Επιστήμονες μετατρέπουν το μεθάνιο σε φάρμακα σε εκπληκτική ανακάλυψη
Μια ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία του Martín Fañanás στο Κέντρο Έρευνας Βιολογικής Χημείας και Μοριακών Υλικών (CiQUS) του Πανεπιστημίου του Σαντιάγο ντε Κομποστέλα, ανέπτυξε μια νέα μέθοδο για τον μετασχηματισμό του μεθανίου και άλλων συστατικών του φυσικού αερίου σε ευέλικτα χημικά “δομικά υλικά” που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή προϊόντων υψηλής αξίας, συμπεριλαμβανομένων φαρμακευτικών σκευασμάτων. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς μια πιο βιώσιμη και κυκλική χημική οικονομία.
Σε μια πρωτοποριακή επίδειξη, η ομάδα του CiQUS συνέθεσε για πρώτη φορά μια βιοδραστική ένωση απευθείας από μεθάνιο. Η ένωση, η διμεστρόλη, είναι ένα μη στεροειδές οιστρογόνο που χρησιμοποιείται στην ορμονοθεραπεία. Η παραγωγή ενός τόσο πολύπλοκου μορίου από μεθάνιο αναδεικνύει τις δυνατότητες αυτής της προσέγγισης για τη μετατροπή ενός άφθονου, φθηνού αερίου σε εξελιγμένα και εμπορικά σημαντικά χημικά.
Ενεργοποίηση Μεθανίου και Επιλεκτική Αλλυλίωση
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε μια αντίδραση γνωστή ως αλλυλίωση. Αυτή η διαδικασία προσκολλά ένα μικρό χημικό τμήμα που ονομάζεται αλλυλομάδα, σε ένα μόριο αερίου, δίνοντάς του ουσιαστικά έναν λειτουργικό “χειριστή” (την αλλυλομάδα) πάνω στον οποίο οι χημικοί μπορούν να χτίσουν στα επόμενα στάδια. Με αυτόν τον χειριστή στη θέση του, το τροποποιημένο μόριο μπορεί να μετασχηματιστεί σε ευρύ φάσμα προϊόντων, από φαρμακευτικά συστατικά έως κοινά βιομηχανικά χημικά.
Ένα μεγάλο εμπόδιο ήταν η τάση του καταλυτικού συστήματος να πυροδοτεί ανεπιθύμητες αντιδράσεις χλωρίωσης, οι οποίες δημιούργησαν παραπροϊόντα και μείωσαν την αποδοτικότητα. Ο έλεγχος αυτών των δευτερευουσών αντιδράσεων ήταν απαραίτητος για να γίνει η διαδικασία πρακτική.
Προσαρμοσμένος Καταλύτης Σιδήρου Ελέγχει τις Ελεύθερες Ρίζες
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, η ομάδα σχεδίασε έναν εξειδικευμένο υπερμοριακό καταλύτη. “Ο πυρήνας αυτής της ανακάλυψης έγκειται στον σχεδιασμό ενός καταλύτη βασισμένου σε ένα τετραχλωροσιδηρικό ανιόν που σταθεροποιείται από κολλιδινιακά κατιόντα, το οποίο ρυθμίζει αποτελεσματικά την δραστικότητα των ριζών που δημιουργούνται στο αντιδραστικό μέσο”, εξηγεί ο Καθηγητής Fañanás. “Ο σχηματισμός ενός περίπλοκου δικτύου δεσμών υδρογόνου γύρω από το άτομο του σιδήρου υποστηρίζει τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα που απαιτείται για την ενεργοποίηση του αλκανίου, ενώ ταυτόχρονα καταστέλλει την τάση του καταλύτη να υποστεί ανταγωνιστικές αντιδράσεις χλωρίωσης. Αυτό δημιουργεί ένα βέλτιστο περιβάλλον για την επιλεκτική αλλυλίωση.”
Με απλά λόγια, ο καταλύτης διαχειρίζεται προσεκτικά τις εξαιρετικά δραστικές ριζικές ενδιάμεσες ενώσεις, ώστε αυτές να οδηγήσουν στον επιθυμητό μετασχηματισμό χωρίς να προκαλέσουν ανεπιθύμητες δευτερεύουσες αντιδράσεις.
Βιώσιμη Φωτοκαταλυτική Δράση με Χρήση Σιδήρου και Φωτός LED
Πέρα από την χημική της ακρίβεια, η μέθοδος ξεχωρίζει επίσης για τα περιβαλλοντικά της πλεονεκτήματα. Βασίζεται στον σίδηρο, ο οποίος είναι φθηνός, ευρέως διαθέσιμος και πολύ λιγότερο τοξικός από τα σπάνια και πολύτιμα μέταλλα που συχνά χρησιμοποιούνται στην καταλυτική χημεία. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε σχετικά ήπιες θερμοκρασίες και πιέσεις και τροφοδοτείται από φως LED. Μαζί, αυτά τα χαρακτηριστικά μειώνουν τις ενεργειακές απαιτήσεις και τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο.
Αυτή η ανακάλυψη αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας που υποστηρίζεται από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC) με στόχο την αναβάθμιση των πρωτογενών συστατικών του φυσικού αερίου σε πιο πολύτιμα χημικά. Σε σχετική εργασία που δημοσιεύθηκε στο Cell Reports Physical Science, η ίδια ομάδα ανέφερε μια μέθοδο για την άμεση σύνδεση αυτών των αερίων με οξυχλωρίδια για την παραγωγή βιομηχανικά σημαντικών κετονών σε ένα βήμα. Και οι δύο εξελίξεις βασίζονται στη φωτοκαταλυτική δράση και ενισχύουν τη θέση του CiQUS ως ηγέτη στην ανάπτυξη καινοτόμων στρατηγικών για την πιο αποτελεσματική χρήση άφθονων πρώτων υλών.
Προς μια Κυκλική Χημική Οικονομία
Η μετατροπή του φυσικού αερίου σε ευέλικτα χημικά ενδιάμεσα θα μπορούσε να διευρύνει τις βιομηχανικές επιλογές και να μειώσει σταδιακά την εξάρτηση από τα παραδοσιακά πετροχημικά υλικά. Η έρευνα επωφελείται από το ισχυρό επιστημονικό περιβάλλον του CiQUS, το οποίο κατέχει την πιστοποίηση CIGUS από την κυβέρνηση της Γαλικίας, αναγνωρίζοντας την ερευνητική του αριστεία και τον αντίκτυπό του. Το κέντρο λαμβάνει επίσης σημαντική χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του Προγράμματος Galicia FEDER 2021-2027, υποστηρίζοντας την επιστημονική πρόοδο με σαφείς δυνατότητες για μεταφορά τεχνολογίας και ευρύτερα κοινωνικοοικονομικά οφέλη.