O gás natural é um dos recursos energéticos mais abundantes da Terra. É feito principalmente de metano, junto com etano e propano. Hoje, é queimado principalmente para produzir calor e eletricidade, um processo que libera gases de efeito estufa. Durante anos, investigadores e líderes industriais tentaram encontrar formas de converter estes hidrocarbonetos simples directamente em produtos químicos úteis, em vez de os queimarem. O desafio é que o metano e gases semelhantes são extremamente estáveis e não reagem facilmente, o que limitou a sua utilização como matérias-primas sustentáveis para a produção.
Uma equipa de investigação liderada por Martín Fañanás do Centro de Investigação em Química Biológica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela desenvolveu agora um novo método para transformar o 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. O estudo, publicado em Avanços 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 transformar um gás abundante e barato em produtos químicos sofisticados e comercialmente importantes.
Ativação de Metano e Alilação Seletiva
Os pesquisadores se concentraram em uma reação conhecida como alilação. Este processo liga um pequeno fragmento químico chamado grupo alil a uma molécula de gás, dando-lhe efetivamente uma “alça” funcional (um grupo alil) que os químicos podem desenvolver em etapas posteriores. Com essa alça instalada, a 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 desencadear 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 personalizado controla radicais livres
Para resolver este problema, a equipe desenvolveu um catalisador supramolecular especializado. “O cerne desta descoberta reside na concepção de um catalisador baseado num ânion tetracloroferrato estabilizado por cátions colidínio, que modula efetivamente a reatividade das espécies radicais geradas no meio de reação”, explica o Prof. “A formação de uma intrincada rede de ligações de hidrogênio ao redor do átomo de ferro sustenta a reatividade fotocatalítica necessária para ativar o alcano, ao mesmo tempo que suprime a tendência do catalisador de sofrer reações de cloração concorrentes. Isso cria um ambiente ideal para a reação de alilação seletiva prosseguir.”
Em termos mais simples, o catalisador gerencia cuidadosamente intermediários radicais altamente reativos para que conduzam a transformação desejada sem causar reações colaterais indesejadas.
Fotocatálise sustentável usando ferro e luz LED
Além da precisão química, o método também se destaca pelas vantagens 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 sob temperaturas e pressões relativamente amenas e é alimentada por luz LED. Juntos, esses recursos reduzem a demanda energética e o impacto ambiental.
Esta descoberta faz parte de um esforço de investigação mais amplo apoiado pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC) que visa transformar os componentes primários do gás natural em produtos químicos mais valiosos. Em um trabalho relacionado publicado na Cell Reports Physical Science, o mesmo grupo relatou um método para combinar diretamente esses gases com cloretos ácidos 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 utilizar matérias-primas abundantes de forma mais eficaz.
Rumo a uma economia química circular
A conversão do gás natural em intermediários químicos flexíveis poderia expandir as opções industriais e diminuir gradualmente a dependência de matérias-primas petroquímicas tradicionais. A investigação beneficia do forte ambiente científico do CiQUS, que detém a acreditação CIGUS do governo galego em reconhecimento da sua excelência e impacto na investigação. O centro também recebe financiamento importante da União Europeia através do Programa FEDER 2021-2027 da Galiza, apoiando o progresso científico com claro potencial de transferência de tecnologia e benefícios socioeconómicos mais amplos.
