O gás natural é um dos recursos energéticos mais abundantes da Terra. É composto principalmente de metano, além de etano e propano. Hoje, é queimado principalmente para aquecimento e geração de eletricidade, um processo que libera gases de efeito estufa. Há anos, pesquisadores e líderes da indústria têm tentado encontrar maneiras de converter esses hidrocarbonetos simples diretamente em produtos químicos úteis, em vez de queimá-los. O desafio é que o metano e gases semelhantes são extremamente estáveis e não reagem facilmente, o que limita seu uso como matérias-primas sustentáveis para a fabricação.
Uma equipe de pesquisa liderada por Martín Fañanás no Centro de Pesquisa em Química Biológica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela desenvolveu um novo método para transformar o metano e outros componentes do gás natural em “blocos de construção” químicos versáteis que podem ser usados para produzir produtos de alto valor, incluindo produtos farmacêuticos. O estudo, publicado na Science Advances, marca um importante passo em direção a uma economia química mais sustentável e circular.
Em uma demonstração marcante, a equipe do CiQUS sintetizou um composto bioativo diretamente a partir do metano pela primeira vez. O composto, dimestrol, é um estrogênio não esteroidal usado em terapia hormonal. A produção de uma molécula tão complexa a partir do metano destaca o potencial dessa abordagem para transformar um gás abundante e barato em produtos químicos sofisticados e comercialmente importantes.
Ativação do Metano e Alilação Seletiva
Os pesquisadores focaram em uma reação conhecida como alilação. Esse processo anexa um pequeno fragmento químico chamado grupo alila a uma molécula de gás, efetivamente dando a ela uma “alça” funcional (um grupo alila) que os químicos podem usar em etapas posteriores. Com essa alça em seu lugar, a molécula modificada pode ser transformada em uma ampla gama de produtos, desde ingredientes farmacêuticos até produtos químicos industriais comuns.
Um grande obstáculo foi a tendência do sistema catalítico de desencadear reações de cloração indesejadas, que criaram subprodutos e reduziram a eficiência. Controlar essas reações laterais foi essencial para tornar o processo prático.
Catalisador de Ferro Personalizado Controla Radicais Livres
Para resolver esse problema, a equipe projetou um catalisador supramolecular especializado. “O núcleo dessa inovação reside no design de um catalisador baseado em um ânion tetrachloroferrato estabilizado por cátions colidinos, que modula efetivamente a reatividade das espécies radicais geradas no meio reacional,” explica o Prof. Fañanás. “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, enquanto simultaneamente suprime a tendência do catalisador a passar por reações de cloração concorrentes. Isso cria um ambiente ótimo para a reação de alilação seletiva prosseguir.”
Em termos mais simples, o catalisador gerencia cuidadosamente os intermediários radicais altamente reativos para que eles conduzam a transformação desejada sem causar reações indesejadas.
Fotocatalise Sustentável Usando Ferro e Luz LED
Além de sua precisão química, o método também se destaca por suas vantagens ambientais. Ele se baseia em ferro, que é barato, amplamente disponível e muito menos tóxico do que os metais raros e preciosos frequentemente usados na química catalítica. A reação ocorre sob temperaturas e pressões relativamente brandas e é alimentada por luz LED. Juntas, essas características reduzem as demandas de energia e o impacto ambiental.
Essa descoberta é parte de um esforço maior de pesquisa apoiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) com o objetivo de aprimorar 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 fotocatalise e fortalecem a posição do CiQUS como líder no desenvolvimento de estratégias inovadoras para usar matérias-primas abundantes de maneira mais eficaz.
Rumo a uma Economia Química Circular
Converter o gás natural em intermediários químicos flexíveis pode expandir as opções industriais e gradualmente diminuir a dependência de matérias-primas petroquímicas tradicionais. A pesquisa se beneficia do forte ambiente científico no CiQUS, que possui a acreditação CIGUS do governo da Galícia em reconhecimento à sua excelência em pesquisa e impacto. O centro também recebe financiamento chave da União Europeia por meio do Programa FEDER Galícia 2021-2027, apoiando o progresso científico com potencial claro para transferência de tecnologia e benefícios socioeconômicos mais amplos.