O gás natural é um dos recursos energéticos mais abundantes da Terra. Consiste principalmente em metano, bem como etano e propano. Hoje, é principalmente queimado para produzir calor e eletricidade, um processo que liberta gases com efeito de estufa. Durante anos, investigadores e líderes da indústria têm tentado encontrar formas de transformar estes hidrocarbonetos simples directamente em produtos químicos úteis, em vez de os queimar. O problema é que o metano e gases semelhantes são extremamente estáveis e não reagem facilmente, limitando a sua utilização como matéria-prima sustentável para a produção.
Uma equipa de investigação liderada por Martin Fagnanas do Centro de Química Biológica e Investigação de Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela desenvolveu um novo método para converter metano e outros componentes do gás natural em “blocos de construção” químicos versáteis que podem ser usados para fabricar produtos de alto valor, incluindo produtos farmacêuticos. Um estudo publicado em Conquistas da ciênciamarca um passo importante em direção a uma economia química mais sustentável e circular.
Numa demonstração histórica, a equipe do CiQUS sintetizou pela primeira vez um composto bioativo diretamente do metano. O composto dimestrol é um estrogênio não esteróide usado na terapia hormonal. A produção de uma molécula tão complexa a partir do metano destaca o potencial desta abordagem para converter o gás abundante e barato em produtos químicos complexos e comercialmente importantes.
Ativação de metano e alilação seletiva
Os pesquisadores se concentraram em uma reação conhecida como alilação. Este processo anexa um pequeno fragmento químico chamado grupo alil à molécula do gás, dando-lhe efetivamente uma “alça” funcional (grupo alil) na qual os químicos podem se apoiar nas etapas subsequentes. Com esse controle, uma molécula modificada pode ser transformada em uma ampla gama de produtos, desde ingredientes farmacêuticos até produtos químicos industriais comuns.
Um grande obstáculo era a tendência do sistema catalítico de causar reações indesejadas de cloração que criavam subprodutos e reduziam a eficiência. Controlar essas reações colaterais foi essencial para tornar o processo prático.
Catalisador de ferro individual controla os radicais livres
Para resolver este problema, a equipe desenvolveu um catalisador supramolecular especializado. “O cerne desse avanço está no desenvolvimento de um catalisador baseado no ânion tetracloroferrato, estabilizado por cátions calidínio, que modula efetivamente a reatividade dos radicais formados no meio reacional”, explica o professor Fagnanas. “A formação de uma rede complexa de ligações de hidrogênio ao redor do átomo de ferro suporta a reatividade fotocatalítica necessária para a ativação do alcano, ao mesmo tempo que suprime a tendência do catalisador de sofrer reações de cloração competitivas. Isso cria um ambiente ideal para a reação de alilação seletiva.”
Simplificando, um catalisador manipula cuidadosamente intermediários radicais altamente reativos para que realizem a transformação desejada sem causar reações colaterais indesejadas.
Fotocatálise sustentável usando ferro e LEDs
Além da precisão química, o método também se destaca pelos benefícios ambientais. Baseia-se no ferro, que é barato, amplamente disponível e muito menos tóxico do que os metais raros e preciosos frequentemente utilizados na química catalítica. A reação ocorre em temperaturas e pressões relativamente amenas e é alimentada por um LED. Juntos, esses recursos reduzem as necessidades de energia e o impacto ambiental.
A descoberta faz parte de uma investigação mais ampla apoiada pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC) que visa transformar componentes-chave do gás natural em produtos químicos mais valiosos. Em um artigo relacionado publicado na Cell Reports Physical Science, o mesmo grupo relatou um método para combinar diretamente esses gases com cloretos para produzir cetonas industrialmente importantes em uma única etapa. Ambos os avanços dependem da fotocatálise e fortalecem a posição da CiQUS como líder no desenvolvimento de estratégias inovadoras para o uso mais eficiente de matérias-primas abundantes.
Rumo a uma economia química circular
A conversão do gás natural em intermediários químicos flexíveis pode expandir as capacidades industriais e reduzir gradualmente a dependência das matérias-primas petroquímicas tradicionais. A investigação beneficia de um forte ambiente científico no CiQUS, que possui a acreditação CIGUS do Governo da Galiza em reconhecimento pela sua excelência e impacto na investigação. O centro também recebe financiamento importante da União Europeia através do programa FEDER 2021-2027 da Galiza, que apoia o progresso científico com um claro potencial de transferência de tecnologia e benefícios socioeconómicos mais amplos.
