El gas natural es uno de los recursos energéticos más abundantes de la Tierra. Está compuesto principalmente de metano junto con etano y propano. Hoy en día, se quema principalmente para obtener calor y electricidad, un proceso que emite gases de efecto invernadero. Durante años, investigadores y líderes de la industria han intentado encontrar formas de convertir estos hidrocarburos simples directamente en productos químicos útiles en lugar de quemarlos. El desafío es que el metano y gases similares son extremadamente estables y no reaccionan fácilmente, lo que ha limitado su uso como materia prima sostenible para la fabricación.
Un equipo de investigación dirigido por Martín Fananas del Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CQS) de la Universidad de Santiago de Compostela ha desarrollado un nuevo método para convertir el metano y otros componentes del gas natural en “bloques de construcción” químicos versátiles que pueden utilizarse para fabricar productos farmacéuticos de alto valor. Investigación, publicada Avances de la cienciaMarca un paso importante hacia una economía química más sostenible y circular
En una demostración histórica, el equipo del CiQUS sintetizó por primera vez un compuesto bioactivo directamente a partir del metano. El compuesto, dimestrol, es un estrógeno no esteroideo que se utiliza en la terapia hormonal. La creación de una molécula tan compleja a partir de metano resalta el potencial de este enfoque para convertir un gas abundante y económico en productos químicos sofisticados y comercialmente importantes.
Activación de metano y alilación selectiva
Los investigadores se centraron en una reacción conocida como alilación. Este proceso une un pequeño fragmento químico llamado grupo alilo a una molécula de gas, dándole efectivamente un “mango” funcional (un grupo alilo) que los químicos pueden crear en pasos posteriores. Con este control, la molécula modificada se puede convertir en una amplia gama de productos, desde ingredientes farmacéuticos hasta productos químicos industriales en general.
Un obstáculo importante fue la tendencia del sistema catalítico a desencadenar reacciones de cloración no deseadas, que producían subproductos y reducían la eficiencia. Controlar estos efectos secundarios fue esencial para que el proceso fuera práctico.
El catalizador de hierro personalizado controla los radicales libres
Para solucionar este problema, el equipo diseñó un catalizador supramolecular especial. “La clave de este avance es diseñar un catalizador basado en un anión tetracloroferrato estabilizado por un catión colidinio, que module eficazmente la reacción de las especies radicales generadas durante la reacción”, explica el profesor Fananas. “La formación de una red compleja de enlaces de hidrógeno alrededor de los átomos de hierro sostiene la reacción fotocatalítica necesaria para activar el alqueno, al tiempo que suprime la tendencia del catalizador a sufrir reacciones de cloración competitivas. Esto crea un entorno favorable para reacciones de acoplamiento selectivas”.
En pocas palabras, la catálisis manipula cuidadosamente los radicales intermedios altamente reactivos para que impulsen la transformación deseada sin causar efectos secundarios no deseados.
Fotocatálisis sostenible mediante hierro y luz LED
Más allá de su precisión química, el método también destaca por sus beneficios medioambientales. Depende del hierro, que es barato, está ampliamente disponible y mucho menos tóxico que los metales raros y preciosos que se utilizan a menudo en la química catalítica. La reacción se produce a temperaturas y presiones relativamente suaves y funciona con luz LED. Juntas, estas características reducen la demanda de energía y el impacto ambiental.
El descubrimiento es parte de un esfuerzo de investigación más amplio apoyado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) destinado a mejorar las materias primas del gas natural para convertirlas en sustancias químicas más valiosas. En un trabajo relacionado publicado en Cell Reports Physical Science, el mismo grupo informó sobre un método para combinar directamente estos gases con cloruros ácidos para producir cetonas de importancia industrial en un solo paso. Ambos avances se basan en la fotocatálisis y fortalecen la posición de CiQUS como líder en el desarrollo de estrategias innovadoras para utilizar de manera más eficiente abundantes materias primas.
Hacia una economía química circular
La conversión del gas natural en productos químicos intermedios flexibles puede ampliar las opciones industriales y reducir gradualmente la dependencia de las materias primas petroquímicas tradicionales. La investigación se beneficia del sólido entorno científico del CiQUS, que cuenta con la acreditación CIGUS del Gobierno de Galicia como reconocimiento a la excelencia y el impacto de la investigación. El centro también recibe financiación básica de la Unión Europea a través del programa Galicia Feder 2021-2027, apoyando la transferencia de tecnología y el progreso científico con un claro potencial de mayores beneficios socioeconómicos.
