Przez dziesięciolecia przemysł chemiczny poszukiwał sposobu na bezpośrednie przekształcenie występującego w dużych ilościach, ale uparcie stabilnego gazu ziemnego w cenne chemikalia. Teraz badacze z Centrum Badań nad Chemią Biologiczną i Materiałami Molekularnymi (CiQUS) na Uniwersytecie w Santiago de Compostela dokonali przełomu: katalizatora, który przekształca metan i inne składniki gazu ziemnego w złożone cząsteczki, w tym kluczowy składnik terapii hormonalnej. To osiągnięcie, opublikowane w czasopiśmie Science Advances, stanowi ważny krok w kierunku bardziej zrównoważonej gospodarki chemicznej o obiegu zamkniętym.
Wyzwanie „Oswajanie metanu”.
Gaz ziemny, składający się głównie z metanu, etanu i propanu, jest źródłem energii, ale jego wyjątkowa stabilność ogranicza jego zastosowanie jako surowca do produkcji chemicznej. Tradycyjne metody opierają się na procesach energochłonnych i zanieczyszczających środowisko. Główną trudnością jest aktywacja tych węglowodorów bez niepożądanych produktów ubocznych.
Nowe podejście fotokatalityczne
Zespół CiQUS, kierowany przez Martina Fanjanasa, opracował system fotokatalityczny, który bezpośrednio przekształca metan w związki bioaktywne. Po raz pierwszy udało im się zsyntetyzować dimestrol, niesteroidowy estrogen stosowany w terapii hormonalnej, bezpośrednio z metanu. Pokazuje to potencjał tworzenia cząsteczek o wysokiej wartości z prostych i niedrogich surowców.
Klucz: specjalnie zaprojektowany katalizator supramolekularny
Przełom polega na reakcji zwanej allilacją, która wiąże chemiczne „wychwytywanie” cząsteczki gazu, umożliwiając dalsze modyfikacje. Głównym problemem były niepożądane chlorowane produkty uboczne. Aby temu zaradzić, zespół opracował katalizator oparty na anionie tetrachlorożelazianowym stabilizowanym kationami kolodyniowymi.
„Konstrukcja katalizatora moduluje reaktywność rodników, tłumiąc niepożądane chlorowanie” – wyjaśnia profesor Fanjanas. Sieć wiązań wodorowych wokół atomu żelaza utrzymuje reaktywność, tworząc optymalne środowisko dla selektywnego allilowania.
Zrównoważony rozwój u podstaw
Metoda wyróżnia się stabilnością. Wykorzystuje żelazo, tani i powszechnie występujący metal, zamiast metali szlachetnych zwykle stosowanych w katalizie. Reakcja zachodzi w łagodnych warunkach, przy zasilaniu światłem LED, co zmniejsza wpływ na środowisko i koszty energii.
Poza Dimestrolem: wzmocnienie
W badaniu towarzyszącym opublikowanym w Cell Reports Physical Science ten sam zespół zademonstrował metodę bezpośredniego sprzęgania gazu ziemnego z chlorkami kwasowymi, w wyniku czego w jednym etapie powstają ketony przydatne w przemyśle. Obydwa badania pozycjonują CiQUS jako lidera w dziedzinie zrównoważonych rozwiązań chemicznych.
Konsekwencje na przyszłość
Możliwość przetwarzania gazu ziemnego we wszechstronne półprodukty chemiczne otwiera nowe możliwości dla przemysłu. Technologia ta może stopniowo zastępować źródła petrochemiczne zrównoważonymi alternatywami. Przeprowadzenie tych nowatorskich badań było możliwe dzięki doskonałemu środowisku w CiQUS, potwierdzonemu akredytacją CIGUS przyznaną przez Rząd Galicji.
Ten przełom stanowi ważny krok w kierunku gospodarki chemicznej o obiegu zamkniętym, w której obfite surowce są wykorzystywane w sposób zrównoważony. Przekształcając gaz ziemny bezpośrednio w cenne związki, zespół CiQUS utorował drogę dla czystszej i bardziej zasobooszczędnej przyszłości przemysłu chemicznego.
