Autokatrecycle — Сдача катализаторов

Перерабатываем

катализаторы

Autokat Recycle
Компания по приему и переработке
автомобильных катализаторов.
Делаем мир чище и безопаснее!

Сдать катализатор

Приём металлических

катализаторов

— BMW — 17 000 р./кг

— Импортные — 12 500 р./кг

— Отечественные — 4 500 р./кг
*только катализаторы определённого вида

При сдаче от 100 кг действуют особые условия,

уточняйте информацию у наших менеджеров

Оставить заявку

Теперь в Санкт-Петербурге

и области!

Выездные менеджеры готовы приехать к вам
7 дней в неделю! Звоните сейчас:
+7 (812) 445-81-54
В субботу и воскресенье пункт
переработки закрыт, приём
производится выездными
специалистами.

Оставить заявку

Команда выездных

менеджеров!

Оставьте заявку прямо сейчас. Наш специалист
свяжется с вами
и приедет в назначенное место.

Оставить заявку

Акция!

Для частных клиентов

Только с 9.00 до 14.00 по субботам

в пункте приема в Москве заплатим
+15% к стоимости
катализатора

Оставить заявку

Пламегасители в Санкт-Петербурге!

Теперь в пункте приема в Санкт-Петербурге

вы можете приобрести пламегасители
по низкой цене!


Подробности уточняйте у менеджера:
8 (965) 094-01-70
Звоните прямо сейчас!

Оставить заявку

Оптовик? Заявись!

Акция в Июне!

Специально для оптовых клиентов.
Работаем на особых условиях!

Чтобы узнать детали, свяжитесь с менеджером.

Действуйте прямо сейчас!

Оставить заявку

Скупка каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров от 1 шт.

Для физических лиц:

Для СТО и юридических организаций:

Автокатализаторы

скупка катализаторов, купить катализатор, катализатор купить, катализаторы автомобильные, каталитический нейтрализатор, скупка автокатализаторов, покупка катализаторов, автокатализатор, покупка катализатора, покупка автокатализаторов, утилизация автомобильных катализаторов, прием катализаторов, катализаторы автомобильные куплю, сдать катализатор, купить платиновый катализатор, платина из катализатора, скупка катализаторов цена, скупка катализаторов в москве, скупка бу катализаторов, скупка автомобильных катализаторов, покупка отработанных катализаторов, катализаторы автомобильные б у, катализатор продать, куплю отработанные катализаторы, купить катализатор автомобильный, нейтрализаторы

скупка катализаторов, купить катализатор, катализатор купить, катализаторы автомобильные, каталитический нейтрализатор, скупка автокатализаторов, покупка катализаторов, автокатализатор, покупка катализатора, покупка автокатализаторов, утилизация автомобильных катализаторов, прием катализаторов, катализаторы автомобильные куплю, сдать катализатор, купить платиновый катализатор, платина из катализатора, скупка катализаторов цена, скупка катализаторов в москве, скупка бу катализаторов, скупка автомобильных катализаторов, покупка отработанных катализаторов, катализаторы автомобильные б у, катализатор продать, куплю отработанные катализаторы, купить катализатор автомобильный, каталитические нейтрализаторы

Скупка автокатализаторов

скупка катализаторов, купить катализатор, катализатор купить, катализаторы автомобильные, каталитический нейтрализатор, скупка автокатализаторов, покупка катализаторов, автокатализатор, покупка катализатора, покупка автокатализаторов, утилизация автомобильных катализаторов, прием катализаторов, катализаторы автомобильные куплю, сдать катализатор, купить платиновый катализатор, платина из катализатора, скупка катализаторов цена, скупка катализаторов в москве, скупка бу катализаторов, скупка автомобильных катализаторов, покупка отработанных катализаторов, катализаторы автомобильные б у, катализатор продать, куплю отработанные катализаторы, купить катализатор автомобильный, каталитические нейтрализаторы

• Покупка автокатализаторов
• Скупка автокатализаторов
• Прием автокатализаторов

скупка катализаторов, купить катализатор, катализатор купить, катализаторы автомобильные, каталитический нейтрализатор, скупка автокатализаторов, покупка катализаторов, автокатализатор, покупка катализатора, покупка автокатализаторов, утилизация автомобильных катализаторов, прием катализаторов, катализаторы автомобильные куплю, сдать катализатор, купить платиновый катализатор, платина из катализатора, скупка катализаторов цена, скупка катализаторов в москве, скупка бу катализаторов, скупка автомобильных катализаторов, покупка отработанных катализаторов, катализаторы автомобильные б у, катализатор продать, куплю отработанные катализаторы, купить катализатор автомобильный, каталитические нейтрализаторы

Как происходит прием катализаторов — Katalizator-group

Как происходит переработка катализаторов

Современные автомобили невозможно представить без каталических нейтрализаторов выхлопных газов, которые являются важнейшей частью эко-безопасности. Транспортные средства в обязательном порядке оснащаются преобразователями выхлопа, а после выхода устройств из строя нужно ответственно отнестись к их утилизации и переработке. С этой целью открываются пункты приема катализаторов, в которых доступно не только избавиться от нерабочего автоката, но и получить материальную выгоду.

Многих интересует, как работает переработка катализаторов и сажевых фильтров, и какие этапы проходят б/у катализаторы, прежде чем из них удается получить драгоценные металлы.

Процесс утилизации

Главная цель производства по переработке автокатов – защита окружающей среды и добыча металлов платиновой группы, которые вступают в катализ с токсинами выхлопных газов и преобразуют их в нейтральные вещества.

Внутренняя сотовая поверхность нейтрализаторов покрыта напылением платины, родия и палладия, которые в качестве катализаторов, вступают и ускоряют реакцию внутри нейтрализатора, но не расходуются в процессе этой реакции. Поэтому скупка б/у катализаторов выгодна обеим сторонам: продавцу и покупателю. Ведь в среднем с каждого ката можно получить до 4 г драгметаллов.

Сортировка

Но прежде чем отработанное устройство попадет в переработку, катализаторы сортируют по группам, а вернее по преобладанию в них того или иного платиноида. В основном каты делятся на те, что содержат больше платины и те, в которых преобладает палладий. Третий элемент – родий – редко оказывает влияние на процесс сортировки, так как его концентрация в общем объеме сырья ничтожно мала, и чтобы его добыть, нужно организовать температуру 1 960 градусов, что усложняет работу с родием.

Гомогенизация

Под гомогенизацией подразумевается измельчение сырья и его перемешивание до однородной массы. Неважно, в каком виде требуется сдать катализатор, в итоге его раздробят и перемелют. Затем нейтрализатор доведенный до однородного порошка взвешивают и отбирают пробу для проведения химического анализа. Эта процедура позволит определить концентрацию драгметаллов и различных примесей.

Переработка пробы

Любая погрешность в процессе отбора пробы недопустима и потому для этого процесса в нашей компании применяют надежное оборудование с повышенной точностью. И хотя процедура осуществляется механическим способом, эксперты внимательно следят за процессом. Ведь в дальнейшем ошибки исправить уже будет невозможно.

Истирание пробы

Вторичное сырье, полученное от переработки б/у катализаторов, помещают в специальное лабораторное устройство – истиратель, который превращает исходный материал в массу с высокой концентрацией, готовую к более точному XRF-анализу.

Рентгенофлуоресцентный анализ

Метод XRF-анализа применяется для точного определения массы драгметаллов платиновой группы в заданном объеме сырья. После того как переработанный катализатор побывает в анализаторе, специалисты нашей компании уже точно смогут назвать количество платиноидов в устройстве, сданное в скупку катализаторов.

Расчет стоимости

Последний этап – самый приятный для продавца, так как речь пойдет о том, сколько стоит б/у катализатор и какую за него дадут цену. На основе анализа и актуальной стоимости металла на мировой бирже, специалисты называют цену за б/у катализатор и выплачивают причитающуюся сумму. Расчет сопровождает подтверждающая документация, также можно получить сертификат, в котором будут указаны параметры взятой пробы.

Методы добычи драгметаллов из нейтрализаторов

В промышленных масштабах единовременно перерабатывается тысячи катализаторов и потому в этом процессе важно придерживаться определенной методики.

На сегодняшний день применяется несколько способов переработки катализаторов:

• аффинажная, при которой сырье растворяют в концентрате азотной кислоты
• гидрохлорирование доступно только на производстве и подразумевает разделение сырья на металлы при помощи хлора с водой или диспергированного раствора.
• Электромеханическая переработка подразумевает оксидирование, травление и прочее, но при этом способе попутно уничтожается олово, хром, свинец и алюминий, также входящие в состав катализатора.
• При промышленной переработке катализаторов чаще всего применяют способ сжигания сырья в плазменно-дуговых печах при высокой температуре.

Причины утилизации автокатализаторов

Вышедшие из строя католические нейтрализаторы не рекомендуется оставлять на хранение в гараже или выбрасывать на свалку, так как эти устройства в процессе работы скапливают большое количество канцерогенов, которые при длительном распаде катализатора проникают в почву и воду, загрязняя окружающую среду.

В процессе переработки катализаторов редким металлам платиновой группы дается «вторая жизнь», тем самым сохраняются природные богатства.

Важно помнить, что автомобильный катализатор имеет ограниченный срок службы, варьирующийся в пределах 70-150 тысяч километров пробега, после чего его работа становится неэффективной и устройство требует замены.

Наша компания предлагает оптимальные условия при скупке катализаторов, а главными преимущества считаются:

• заинтересованность в каждом клиенте
• «прозрачный» и точный анализ сырья
• высокие цены
• бесплатная консультация по всем вопросам
• оперативность
• пункты приема катализаторов в крупных городах РФ
• разные способы доставки сырья в скупку
• возможность выезда специалиста
• выгодные условия для долгосрочного сотрудничества.

Продать катализатор в скупку — это дополнительный доход и отличная идея для бизнеса.

Прием автомобильных катализаторов — Втор-Групп

Уточнить цену: 8 (846) 265-51-51

Автомобильный катализатор (нейтрализатор) – часть выхлопной системы автомобиля, ответственная за фильтрацию выхлопных газов. Его задачей является уменьшение выбросов, получаемых при сгорании топлива, в атмосферу. Особенности конструкции устройства и низкокачественное топливо приводят к быстрому выходу из строя катализатора. В большинстве случаев старые катализаторы просто выбрасывают, не задумываясь что их можно выгодно продать.

Компания ООО «Втор-Групп» предлагает Вам сдать старый неиспользуемый катализатор, ведь это не только правильно с точки зрения экологии, но ещё и выгодно. Мы скупаем новые и бывшие в употреблении автомобильные катализаторы.

Предлагаемые клиентам цены выше средних, что обеспечивает наиболее взаимовыгодные условия сотрудничества.

Катализаторы бывают нескольких видов:

1. Керамические
2. Металлические

Цена на автомобильные катализаторы зависит от:

1. Объёма двигателя. Чем он больше, тем дороже будет катализатор.
2. Марки автомобиля. На катализаторы импортного производства цена выше.
3. Предварительно разобран или нет.

Прейскурант цен на катализаторы

Цены на лом указаны с учетом доставки лома за счет Поставщика на производственно-заготовительный участок ООО «Втор-Групп» по адресу 443009, г. Самара, Советский район, ул. Калинина, участок 3. Взвешивание лома производится весовщиком, оформление приемо-сдаточных актов производится бухгалтером ООО «Втор-Групп» на территории производственно-заготовительного участка.

Консультация: 8 (846) 265-51-51

компенсируем ремонт, купив у вас катализатор

Удаление катализаторов и Чиповка

Компания KatalizatoroffNet: комфорт и безопасность вашего авто

Ваш автомобиль с некоторых пор стал доставлять больше неприятных эмоций, нежели удобств и позитива? Мощность упала, расход топлива увеличился, машина стала неохотнее трогаться с места? Возможно, пора удалять отслуживший свое катализатор.

Сделать это на профессиональном уровне и по доступной стоимости предлагает наш автосервис KatalizatoroffNet.

Выбрать именно нас среди десятков конкурентов, оказывающих аналогичную услугу в Москве и Московской области, стоит по ряду причин.

1. Мы работаем на авторынке уже достаточно длительный период. За это время наша компания обзавелась штатом компетентных мастеров и наработала солидный опыт.
2. Наша мастерская оснащена новейшим оборудованием последнего поколения. Оно позволяет нам качественно и быстро осуществлять любые работы по удалению и замене каталитических модулей – даже особо тонкие и деликатные.
3. Мы постоянно следим за новыми технологиями, появляющимися на рынке, тщательно изучаем и грамотно применяем их на практике.
4. Обратившись в KatalizatoroffNet, вы можете не только вырезать вышедший из строя катализатор, но и установить на его место пламегаситель, а также получить качественный чип-тюнинг автомобиля. Часть работ будет выполнена в счет стоимости отработанного каталитического нейтрализатора, который мы приобретаем у вас для собственных целей, кстати, по обоюдовыгодной цене. А это значит, что ремонт обойдется дешевле. Вы экономите без потери качества.
5. Наш автосервис работает с автомобилями любых экологических стандартов – от Евро-2 до Евро-5. Мы принимаем транспортные средства любых марок с любым количеством катализаторов.

Проведя процедуру удаления и замены катализатора в нашем сервисе, вы получаете:

• увеличение мощности автомобиля;
• снижение расхода топлива и моторного масла;
• улучшенную маневренность, отзывчивость и приемистость;
• более корректную работу коробки передач;
• отсутствие индикации неисправности на приборной панели;
• устранение интенсивного неприятного запаха из выхлопной системы;
• продление срока службы силового агрегата.

А главное – экономите на покупке нового каталитического нейтрализатора, который, как подтвердит любой автовладелец, стоит запредельно дорого.

KatalizatoroffNet заботится не только о собственных заработках, но и о комфорте клиентов. Именно поэтому мы находимся в удобном для москвичей и жителей Подмосковья месте, принимаем заказы в любое рабочее время без выходных и предлагаем несколько вариантов оплаты – наличными, безналичным расчетом или посредством платежных систем.

Что бы вы ни выбрали – замену «посыпавшегося» автоката на фирменный или неоригинальный либо установку пламегасителя с перепрошивкой системы – важно доверить работу компетентным профессионалам. И такие профессионалы готовы обслужить вас быстро, качественно, с гарантией в автосервисе KatalizatoroffNet в Москве.

Дополнительную информацию можно получить, связавшись с менеджером компании онлайн либо по телефону, а также посетив наш офис лично.

Прием катализаторов в Оренбурге цена за килограмм

Рано или поздно каталитический конвертер выходит из строя. Будет глупо, если вы просто выкинете отработавший элемент.  У вас есть возможность сдать катализатор в Оренбурге дорого в один из пунктов приема компании «Альфа».

Куда сдать катализатор

Отработанный каталитический конвертер можно привезти по одному из указанных адресов:

• г. Оренбург, Пролетарская 310, 2 этаж, офис 215;
• г. Оренбург, ул. Брестская 7, офис 3;
• г. Новотроицк Проспект Комсомольский, 1.

Можете не раздумывать куда сдать катализатор. Обращайтесь в компанию «Альфа». Наши специалисты произведут оценку каталитического конвертера с помощью профессионального прибора Olympus «анализатор-пистолет Vanta L».  Определив содержание металлов, Вам будет предложена высокая цена за отработанный элемент. Подробности уточняйте у менеджеров по телефону.

Цена катализатора

Стоимость элементов складывается из его типа, веса и содержания металлов. Профессиональная оценка каталитического конвертера производится в вашем присутствии. Это делает прозрачным оказание услуг. Мы предлагаем высокие цены на катализаторы, ознакомится с которыми вы можете в каталоге с фотографиями. Оптовикам особые условия.

Зачем скупают б/у катализаторы

Отработанный каталитический нейтрализатор содержит драгметаллы. Ими покрыты соты катализатора, которые нейтрализуют продукты сгорания топлива. Очевидно было бы глупо просто выбросить неисправный элемент. Естественно, вы захотите извлечь драгметаллы самостоятельно. Но без специализированного технологического оборудования это сделать невозможно. Поэтому катализаторы сдают в пункты приема. Цены на драгметаллы зависят от Лондонской биржи.

Как правильно сдать катализатор

Приезжайте в один из наших пунктов приема. Это позволит вам избежать обмана и правильно сдать катализатор. Мы произведем точную и прозрачную оценку элемента при помощи профессионального прибора Olympus «анализатор-пистолет Vanta L» и предложим высокую цену за кг.

Прием катализаторов оптом

Для оптовых клиентов наша компания предлагает особо выгодные условия. Свяжитесь с нашими менеджерами для получения подробной информации.

Прием импортных керамических катализаторов в скупку на лом

Прием импортных керамических катализаторов в скупку на лом — принимаем керамические импортные катализаторы

Компания Catalisto осуществляет прием импортных керамических катализаторов. Отработанный катализатор является разновидностью вторсырья и представляет ценность за счет содержащихся драгметаллов. Наше предложение выгодно для организаций и граждан:

• это способ компенсировать затраты на замену непригодной детали;
• увеличение выручки от сдачи дорогостоящего лома за счет более высоких тарифов.

3 факта об импортном автомобильном керамическом катализаторе

Модели на основе керамики наиболее распространены за счет более низкой стоимости. Ими оснащается большинство европейских  автомобилей. Особенности:

1. Лом импортных керамических катализаторов – источник драгметаллов. Фильтр внутри корпуса содержит платину, палладий или родий.
2. Этот вид более уязвим по сравнению с металлическим нейтрализатором. Разрушается от сильных ударов, детонации или перепадов температур.
3. Содержит больше драгмета по сравнению с отечественными изделиями.

Последний факт объясняет, почему необходимо изучить цены и условия на прием и скупку импортных керамических катализаторов заранее. Используйте разницу в итоговой стоимости в свою пользу.

Принимаем керамические импортные катализаторы

4 особенности приема в компании Catalisto:

1. Берем на себя вскрытие корпуса – вы экономите свое время.
2. Высокий тариф – не гарантия максимального дохода. Важнее точная оценка содержания и взвешивание. У нас новые приборы для РФА анализа и определения веса с точностью до долей грамма.
3. Работа с драгметаллами не терпит суеты – назначаем индивидуальное время для приема и проводим всю процедуру в вашем присутствии.
4. Не являемся перекупщиками, а перерабатываем лом до получения сырья для прямых поставок на европейские заводы. Поэтому наши цены выше.

Пункт приема импортных керамических катализаторов с высокими тарифами

Чтобы сдать керамические импортные катализаторы сделайте  3 простых шага:

1. Позвоните менеджеру компании и договоритесь о встрече в удобное для вас время.
2. Приезжайте в пункт приема Москва, Ярославское Шоссе, 125, убедитесь в прозрачности процесса и возвращайтесь с деньгами.
3. Высылайте ценный лом транспортной компанией из любой точки России и получите деньги на карту или счет без посещения офиса.

Ваши преимущества:

1. Бесплатная консультация по телефону – узнайте, как правильно сдать катализатор, чтобы не потерять деньги.
2. Законность сделки – работаем по лицензии.
3. Индивидуальные условия приема постоянным поставщикам.
4. Повышаем тариф при сдаче больших объемов.
5. Работаем без выходных.

Сдавайте нейтрализаторы в лом правильно и зарабатывайте больше вместе с Catalisto.

IPA — Международная ассоциация металлов платиновой группы

Автокатализатор — это цилиндр или эллиптическое поперечное сечение, изготовленное из керамики или металла, сформированное в виде мелких сот и покрытое раствором химикатов и комбинацией платины, родия и / или палладия. Он установлен внутри канистры из нержавеющей стали (весь узел называется каталитическим нейтрализатором) и установлен в выхлопной трубе транспортного средства, где он преобразует загрязняющие вещества, образующиеся при сгорании топлива, в безвредные газы.

В каталитической системе для бензиновых двигателей при прохождении выхлопных газов через устройство автокатализатор преобразует газообразные углеводороды, CO и NO _x в воду, CO ₂ и азот. В каталитической системе для дизельных двигателей дополнительно используется фильтр для удаления мелких частиц (сажи), которые являются серьезной причиной заболеваний легких и сердечно-сосудистых заболеваний. Фильтр улавливает эти частицы и обычно покрыт МПГ, чтобы помочь сжечь их и регенерировать фильтр.

Дизельные двигатели работают при более низких температурах, чем бензиновые, и работают с более бедным газовым потоком, содержащим много кислорода.В этих условиях платина является более активным катализатором превращения CO и углеводородов в безвредные выбросы. Однако добавление палладия к платиновому катализатору может улучшить его термическую стабильность. Это преимущество при уменьшении выбросов твердых частиц дизельного топлива в выхлопных газах. Этот процесс включает улавливание твердых частиц или сажи в фильтре с последующим повышением температуры системы для окисления сажи до CO ₂ . При этих более высоких температурах палладий улучшает термическую стойкость катализатора, помогая ему работать оптимально в течение всего срока службы автомобиля.

Без PGM желаемые реакции конверсии в каталитическом нейтрализаторе не имели бы места, в результате чего транспортное средство не соответствовало бы нормам выбросов. Были опробованы и другие материалы, но они не отвечали долгосрочным требованиям к активности и долговечности современных систем контроля выбросов.

Активность МПГ ​​позволяет реакциям происходить в условиях низких температур, которые существуют при холодном запуске транспортного средства, когда выбросы наиболее высоки. Долговечность важна, поскольку каталитические нейтрализаторы должны работать в течение всего срока службы автомобиля.Это также означает, что при утилизации автомобиля драгоценный металл, содержащийся в каталитическом нейтрализаторе, доступен для вторичной переработки, создавая ценный дополнительный источник добычи для производства новых автокатализаторов.

% PDF-1.4
%
1 0 объект
>
эндобдж
4 0 obj
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 124 \ 000 \ 150 \ 000 \ 145 \ 000 \ 040 \ 000 \ 117 \ 000 \ 162 \ 000 \ 151 \ 000 \ 147 \ 000 \ 151 \ 000 \ 156 \ 000 \ 040 \ 000 \ 157 \ 000 \ 146 \ 000 \ 040 \ 000 \ 114 \ 000 \ 151 \ 000 \ 146 \ 000 \ 145)
эндобдж
5 0 obj
>
эндобдж
8 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 101 \ 000 \ 156 \ 000 \ 040 \ 000 \ 122 \ 000 \ 116 \ 000 \ 101 \ 000 \ 040 \ 000 \ 167 \ 000 \ 157 \ 000 \ 162 \ 000 \ 154 \ 000 \ 144)
эндобдж
9 0 объект
>
эндобдж
12 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 120 \ 000 \ 162 \ 000 \ 145 \ 000 \ 142 \ 000 \ 151 \ 000 \ 157 \ 000 \ 164 \ 000 \ 151 \ 000 \ 143 \ 000 \ 040 \ 000 \ 155 \ 000 \ 145 \ 000 \ 164 \ 000 \ 141 \ 000 \ 142 \ 000 \ 157 \ 000 \ 154 \ 000 \ 151 \ 000 \ 163 \ 000 \ 155)
эндобдж
13 0 объект
>
эндобдж
16 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 106 \ 000 \ 162 \ 000 \ 157 \ 000 \ 155 \ 000 \ 040 \ 000 \ 122 \ 000 \ 116 \ 000 \ 101 \ 000 \ 040 \ 000 \ 164 \ 000 \ 157 \ 000 \ 040 \ 000 \ 160 \ 000 \ 162 \ 000 \ 157 \ 000 \ 164 \ 000 \ 145 \ 000 \ 151 \ 000 \ 156 \ 000 \ 163 \ 000 \ 040 \ 000 \ 141 \ 000 \ 156 \ 000 \ 144 \ 000 \ 040 \ 000 \ 104 \ 000 \ 116 \ 000 \ 101)
эндобдж
17 0 объект
>
эндобдж
20 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 101 \ 000 \ 040 \ 000 \ 163 \ 000 \ 143 \ 000 \ 145 \ 000 \ 156 \ 000 \ 141 \ 000 \ 162 \ 000 \ 151 \ 000 \ 157 \ 000 \ 040 \ 000 \ 146 \ 000 \ 157 \ 000 \ 162 \ 000 \ 040 \ 000 \ 164 \ 000 \ 150 \ 000 \ 145 \ 000 \ 040 \ 000 \ 157 \ 000 \ 162 \ 000 \ 151 \ 000 \ 147 \ 000 \ 151 \ 000 \ 156 \ 000 \ 040 \ 000 \ 157 \ 000 \ 146 \ 000 \ 040 \ 000 \ 154 \ 000 \ 151 \ 000 \ 146 \ 000 \ 145)
эндобдж
21 0 объект
>
эндобдж
24 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 101 \ 000 \ 165 \ 000 \ 164 \ 000 \ 157 \ 000 \ 143 \ 000 \ 141 \ 000 \ 164 \ 000 \ 141 \ 000 \ 154 \ 000 \ 171 \ 000 \ 164 \ 000 \ 151 \ 000 \ 143 \ 000 \ 040 \ 000 \ 123 \ 000 \ 145 \ 000 \ 164 \ 000 \ 163)
эндобдж
25 0 объект
>
эндобдж
28 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 101 \ 000 \ 165 \ 000 \ 164 \ 000 \ 157 \ 000 \ 143 \ 000 \ 141 \ 000 \ 164 \ 000 \ 141 \ 000 \ 154 \ 000 \ 171 \ 000 \ 164 \ 000 \ 151 \ 000 \ 143 \ 000 \ 040 \ 000 \ 123 \ 000 \ 145 \ 000 \ 164 \ 000 \ 163 \ 000 \ 040 \ 000 \ 141 \ 000 \ 156 \ 000 \ 144 \ 000 \ 040 \ 000 \ 164 \ 000 \ 150 \ 000 \ 145 \ 000 \ 040 \ 000 \ 117 \ 000 \ 162 \ 000 \ 151 \ 000 \ 147 \ 000 \ 151 \ 000 \ 156 \ 000 \ 040 \ 000 \ 157 \ 000 \ 146 \ 000 \ 040 \ 000 \ 114 \ 000 \ 151 \ 000 \ 146 \ 000 \ 145)
эндобдж
29 0 объект
>
эндобдж
32 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 123 \ 000 \ 165 \ 000 \ 155 \ 000 \ 155 \ 000 \ 141 \ 000 \ 162 \ 000 \ 171 \ 000 \ 040 \ 000 \ 141 \ 000 \ 156 \ 000 \ 144 \ 000 \ 040 \ 000 \ 117 \ 000 \ 165 \ 000 \ 164 \ 000 \ 154 \ 000 \ 157 \ 000 \ 157 \ 000 \ 153)
эндобдж
33 0 объект
>
эндобдж
36 0 объект
(\ 376 \ 377 \ 000 \ 101 \ 000 \ 143 \ 000 \ 153 \ 000 \ 156 \ 000 \ 157 \ 000 \ 167 \ 000 \ 154 \ 000 \ 145 \ 000 \ 144 \ 000 \ 147 \ 000 \ 155 \ 000 \ 145 \ 000 \ 156 \ 000 \ 164 \ 000 \ 163)
эндобдж
37 0 объект
>
эндобдж
40 0 obj>
поток
x ڥ Xms6_oGE0 @ | 9> n69 ۝ \ ۙ HHBM * _ ~ KY4371vo * q $ u s4PJ2 ~] $ lotr \} N6ₓ: b1J & 9 # [/ [.1`! 5 [q8X ,?

Принципы построения автокаталитических циклов ограничивают кинетику ферментов и вызывают низкое насыщение субстрата в точках ветвления потока

Простая модель предполагает, что как автокаталитические, так и ответвленные реакции необратимы. Здесь мы предполагаем, что реакция разветвления обратима, и пусть Y обозначает ее продукт. Для простоты мы также предполагаем, что Keq = 1, отмечая, что это предположение всегда может быть выполнено путем измерения концентрации Y в единицах Keq⁢X. Напомним, что обратимое уравнение Михаэлиса-Ментен утверждает, что:

fb = Vmax, b⁢ (X-Y) KX + X + KXKY⁢Y

Мы предполагаем, что третья реакция, fc, необратимо потребляет Y.Хотя предположение, что fc следует необратимой кинетике Михаэлиса-Ментен, аналитически поддается анализу, анализ проще и информативен в предположении, что fc = D⁢Y для некоторой константы D. Это упрощение эквивалентно предположению, что fc следует кинетике Михаэлиса-Ментен с Vmax. , cKM, c≈D и Vmax, c >> max (Vmax, a, Vmax, b).

Начнем с определения необходимых условий существования устойчивого состояния. Поскольку в установившемся режиме fa = fc, следует, что:

(27)

Vmax, a⁢X * KM, a + X * = D⁢Y * ⇒Y * = Vmax, aD⁢X * KM, a + X *

Кроме того, как и в установившемся режиме fa = fb, получаем:

Vmax, a⁢X * KM, a + X * = Vmax, b⁢ (X * -Y *) KX + X * + KXKY⁢Y *

Замена Y * из уравнения 27 дает:

Vmax, a⁢X * KM, a + X * = Vmax, b⁢ (X * -Vmax, aD⁢X * KM, a + X *) KX + X * + KXKY⁢Vmax, aD⁢X * KM, a + X *

Что выполняется, когда X * = 0 (подразумевая, что X * = Y * = 0 является устойчивым состоянием), или когда X * удовлетворяет квадратному уравнению:

0 = (X ∗) 2 + 2KM, aVmax, b− (KM, a + KX) Vmax, a − KXVmax, a2KYD − Vmax, aVmax, bDVmax, b − Vmax, aX ∗ + KM, a (Vmax, bKM, a − Vmax, aKX − Vmax, aVmax, bD) Vmax, b − Vmax, a

Это квадратное уравнение, хотя и пугающее, можно использовать для вывода условий существования положительного устойчивого состояния.Только если оба корня этого уравнения отрицательны, положительного устойчивого состояния не существует. Напомним, что два корня квадратного уравнения вида 0 = a⁢X2 + b⁢X + c отрицательны тогда и только тогда, когда:

{b = 2KM, aVmax, b− (KM, a + KX) Vmax, a − KXVmax, a2KYD − Vmax, aVmax, bDVmax, b − Vmax, a> 0c = KM, a (Vmax, bKM, a − Vmax, aKX − Vmax, aVmax, bD) Vmax, b − Vmax, a> 0

Как и в необратимом случае, знак Vmax, b-Vmax, a определяет необходимое условие для числителей. Мы предполагаем, что Vmax, b> Vmax, a, отмечая, что если Vmax, b Vmax, b, система будет расходиться независимо от значение Y.

При предположении, что Vmax, b> Vmax, a, знаменатель как b, так и c положительный, что означает, что положительное установившееся состояние существует только в том случае, если номинаторы b или c (или обоих) отрицательны. Таким образом, могут возникнуть два варианта.

• Если KM, a> Vmax, a / D (подразумевая D> Vmax, a / KM, a, качественно предполагая быстрое удаление Y), то существует верхняя граница Vmax, b, выше которой два решения отрицательны, подразумевая отсутствие положительного устойчивого состояния. Достаточным условием существования в этом случае является то, что Vmax, bKX

• Если D Vmax существует a, c <0, что означает положительное установившееся состояние. Как будет показано ниже, в этом случае как при Vmax, b → Vmax, a, так и при Vmax, b → ∞, установившееся состояние является устойчивым.

Теперь перейдем к анализу стабильности устойчивого состояния. Чтобы установившееся состояние было устойчивым, собственные значения матрицы Якоби должны иметь отрицательные действительные значения.В нашей системе это

X˙ = fa-fbY˙ = fb-fc

Мы используем следующие обозначения:

α = d⁢fad⁢X = Vmax, a⁢KM, a (KM, a + X) 2βx = ∂⁡fb∂⁡X = Vmax, b⁢ (KX + Y⁢ (1 + KXKY)) (KX + X + KX⁢YKY) 2βy = ∂⁡fb∂⁡Y = -Vmax, b⁢ (KX + X⁢ (1 + KXKY)) (KX + X + KX⁢YKY) 2d⁢fcd⁢Y = D

Мы можем использовать это обозначение, чтобы записать матрицу Якоби как:

J = (α-βx-βyβxβy-D)

, что дает характеристический полином:

(α-βx-λ) ⁢ (βy-D-λ) + βy⁢βx = 0

Чтобы действительные значения корней характеристического полинома были отрицательными, необходимо, чтобы b> 0 и c> 0, где b и c теперь являются коэффициентами квадратного уравнения a⁢λ2 + b⁢λ + c = 0.Таким образом, получаем:

{b = βx − α − βy + D> 0c = (α − βx) (βy − D) + βyβx = βxD + αβy − αD> 0

Обозначим через f * стационарный поток в системе, такой что f * = fa = fb = fc. Отметим, что для кинетики ММ и положительных концентраций справедливо:

α> 0βx> 0 − βy> βxβx + βy = −f ∗ 1 + KXKYKX + X + KXYKY

Во-первых, отметим, что если α≥βx, то установившееся состояние не может быть устойчивым, поскольку, глядя на значение c, мы видим, что в таком случае (βx − α) D <0 и поскольку αβy <0, c <0 нарушение условий устойчивости.Однако, поскольку мы предполагаем, что Vmax, b> Vmax, a, то для Y = Y *, при X = 0, fb фа. Из этого следует, что, поскольку два потока могут пересекаться только один раз для положительного X и фиксированного Y, в точке установившегося состояния, где fa = fb, α <βx, поэтому это условие выполняется. Отметим, что этого условия достаточно для того, чтобы b> 0. Мы также отмечаем, что поскольку α <βx, существует достаточно большое значение D, при котором установившееся состояние является стабильным, делая вывод, что если D достаточно велико, то устойчивое установившееся состояние существует, если:

{Vmax, b> Vmax, aVmax, bKX

Если D мало, такое, что D Vmax, a (подразумевая, что α <βx), нам нужно проверить, какие еще условия необходимы, чтобы гарантировать, что βxD + αβy − αD> 0.Смотрим на предел Vmax, b → ∞. В этом пределе квадратное уравнение для X * сходится к:

0 = (X ∗) 2+ (2KM, a − Vmax, aD) X ∗ + KM, a2 − Vmax, aKM, aD

Для этого уравнения c <0, что означает, что один из корней отрицательный, а другой положительный. Положительный корень:

X * = Vmax, aD-KM, a

Поскольку это X * конечно, мы получаем, что когда Vmax, b → ∞, Y * также сходится к Vmax, aD-KM, a. В этом пределе βx бесконечно увеличивается, а βy бесконечно убывает, но βx + βy сходится к:

-f * ⁢ (1 + KXKY) KX + (Vmax, aD-KM, a) ⁢ (1 + KXKY)

, что постоянно.Следовательно, переставив c так, чтобы:

c = (βx + βy) D − βy (D − α) −αD> 0

отметим, что по мере увеличения Vmax, b доминирующий член становится −βy (D − α)> 0, обеспечивая c> 0 и, следовательно, стабильность.

С другой стороны, когда Vmax, b → Vmax, a, мы отмечаем, что, поскольку fc 0, так что снова сохраняется стабильность.

Следовательно, для малых значений D, пока Vmax, b> Vmax, a, существует положительное устойчивое установившееся состояние как в нижнем пределе Vmax, b → Vmax, a, так и в верхнем пределе Vmax, b → ∞.

Таким образом, наши выводы таковы: Как и в необратимом случае, Vmax, b> Vmax, a является необходимым условием для существования глобально устойчивого устойчивого состояния. При больших значениях D обратимая реакция далека от равновесия, что приводит к дополнительному условию, эквивалентному условию, которое мы получили для необратимого случая, а именно, что Vmax, b / KX ограничено сверху членом, большим, чем Vmax, a / KM, a, но приближается к нему с увеличением D.Этого условия достаточно для существования и устойчивости стационарного состояния. Для малых значений D всегда существует устойчивое состояние (при условии, что Vmax, b> Vmax, a). Мы можем показать, что это установившееся состояние устойчиво как при Vmax, b → ∞, так и при Vmax, b → Vmax, a. Таким образом, мы заключаем, что в этом случае не применяются никакие дополнительные ограничения на KX, KY или KM, a, а скорее, что установившееся состояние всегда может быть достигнуто в лучшем случае путем изменения Vmax, b.

Качественно, случаи, которые мы анализируем, показывают, что помимо требуемого Vmax, b> Vmax, условие, второе условие состоит в том, что либо наклон fc = D меньше, чем Vmax, a / KM, a, либо максимальный наклон fb, Vmax, b / KX, меньше, чем Vmax, a / KM, a.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

дарвиновских свойств и их компромиссов в автокаталитических реакционных сетях РНК

Материалы

Во всех экспериментах использовалась вода, свободная от ДНКазы / РНКазы (номер продукта Thermo Fisher Scientific: 10977035). Химические вещества были приобретены у Sigma – Aldrich, если не указано иное. 4- (2-Гидроксиэтил) -1-пиперазинпропансульфоновая кислота (EPPS) была приобретена у Alfa Aesar (номер продукта: J60511, номер CAS: 16052-06-5). Денатурирующие полиакриламидные гели (12%) получали с использованием маточного раствора геля (Roth, Продукт №: A431.1) и запустить в 1X трис-боратном буфере EDTA (TBE). Олигонуклеотиды ДНК / РНК (дополнительные данные 1) были получены из ДНК-технологий IDT.

Пакеты программного обеспечения

Обработка и анализ данных секвенирования выполнялись с использованием специального программного обеспечения, написанного на Python 2.7.16. Композиционный пейзаж (рис. 1d) был подготовлен с использованием программы «Circos» ⁴⁸ (версия 0.69-6).

Экспериментальные методы

Транскрипция РНК

РНК транскрибировали in vitro, как описано в ссылке. ³¹ . В матрице дцДНК для фрагментов WXY IGS дублируется в положении 25, что позволяет идентифицировать их путем секвенирования. Это осуществляется посредством сайт-направленного мутагенеза и получения плазмид, несущих соответствующий IGS, дублированный в 25-м положении (см. Дополнительные методы «Дублирование IGS»). Для ПЦР плазмиды (25 пг / мкл) смешивали с 0,5 мкМ соответствующих праймеров (Oligo 1–4 и 6–9, дополнительные данные 1) в качестве прямого и обратного праймеров в 1 × буфере для ПЦР (Thermo Scientific), 0,2 мМ. дНТФ, 0.01 Е / мкл полимеразы (Thermo Scientific Phusion Hot Start II, номер продукта: F459), используя следующий протокол: начальная денатурация 98 ° C / 30 секунд, затем 25 циклов денатурации 98 ° C / 10 секунд, отжиг и удлинение 57 ° C / 1 мин и окончательное удлинение до 72 ° C / 5 мин. Продукты ПЦР осаждали этанолом путем добавления 1/10 объема 3 М Na-Ac и 1,2 объема 100% этанола к реакции ПЦР и центрифугирования при 13,6 × г в течение 60 мин при 4 ° C. Гранулы сушили в вакууме, ресуспендировали в 20 мкл воды и использовали для реакций транскрипции in vitro, как описано в ссылке. ³¹ . РНК экстрагировали фенол-хлороформ-изоамиловым спиртом, обрабатывали ДНКазой I (Thermo Fisher Scientific, номер продукта: EN0521) и очищали на полиакриламидных гелях. Концентрации РНК измеряли с использованием набора Qubit® RNA HS Assay Kit (Thermo Scientific, номер продукта: Q32852). Используемая здесь РНК-фрагмент Z была синтезирована (очищена в ПААГ) с помощью технологий ДНК IDT и использована без дополнительной очистки.

Микрожидкостные устройства и установка

В капельно-микрофлюидных экспериментах использовалось фторированное масло HFE 7500 (3M ^TM Novec ^TM , Product No.: 98-0212-2928-5) и фторсодержащее ПАВ (РАН Биотехнологии, Номер продукта: 008-Фторсурфактант). Устройства были разработаны с использованием программного обеспечения AutoCAD (Дополнительные данные 3), напечатанного в Selba SA. Устройства PDMS (полидиметилсилоксан) были изготовлены методом мягкой литографии, как описано в ссылке. ⁴⁹ . Для электрокоалесценции использовали стеклянные слайды, покрытые оксидом индия и олова (Delta Technologies, номер продукта: CG-90IN-S215), с каналами, содержащими 3 M жидкие электроды NaCl ⁵⁰ . После связывания плазмой каналы делали гидрофобными путем их немедленной промывки 2% 1H, 1H, 2H, 2H-перфтордецилтрихлорсиланом (ABCR, Product No.: AB111155) в HFE 7500 с помощью шприца. Микрофлюидные эксперименты на основе капель проводились с использованием инвертированного микроскопа (Nikon Eclipse Ti ), как описано ранее ⁵¹ . Потоки контролировали либо шприцевыми насосами (Harvard Apparatus Inc.), либо насосами для регулирования давления воздуха (MFCS ™ -EZ, Fluigent SA).

Капельно-микрофлюидные эксперименты

Полная экспериментальная система состоит из этапов A — E (дополнительный рисунок 1): ( A ) Производство исходных эмульсий : Использование всех возможных 16 фрагментов РНК WXY ( _gMg WXY _cNu ), 24 уникальных различных комбинации фрагментов WXY были приготовлены в отдельных пробирках (дополнительная таблица 1 и раздел методов «Начальные комбинации фрагментов WXY»).Экспериментально для каждой комбинации 1 мкМ соответствующего фрагмента (ов) WXY нагревали при 80 ° C в течение 3 минут и охлаждали до комнатной температуры в течение 10 минут (0,1 ° C / сек) и смешивали с шпилькой-репортером РНК до конечной концентрации. 0,03 мкМ. Все 24 смеси были инкапсулированы индивидуально в 5 мкл капель с использованием фокусировки потока ⁵² на устройстве для создания капель (дополнительные данные 3) с использованием скорости потока 100–150 мкл / ч для водного раствора (РНК) и 150–170 мкл / ч для фазы масла (HFE 7500 с 2% поверхностно-активного вещества) (частота образования капель 5–10 кГц), каждая эмульсия собирается в течение 5 мин, что соответствует инкапсулированию ~ 10 мкл раствора РНК.Все 24 эмульсии собирали вместе в пробирку для сбора 1,5 мл (с колпачком из PDMS), содержащую масло с 2% поверхностно-активного вещества, и тщательно перемешивали. 1,6 мкМ раствор фрагмента Z-РНК в 1 × реакционном буфере Azoarcus (30 мМ EPPS, pH 7,4, 20 мМ MgCl ₂ ) складывали таким же образом, как и РНК WXY, и инкапсулировали в капельки по 50 мкл с помощью Устройство для создания капель pL (дополнительные данные 3), при скорости потока 350 мкл / ч для водной (РНК) и 250 мкл / ч для масляной (HFE 7500 с 2% поверхностно-активного вещества) фаз, капли собираются в 0.Пробирка для сбора 5 мл (с крышкой из PDMS). Все потоки приводились в действие шприцевыми насосами. ( B ) Электрокоалесценция исходных эмульсий: 5 мкл капель (содержащих фрагменты WXY) и 50 мкл капель (содержащих Z-фрагмент и реакционный буфер) повторно вводили в отдельные каналы устройства для слияния капель (дополнительные данные 3). Капли 5 мкл и 50 мкл были распределены с использованием масла HFE 7500, содержащего 2% поверхностно-активного вещества, и собраны вместе в один канал, где они были электрически объединены ^34,50 с использованием электрического поля переменного тока (генератор сигналов Agilent 33522 A, синусоидальная функция, 4 кГц, 400 мВ, 50 Ом) усилены в 10 ³ раз (высоковольтный усилитель ТРЕК).Потоки регулировали таким образом, чтобы в среднем от одной до пяти капель объемом 5 мкл сливались с одной каплей объемом 50 мкл с частотой слияния ~ 150 Гц (дополнительный фильм 1). Это привело к ~ 1/10 разбавлению концентрации РНК WXY в слитых каплях (Z-фрагмент находится в стехиометрическом избытке). Все потоки приводились в действие системой контроля давления (MFCS ™ -EZ, Fluigent SA), а желаемая частота сварки достигалась путем тщательной регулировки и объединения потоков со значениями давления 380–400, 350–380, 470–520 мбар на 50 мбар. 1 мкл капельной эмульсии, 5 мкл капельной эмульсии и масляный канал спейсера соответственно.Электрокоалесценция и сбор (в пробирке на 0,2 мл с крышкой из ПДМС) проводили в течение ~ 3,5 ч, и эмульсии хранили на льду в течение всего процесса. Чтобы отслеживать частоту слияния во время сбора, события слияния подсчитывались по видеозаписям, записываемым каждые 20 минут, показывая очень стабильную частоту слияния, близко сопоставимую с той, которая была получена при секвенировании репортеров шпилечной РНК (дополнительный рис. 4). ( C ) Инкубация и расщепление капель : После сбора слитые капли инкубировали при 48 ° C в термоблоке в течение 1 часа для накопления рибозимов.Чтобы разбавить MgCl ₂ во время стадии обратной транскрипции (RT), эти капли (~ 60–65 мкл) были повторно введены (через промежутки с маслом HFE 7500, содержащим 2% поверхностно-активного вещества) и разделены устройством с Т-образным соединением ⁵³ (дополнительные данные 3) на более мелкие капли (~ 5 мкл) перед этапом RT. Скорость потока поддерживалась с использованием давления 800–1000 мбар и 150–250 мбар, соответственно, для канала маслоотделителя и впуска капель, в результате чего частота капель составляла ~ 150 Гц. ( D ) Штрих-кодирование капель и ОТ в каплях: Для секвенирования РНК в каждой разделенной капле мы разработали стратегию комбинирования штрих-кодирования капель и ОТ в каплях, вдохновленную методами транскриптомики одиночных клеток, описанными ранее ³⁵ .Здесь гранулы гидрогеля со штрих-кодом индивидуально инкапсулируются в капли со всеми необходимыми реагентами для RT и сливаются с сеткой РНК, содержащей капли. Подробности каждого этапа следующие: (a ) Синтез гранул гидрогеля со штрих-кодом: Гранулы гидрогеля получали совместным инкапсулированием 10% (масс. / Масс.) Диакрилата полиэтиленгликоля (PEG-DA) 6000 (Sigma, номер продукта: 701963), 1% (мас. / Мас.) PEG-DA-700 (Sigma, номер продукта: 455008), 400 мкМ модифицированной акридитом дцДНК с липким концом из 4 оснований (олиго 10, вверху, несущий 5′- модификация акридита и Oligo 11, внизу, дополнительные данные 1), 10 мкМ FITC-Na (флюоресцеин изотиоцинат), 1% (об. / об.) фотоинициатора (2-гидрокси-2-метилпропиофенон, Sigma, Product No.: 405655) в буфере (75 мМ Trizma-HCl pH 7,4, 50 мМ NaCl) с использованием фокусировки потока ⁵² на устройстве dropmaker (дополнительные данные 3). Было получено 9 мкл капель с использованием потоков 150 мкл / ч для водного раствора и 500 мкл / ч для масла (HFE 7500 с 2% поверхностно-активного вещества). Капли полимеризовали УФ-облучением (UV omnicure AC475-365, Lumen Dynamics, экспозиция ~ 360 мВт, λ _нм = 365 нм) через трубку из ПТФЭ и собирали в трубку объемом 5 мл (внутренний диаметр трубки = 0,3 мм, расстояние от лампы 3 см, длина трубки = 12 см; приблизительное время воздействия = 47 с).Перед УФ-облучением всю экспериментальную установку выдерживали в темноте, чтобы избежать спонтанной полимеризации. Собранные капли промывали один раз 4 мл гексана для разрушения эмульсии, а затем шарики трижды промывали 4 мл связывающего промывочного буфера (20 мМ Trizma-HCl pH 7,4, 50 мМ NaCl, 0,1% Tween 20) центрифугированием. при 3000 × г в течение 2 мин. Затем гранулы фильтровали с использованием нейлоновых фильтров Steriflip 20 мкм (Millipore, номер продукта: SCNY00020) и хранили в буфере для связывания-промывки с добавлением 1 мМ EDTA.В отличие от более ранних методов ^35,54 , штрих-коды были построены на гранулах с использованием стратегии лигирования «разделить и объединить» ⁵⁵ (дополнительный рис. 2). Для этого 250 мкл (~ 10 миллионов) гранулированных гранул промывали три раза 4 мл буфера для связывания-промывки путем центрифугирования при 3000 × g в течение 2 минут и подвергали первой стадии лигирования. Лигирование выполняли в реакционном масштабе 2 мл с 1X буфером ДНК-лигазы Т7 (New England Biolabs), адаптером дцДНК 4 мкМ с двумя разными липкими концами из 4 оснований, первый из которых комплементарен липкому концу из 4 оснований на шариках, содержащий сайт рестрикции BclI и последовательность адаптера Read 2 Illumina (Oligo 12, вверху и Oligo 13, внизу, дополнительные данные 1), 30 ед / мкл ДНК-лигазы T7 (New England Biolabs, Product No.: M0318L) при комнатной температуре в течение 25 мин при перемешивании со скоростью 600 об / мин. Затем шарики промывали пять раз 4 мл буфера для связывания-промывки и осаждали после последней промывки. Для следующего этапа лигирования готовили мастер-микс (1,6 мл), содержащий 1 × буфер ДНК-лигазы Т7, 30 Ед / мкл ДНК-лигазы Т7, и делили на лунки 96-луночного планшета с глубокими лунками (16 мкл на лунка), предварительно заполненная 4 мкл 20 мкМ 1-го индекса штрих-кода (Индекс A) (Дополнительные данные 1), с другим индексом в каждой лунке. Эти индексы имели два разных липких конца из 4 оснований, первый из которых комплементарен свободному липкому концу олигонуклеотидов, лигированных на предыдущем этапе (дцДНК, олиго 12 и 13, дополнительные данные 1).Планшет герметично закрывали и инкубировали при 25 ° C со скоростью 600 об / мин в течение 25 минут. Затем лигазу инактивировали нагреванием при 65 ° C в течение 10 минут и содержимое всех лунок объединяли после добавления 200 мкл буфера для связывания-промывки, содержащего 1 мМ EDTA. После объединения гранулы промывали семь раз 4 мл буфера для связывания-промывки. Полный процесс разделения и объединения был повторен для лигирования 2-го (индекс B) и 3-го (индекс C) индексов штрих-кода (дополнительные данные 1), создавая общее разнообразие штрих-кодов 8,8 × 10 ⁵ (96 ³ ) .После заключительного этапа объединения частично двухцепочечную последовательность лигировали со всеми шариками с использованием одного и того же протокола лигирования (Oligo 14, вверху и Oligo 15, внизу, дополнительные данные 1). Эта последовательность включает липкий конец, комплементарный свободному липкому концу на 3-м индексе, и одноцепочечный 3′-выступ длиной 33 основания на другом конце (дополнительный рис. 2b). Из этих 33 нуклеотидов первые 8 являются случайными нуклеотидами, используемыми в качестве уникальных молекулярных идентификаторов (UMI) ⁵⁶ , а оставшиеся 25 нуклеотидов, которые действуют как праймер для RT, комплементарны 3′-концу рибозима WXYZ и шпилечной РНК. репортер (оба содержат одну и ту же область связывания праймера).Конечную библиотеку шариков гидрогеля со штрих-кодом промывали пять раз 4 мл буфера для связывания-промывки с добавлением 1 мМ ЭДТА и ресуспендировали в том же буфере. (b) Инкапсуляция и слияние: гранулы со штрих-кодом (50 мкл) промывали пять раз 500 мкл буфера для связывания-промывки путем центрифугирования при 11 866 × г в течение 1 мин. Затем промытые шарики смешивали с 2,5 мкл 10 мМ dNTP, 10 мкл 5-кратного реакционного буфера SuperScript III (Invitrogen), 2,5 мкл 100 мМ дитиотрейтола (DTT), 0,4% Tween 20 (10%), 100 единиц SUPERase۰In. ^TM ингибитор (Thermo Fisher Scientific, Product No.: AM2694) и инкубировали при 37 ° C в течение 30 минут для обеспечения диффузии всех реагентов внутри шариков. После этого шарики центрифугировали, как описано выше, и удаляли избыток жидкости над шариками. Затем при 4 ° C к гранулам добавляли 500 единиц обратной транскриптазы (SuperScript III, Thermo Fisher Scientific, номер продукта: 18080044) и 25 единиц рестрикционного фермента BclI (New England Biolabs, номер продукта: R0160L) и тщательно перемешать. Эти шарики гидрогеля вместе с другими реагентами были индивидуально инкапсулированы в капельки объемом ~ 50 мкл (дополнительный фильм 2), слитые с каплями РНК на том же микрофлюидном устройстве (дополнительные данные 3).Введение плотноупакованных деформируемых шариков, в результате чего> 99% капель содержат одну гранулу гидрогеля со штрих-кодом. Капельки, содержащие 5 мкл РНК, и капли, содержащие 50 мкл, были слиты в соотношении 1:10, чтобы гарантировать, что в большинстве случаев не более одного из первых слилось с одним из последних. Для этого потоки контролировались давлением с использованием, соответственно, 550, 225, 650, 450 мбар для шариков гидрогеля, 5 мкл капель, масла для контроля расстояния между каплями (HFE 7500 с 2% поверхностно-активного вещества) и масла для инкапсуляции шариков (HFE 7500 с 2% поверхностно-активного вещества). % поверхностно-активного вещества), в результате чего частота капель (50 мкл) составляет ~ 100 Гц.Электрокоалесценцию проводили, как описано выше. Слитые капли собирали в коллекторную пробирку объемом 0,2 мл (с крышкой из PDMS), содержащую масло с 2% поверхностно-активного вещества. (c) Синтез и экстракция кДНК: слитые капли затем инкубировали при 60 ° C в термоблоке в течение 1 часа для высвобождения штрих-кодов ДНК с использованием рестрикционного фермента BclI и выполнения синтеза кДНК в каплях. Эмульсию разрушали после инкубации путем добавления 2 объемов 1 H , 1 H , 2 H , 2 H -перфтор-1-октанола и 100 мкл воды.Затем объединенные кДНК со штрих-кодом осаждают изопропанолом и ресуспендируют в 40 мкл воды. ( E ) Подготовка образца для секвенирования: чтобы заблокировать удлинение недлинных праймеров, 20 мкл кДНК смешивали с 1 × реакционным буфером TdT (New England Biolabs), 0,25 мМ CoCl ₂ , 0,4 мМ ddCTP (Roche CustomBiotech , Номер продукта: 12158183103) и 0,4 Ед / мкл терминальной трансферазы (TdT, New England Biolabs, номер продукта: M0315L). Реакцию проводили в объеме 50 мкл и инкубировали 30 мин при 37 ° C перед тепловой инактивацией при 70 ° C в течение 10 мин.КДНК, обработанные TdT, очищали с использованием магнитных шариков (AMPure XP, Beckman Coulter, номер продукта: A63881) в соответствии с протоколом производителя. Затем добавляли адаптеры для секвенирования с использованием двух последовательных этапов ПЦР (дополнительный рис. 3а). Первую ПЦР проводили в объеме, кратном 20 мкл, где 2 мкл реакции обратной транскрипции, обработанной TdT, смешивали с 0,5 мкМ Oligo 16 (также содержащего 6-нуклеотидный участок, используемый в качестве штрих-кода образца для мультиплексирования различных образцов для цикла секвенирования) и 0 .5 мкМ Oligo 17 (дополнительные данные 1) в качестве прямого и обратного праймеров в 1 × буфере для ПЦР (Thermo Scientific), 0,2 мМ dNTP, 0,01 ед / мкл полимеразы (Thermo Scientific Phusion Hot Start II, номер продукта: F459) с использованием следующий протокол: начальная денатурация 98 ° C / 30 секунд, затем 18 циклов денатурации 98 ° C / 10 секунд, отжиг и удлинение 72 ° C / 1 мин, и окончательное удлинение 72 ° C / 5 минут. Продукты ПЦР очищали с использованием магнитных шариков AMPure XP и элюировали 34 мкл воды. Вторую ПЦР выполняли, как указано выше, но в объеме 40 мкл с 4 мкл очищенного продукта ПЦР I в качестве матрицы, используя Oligo 18 и Oligo 19 (дополнительные данные 1) в качестве прямого и обратного праймеров и используя следующий протокол: начальная денатурация 98 ° C / 30 секунд, затем 10 циклов денатурации 98 ° C / 10 секунд, отжиг 56 ° C / 30 секунд, удлинение 72 ° C / 30 секунд и окончательное удлинение 72 ° C / 5 мин.Конечный образец очищали с использованием магнитных шариков AMPure XP, ресуспендировали в 34 мкл воды, анализировали на TapeStation (Agilent 2200 TapeStation, с использованием высокочувствительной ленты D1000 ScreenTape®, номер продукта: 5067-5584) и количественно оценивали с помощью набора Qubit® dsDNA HS Assay Kit. (Thermo Scientific, номер продукта: Q32854). Библиотеки секвенировали с использованием системы Illumina NextSeq 550 в режиме 2 × 150 High Output в Core Facility Genotyping and Sequencing Core Facility, ICM Paris (iGenSeq, Institut du cerveau et de la moelle épinière).

Начальные комбинации фрагментов WXY

24 начальных комбинации фрагментов WXY были определены расчетным путем путем случайного отбора среди 16 видов. Общее количество фрагментов WXY для распределения всех трубок (с возможной избыточностью) было установлено равным 50, что, как было обнаружено, с помощью вычислений максимизирует количество отдельных сетей, сформированных после случайного слияния капель (10 000 итераций). Как только это было исправлено, сетевое разнообразие было дополнительно увеличено на основе выбора назначения фрагмента (среди 100000 случайных реализаций), чтобы максимизировать разброс (энтропия Шеннона) ожидаемой скорости роста (первое собственное значение матрицы кинетических скоростей) и переходного времени (разница между первым и вторым собственным значением матрицы кинетических скоростей) распределения по сетям в результате моделирования 10000 случайных слияний капель.

Обработка данных секвенирования

Специальное программное обеспечение было написано для обработки данных секвенирования и дальнейших этапов анализа данных и доступно по адресу https://doi.org/10.5281/zenodo.4016905. Библиотеки секвенировали в режиме парных концов с чтением 1 и чтением 2 180 п.н. и 120 п.н. соответственно. Считывание 1 использовалось для определения штрих-кода образца (использованного для мультиплексирования образцов для секвенирования) и идентичности молекулы РНК (рибозим Azoarcus со специфической парой IGS-меток или репортер РНК шпильки).Считывание 2 использовалось для определения UMI ⁵⁶ и штрих-кода капли. Структура чтения 1 и 2 представлена ​​на дополнительном рис. 3b. Нормализация UMI: четыре метаполя были связаны для каждой пары считываний: штрих-код образца, штрих-код капли, UMI и идентичность молекулы РНК (см. Ниже «Идентификация штрих-кода капли, UMI, IGS, тег и шпилька-репортер РНК по данным секвенирования»). Чтения без какого-либо из них были отброшены (~ 30%). Чтения с одинаковой метаинформацией были объединены, а счетчик чтения был добавлен как дополнительное мета-поле.Это позволяет отфильтровывать шум из-за ошибок последовательности, учитывая, что количество считываний в результате таких ошибок значительно ниже (порог указан на дополнительном рисунке 3e). Пороги фильтрации для минимального количества считываний на UMI были определены отдельно для рибозимов Azoarcus и шпилечных РНК-репортеров на основе формы распределения количества считываний на UMI (дополнительный рис. 3e-f). Полученный набор данных доступен по адресу https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.5103962. Окончательная обработка данных: отфильтрованные UMI-нормализованные считывания были затем сгруппированы по штрих-коду капли для подсчета количества UMI на тип молекулы РНК на штрих-код капли (дополнительный рис. 3f). Для каждого штрих-кода капли сохранялись только репортеры шпилечной РНК, в которых UMI составляли ≥7,5% от общего количества UMI шпильки. Это пороговое значение было установлено для оптимального соответствия распределению слияния, измеренному с помощью видео (дополнительный рисунок 3g). В каждой капле отбрасывались последовательности рибозима, которые не соответствовали правильному репортеру шпильки.Затем были сохранены только штрих-коды в виде капель с более чем 10 UMI, связанными с репортерами шпилечной РНК, и 20 с рибозимами, и была вычислена доля каждого вида в сети. Как и раньше, эти пороговые значения были выбраны, чтобы точно соответствовать наблюдаемому распределению плавления капель, определенному из видео, полученных во время экспериментов (дополнительный рис. 3, h и i). Обратите внимание, что пороговое значение 20 UMI рибозима на каплю обеспечивает более 89% вероятности того, что вид без обнаруженных UMI находится в диапазоне 0-0.1 бункер на рис. 1d (дополнительный рис. 3j). Для установления этой вероятности> 95% требуется пороговое значение 28 UMI рибозима на каплю. Измерения, которые не соответствуют последнему критерию, указаны в дополнительных данных 2. Состав обработанной сети и средние фракции частиц (фракция частиц — это доля частиц [катализатор WXYZ] по отношению к другим компонентам [катализаторы WXYZ] в сети): общедоступный для всех уникальных сетей (Дополнительные данные 2). Чтобы определить выход сети на каплю, сначала мы вычислили коэффициент конверсии UMI для конкретной капли в концентрацию, учитывая общие UMI-репортеры шпильки, а также количество различных идентифицированных репортеров шпильки.Затем это было использовано для преобразования общего количества UMI рибозима в значение урожайности.

Элементы управления ошибками при секвенировании на уровне капли

Ошибки при секвенировании на уровне капли могут возникать из-за электрокоалесценции более чем одной капли РНК с каплей, кодирующей штрих-код, и перекрестных переходов между двумя разными штрих-кодами капли во время этапов ПЦР. Для количественной оценки этого были приготовлены четыре эмульсии по 5 мкл (A, B, C и D), каждая из которых содержала: отдельную пару репортеров шпилечной РНК в конечной концентрации 5 нМ, набор из 4 рибозимов WXYZ с одинаковым IGS ( gAg, gCg, gUg и gGg), но в разных пропорциях (общие концентрации в сумме составляют 100 нМ) и 1.6 мкМ Z-фрагмента. Концентрации WXYZ в четырех наборах следующие; Набор A: 10 нМ WXYZ (GA), 20 нМ WXYZ (CA), 30 нМ WXYZ (AA), 40 нМ WXYZ (UA). Набор B: 1 нМ WXYZ (CC), 2,5 нМ WXYZ (AC), 5 нМ WXYZ (UC), 91,5 нМ WXYZ (GC). Набор C: 0,1 нМ WXYZ (CU), 0,25 нМ WXYZ (UU), 0,5 нМ WXYZ (AU), 99,15 нМ WXYZ (GU). Набор D: 0,01 нМ WXYZ (UG), 0,05 нМ WXYZ (CG), 65 нМ WXYZ (AG), 34,94 нМ WXYZ (GG). Четыре эмульсии были смешаны, а затем по отдельности слиты с каплями, содержащими шарики гидрогеля, как описано выше, для выполнения секвенирования на уровне капель.Данные были обработаны, как указано выше, с использованием той же стратегии определения порога. Мы количественно оценили смещение как долю капель, содержащих чистый (A, B, C или D), и сравнили его со смешанными популяциями (AB, AC, AD, BC, BD, CD, ABC, ABD, BCD и ABCD, дополнительный рис. . 5г).

Экспериментальное измерение катализа нековалентными и ковалентными рибозимами

Как и ранее, измерения ³² каталитической силы между парами IGS / tag были выполнены при 100 мМ MgCl ₂ и различных концентрациях субстрата, чем использованные в этом исследовании, самосборки были повторно измерен в 20 мМ MgCl ₂ (присутствует в 1 × реакционном буфере, используемом здесь) для извлечения параметров автокаталитической скорости (см. ниже), используя стратегию, разработанную фон Кедровски ⁶ , как описано в ссылке. ³² . Концентрации фрагментов РНК поддерживали идентичными экспериментам с каплями (0,1 мкМ WXY и 1,6 мкМ Z-фрагмента). Для этого измеряли начальные скорости образования ковалентного WXYZ из фрагментов WXY и Z в зависимости от различных концентраций «допированных» ковалентных рибозимов WXYZ (с такими же IGS и меткой, что и у фрагмента WXY), добавленных в начале реакции. Для облегчения измерений также добавляли небольшие количества (0,001 мкМ) радиоактивно меченного фрагмента WXY (γ- ³² P).Эти меченые радиоактивным изотопом фрагменты WXY получали с использованием полинуклеотидкиназы Т4 (New England Biolabs) и γ- ³² P ATP (Perkin-Elmer). Для каждого начального условия (концентрация легированного катализатора WXYZ) измеряли ходы времени, чтобы получить начальную скорость образования ковалентного WXYZ из фрагментов WXY и Z. В соответствии с предыдущими измерениями ³² было обнаружено, что начальная скорость образования WXYZ ( v ₀ ) линейно зависит от концентрации легированного WXYZ.Это аффинное соотношение можно описать следующим линейным уравнением \ (v_0 = \ alpha x + \ beta \) (дополнительный рис. 6, b и c), где x — концентрация ковалентного рибозима, α — наклон для пары IGS / tag, которая количественно определяет синтез WXYZ ковалентными рибозимами, и β представляет собой y-перехват, который количественно определяет синтез WXYZ нековалентными рибозимами (транскатализ нековалентным комплексом фрагментов WXY и Z) ³⁰ . Также были измерены пары колебаний (GU и UG) и одна из несовпадающих пар IGS / тег (AG), и было обнаружено, что они имеют пренебрежимо малые значения для α и β (дополнительный рис.6в).

Кинетическая модель

В сети ковалентные катализаторы из разновидностей j , концентрация которых составляет x _j , вносят вклад в скорость образования ковалентных катализаторов из разновидностей i с членом α _ij x _j , в то время как нековалентные катализаторы вносят вклад в постоянный член β _ij . α _ij и β _ij членов были измерены экспериментально и независимо от сетевых экспериментов для одиночных пар IGS-тегов (дополнительный рис.6, б, в). Скорость производства каждого вида равна \ (\ dot x_i = \ mathop {\ sum} \ limits_j {\ alpha _ {ij} \ cdot x_j + \ beta _ {ij}} \), что приводит к системе линейных обыкновенных дифференциальных уравнения для каждой сети в зависимости от комбинаций IGS-тегов, полученных из фрагментов РНК. Эта модель делает два приближения. Во-первых, предполагается, что нековалентные комплексы образуются быстро по сравнению с ковалентным WXYZ и что вариации их концентрации не сильно влияют на кинетику. Вайдья и др. ³⁰ определил прямую скорость 0,65 мкМ ^-1 мин ^-1 для образования комплекса. При концентрации Z-фрагмента 1,6 мкМ это дает характерное время ~ 1 мин для образования комплекса по сравнению с 1 ч для образования ковалентного продукта. Во-вторых, кинетика действительна в начале реакции, но не учитывает изменения концентрации субстрата. В частности, Z является общим ресурсом для всех видов, что может вызвать нелинейность кинетики.Однако Z предоставляется в избытке для всей сети и не сильно истощается, поскольку средний выход реакций составляет 17%, за исключением 16-членного, где он предоставляется в эквимолярной концентрации с общими фрагментами WXY. В этом случае следует отметить, что Z-фрагмент связывается со всеми фрагментами WXY с той же константой равновесия, поскольку вариации IGS-тега влияют только на связывание между WXY и WXYZ. Следовательно, ожидается, что Z-титрование повлияет на общую скорость накопления общего продукта, но не на относительную производительность между видами.

Сводка отчетов

Дополнительная информация о дизайне исследований доступна в Сводке отчетов по исследованиям природы, связанной с этой статьей.

40 лет более чистого воздуха: эволюция автокатализатора

Johnson Matthey Technol. Ред. , 2014, 58 , (4), 217

В мае 2014 года исполнилось 40 лет со дня производства первой в мире коммерческой партии автокатализаторов для легковых автомобилей на заводе Johnson Matthey Plc в Ройстоне, Великобритания.Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в сокращении выбросов загрязняющих веществ от транспортных средств с 1970-х годов, в последнее время также активно обсуждались уровни оксидов азота (NOx), особенно диоксида азота (NO ₂ ) и твердых частиц (PM). в современной городской среде. В этой статье описывается эволюция каталитических технологий за последние сорок лет и следующее поколение продуктов, которые сделают возможным дальнейшее улучшение качества воздуха.

Первоначальный прорыв

Начиная с 1940-х годов в крупных городах, особенно в США и окрестностях Токио, наблюдался рост загрязнения воздуха.В 1950-х годах работа в Калифорнии доказала, что фотохимический смог образуется в результате реакций между NOx и углеводородами (УВ) (1) и что выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания являются основным источником такого загрязнения (2). В Великобритании и США были приняты законы о чистом воздухе, а с 1968 года все новые легковые автомобили в США должны были соответствовать стандартам выбросов выхлопных газов. Первоначально это было достигнуто за счет улучшения настройки двигателя, но поправка, требующая дальнейшего снижения выбросов на 90% к 1975 году, вынудила использовать каталитические системы нейтрализации выхлопных газов.

Джонсон Матти проводил исследования в этой области с 1969 года, а в 1971 году подал патент на платиновый катализатор, промотированный родием (3). Он использовался в «двустороннем» устройстве, предназначенном для удаления оксида углерода (CO) и выбросов углеводородов, вызванных неполным сгоранием топлива. Рециркуляция выхлопных газов использовалась для контроля выбросов NOx. Доказательство долговечности было критическим шагом на пути к принятию новой технологии. В 1972 году Джонсон Матти продемонстрировал властям США, что каталитическая система по-прежнему соответствует стандартам выбросов 1975 года после 26 500 миль езды на Chrysler Avenger (, рис. 1 ) (4), что помогло выдержать график введения законодательства.Параллельно с этим важным было внедрение бессвинцового бензина и керамических сотовых материалов, которые могли бы поддерживать высокотемпературные каталитические процессы.

Рис. 1.

(a) Испытательный автомобиль Chrysler Avenger; и (b) выбросы выхлопных газов, полученные с использованием системы контроля 1975 года при испытаниях на протяжении 26 500 миль. (o = выбросы на расстоянии 26 500 миль до обслуживания автомобиля, x = выбросы на расстоянии 26 500 миль после нормального обслуживания двигателя, во время которого катализатор не был затронут) (4)

был разработан катализатор со слоем катализатора (4).Двигатель работал на богатой смеси, то есть с избытком топлива для создания восстановительных условий, и NOx восстанавливались до азота по первому катализатору. Вторичный воздух вводили в выхлопные газы для создания чистых окислительных условий перед вторым катализатором, который был разработан для окисления CO и HC до CO ₂ и воды. Хотя эта система была эффективной, она снижала экономию топлива. Разработка кислородных датчиков в конце 1970-х годов позволила разработать системы управления двигателем с обратной связью, которые могли точно контролировать соотношение воздуха и топлива (AFR).Это позволило сбалансировать состав выхлопных газов в оптимальной точке для «трехкомпонентного» преобразования: одновременного окисления CO и HC и снижения NOx на одном катализаторе. Такие трехкомпонентные катализаторы (TWC) были необходимы для удовлетворения еще одного ужесточения ограничений выбросов в США, действующего с 1981 года.

Разработка современных катализаторов

Ранние разработки TWC известны как предшественники сегодняшних бензиновых автокатализаторов. С тех пор произошли значительные улучшения в конструкции покрытия, применении металлов платиновой группы (МПГ), термической стабильности сырья и свойствах церийсодержащих материалов для хранения кислорода.Наряду с достижениями в двигателях и материалах, они позволили достичь более строгих пределов выбросов и целевых показателей долговечности для современных бензиновых автомобилей по всему миру, при этом потребляя значительно меньше МПГ.

История выбросов в США и Японии была сосредоточена в первую очередь на бензиновых транспортных средствах, но в Европе, где законодательство о выбросах легковых автомобилей было введено в 1993 году, дизельные двигатели занимали значительную долю рынка. В тяжелых условиях эксплуатации также используются преимущественно дизельные двигатели.Катализаторы окисления дизельного топлива (DOC) были эффективны в удалении выбросов CO и HC, но сажа стала серьезной проблемой, особенно в местных зонах с низким уровнем выбросов. В 1990 году Джонсон Матти запатентовал использование NO ₂ для снижения температуры сгорания дизельной сажи (5). Эта технология была запущена в качестве ловушки непрерывной регенерации (CRT ^® ) в 1995 году, содержащей DOC для окисления CO и HC и образования NO ₂ перед фильтром твердых частиц кордиерита (6). Это достигло большого успеха в качестве модернизированного устройства для контроля выбросов от местных автобусных и грузовых парков, а затем было внедрено в новые автомобили.Ограничения на содержание твердых частиц для дизельных легковых автомобилей не требовали установки фильтров до введения законодательства Евро 4 в 2005 году.

Ограничение конструкции CRT ^® заключалось в том, что каждая молекула NO ₂ могла реагировать с углеродистой сажей только один раз. , требуя, чтобы двигатели работали с высоким соотношением NOx: PM. Включение пгм-содержащего покрытия в стенки фильтра, позволяющего повторно окислять «использованные» молекулы NO до NO ₂ in situ , позволило значительно повысить эффективность регенерации фильтра при более низких соотношениях NOx: PM.Это было основой каталитического сажевого фильтра (CSF) (7), который сейчас широко используется в легких и тяжелых дизельных двигателях.

Будущее более чистого воздуха

По сравнению с автомобилями 1974 года, современные автомобили имеют гораздо более чистые и эффективные процессы сгорания, улучшенную конструкцию системы впрыска топлива и сложные системы управления двигателем и сенсорные технологии. В сочетании с передовыми технологиями катализаторов современный легковой автомобиль обычно выбрасывает в одну сотую часть выбросов загрязняющих веществ от до .1960. Однако влияние качества воздуха на здоровье человека, особенно в городской среде, занимает важное место в политической повестке дня. Многие европейские города нарушают ограничения Европейского Союза на NO ₂ , что приводит к возобновлению дебатов о местных мерах по сокращению загрязнения (8). В настоящее время разрабатывается европейское законодательство по выбросам в атмосферу при вождении в реальном мире (RDE), цель которого — обеспечить контроль загрязнения транспортных средств в широком диапазоне стилей вождения и внешних условий, а не только в определенных ездовых циклах.Между тем загрязнение является серьезной проблемой во многих азиатских городах, например, Пекин рассматривает возможность введения все более жестких ограничений на выбросы.

Внедрение дизельных сажевых фильтров на легковых дизельных (LDD) и тяжелых дизельных (HDD) транспортных средствах стало важным шагом на пути к решению этих проблем, поддерживаемых будущим законодательством по контролю количества выбрасываемых твердых частиц (а не только их общего количества). масса) от бензиновых двигателей с прямым впрыском топлива в Европе и аналогичного законодательства, ожидаемого для внедорожной мобильной техники.Селективное каталитическое восстановление (SCR) уже является широко используемой технологией для контроля выбросов NOx от ГНБ на развитых рынках. Кроме того, закон о легковых автомобилях Евро-6, вступивший в силу в сентябре 2014 года, более чем вдвое сократил допустимые выбросы NOx из двигателей с воспламенением от сжатия, что потребовало внедрения специальных технологий контроля NOx почти на всех новых европейских легковых автомобилях с дизельным двигателем.

В настоящее время существуют две конкурирующие технологии контроля выбросов NOx в дизельном топливе: СКВ и адсорбирующие катализаторы NOx (NAC) (9), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.Системы SCR, основанные на материалах из меди, железа или ванадия, восстанавливают NOx до азота за счет реакции с хранящимся аммиаком. Может быть достигнута высокая степень превращения NOx, и реакция протекает при стандартном дизельном топливе AFR, сохраняя экономию топлива. Однако аммиак образуется в результате разложения раствора мочевины, впрыскиваемого в выхлопные газы перед катализатором SCR. Это требует дополнительного резервуара для хранения, системы впрыска мочевины и управления, стоимость и требования к пространству для которых могут быть непомерно высокими для небольших транспортных средств.Пороговая температура разложения мочевины ~ . 180 ° C, ограничивает эффективность систем SCR в расширенных низкотемпературных режимах, например, при езде по городу зимой на низкой скорости. Также существуют опасения по поводу выброса излишка аммиака в атмосферу, что приводит к разработке дополнительных катализаторов проскока аммиака (ASC).

NAC улавливают выбросы NOx во время нормальной работы, как правило, путем окисления более pgm и хранения в виде нитратов на щелочноземельных элементах, таких как барий.Поскольку NAC имеет ограниченную емкость накопления NOx, необходимо периодически регенерировать катализатор. Это достигается за счет работы двигателя на обогащенной смеси в течение нескольких секунд для увеличения концентрации восстановителей, включая CO, HC и водород, в выхлопных газах. В богатых условиях нитрат разлагается, и высвободившиеся частицы NOx превращаются в азот в результате реакции с восстановителями выхлопных газов над вторым каталитическим компонентом, обычно на носителе из родия. Периодическое требование обгонять двигатель усложняет конструкцию трансмиссии и ухудшает топливную экономичность, что нежелательно с учетом законодательных целей по сокращению выбросов CO ₂ / повышению топливной экономичности.Дополнительная стоимость МПГ ​​может быть проблемой для более крупных транспортных средств. Кроме того, существует температурное окно, в котором NAC работают эффективно: при более высоких температурах механизм накопления менее стабилен, а при более низких температурах реакции выделения и восстановления NOx менее эффективны.

Для решения проблемы контроля NOx для RDE на дизельных легковых автомобилях вероятным решением является комбинация систем NAC и SCR, использующих сильные стороны каждой технологии. NAC выше по потоку будет накапливать выбросы NOx при низких температурах, когда система SCR менее эффективна.NAC также будет действовать как катализатор окисления для преобразования выбросов HC и CO. Система SCR ниже по потоку обеспечит контроль NOx при более высоких скоростях и более высоких температурах, а также обеспечит расширенную работу на обедненной смеси для повышения экономии топлива. В настоящее время проводится оптимизация таких систем с упором на согласование рабочих температурных окон компонентов NAC и SCR.

По мере того, как двигатели становятся все более экономичными, меньше тепла попадает в выхлопные газы. Это серьезная проблема для системы последующей обработки, поскольку это приводит к более низким рабочим температурам катализатора.Общая архитектура дизельного катализатора включает DOC, за которым следуют CSF, впрыск мочевины и SCR. Из-за тепловой массы CSF (необходимой для противостояния неконтролируемой регенерации сажи) и потерь тепла из выхлопной трубы в зоне смешения мочевины перед SCR, может потребоваться много минут езды по городу, прежде чем SCR прогреется достаточно, чтобы обеспечить высокий уровень эффективности преобразования. Элегантным решением является нанесение покрытия SCR на фильтр для твердых частиц (10), что позволяет покрытию SCR быстрее нагреваться и становиться активным, а также повышает компактность системы (, рис. 2, ).Такие технологии SCR с покрытием на фильтре (SCRF ^® ) сейчас находятся в серийном производстве — еще одна первая в мире компания Johnson Matthey, Royston. Проблемы проектирования включают введение значительно более высоких нагрузок покрытия на фильтр, чем требовалось для CSF, что приводит к требованию для подложек фильтров с высокой пористостью и оптимизации эффективности фильтрации и характеристик падения давления.

Рис. 2.

Схема, демонстрирующая, как SCRF ^® улучшает компактность системы, и пример того, как в течение европейского ездового цикла он нагревается быстрее, чем SCR после CSF (из-за его более близкой близости к двигатель), обеспечивающий более раннюю конверсию NOx

Выводы

С момента разработки первых каталитических нейтрализаторов за последние сорок лет было сделано много достижений в технологиях трансмиссии, подложек и катализаторов.Системы контроля выбросов теперь необходимы в странах по всему миру, и они предотвратили попадание миллиардов тонн загрязняющих веществ в атмосферу. Однако загрязнение NOx и PM продолжает влиять на здоровье человека, особенно в городской среде. Внедрение новых технологий для контроля выбросов NOx в дизельном топливе, наряду с более широким использованием сажевых фильтров, приведет к дальнейшему улучшению качества воздуха.

Границы | Эффективное усиление асимметричного автокатализа Соаи с помощью переходного стереодинамического катализатора

Введение

Самостоятельность молекулярных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, в биологически значимых метаболизмах и (полимерных) структурах считается признаком жизни и важной предпосылкой для возникновения жизни (Hegstrom, 1984; Blackmond, 2004, 2011; Кавасаки и др., 2008; Хобейкер и Блэкмонд, 2019; Карунакаран и др., 2019; Teichert et al., 2019). В отсутствие хиральных направляющих сил абиотический процесс дает рацемическую смесь. Таким образом, один из самых захватывающих вопросов заключается в том, как биологическая гомохиральность возникла из преимущественно ахиральной среды. Несколько теоретических подходов к этому вопросу были экспериментально исследованы в течение последних десятилетий, и многие результаты показывают, как обогащение энантиомера могло происходить в результате физических процессов или химических реакций.Одними из наиболее многообещающих теоретических предложений по асимметричному усилению начальных небольших дисбалансов являются автокаталитические реакции (см. Рисунок 1) (Alberts and Wynberg, 1989; Soai and Kawasaki, 2008; Цогоева, 2010; Bissette and Fletcher, 2013). Всесторонний обзор таких процессов был недавно составлен Blackmond (2020).

Рисунок 1 . Избранные примеры асимметричного усиления начальных малых дисбалансов автокаталитическими реакциями. R = –C = C – C (CH ₃ ) ₃ .

Ранние механистические концепции таких реакций с положительными нелинейными эффектами (Blackmond, 2010) обсуждались Нойори (Kitamura et al., 1989; Mikami et al., 2000) и Kagan (Girard and Kagan, 1998; Satyanarayana et al., 2009). ). Преимущественно рассматривалось образование обратимых комплексов ассоциации мономер-димер. Франк постулировал теоретическую модель (Frank, 1953), которая приводит к спонтанному асимметричному синтезу путем образования димеров из их мономерных строительных блоков, например, за счет межмолекулярного взаимодействия.Если эти мономеры имеют одинаковую конфигурацию, димеры являются гомохиральными, или если мономеры имеют противоположные конфигурации, получаются гетерохиральные димеры. Поскольку эти димеры диастереоизомеры по отношению друг к другу, они обладают различными внутренними свойствами, которые отражаются, например, в их скорости образования и разложения, их растворимости, их хироптических свойствах. Таким образом, образование гетерохирального димера из энантиомерно обогащенной смеси может увеличивать энантиомерный избыток свободных мономеров.В идеале этот процесс мог бы даже привести к такому результату, что только основной энантиомер остается мономерным в растворе, а гетерохиральный димер выпадает в осадок в виде нерастворимого твердого вещества. Если оставшийся основной энантиомер каталитически активен, этот процесс может привести к отправной точке высокоэффективной амплификации. Однако это будет исключительно редкий случай. В последние годы мы разработали катализаторы, украшенные хиральными узлами распознавания, чтобы распознавать и передавать хиральность продукта реакции, образующегося в процессе катализа, на стереодинамическую единицу катализатора (Maier and Trapp, 2014; Storch and Trapp, 2015, 2017, 2018 ; Сторч и др., 2015, 2016а, б; Scholtes and Trapp, 2019a, b, c, d). Это вызывает сдвиг в равновесии стереодинамического катализатора из-за признанной хиральности (см. Рис. 2). Таким образом, стало возможным разработать самоусиливающиеся каталитические системы, которые динамически выстраивали свою конфигурацию во время катализа и, таким образом, образовывали предпочтительный энантиомер из прохирального субстрата (Scholtes and Trapp, 2020). В ходе этого исследования мы интенсивно работали над выяснением механизма реакции Соаи (Trapp et al., 2020). Асимметричный автокатализ Саоя (Soai et al., 1995; Shibata et al., 1997) — очень необычная реакция. В этой реакции пиримидин-5-карбальдегиды 4 взаимодействуют с диизопропилцинком в присутствии каталитических количеств соответствующего пиримидинового спирта 1 с низким значением ee . Асимметричная автокаталитическая амплификация обогащенного энантиомера дает пиримидиновый спирт 1 с усиленным ee . Было предложено несколько механистических моделей для объяснения необычного поведения этой реакции (Blackmond et al., 2001; Блэкмонд, 2006; Эрколани и Скьяффино, 2011; Геринг и др., 2012; Micheau et al., 2012; Гриднев и Воробьев, 2015; Athavale et al., 2020).

Рисунок 2 . Энантиоселективный самоусиливающийся катализ. (A) Разработка стереодинамического самоусиливающегося катализатора с нековалентными сайтами связывания для взаимодействия с энантиомерами продуктов, образующихся в каталитической реакции. (B) Структура комплекса родия (I) с тропосфосфорамидитными лигандами, которые выстраиваются в линию при преимущественном взаимодействии сайтов нековалентного связывания с одним из образующихся энантиомеров продукта. (C) Шаги, ведущие к энантиоселективному самоусиливающемуся катализу. После активации пре-катализатора продукт образуется с низкой энантиоселективностью или отсутствием энантиоселективности. Катализатор взаимодействует в центрах взаимодействия продукта с первоначально образовавшимся продуктом. Это взаимодействие продукта и катализатора вызывает изменение структуры катализатора, что приводит к повышенной энантиоселективности катализатора.

Путем всесторонних кинетических и масс-спектрометрических экспериментов мы недавно идентифицировали и контролировали образование временного катализатора, который образует комплекс полуацеталат-цинк 5 в результате реакции пиримидин-5-карбальдегида 4 с соответствующим алкоголятом пиримидин 2 ( Trapp et al., 2020). Особый интерес представляет динамическое поведение образующихся полуацеталей 5 , которое исследовали с помощью динамической ВЭЖХ (DHPLC). Масс-спектрометрическое обнаружение субстратов и продукта, а также промежуточных продуктов, возникающих во время реакции, позволило установить механизм реакции (см. Фигуру 3). Прежде всего, алкоголят 2 образуется из спирта, добавляемого в качестве добавки к диизопропилцинку, который может образовывать гомохирал ( R , R ) -3 / ( S , S ) -3 или гетерохиральные димеры ( R , S ) -3 .Алкоголят цинка 2 медленно реагирует с альдегидом 4 в равновесной реакции с образованием полуацеталата 5 , который сначала добавляет другую молекулу диизопропилцинка и альдегида 4 с образованием комплекса 6 и затем энантиоселективно алкилирует к комплексу 7 . На следующем этапе добавляется другая молекула альдегида, которая образует димерный полуацеталатный комплекс 8 , который разлагается на свои мономерные полуацеталаты 5 , устанавливая автокаталитический цикл.Продукт реакции, алкоголят 2 и его димеры 3 , непрерывно образуются в результате обратной реакции равновесия полуацеталат 5 / алкоголят-альдегид ( 2 — 4 ).

Рисунок 3 . Предлагаемый механизм Soai-реакции с образованием переходного Zn-гемиацеталатного катализатора 5 . Установление равновесия гомохиральных ( R , R ) -3 / ( S , S ) -3 и гетерохиральных ( R , S ) -3 димеров пиримидилалкоксиды изопропилцинка 2 и установление автокаталитического цикла после образования полуацеталата 5 .R = –C = C – C (CH ₃ ) ₃ .

Эта статья будет сосредоточена на динамике образования полуацеталя и будет исследовать влияние кинетики реакции и равновесия на автокаталитическую реакцию и энантиомерный избыток ee .

Материалы и методы

Общие

Реагенты и растворители были получены от Sigma-Aldrich (Тауфкирхен, Германия), ABCR (Карлсруэ, Германия) и Alfa Aesar (Карлсруэ, Германия) и были использованы без дополнительной очистки.Для реагентов, чувствительных к воздуху, использовались стандартные методы Шленка. Стеклянную посуду перед использованием нагревали, и синтез проводили в атмосфере аргона.

Спектры ЯМР

записаны на спектрометрах Bruker Avance 600 и 500 МГц.

Измерения ВЭЖХ

и ВЭЖХ-МС проводили на приборе Agilent 1200 Infinity HPLC, оборудованном бинарным насосом, автосэмплером (Agilent HiP +), термостатируемым термостатом колонок и детектором на фотодиодной матрице (DAD). Все операции контролировались программным обеспечением Agilent Chemstation.Энантиоселективное разделение проводили на иммобилизованной хиральной стационарной фазе (CSP) целлюлозный трис (3,5-дихлорфенилкарбамат), Chiralpak IC-3 (15 см, внутренний диаметр 4,6 мм, размер частиц 3 мкм, Chiral Technologies, Parc d’Innovation, Bd Gonthier d ‘Andernach, 67400 Illkirch Cedex, France) с использованием n -гексан / 2-пропанол 60:40 (об. / об.) в качестве подвижной фазы при скорости потока 1,0 мл · мин ^-1 .

Оценка динамических профилей ВЭЖХ

Следы динамической ВЭЖХ анализировали по единому уравнению, которое позволяет напрямую рассчитывать константы скорости реакции k ₁ и k ₋₁ и энергии активации Гиббса Δ G ⁺ для всех типов ( псевдо) реакции первого порядка, происходящие в хроматографических системах, независимо от начальных концентраций взаимопревращающих аналитов A и B и константы равновесия K _{A / B} .Подробное описание происхождения приведено в литературе (Trapp, 2006a, b, c, d; Trapp et al., 2009).

Результаты и обсуждение

Во время ВЭЖХ разделения пиримидин-5-карбальдегида 4 с 2-пропанолом в подвижной фазе наблюдается второй пик, который связан с пиком пиримидин-5-карбальдегида 4 образованием плато. Если это разделение выполняется с использованием хиральной неподвижной фазы, например, с помощью Chiralpak IC-3, то наблюдается разделение вновь образованного пика на два пика, что указывает на образование энантиомеров (см.Рисунок 4). Используя ВЭЖХ-МС, вновь образованные пики можно четко отнести к полуацеталам ( R ) -5 _iPr или ( S ) -5 _iPr , образованным из 2-пропанола подвижного соединения. фаза и пиримидин-5-карбальдегид 4 . Наблюдение за полуацетали важно, потому что хроматографические методы могут использоваться для изучения и проверки реакционной способности образования полуацеталей из альдегидов и спиртов. Можно ожидать, что образование полуацеталатов 5 из альдегидов 4 и алкоголятов цинка 2 происходит с аналогичной реакционной способностью из-за электронных свойств альдегидов 4 и, следовательно, способность образования может быть напрямую коррелирована.

Рисунок 4 . Полуацеталь образование 2- ( трет, -бутилацетилен-1-ил) пиримидил-5-карбальдегид 4 с 2-пропанолом.

Чтобы определить скорость реакции образования полуацеталя и разложения альдегида 4 в присутствии 2-пропанола, мы выполнили температурно-зависимую энантиоселективную динамическую ВЭЖХ (DHPLC) (Trapp et al., 2001; D’Acquarica et al. , 2006; Wolf, 2008; Trapp, 2013) измерений. Как видно из профилей элюирования (см.На рис. 5) можно наблюдать ярко выраженное плато с повышением температуры реакции.

Рисунок 5 . Температурно-зависимые энантиоселективные измерения DHPLC образования полуацеталя, начиная с 2- ( трет, -бутилацетилен-1-ил) пиримидил-5-карбальдегид 4, с 2-пропанолом. Условия эксперимента: Chiralpak IC-3 (15 см, внутренний диаметр 4,6 мм, размер частиц 3 мкм), n -гексан / 2-пропанол 60:40 (об. / Об.), Поток 1,0 мл · мин ^-1 .

Кинетический анализ выполнен методом анализа по унифицированному уравнению хроматографии с учетом реакции псевдопервого порядка из-за избытка 2-пропанола в подвижной фазе.Это позволило определить константы скорости реакции, например, k ₁ (293 K) = 4,1 × 10 ⁻³ (моль × с) ⁻¹ и k ₋₁ (293 K ) = 1,3 × 10 ⁻² с ⁻¹ , и определение энтальпий активации Δ H ^‡ для полуацеталя 5 _{i Образование и разложение Pr} через наклон и активацию энтропий Δ S ^‡ через пересечение графиков Эйринга [ln ( k / T ) vs.1/ T ] (см. Фиг. 6A). Отклонения параметров активации Δ H ^‡ и Δ S ^‡ были рассчитаны путем анализа полосы ошибок линейной регрессии с уровнем достоверности 95%. Параметры активации образования полуацеталя 5 _{i Pr} были определены как Δ H ^‡ = 26,3 ± 0,2 кДж / моль и Δ S ^‡ = −195 ± 34 Дж / ( К × моль) ( r = 0.9990, остаточное отклонение с _y = 0,0306), а для обратной реакции — разложение полуацеталя 5 _{i Pr} , параметры активации определены как Δ H ^‡ = 47,7 ± 0,2 кДж / моль и Δ S ^‡ = −112 ± 1 Дж / (К × моль) ( r = 0,9994, с _y = 0,0630). Эти параметры активации указывают на то, что образование полуацеталя 5 _{i Pr} из 4 является эндергоническим процессом, который очень динамичен.Термодинамические параметры образования полуацеталя 5 _{i Pr} определяли путем линейной регрессии термодинамических свободных энергий Гиббса Δ G ( T ), полученных из констант равновесия K , vs. температуры T (коэффициент корреляции r = 0,9949) должны быть Δ G ⁰ = 3 кДж / моль, Δ H ⁰ = -15,6 кДж / моль и Δ S ⁰ = −62.5 Дж / (К × моль) (см. Рисунок 6B).

Рисунок 6. (A) График Эйринга для определения параметров активации Δ H ⁺ и Δ S ⁺ образования полуацеталя (красные точки данных) и разложения полуацеталя (синие точки данных ), полученный из эксперимента DHPLC с учетом концентрации 2-пропанола. Верхняя и нижняя кривые представляют собой полосы ошибок линейной регрессии с уровнем достоверности 95%. Для линейной регрессии учитывалась 21 точка данных. (B) Определение термодинамических параметров Δ H и Δ S путем построения зависимости свободной энергии Гиббса Δ G от T .

Важно отметить, что этот обратимый процесс образования полуацеталя создает стереоцентр, который приводит к образованию диастереомеров в случае реакции с хиральным спиртом. Следовательно, очевидно, что реакция с соответствующим спиртом или алкоголятом в реакции Соаи приводит к диастереомерным полуацеталям или полуацеталатам 5 .Этот эндергонический процесс приводит к образованию большего количества полуацеталя, который хорошо координирует хиральные лиганды при низкой температуре. Это согласуется с более высокими скоростями реакции, наблюдаемыми при низких температурах в реакции Соаи.

Мы расширили исследование образования полуацеталя на ¹ H ЯМР исследования химического равновесия. Для этого по 5 мг бензальдегида, пиримидил-5-карбальдегида 4 _H и 2- ( трет -бутилацетилен-1-ил) пиримидил-5-карбальдегида 4 были смешаны с 0.5 мл метанола-д ₃ . Результаты установления равновесия через 6 часов суммированы в таблице 1. Как ясно видно, полуацетали образуются с выходами 9% в случае бензальдегида и, что примечательно, 95% соответствующих полуацеталей пиримидил-5- карбальдегиды 4 _H и 2- (трет-бутилацетилен-1-ил) пиримидил-5-карбальдегид 4 соответственно. Это раскрывает уникальные свойства пиримидин-5-карбальдегидов, которые превосходно образуют полуацетали.В дополнительном эксперименте по 20 мг каждого пиримидил-5-карбальдегида 4 _H и 2- ( трет -бутилацетилен-1-ил) пиримидил-5-карбальдегид 4 были смешаны с 5 экв. . 2-метил-1-фенилпропанол в безводном толуоле-d ₈ . Толуол был выбран в качестве растворителя для достижения условий реакции, сравнимых с реакцией Соаи. Соответствующие диастереомерные полуацетали получают с выходом 9 и 11% соответственно. Константы равновесия K образования полуацеталей, описанные здесь, суммированы в Таблице 1.Важно отметить, что мы сосредоточились здесь на анализе полуацеталей вместо полуацеталатов 5 , которые можно наблюдать с помощью in-situ масс-спектрометрического исследования реакции Соаи. В случае диастереомерных полуацеталей 5 наблюдается образование основного и второстепенного диастереомеров, для которых можно определить соответствующие константы равновесия. Эти константы равновесия соответствуют константе равновесия K ₄ для образования полуацеталя 5 в предлагаемом механизме реакции Соаи (см.Рисунок 3 и Таблица 2), которые были определены всесторонним анализом реакционных сетей.

Таблица 1 . Определение констант равновесия образования полуацеталей из бензальдегида и пиримидил-5-карбальдегидов по реакции со спиртами.

Таблица 2 . Кинетические данные Soai-реакции альдегида 4 с i Pr ₂ Zn, образующего спирт 1 , определены с помощью комплексного анализа реакционных сетей.

Этот анализ реакционной сети был выполнен с использованием 26 дифференциальных уравнений, описывающих кинетику реакционного механизма реакции Соаи, изображенного на Рисунке 3 (см. Подробности в ссылке Trapp et al., 2020). Эти уравнения реализованы в программном обеспечении (Soai 7; Trapp, 2020). Эта программа позволяет рассчитывать профили кинетических реакций с использованием адаптивной процедуры Рунге-Кутты для решения системы дифференциальных уравнений с начальными входными концентрациями энантиомеров добавочного спирта 1 , альдегида 4 и i Pr ₂ Zn.Кинетическая модель позволяет рассчитать кинетические профили реакции превращения пиримидин-5-карбальдегида 4 в продукт реакции 1 реакции Соаи и точное предсказание нелинейной амплификации ee и индукционный период в зависимости от ee .

Эту кинетическую модель и программное обеспечение Soai 7 использовали для исследования влияния кинетики реакции и равновесия образования полуацеталя на автокаталитическую реакцию и энантиомерный избыток ee .Для этой цели использовались кинетические и термодинамические параметры, приведенные в таблице 2, и параметры образования полуацеталя варьировали в 20 шагов каждый для k ₄ от 0,0001 до 0,1 M ⁻¹ s ⁻¹ и для K ₄ от 0,05 до 10 M ⁻¹ . Были рассмотрены четыре сценария с увеличением исходного энантиомерного избытка ee : ee 1% [1,01 мМ ( R ) -1 и 0,99 мМ ( S ) -1 ] (ср.Рисунок 7A), ee 10% [1,1 мМ ( R ) -1 и 0,9 мМ ( S ) -1 ] (см. Рисунок 7B), ee 50% [1,5 мМ ( R ) -1 и 0,5 мМ ( S ) -1 ] (см. Рисунок 7C) и ee 99% [1,99 мМ ( R ) -1 и 0,01 мМ ( S ) -1 ] (см. Фиг. 7D). Прогнозируемые окончательные максимумы ee ‘, начиная с уже очень высоких ee , не удивительны.В этом случае амплификация (разница между конечным продуктом ee и исходным ee ) низкая. Однако моделирование предсказывает, что существуют сценарии, которые приводят к значительному усилению за один шаг с правильными значениями k ₄ и K ₄ . В результате получается высокая стереодинамика со скоростями реакции k ₄ > 0,08 M ​​ ^-1 s ^-1 в сочетании с константой равновесия K ₄ в диапазоне от 0.06 и 2.7 M ⁻¹ дает мгновенный скачок от ee , начиная с 1%, до ee между 29 и 57%!

Рисунок 7 . Прогноз энантиомерного доступа в зависимости от константы скорости реакции k4 и константы равновесия K4 образования полуацеталя. Исходные условия: 25 мМ альдегида и 40 мМ iPr ₂ Zn. Время моделирования 1200 с с разрешением Δ t = 0,1 с. Расчеты проводились с помощью Soai 7. (A) Начальный ee 1% [1,01 мМ ( R ) -1 и 0,99 мМ ( S ) -1 ], (B) Начальный ee 10% [1,1 мМ ( R ) -1 и 0,9 мМ ( S ) -1 ], (C) Начальный ee 50% [1,5 мМ ( R ) -1 и 0,5 мМ ( S ) -1 ] и (D) Начальный ee 99% [1,99 мМ ( R ) -1 и 0.01 мМ ( S ) -1 ].

Выводы

С помощью энантиоселективной динамической ВЭЖХ (DHPLC) и исследований ¹ H ЯМР образование полуацеталя исследовали кинетически и термодинамически. С одной стороны, можно было бы показать, что процесс образования полуацеталя является эндергоническим и что между полуацеталями существует быстрое равновесие конверсии. Моделирование с использованием кинетической модели реакции Соаи при изменении кинетики и термодинамики образования полуацеталя позволило предсказать усиление энантиомерного избытка в зависимости от добавления спирта в качестве добавки.Результаты показывают, что в механизме, лежащем в основе реакции Соаи, путем образования временных стереодинамических гемиацетальных катализаторов, стереодинамика оказывает важное влияние на образующийся энантиомерный избыток ee . Примечательно, что высокая стереодинамика и равновесие в пользу спирта и альдегида по сравнению с полуацеталем приводит к огромному увеличению энантиомерного избытка ee . Это приводит к выводу, что очевидно неэффективные процессы приводят к оптимальному отбору и амплификации и, следовательно, к хирогенезу и гомохиральности.Кроме того, можно сделать вывод, что поддержание гомохиральности гораздо более надежно и допускает более широкий диапазон кинетических и термодинамических параметров.

Заявление о доступности данных

Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Авторские взносы

OT разработал и провел эксперименты и анализ, запрограммировал программное обеспечение и написал рукопись.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Я признателен за финансовую поддержку Сообщества Макса Планка (Исследовательская группа Макса Планка «Истоки жизни»), VolkswagenStiftung (Инициирование молекулярной жизни), DFG за финансовую поддержку со стороны SFB 235 (Появление жизни) и Кластера. передового опыта ORIGINS (EXC 2094−3311).

Список литературы

Альбертс А. Х. и Винберг Х. (1989). Роль продукта в образовании асимметричной углерод-углеродной связи: стехиометрическая и каталитическая энантиоселективная аутоиндукция. J. Am. Chem. Soc . 111, 7265–7266. DOI: 10.1021 / ja00200a059

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Атавале, С. В., Саймон, А., Хоук, К. Н., и Дания, С. Е. (2020). Демистификация усиливающего асимметрию автокаталитического поведения реакции Соаи посредством структурных, механистических и вычислительных исследований. Nat. Chem . 12, 412–423. DOI: 10.1038 / s41557-020-0421-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блэкмонд, Д. Г. (2006). Механистическое исследование автокаталитической реакции Соаи на основе кинетического анализа. Тетраэдр: асимметрия 17, 584–589. DOI: 10.1016 / j.tetasy.2006.01.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блэкмонд, Д. Г. (2010). Кинетические аспекты нелинейных эффектов в асимметричном синтезе, катализе и автокатализе. Тетраэдр: асимметрия 21, 1630–1634. DOI: 10.1016 / j.tetasy.2010.03.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блэкмонд Д. Г., Макмиллан К. Р., Рамдихул С., Шорм А. и Браун Дж. М. (2001). Истоки асимметричной амплификации в автокаталитических добавках алкилцинка. J. Am. Chem. Soc . 123, 10103–10104. DOI: 10.1021 / ja0165133

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

D’Acquarica, I., Gasparrini, F., Пиерини, М., Виллани, К., и Заппиа, Г. (2006). Динамическая ВЭЖХ на хиральных стационарных фазах: мощный инструмент для исследования стереомутационных процессов. J. Sep. Sci . 29, 1508–1516. DOI: 10.1002 / jssc.200600129

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрколани, Г., Скьяффино, Л. (2011). Проверка механизма реакции Соаи: исследование DFT роли альдегида и структуры диалкилцинка. J. Org. Chem . 76, 2619–2626.DOI: 10.1021 / jo102525t

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Геринг Т., Каранта М., Оделл Б., Блэкмонд Д. Г. и Браун Дж. М. (2012). Наблюдение за переходным промежуточным звеном в асимметричном автокатализе Соаи: данные по обороту 1H ЯМР в реальном времени. Angew. Chem. Int. Эд . 51, 9539–9542. DOI: 10.1002 / anie.201203398

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Жирар К. и Каган Х. Б.(1998). Нелинейные эффекты в асимметричном синтезе и стереоселективных реакциях: десять лет исследований. Angew. Chem. Int. Эд . 37, 2922–2959. DOI: 10.1002 / (SICI) 1521-3773 (19981116) 37:21 <2922 :: AID-ANIE2922> 3.0.CO; 2-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гриднев И. Д., Воробьев А. К. (2015). О происхождении и структуре недавно обнаруженного ацеталя в реакции Соаи. Бык. Chem. Soc. Япония . 88, 333–340. DOI: 10.1246 / bcsj.20140341 ​​

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хегстром Р.А. (1984). Несохранение четности и происхождение биологической хиральности: теоретические расчеты. Истоки жизни . 14, 405–411. DOI: 10.1007 / BF00933684

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карунакаран, С. К., Кафферти, Б. Дж., Вейгерт-Муньос, А., Шустер, Г. Б., и Худ, Н. В. (2019). Спонтанное нарушение симметрии при образовании супрамолекулярных полимеров: последствия для происхождения биологической гомохиральности. Angew. Chem. Int. Эд . 58, 1453–1457. DOI: 10.1002 / anie.201812808

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кавасаки Т., Судзуки К., Хакода Ю. и Соай К. (2008). Цитозин ахирального азотистого основания действует как источник гомохиральности биомолекул в сочетании с асимметричным автокатализом. Angew. Chem. Int. Эд . 47, 496–499. DOI: 10.1002 / anie.200703634

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Китамура, М., Окада, С., Шуга, С., и Нойори, Р. (1989). Энантиоселективное присоединение диалкилцинков к альдегидам под действием хиральных аминоспиртов. Механизм и нелинейный эффект. J. Am. Chem. Soc . 111, 4028–4036. DOI: 10.1021 / ja00193a040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Майер Ф., Трапп О. (2014). Селектор-индуцированная динамическая дерацемизация тропо-модифицированного BIPHEPO-лиганда: применение в органокатализируемой асимметричной двойной альдольной реакции. Angew.Chem. Int. Эд . 53, 8756–8760. DOI: 10.1002 / anie.201402293

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мишо, Ж.-К., Кудре, К., Круз, Ж.-М., и Бузе, Т. (2012). Усиление избытка энантиомеров, нарушение зеркальной симметрии и кинетическая корректура в моделях реакции Соаи с различными олигомерными порядками. Phys. Chem. Chem. Phys . 14, 13239–13248. DOI: 10.1039 / c2cp42041d

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миками, К., Коренага, Т., Окума, К., и Нойори, Р. (2000). Асимметричная активация / дезактивация рацемических Ru катализаторов для высокоэнантиоселективного гидрирования кетоновых субстратов. Angew. Chem. Int. Эд . 39, 3707–3710. DOI: 10.1002 / 1521-3773 (20001016) 39:20 <3707 :: AID-ANIE3707> 3.0.CO; 2-M

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шольтес, Дж. Ф., и Трапп, О. (2019a). Дизайн и синтез стереодинамического катализатора с изменением селективности энантиоселективным самоингибированием. Хиральность 31, 1028–1042. DOI: 10.1002 / chir.23132

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шольтес, Дж. Ф., и Трапп, О. (2019b). Энантиоселективность, индуцированная стереоселективным блокированием: новый основной мотив тропосных лигандов. Chem. Евро. J . 25, 11707–11714. DOI: 10.1002 / chem.2017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шольтес, Дж. Ф., и Трапп, О. (2019c). Повышение энантиоселективности динамического катализатора за счет супрамолекулярной блокировки. Angew. Chem. Int. Эд . 58, 6306–6310. DOI: 10.1002 / anie.201

5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шольтес, Дж. Ф., и Трапп, О. (2019d). Супрамолекулярные сблокированные бифенильные лиганды для энантиоселективного Ti-катализируемого алкилирования ароматических альдегидов. Металлоорганические соединения 38, 3955–3960. DOI: 10.1021 / acs.organomet.9b00262

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шольтес, Дж. Ф., и Трапп, О. (2020). Стереоиндукция и усиление в стереодинамических системах нековалентными взаимодействиями . Synlett. DOI: 10.1055 / a-1274-2777

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сибата Т., Такахаши Т., Кониси Т. и Соай К. (1997). Асимметричная саморепликация хиральных 1,2-аминоспиртов за счет высокоэнантиоселективного аутоиндуктивного восстановления. Angew. Chem. Int. Эд . 36, 2458–2460. DOI: 10.1002 / anie.199724581

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Соаи, К.и Кавасаки Т. (2008). Асимметричный автокатализ с усилением хиральности. Верх. Curr. Chem . 284, 1–33. DOI: 10.1007 / 128_2007_138

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Соай К., Шибата Т., Мориока Х. и Чоджи К. (1995). Асимметричный аутоктализ и амплификация энантиомерных эффектов хиральной молекулы. Природа 378, 767–768. DOI: 10.1038 / 378767a0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сторч, Г., Деберле, Л., Менке, Ж.-М., Ромингер, Ф., Трапп, О. (2016a). Стереодинамический фосфорамидитный лиганд, полученный из 3,3′-функционализированного орто-бифенола и его родиевого (I) комплекса. Хиральность 28, 744–748. DOI: 10.1002 / chir.22655

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сторч, Г., Паллманн, С., Ромингер, Ф., и Трапп, О. (2016b). Стереодинамический тетрагидробиизоиндол «NU-BIPHEP (O)» s: функционализация, вращательные барьеры и нековалентные взаимодействия. Beilstein J. Org. Chem . 12, 1453–1458. DOI: 10.3762 / bjoc.12.141

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сторч, Г., Зиберт, М., Ромингер, Ф., и Трапп, О. (2015). Лиганды 5,5′-диамино-BIPHEP, несущие небольшие селекторные единицы для нековалентного связывания хиральных аналитов в растворе. Chem. Коммуна . 51, 15665–15668. DOI: 10.1039 / C5CC06306J

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сторч, Г., и Трапп, О. (2015). Двунаправленная энантиоселективность с контролируемой температурой в динамическом катализаторе асимметричного гидрирования. Angew. Chem. Int. Эд . 54, 3580–3586. DOI: 10.1002 / anie.201412098

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сторч, Г., Трапп, О. (2017). Специально разработанная энантиоселективная самоамплификация на основе нековалентных взаимодействий продукт-катализатор. Nat. Chem . 9, 179–187. DOI: 10.1038 / nchem.2638

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп, О.(2006b). Единое уравнение для оценки вырожденных реакций первого порядка в динамическом электрофорезе. Электрофорез 27, 2999–3006. DOI: 10.1002 / elps.200500907

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп, О. (2006c). Единое уравнение для оценки реакций первого порядка в динамическом электрофорезе. Электрофорез 27, 534–541. DOI: 10.1002 / elps.200500708

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп, О.(2006d). Единое уравнение для доступа к константам скорости реакций первого порядка в динамической и реакционной хроматографии на колонке. Анал. Chem . 78, 189–198. DOI: 10.1021 / ac051655r

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп, О. (2020). Soai 7, совместимый с Microsoft Windows 7, 8 и 10 . Скомпилированную исполняемую программу можно получить у автора по запросу.

Трапп О., Бремер С. и Вебер С. К. (2009).доступ к константам скорости реакции в реакционной хроматографии на колонке: расширенное унифицированное уравнение для исходных продуктов реакции и продуктов с различными факторами отклика. Анал. Биоанал. Chem . 395, 1673–1679. DOI: 10.1007 / s00216-009-2993-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп О., Ламур С., Майер Ф., Зигл А., Завацки К. и Штрауб Б. Ф. (2020). In situ масс-спектрометрические и кинетические исследования асимметричного автокатализа Соаи. Chem. Евро. J . 26. (в печати). DOI: 10.1002 / chem.202003260

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трапп О., Шетц Г. и Шуриг В. (2001). Определение барьеров энантиомеризации методами динамической и остановленной проточной хроматографии. Хиральность 13, 403–414. DOI: 10.1002 / chir.1052

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вольф, К. (2008).