１のいずれかに記載の方法。
  43. 前記酸化剤が、気相、液相または溶液相で提供される、請求項１〜４２のいずれかに記載の方法。
  44. 前記銅触媒が、均一系触媒である、請求項１〜４３のいずれかに記載の方法。
  45. 前記銅触媒、前記酸化剤および前記炭化水素が、それぞれ溶媒に溶解され、酸化剤の存在下で前記炭化水素を前記銅触媒と接触させる前記ステップが、前記溶媒、前記溶解した銅触媒、前記酸化剤および前記炭化水素を含む均一溶液中で行われる、請求項１〜４４のいずれかに記載の方法。
  46. 前記溶液中の前記触媒の濃度が、０．１〜１０ｍＭの範囲から選択される、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記溶液中の前記炭化水素の濃度が、０．１〜０．５Ｍの範囲から選択される、請求項４５〜４６のいずれかに記載の方法。
  48. 前記溶液中の前記酸化剤の濃度が、０．０５〜０．２Ｍの範囲から選択される、請求項４５〜４７のいずれかに記載の方法。
  49. 前記溶媒が、非水性溶媒である、請求項４５〜４８のいずれかに記載の方法。
  50. 前記溶媒が、ＭｅＣＮまたはフッ化炭化水素である、請求項４５〜４９のいずれかに記載の方法。
  51. 前記銅触媒が、不均一系触媒である、請求項１に記載の方法。
  52. 前記銅触媒が、固体触媒担持足場の１つまたは複数の表面上に固定化されている、請求項５１に記載の方法。
  53. 前記銅触媒が、ポリマー支持体、ガラスビーズ、または樹脂に共有結合によって付着している、請求項５１に記載の方法。
  54. 前記固体触媒担持足場が、メソ多孔性材料を含み、前記銅触媒が、前記メソ多孔性材料を含む細孔ネットワークの表面上に提供される、請求項５２に記載の方法。
  55. 前記固体触媒担持足場が、メソ多孔性ケイ酸、メソ多孔性炭素、またはゾルゲルである、請求項５２に記載の方法。
  56. 前記メソ多孔性材料が、負電荷表面を作製するように官能化される、請求項５４に記載の方法。
  57. 前記メソ多孔性材料が、Ａｌまたはアニオン性３−トリヒドロキシシリルプロピル−メチルホスホネート（ＴＰ）と接触することによって官能化される、請求項５６に記載の方法。
  58. 前記酸化剤および前記炭化水素を溶媒に溶解して、溶液を作製し、前記銅触媒を前記溶液と接触させる、請求項５１〜５７のいずれかに記載の方法。
  59. 前記溶液中の前記炭化水素の濃度が、０．１〜２．０Ｍの範囲から選択される、請求項５８に記載の方法。
  60. 前記溶液中の前記酸化剤の濃度が、０．０５〜０．２Ｍの範囲から選択される、請求項５８〜５９のいずれかに記載の方法。
  61. 前記溶媒が、非水性溶媒である、請求項５８〜６０のいずれかに記載の方法。
  62. 前記溶媒が、ＭｅＣＮまたはフッ化炭化水素である、請求項５８〜６１のいずれかに記載の方法。
  63. 前記炭化水素が、メタンであり、前記酸化生成物が、メタノールであり、
    前記炭化水素が、エタンであり、前記酸化生成物が、エタノールであり、
    前記炭化水素が、プロパンであり、前記酸化生成物が、プロパノールであり、
    前記炭化水素が、ブタンであり、前記酸化生成物が、ブタノール、ブタノンもしくは２，３−ブタンジオールであり、または
    これらの任意の組合せである、請求項１に記載の方法。
  64. 天然ガスを液体燃料に変換するプロセスを提供する、請求項１に記載の方法。
  65. 前記天然ガス中のメタン、エタン、プロパンまたはブタンのアルカンヒドロキシル化のためのプロセスを提供する、請求項６４に記載の方法。
  66. 前記酸化剤として空気を使用して、前記天然ガスを前記液体燃料に変換する、請求項６４〜６５のいずれかに記載の方法。
  67. 前記天然ガスが、アルコール、ケトン、ジオールまたはこれらの任意の組合せを含む前記液体燃料に変換される、請求項６４〜６６のいずれかに記載の方法。
  68. ２５℃またはそれ未満の温度および１気圧またはそれ未満の圧力で前記液体燃料を作製するための、請求項６４〜６７のいずれかに記載の方法。
  69. 前記酸化生成物を単離するステップをさらに含む、請求項１〜６８のいずれかに記載の方法。
  70. 前記銅触媒を回収するステップをさらに含む、請求項１〜６９のいずれかに記載の方法。
  71. 天然ガスを液体燃料に変換するための触媒方法であって、
    前記天然ガス中のメタン、エタン、プロパンまたはブタンを、酸化剤の存在下で銅触媒と接触させ、それによってアルコール、ケトン、ジオールまたはこれらの任意の組合せを含む前記液体燃料を作製するステップと、
    前記銅触媒を再生するステップと
    を含み、
    前記銅触媒が、３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
    ［式中、
    ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、
    ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む、方法。
  72. 前記酸化剤が、空気である、請求項７１に記載の方法。
  73. 炭化水素を酸化して酸化生成物を作製するための触媒配合物であって、
    ３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
    ［式中、
    ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、
    ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成する］を有する配位子（Ｌ）を含む三核銅錯体を含む銅触媒と、
    前記銅触媒を活性化して、前記炭化水素と反応する酸素化された活性化銅触媒を作製して、前記酸化生成物および部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を作製するための酸化剤と、
    前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を還元して、前記銅触媒を再生するための還元剤と
    を含む、触媒配合物。
  74. 前記銅触媒が、式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する前記三核銅錯体を含む、請求項７３に記載の触媒配合物。
  75. 前記酸素化された活性化銅触媒が、式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する、請求項７３〜７４のいずれかに記載の触媒配合物。
  76. 前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する、請求項７３〜７５のいずれかに記載の触媒配合物。
  77. 前記酸化剤が、Ｏ２、Ｈ２Ｏ２または空気である、請求項７３〜７６のいずれかに記載の触媒配合物。
  78. 前記還元剤が、Ｈ２Ｏ２、Ｈ２、ギ酸塩またはアスコルビン酸塩である、請求項７３〜７７のいずれかに記載の触媒配合物。
  79. 前記酸化剤および前記還元剤が、それぞれＨ２Ｏ２である、請求項７３〜７８のいずれかに記載の触媒配合物。
  80. ３つのＣｕイオンおよび式（ＦＸ１）：
    ［式中、
    ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、
    ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、
    ただし、Ｒ１およびＲ５およびＲ２およびＲ６のそれぞれが、独立に合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を作製する場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、
    ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれメチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、
    ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれエチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれエチルではない］を有する配位子（Ｌ）を含む、銅錯体。
  81. 前記銅触媒が、１つまたは複数の対イオンをさらに含む、請求項８０に記載の銅錯体。
  82. 式［ＣｕＩＣｕＩＣｕＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する、請求項８０〜８１のいずれかに記載の銅錯体。
  83. メタン、エタン、プロパン、またはブタンを分子認識するための疎水性結合ポケットによって特徴付けられる構造を有する、請求項８０〜８２のいずれかに記載の銅錯体。
  84. ｍおよびｎのそれぞれが、１であり、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１およびＹ２のそれぞれが、Ｎであり、Ｒ１およびＲ５が、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成し、Ｒ２およびＲ６が、一緒になってエチレン基またはプロピレン基を形成し、それによって隣接するエチレンジアミン基と共にピペラジン環またはホモピペラジン環を形成する、請求項８０〜８３のいずれかに記載の銅錯体。
  85. Ｒ７およびＲ８のそれぞれが、エチル基である、請求項８０〜８４のいずれかに記載の銅錯体。
  86. 式［ＣｕＩＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）２ＣｕＩＩＩ（Ｌ）］１＋（Ｌは、式（ＦＸ１）：
    ［式中、
    ｍおよびｎのそれぞれは、独立に、０、１または２であり、
    ｅ、ｆ、ｇおよびｈのそれぞれは、独立に、０または１であり、
    Ｘ１およびＸ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｙ１およびＹ２のそれぞれは、独立に、Ｏ、Ｓ、ＮまたはＰであり、
    Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のそれぞれは、独立に、水素、Ｃ１〜Ｃ１０アルキル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルキル、Ｃ５〜Ｃ１０アリール、Ｃ５〜Ｃ１０ヘテロアリール、Ｃ１〜Ｃ１０アシル、Ｃ２〜Ｃ１０アルケニル、Ｃ３〜Ｃ１０シクロアルケニル、Ｃ２〜Ｃ１０アルキニル、Ｃ５〜Ｃ１０アルキルアリール、−ＯＨ、−ＣＨ２ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ２もしくは−ＣＯ（ＮＨ２）であり、またはＲ１およびＲ５は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、Ｒ２およびＲ６は、合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を形成し、
    ただし、Ｒ１およびＲ５およびＲ２およびＲ６のそれぞれが、独立に合わさってＣ２〜Ｃ４アルキレンを形成し、それによって隣接する部分と共に複素環式の６員、７員もしくは８員環を作製する場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、
    ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれメチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれメチルではなく、
    ただし、Ｒ１およびＲ２が、それぞれエチルである場合、Ｒ７およびＲ８は、それぞれエチルではない］を有する配位子である）を有する、酸素化された銅錯体。
  87. 式（ＦＸ１２）：
    を有する、請求項８６に記載の酸素化された銅錯体。
  88. 前記酸素化された銅錯体が、炭化水素と反応して、式［ＣｕＩＣｕＩＩ（μ−Ｏ）ＣｕＩＩ（Ｌ）］＋（Ｌは、前記配位子である）を有する部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物を作製する、請求項８６〜８７のいずれかに記載の酸素化された銅錯体。
  89. 前記部分的に酸化された三核銅錯体反応生成物が、式（ＦＸ１３）：
    を有する、請求項８８に記載の酸素化された銅錯体。
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