Decennia lang heeft de chemische industrie gezocht naar een manier om overvloedig, maar hardnekkig stabiel aardgas direct om te zetten in waardevolle chemicaliën. Nu hebben onderzoekers van het Centrum voor Onderzoek in Biologische Chemie en Moleculaire Materialen (CiQUS) van de Universiteit van Santiago de Compostela een doorbraak bereikt: een katalysator die methaan en andere aardgascomponenten omzet in complexe moleculen, waaronder een belangrijk ingrediënt voor hormoontherapie. Deze vooruitgang, gepubliceerd in Science Advances, vertegenwoordigt een cruciale stap in de richting van een duurzamere en circulaire chemische economie.
De uitdaging van het temmen van methaan
Aardgas, dat voornamelijk bestaat uit methaan, ethaan en propaan, is een energiebron, maar door zijn extreme stabiliteit is het gebruik ervan als grondstof voor de productie van chemicaliën beperkt. Conventionele methoden zijn afhankelijk van energie-intensieve en vervuilende processen. De grootste moeilijkheid ligt in het activeren van deze koolwaterstoffen zonder ongewenste bijproducten.
Een nieuwe fotokatalytische aanpak
Het CiQUS-team, onder leiding van Martín Fañanás, ontwikkelde een fotokatalytisch systeem dat methaan direct omzet in bioactieve stoffen. Voor het eerst synthetiseerden ze met succes dimestrol, een niet-steroïde oestrogeen dat wordt gebruikt bij hormoontherapie, rechtstreeks uit methaan. Dit toont het potentieel aan om hoogwaardige moleculen te creëren uit een eenvoudige, goedkope grondstof.
De sleutel: een op maat gemaakte supramoleculaire katalysator
De doorbraak hangt af van een reactie die allylatie wordt genoemd en waarbij een chemisch ‘handvat’ aan het gasmolecuul wordt bevestigd, waardoor verdere modificaties mogelijk zijn. Het voornaamste obstakel waren ongewenste chloreringsbijproducten. Om dit te ondervangen heeft het team een katalysator ontwikkeld op basis van een tetrachloorferraatanion, gestabiliseerd door collidiniumkationen.
“Het ontwerp van de katalysator moduleert de reactiviteit van radicale soorten, terwijl ongewenste chlorering wordt onderdrukt”, legt prof. Fañanás uit. Een netwerk van waterstofbruggen rond het ijzeratoom onderhoudt de reactiviteit en creëert een optimale omgeving voor selectieve allylatie.
Duurzaamheid in de kern
De methode onderscheidt zich door zijn duurzaamheid. Het maakt gebruik van ijzer, een goedkoop en overvloedig aanwezig metaal, in plaats van edele metalen die doorgaans bij katalyse worden gebruikt. De reactie werkt onder milde omstandigheden en wordt aangedreven door LED-licht, waardoor de impact op het milieu en de energiekosten worden verminderd.
Beyond Dimestrol: de mogelijkheden uitbreiden
In een aanvullende studie gepubliceerd in Cell Reports Physical Science demonstreerde hetzelfde team een methode om aardgas direct te koppelen aan zuurchloriden, wat in één stap industrieel relevante ketonen oplevert. Beide onderzoeken positioneren CiQUS als leider in duurzame chemische oplossingen.
Implicaties voor de toekomst
Het vermogen om aardgas om te zetten in veelzijdige chemische tussenproducten opent nieuwe mogelijkheden voor de industrie. Deze technologie zou petrochemische bronnen geleidelijk kunnen vervangen door duurzame alternatieven. Dit baanbrekende onderzoek wordt mogelijk gemaakt door de uitmuntendheidsomgeving bij CiQUS, erkend door de CIGUS-accreditatie van de Galicische overheid.
Deze doorbraak vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van een circulaire chemische economie, waarin overvloedige grondstoffen duurzaam worden benut. Door aardgas rechtstreeks om te zetten in waardevolle verbindingen heeft het CiQUS-team de weg vrijgemaakt voor een milieuvriendelijkere en hulpbronnenefficiëntere toekomst voor de chemische industrie
