Karbonmonoksid

Som eksempel ved brenning av metan med god tilgang på oksygen blir metan fullstendig oksidert til CO₂. og vann

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + H₂0

Med lite oksygen skjer det ufullstendig oksidasjon av metan til CO og vann

CH₄ + 3/2O₂ → CO + 2H₂O

Oksidering av karbon med lite oksygen gir CO

2 C + O₂ → 2 CO

Kullos dreper stille

Karbonmonoksid (CO) dreper ved å binde seg til seg til hemproteiner og blokkerer det siste enzymet cytokrom oksidase i elektrontransportkjeden i oksidativ fosforylering mitokondriene. Kulllos reagerer også med et oksygentransporterende proteinet hemoglobin i de røde blodcellene og danner karboksyhemoglobin som ødelegger transporten av oksygen til kroppsorganene. CO i reaksjon med myoglobin gir karboksymyoglobin. Til forskjell fra andre giftige gasser som hydrogensulfid og ammoniakk kan man ikke lukte CO og blir således ikke advart om faren. Sannsynligvis er ild i lukkete rom såpass sjeldne at evolusjonen har ikke utviklet mekanismer for å detektere kullos. Vi lukter heller i CO₂, som er tyngre enn luft og kan være farlig i kummer og grassiloer. 

CO som signalmolekyl i biologiske reaksjoner

I høyere konsentrasjoner er CO meget giftig, men i lave konsentrasjoner kan det ha metabolske funksjoner. Lignende gassen nitrogenmonoksid (NO) som har funksjoner i det vaskulære systemet og immunsystemet.

CO produsert i reaksjonen katalysert av hem oksygenase kan virke som et signalmolekyl i gassform. CO kan fungeresom en registrator av konsentrasjonen av oksygen. CO kan aktivere enzymet guanylat syklase som lager syklisk GMP (cGMP) og aktiverer mitogen-aktiverte protein kinaser. I immunsystemet kan CO være med å regulering av T-celler og delta i antibetennelsereaksjoner.  

Hem oksygenase er et enzym som omdanner hem (jernprotoporfyrin IX) fra hemproteiner til grønnfarget biliverdin, gulfarget bilirubin, ferrojern (Fe²⁺)  og karbonmonoksid (CO).

hem b²⁺ + 3O₂ + 4NADPH + 4 H⁺ → biliverdin + Fe²⁺ + CO + 4NADP⁺ + 3H₂O

Ferrojern må bindes for å unngå Fenton-reaksjoner. Eksempler på hemproteiner er hemoglobin, myoglobin,  peroksidase ogkatalase.

Hem oksygenase er et eenzym både hos prokaryoter og eukaryoter. Hos mennesker er det tre isoenzymer (HMOX1-3) av hem oksygenase. Hem oksygenase finnes blant annet i milten hvor det deltar i nedbrytning av hemoglobin i resirkulering av røde bloceller.  Hem oksygenase 1 (HMOX1) blir indusert av stress, er avhengig av enzymet NADPH-cytkrom P45  reduktase og finnes i milt, lever og nyrer. HMOX1 blir fjernet fra metabolsmen via ubiquitinering. Hem oksygenase 2 (HMOX2) finnes konstitutivt.

Karboksidotrofe bakterier

Mikroorganismer som har egenskapene som trengs for å oksidere CO kalles karboksidotrofe. Det finnes aerobe og anaerobe bakterier og arkebakterier som kan bruke CO som både karbondkilde og energikilde, for eksempel termofile bakterier hydrotermiske kjemolitotrofe,  aerobe karboksidotrofe-, sulfatreduserende-, hydrogenogene- og acetogene-bakterier.  Disse inneholder enzymet karbonmonoksid dehydrogenase som oksiderer CO til CO₂.

CO + H₂O + A → CO₂ + AH₂

Hvor A er en elektronakseptor og AH₂ er den reduserte formen. Elektron- og protonbærere kan være ferredoksin, FAD, flavoproteiner NADP⁺/NADPH. CO-dehydrogenase kan samvirke i reduktiv acetyl-CoA assimilasjonsveien (Wood-Ljungdal omsetningsvei) hos acetogene bakterier . Aerobe karboksidotrofe bakterier inneholder kobber-molybden flavoenzymer. CO-dehydrogenase har også en funksjon i global karbonsyklus. Og

CO kan bli brukt som karbonkilde hos metanogene arkebakterier,  blir omdannet til metan med hydrogen som elektrondonor.

Biogent CO kan bli produksert i mikrobielle økosystemer i biofilm, i matter med blågørnnbakterier i hypersaline nisjer. Sulfatreduserende bakterier kan ved fermentering lage CO.   

Karboksidotrofe bakterier kan ksidererCO i vanngasskiftreaksjon

CO + H₂O → CO₂ + H₂  

BKarboksiddotrofe bakterieslekterThermincola, Thermococcus , Desulfotomaculum, Thermolithobacter og Carboxydocella.

Kjemi

I karbonmonoksid inngår karbon ( C)  i en trippelbinding med oksygen (C ≡O) i to pi(π)-bindinger og en sigma (σ)-binding 

CO i atmosfæren kan sammen med sollys (hν) reagere med hydroksylradkaler (∙OH) som en del av ozonsyklus i troposfæren  

CO + 2O₂ + hν → CO₂ + O₃

Industrielle reaksjoner med karbonmonoksid

Fischer-Tropsch og hydrformylering

Industrielt i Fischer-Tropsch-prosessen (navn etter de tyske kjemikerne Franz Fischer (1877-1947) og Hans Tropsch (1889-1935)) blir kull og annet karbonholdig materiale ved pyrolyse omdannet til biokull og syngass bestående av hydrogen (H₂) og karbonmonoksid (CO). Ved høy temperatur og trykk i nærvær og vanndamp og en katalysator med nikkel omdannes i første trinn i produksjon av syntesegass (syngas) fra metan til hydrogen:

CH₄ + H₂O →CO + 3H₂

CH₄ + 2H₂O →CO₂ + 4H₂

Karbonmonoksid og hydrogen blir deretter anvendt i hydroformylering (oksosyntese) med en katalysator til å lage aldehyder fra alkener hvor en formylgruppe (CHO) og hydrogen (H₂) adderes over en karbon-karbon dobbeltbinding (C=C).

Metan, men også etan kan bli brukt i produksjon av metanol. i Fischer-Tropsch-prosessen gjorde det mulig å omdanne kull til flytende hydrokarboner, eller fra hydrogen og karbonmonoksid ved metallkatalyse (kobolt, jern, molybden, nikkel, ruthenium) og høy temperatur:

(2n+1)H₂ + nCO → C_nH_2(n+2) + nH₂O

Disse kan deretter bli brukt til å lage syntetisk olje eller syntetisk drivstoff ved høy temperatur (400^oC), høyt trykk (150 atmosfærer) med katalysator (krom- og zinkoksider).

CO + 2H₂ → CH₃OH

Metanol kan deretter bli brukt til å lage dimetyleter og andre hydrokarboner som kan fungere som drivstoff i forbrenningsmotorer.

Cativa-prosessen og produksjon av eddik

I cativaprosessen omdannes karbonmonoksid og metanol (CH₂OH) i en karbonylering til eddiksyre (CH₃COOH) med hjelp av en katalysator med indium. Patentert av BP Chemicals, men har likhetstrekk med Monsanto-prosessen. Reaksjonen starter metyljodid (CH₃I) som inngår i katalysatoren (Ir(CO)₂(CH₃)I₃)⁻.

Boudourad-reaksjonen

Boudourad-reaksjonen, navn etter den franske kjemikeren Octave Leopold Boudouard (1872-1923), er oppvarming til høy temperatur >1000^oC  av CO₂ sammen med kull (C), koks eller grafitt brukt til produsere karbonmonoksid (CO).

CO₂  + C  → 2 CO

Dette er en endoterm redoksreaksjon og disproporsjonering, og er lik det som skjer i ved reduksjon av metalloksider med karbon i en blesterovn hvor det blir dannet CO. Prosessen optimaliseres med ønske å produsere minst mulig sot (C). Dette er en temperaturavhengig  likevektsreaksjon og i motsatt retning  ved lavere temperatur >400^oC kan reaksjonen den bli brukt til å lage grafitt.  

2 CO → CO₂  + C 

 Gassreformering (gassifisering)

Vanndampreformering av metan danner CO og hydrogen (H₂).

Vanndamp sammen med metangass gir CO i en endoterm reaksjon:

H₂O(g) + CH₄  + varme → H₂  + CO

Etterfulgt av en vanngass-skiftreaksjon

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Det er også mulig og gjøre den delvis oksidasjon av metan:

CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂

Mineralgjødsel og Haber-Boschprosessen

Når metan blir brukt til å lage hydrogen (H₂) brukt i produksjon av ammoniakk blir karbonmonoksid fjernet i i et trinn i Haber-Boschprosessen via i en katalytisk reaksjon med vanndamp:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Tilbake til hovedside