از متان تا مواد زیست‌فعال: موفقیت جدید شیمیدانان در کاتالیز شیمیایی

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، گاز طبیعی بخش عمده‌ای از جهان را تغذیه می‌کند، اما اجزای اصلی آن، متان، اتان و پروپان، در برابر تبدیل مستقیم به مواد شیمیایی مفید مقاومت کرده‌اند.

پایداری مولکولی آنها باعث می‌شود که در شرایط سخت در برابر تغییر شکل مقاوم باشند.

این محدودیت مانع از آن شده است که صنایع شیمیایی از این هیدروکربن‌های ارزان‌قیمت به عنوان خوراک پایدار استفاده کنند. یک تیم تحقیقاتی در اسپانیا اکنون ادعا می‌کند که به موفقیتی دست یافته است که می‌تواند این چشم‌انداز را تغییر دهد.

تبدیل گاز به ارزش افزوده

تیمی به رهبری مارتین فانیاناس در مرکز تحقیقات شیمی زیستی و مواد مولکولی (CiQUS) روشی را برای تبدیل متان و سایر اجزای گاز طبیعی به «بلوک‌های سازنده» شیمیایی سازگار توسعه داده‌اند.

این روش امکان سنتز مستقیم محصولات با ارزش بالا، از جمله مواد دارویی را فراهم می‌کند.

این تیم با ساخت یک ماده‌ی دارویی واقعی، رویکرد خود را اعتبارسنجی کرد. آنها دی‌مسترول، یک استروژن غیراستروئیدی مورد استفاده در هورمون‌درمانی، را با شروع از متان ساختند.

این اولین باری است که محققان یک ترکیب زیست فعال را مستقیماً از این گاز فراوان ساخته‌اند.

این نتیجه نشان می‌دهد که گاز طبیعی می‌تواند بدون تکیه بر مراحل پیچیده پالایشگاه، از تولید گسترده‌تر مواد شیمیایی پشتیبانی کند.

دانشمندان دهه‌هاست که این ایده را دنبال می‌کنند. آنها به دنبال استفاده از گاز طبیعی به عنوان یک ماده اولیه کم‌کربن بودند، اما موانع واکنش‌پذیری مانع پیشرفت شد.

پیوند‌های قوی متان، عملیاتی کردن آن را بدون تولید زباله یا محصولات جانبی ناخواسته دشوار می‌کند.

بسیاری از تلاش‌ها منجر به تولید باقیمانده‌های کلر یا نیاز به شرایط عملیاتی سخت شده است. روش CiQUS قصد دارد از این مشکلات عبور کند.

چالش کنترل رادیکال

این تیم استراتژی خود را حول واکنشی به نام آلیلاسیون بنا نهاد. این فرآیند یک گروه آلیل را به هیدروکربن متصل می‌کند و به شیمیدانان امکان می‌دهد تا تحولات بعدی را انجام دهند.

این انعطاف‌پذیری مهم است. با قرار گرفتن این دسته در جای خود، محققان می‌توانند مولکول‌های متنوعی از جمله داربست‌های دارویی و مواد شیمیایی صنعتی روزمره را بسازند.

تلاش‌های قبلی به دلیل تولید بیش از حد محصولات جانبی کلرزنی توسط کاتالیزورها، با شکست مواجه شدند.

این واکنش‌های جانبی، بازده را کاهش داده و کاربرد عملی را محدود می‌کردند. فانیاناس و همکارانش با طراحی یک کاتالیزور ابرمولکولی که رفتار رادیکالی را در داخل واکنش تنظیم می‌کند، این مشکل را برطرف کردند.

فانیاناس می‌گوید: «هسته اصلی این پیشرفت در طراحی کاتالیزوری مبتنی بر آنیون تتراکلروفرات پایدار شده توسط کاتیون‌های کولیدینیوم نهفته است.» او می‌افزاید که این سیستم «به طور مؤثر واکنش‌پذیری گونه‌های رادیکالی تولید شده در محیط واکنش را تعدیل می‌کند.»

کاتالیزور سفارشی مانند یک مکانیسم کنترل عمل می‌کند و واسطه‌های واکنش‌پذیر را به سمت مرحله آلیلاسیون هدایت می‌کند.

سیستم آنها همچنین از دما‌ها یا فشار‌های شدید جلوگیری می‌کند. این سیستم در شرایط نسبتاً ملایمی کار می‌کند که می‌تواند مقیاس‌پذیری را آسان‌تر کند. این رویکرد از بستر‌های گازی مختلف، نه تنها متان، پشتیبانی می‌کند.

این تطبیق‌پذیری، چشم‌انداز تبدیل بخش‌های بزرگ‌تری از جریان‌های گاز طبیعی به واسطه‌های ارزشمند را افزایش می‌دهد.

محققان می‌گویند این کار به آینده‌ای اشاره دارد که در آن گاز طبیعی به جای احتراق، برای تولید با ارزش افزوده بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

متان همچنان فراوان و ارزان است، اما تأثیر اقلیمی آن شدید است. تبدیل آن به مواد شیمیایی پایدار می‌تواند انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را کاهش داده و از اقتصاد شیمیایی چرخشی پشتیبانی کند.

تیم CiQUS همچنان به آزمایش مولکول‌های جدید و اصلاح طرح‌های کاتالیزور ادامه می‌دهد. آنها استدلال می‌کنند که این روش، طرحی برای شیمی صنعتی پاک‌تر ارائه می‌دهد. گروه‌های صنعتی نیز در حال بررسی این موضوع هستند.

یک مسیر مستقیم از گاز طبیعی به مواد تشکیل دهنده دارو می‌تواند زنجیره‌های تأمین را تغییر شکل داده و مراحل فرآوری را کاهش دهد.

این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.