Νέος σχεδιασμός καταλύτη έλυσε Xημική πρόκληση δεκαετιών – Ερευνητές «ξεκλειδώνουν» το μεθάνιο για να δημιουργήσουν φάρμακα

 Ερευνητές δημιούργησαν έναν καταλύτη με βάση τον σίδηρο που ελέγχει την ακραία δραστικότητα του μεθανίου, ανοίγοντας τον δρόμο ώστε το φυσικό αέριο να χρησιμεύσει ως βιώσιμη πρώτη ύλη για χημικές ουσίες υψηλής αξίας, συμπεριλαμβανομένων φαρμακευτικών προϊόντων.

Το φυσικό αέριο, μια από τις πιο άφθονες ενεργειακές πηγές στη Γη, αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, αιθάνιο και προπάνιο.

Αν και συνήθως χρησιμοποιείται για παραγωγή ενέργειας και συμβάλλει στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, οι ερευνητές αναζητούν εδώ και καιρό τρόπους να μετατρέψουν αυτούς τους σταθερούς υδρογονάνθρακες σε χρήσιμες χημικές ουσίες.

Η χαμηλή τους αντιδραστικότητα έχει καταστήσει αυτόν τον στόχο δύσκολο, περιορίζοντας το φυσικό αέριο ως βιώσιμο σημείο εκκίνησης για τη χημική παραγωγή.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Martín Fañanás στο Κέντρο Ερευνών Βιολογικής Χημείας και Μοριακών Υλικών (CiQUS) του Πανεπιστημίου του Santiago de Compostela παρουσίασε πρόσφατα μια μέθοδο που ξεπερνά αυτό το εμπόδιο.

Η προσέγγισή τους μετατρέπει το μεθάνιο και άλλα συστατικά του φυσικού αερίου σε ευέλικτα χημικά «δομικά στοιχεία» που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία προϊόντων υψηλής αξίας, συμπεριλαμβανομένων φαρμακευτικών προϊόντων.

Το έργο, που δημοσιεύθηκε στο Science Advances, σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς μια πιο αποτελεσματική και περιβαλλοντικά υπεύθυνη χημική βιομηχανία.

Σε μια κομβική επίδειξη, η ομάδα του CiQUS παρήγαγε την βιοδραστική ένωση διμεστρόλη (dimestrol), ένα μη στεροειδές οιστρογόνο που χρησιμοποιείται στην ορμονική θεραπεία, απευθείας από το μεθάνιο.

Αυτό το ορόσημο δείχνει πώς η τεχνική τους μπορεί να παράγει σύνθετα και πολύτιμα μόρια από έναν απλό και φθηνό πόρο.

Κατευθύνοντας τις ελεύθερες ρίζες για να απελευθερωθούν νέες χημικές οδοί

Οι ερευνητές επικέντρωσαν την προσέγγισή τους σε μια αντίδραση γνωστή ως αλλυλίωση (allylation), η οποία προσθέτει μια μικρή χημική «λαβή» (μια αλλυλική ομάδα) στο μόριο του αερίου.

Αυτή η πρόσθετη ομάδα λειτουργεί ως μια ευέλικτη «άγκυρα» που επιτρέπει την κατασκευή πολλών διαφορετικών προϊόντων σε μεταγενέστερα στάδια, συμπεριλαμβανομένων φαρμακευτικών συστατικών και κοινών βιομηχανικών χημικών.

Μέχρι τώρα, ένα σημαντικό εμπόδιο ήταν ότι το καταλυτικό σύστημα συχνά παρήγαγε ανεπιθύμητα χλωριωμένα υποπροϊόντα, τα οποία διέκοπταν ολόκληρη τη διαδικασία.

Για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, η ομάδα σχεδίασε έναν ειδικά προσαρμοσμένο υπερμοριακό καταλύτη.

«Ο πυρήνας αυτής της ανακάλυψης έγκειται στον σχεδιασμό ενός καταλύτη που βασίζεται σε ένα ανιόν τετραχλωροσιδηρικού (tetrachloroferrate), σταθεροποιημένο από κατιόντα κολιδινίου, το οποίο ρυθμίζει αποτελεσματικά τη δραστικότητα των ριζών που παράγονται στο μέσο της αντίδρασης», εξηγεί ο καθηγητής Fañanás.

«Ο σχηματισμός ενός περίπλοκου δικτύου δεσμών υδρογόνου γύρω από το άτομο του σιδήρου διατηρεί τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα που απαιτείται για την ενεργοποίηση του αλκανίου, ενώ ταυτόχρονα καταστέλλει την τάση του καταλύτη να υφίσταται ανταγωνιστικές αντιδράσεις χλωρίωσης. Αυτό δημιουργεί ένα βέλτιστο περιβάλλον για να προχωρήσει η επιλεκτική αντίδραση αλλυλίωσης».

Πέρα από την αποτελεσματικότητά της, η μέθοδος ξεχωρίζει για τη βιωσιμότητά της.

Χρησιμοποιεί σίδηρο -ένα φθηνό, άφθονο και πολύ λιγότερο τοξικό μέταλλο από τα πολύτιμα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κατάλυση- και λειτουργεί υπό ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, με τροφοδοσία από φως LED. Αυτό μειώνει σημαντικά τόσο τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις όσο και το ενεργειακό κόστος.

Η εργασία αυτή αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης ερευνητικής γραμμής που χρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC), με επίκεντρο την αναβάθμιση των κύριων συστατικών του φυσικού αερίου.

Σε μια συμπληρωματική έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Cell Reports Physical Science, η ίδια ομάδα παρουσίασε μια μέθοδο για την απευθείας σύζευξη αυτών των αερίων με χλωριούχα οξέα (acid chlorides), παράγοντας βιομηχανικά σχετικές κετόνες σε ένα ενιαίο βήμα.

Και οι δύο μελέτες, βασισμένες σε φωτοκαταλυτικές στρατηγικές, τοποθετούν το CiQUS ως ηγέτη στην ανάπτυξη καινοτόμων χημικών λύσεων για την αξιοποίηση άφθονων πρώτων υλών.

Μετατροπή φυσικού αερίου σε ευέλικτα χημικά ενδιάμεσα προϊόντα

Η ικανότητα μετατροπής του φυσικού αερίου σε ευέλικτα χημικά ενδιάμεσα προϊόντα ανοίγει νέες δυνατότητες για τη βιομηχανία, θέτοντας τα θεμέλια για τη σταδιακή αντικατάσταση των πετροχημικών πηγών με πιο βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις.

Η καινοτόμος αυτή έρευνα καθίσταται δυνατή χάρη στο υψηλού επιπέδου ερευνητικό περιβάλλον του CiQUS, το οποίο διαθέτει την πιστοποίηση CIGUS από την κυβέρνηση της Γαλικίας, αναγνωρίζοντας την ποιότητα και τον αντίκτυπο του επιστημονικού του έργου.

Το κέντρο λαμβάνει ουσιαστική οικονομική στήριξη από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του προγράμματος Galicia FEDER 2021-2027.