Докторант
  1. Неорганическая химия  1.1. Координационная химия  1.1.1. Теория поля лигандов  1.1.2. Теория кристаллического поля  1.1.3. Теория молекулярных орбиталей для координационных соединений  1.1.4. Устойчивость координационных соединений  1.1.5. Электронные спектры координационных соединений  1.1.6. Изомерия в координационных соединениях  1.1.7. Кинетика и механизм координационных реакций  1.2. Органометаллическая химия  1.2.1. Металлокарбонилы  1.2.2. Металлические алкилы и арилы  1.2.3. Карбены Фишера и Шрока  1.2.4. Оксидативное присоединение и восстановительное элиминирование  1.2.5. Металлические гидриды  1.2.6. Катализ с помощью металлоорганических соединений  1.2.7. Металлоцены и сэндвич-комплексы  1.2.8. Активация CH  1.3. Химия твердых тел  1.3.1. Кристаллические структуры и решетки  1.3.2. Теория зон и электрические свойства  1.3.3. Дефекты в кристалле  1.3.4. Синтез твердых материалов  1.3.5. Магнитные и оптические свойства твердых тел  1.3.6. Сверхпроводимость  1.3.7. Ионика твердого состояния  1.4. Био-неорганическая химия  1.4.1. Металлопротеины и ферменты  1.4.2. Транспорт и хранение ионов металлов  1.4.3. Роль металлов в медицине  1.4.4. Катализ, вдохновленный биологией  1.4.5. Взаимодействия металлов с ДНК  1.4.6. Metal Complexes in Medical Science  1.5. Лантаноиды и актиноиды  1.5.1. Электронная конфигурация и степени окисления в лантаноидах и актиноидах  1.5.2. Спектральные и магнитные свойства в лантанидах и актиноидах  1.5.3. Разделение и извлечение лантаноидов и актинойдов  1.5.4. Координационная химия элементов f-блока  1.6. Химия главной группы  1.6.1. Химия соединений бора  1.6.2. Химия соединений кремния и германия  1.6.3. Химия соединений фосфора и серы  1.6.4. Органосиликатная химия  1.6.5. Химия инертных газов
  2. Органическая химия  2.1. Механизм реакции  2.1.1. Реакции нуклеофильного замещения  2.1.2. Электрофильные реакции присоединения и замещения  2.1.3. Реакции элиминирования  2.1.4. Реакции перегруппировки  2.1.5. Радикальные реакции  2.1.6. Перициклические реакции  2.1.7. Фотохимические реакции  2.2. Стереохимия  2.2.1. Хиральность и оптическая активность  2.2.2. Структурный анализ  2.2.3. Стереоэлектронные эффекты  2.2.4. Асимметричный синтез  2.2.5. Динамическая стереохимия  2.3. Органометаллическая химия в органическом синтезе  2.3.1. Органолитиевые и органомагниевые реагенты  2.3.2. Реакции сопряжения, катализируемые переходными металлами  2.3.3. Реакции, катализируемые палладием  2.3.4. Олефиновый метатезис  2.3.5. Катализ золота и серебра  2.4. Химия природных продуктов  2.4.1. Алкалоиды и терпеноида  2.4.2. Стероиды и флавоноиды  2.4.3. Полный синтез природных соединений  2.4.4. Биосинтез природных продуктов  2.5. Супрамолекулярная химия  2.5.1. Химия "хозяин-гость"  2.5.2. Самосборка и молекулярное распознавание  2.5.3. Супрамолекулярный катализа  2.5.4. Молекулярные машины
  3. Физическая химия  3.1. Термодинамика  3.1.1. Законы термодинамики  3.1.2. Химический потенциал и равновесие  3.1.3. Статистическая термодинамика  3.1.4. Неравновесная термодинамика  3.2. Квантовая химия  3.2.1. Уравнение Шрёдингера и его применения  3.2.2. Теория молекулярных орбиталей  3.2.3. Теория функционала плотности  3.2.4. Методы пост-Хартри–Фока  3.3. Химическая кинетика  3.3.1. Теория скорости реакции  3.3.2. Механизм и законы скорости  3.3.3. Катализ и кинетика ферментов  3.3.4. Динамика реакций  3.4. Спектроскопия и молекулярная структура  3.4.1. Инфракрасная спектроскопия  3.4.2. УФ-видимая спектроскопия  3.4.3. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса  3.4.4. Масс-спектрометрия  3.4.5. Раманская спектроскопия  3.5. Поверхностная и коллоидная химия  3.5.1. Адсорбция и катализм  3.5.2. ПАВ и мицеллы  3.5.3. Коллоидная стабильность  3.5.4. Наноматериалы и интерфейсы
  4. Аналитическая химия  4.1. Хроматография  4.1.1. Газовая хроматография  4.1.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография  4.1.3. Thin Layer Chromatography  4.1.4. Ионная хроматография  4.2. Электроаналитические методы  4.2.1. Вольтамметрия и Полярография  4.2.2. Кондуктометрия и потенциометрия  4.2.3. Кулонометрия  4.3. Спектроскопические методы  4.3.1. Атомно-абсорбционная спектроскопия  4.3.2. Флуоресцентная спектроскопия  4.3.3. Рентгеновская дифракция  4.3.4. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса  4.4. Хемометрика  4.4.1. Обработка данных и статистические методы  4.4.2. Мультдисциплинарный анализ  4.4.3. Машинное обучение в аналитической химии
  5. Теоретическая и вычислительная химия  5.1. Молекулярное динамическое моделирование  5.2. Методы квантовой химии  5.3. Компьютерное проектирование лекарств  5.4. Машинное обучение в химии  5.5. Аб иницио молекулярная динамика
  6. Биофизика и медицинская химия  6.1. Открытие и разработка лекарств  6.2. Кинетика ферментов и ингибирование  6.3. Подход к химической биологии  6.4. Взаимодействия белок-лиганд  6.5. Биоортогональная химия
  7. Химия материалов  7.1. Химия полимеров  7.1.1. Механизм полимеризации  7.1.2. Функциональные полимеры  7.1.3. Биоразлагаемые полимеры  7.1.4. Проводящие и полупроводниковые полимеры  7.2. Нанохимия  7.2.1. Наночастицы и наноструктуры  7.2.2. Наноматериалы на основе углерода  7.2.3. Квантовые точки  7.3. Энергетическая и экологическая химия  7.3.1. Battery and Fuel Cell Chemistry  7.3.2. Зеленая химия и устойчивые материалы  7.3.3. Фотокатализ

Докторант → Неорганическая химия → Био-неорганическая химия ↓


Катализ, вдохновленный биологией


Катализ, вдохновленный биологией, относится к проектированию и разработке катализаторов, которые имитируют функции природных ферментов и каталитических процессов. Эти катализаторы черпают вдохновение из биологических систем, которые часто обладают высокой эффективностью и селективностью в осуществлении химических реакций в мягких условиях. Катализ, вдохновленный биологией, — это увлекательная область в биоорганической химии и неорганической химии, где исследователи пытаются создать инновационные катализаторы, понимая и имитируя принципы природных процессов.

Химический катализатор против биологического катализатора

Химические катализаторы, обычно неорганические катализаторы, используются в широком диапазоне промышленных процессов. Часто они требуют жестких условий, таких как высокая температура и давление для ефективной работы. Напротив, биологические катализаторы, известные как ферменты, работают в мягких условиях (при комнатной температуре и давлении) и проявляют замечательную селективность и эффективность.

Основным преимуществом ферментов является их способность катализировать реакции для определенных субстратов, обеспечивая уровень селективности, который часто сложно достичь с помощью синтетических неорганических катализаторов. Например, фермент карбоангидраза может способствовать быстрому преобразованию диоксида углерода и воды в бикарбонат и протоны:

    CO 2 + H 2 O ⇌ HCO 3 - + H +

Пример: структура фермента

активный центр Белковый остов

Ферменты, такие как карбоангидраза, содержат активные центры, обычно ионы металлов, такие как Zn 2+, которые играют ключевую роль в их каталитической активности. Окружение вокруг активного центра в ферменте обеспечивает селективность и эффективность, которые являются ключевыми особенностями, вдохновляющими катализ, вдохновленный биологией.

Имитация природы: Принципы катализатора, вдохновленного биологией

Исследователи используют катализаторы, вдохновленные биологией, чтобы воспользоваться ферментоподобными особенностями. Это включает имитацию свойств ферментов, таких как:

  • Высокие скорости реакции: Достижение быстрых скоростей реакции, подобных ферментам.
  • Высокий коэффициент оборота: Способность ферментов катализировать несколько циклов без деградации.
  • Специфичность по субстрату: проектирование катализаторов, которые избирательно нацелены на желаемый субстрат.
  • Работа в мягких условиях: Осуществление химических реакций при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Пример: гемоглобин и связывание кислорода

Гем-группа Связывание кислорода

Рассмотрим гемоглобин, белок, содержащий гем-группы, способные обратимо связывать кислород. Структура гемоглобина создает микроокружение, способствующее связыванию и освобождению кислорода в различных физиологических условиях. Аналогичным образом, катализаторы, вдохновленные биологией, стремятся воспроизвести такие эффекты окружения вокруг активного центра катализатора.

Стратегии проектирования в катализаторах, вдохновленных биологией

Проектирование катализаторов, вдохновленных биологией, часто включает в себя несколько стратегий:

1. Имитация металлоферментов

Металлоферменты используют ионы металлов в своих активных центрах для каталитической активности. Для разработки катализаторов, вдохновленных биологией, ученые идентифицируют ключевые ионы металлов и их координационные окружения в природных системах. Например, в нитрогеназе, которая способствует фиксации азота, каталитическая активность зависит от группы ионов металлов, МоФе-кофактора.

2. Использование кофакторов

Ферменты часто включают кофакторы, которые являются непептидными химическими соединениями или ионами металлов, необходимыми для ферментативной активности. Катализаторы, вдохновленные биологией, пытаются воспроизвести функцию и структуру этих кофакторов. Например, кофакторы витамина B12, содержащие ионы кобальта, вдохновили разработку катализаторов для радикальных реакций.

Пример: кофермент B12

Ионы кобальта Структура органического лиганда

Кофермент B12 содержит ион кобальта в корриновом кольце, который позволяет проводить радикальные реакции. Этот принцип применяется в создании синтетических аналогов с возможностью радикальных процессов для промышленного использования.

3. Молекулярные системы с карманами, подобными ферментам

Химики строят молекулярные системы с карманами, имитирующими активные центры ферментов. Эти карманы обеспечивают контролируемую среду, способствующую селективному и эффективному катализу. Такие конструкции часто включают в себя точно настроенные взаимодействия хоста и гостя для оптимальной ориентации реагентов.

Пример: Циклодекстрины

Карманы катализатора

Циклодекстрины — это циклические олигосахариды, образующие чашеобразные структуры, предоставляющие гидрофобные полости для содержания молекул-гостей. Эта особенность используется для разработки новых катализаторов, которые действуют подобно ферментам.

Применение катализаторов, вдохновленных биологией

Катализ, вдохновленный биологией, перспективен для различных приложений в разных областях. Ниже приведены некоторые из основных областей, где эта область показала значительное влияние:

1. Улучшение окружающей среды

Катализаторы, вдохновленные биологией, могут использоваться в приложениях для улучшения окружающей среды, таких как разработка загрязнений и очистка воды. Они предлагают более зеленый подход к катализу, снижая необходимость в жестких химикатах и экстремальных условиях.

2. Преобразование энергии

Ученые исследуют катализаторы, вдохновленные биологией, в процессах преобразования энергии, таких как искусственный фотосинтез, который превращает солнечный свет в химическую энергию. Разрабатываются катализаторы, которые имитируют природный процесс расщепления воды на водород и кислород.

3. Органический синтез

В фармацевтике и тонкой химии катализаторы, вдохновленные биологией, используются для осуществления сложных органических превращений, требующих точности и селективности. Каталитические принципы, заимствованные из ферментов, направляют синтез сложных молекулярных структур.

Проблемы в катализе, вдохновленном биологией

Несмотря на потенциал катализаторов, вдохновленных биологией, в этой области остается несколько проблем:

  • Масштабируемость: Масштабирование катализаторов, вдохновленных биологией, от лаборатории до промышленных приложений может быть сложным.
  • Стабильность: Поддержание стабильности этих катализаторов в условиях промышленных процессов важно для практического использования.
  • Сложность: Проектирование и синтез сложных катализаторов, вдохновленных биологией, требует передовых технологий и экспертизы.
  • Стоимость: Стоимость производства сложных катализаторов, вдохновленных биологией, высокая, что создает экономические проблемы.

Заключение

Область катализаторов, вдохновленных биологией, является динамичной областью исследований, которая соединяет разрыв между биологией и неорганической химией. Изучая и моделируя естественные системы, химики стремятся разрабатывать катализаторы, обеспечивающие селективность и эффективность биологических катализаторов с надежностью и универсальностью синтетических неорганических катализаторов. Дальнейший прогресс в этой области имеет потенциал революционизировать промышленные процессы, экологические стратегии и энергетические решения, делая их более устойчивыми и экологически чистыми.


Докторант → 1.4.4


U
username
0%
завершено в Докторант

← Предыдущий (1.4.3)
Роль металлов в медицине
Следующий (1.4.5) →
Взаимодействия металлов с ДНК

Комментарии 



Катализ, вдохновленный биологией

https://www.chemistryelite.com/phd/1.4.4?ceal=ru