O gás natural é uma das fontes de energia mais abundantes na Terra. É composto principalmente de metano, etano e propano. Hoje, é queimado principalmente para aquecimento e geração de eletricidade, processo que libera gases de efeito estufa. Durante anos, investigadores e líderes da indústria têm tentado encontrar formas de converter estes hidrocarbonetos simples diretamente em produtos químicos úteis, em vez de os queimar. O desafio é que o metano e gases semelhantes são extremamente estáveis e pouco reativos, o que limita a sua utilização como matérias-primas para a produção sustentável.
Uma equipa de investigação liderada por Martín Fañanás, do Centro de Investigação em Bioquímica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago de Compostela, desenvolveu agora um novo método para converter metano e outros componentes do gás natural em “blocos de construção” químicos multifuncionais que podem ser utilizados para fabricar produtos de alto valor, incluindo produtos farmacêuticos. O estudo foi publicado em progresso científicomarcando um passo importante em direção a uma economia química mais sustentável e circular.
Numa demonstração histórica, a equipe do CiQUS sintetizou pela primeira vez compostos bioativos diretamente do metano. O composto dimetilbestrol é um estrogênio não esteróide usado na terapia hormonal. A produção de moléculas tão complexas a partir do metano destaca o potencial deste método para converter gases abundantes e baratos em produtos químicos complexos e comercialmente importantes.
Ativação de metano e alilação seletiva
Os pesquisadores se concentraram em uma reação chamada alilação. O processo anexa um pequeno fragmento químico chamado grupo alil à molécula do gás, dando-lhe efetivamente uma “alça” funcional (alil) que os químicos podem desenvolver nas etapas subsequentes. Com esse cabo, as moléculas modificadas podem ser convertidas em uma variedade de produtos, desde ingredientes farmacêuticos até produtos químicos industriais comuns.
Um grande obstáculo é que os sistemas catalíticos são propensos a desencadear reações desnecessárias de cloração que criam subprodutos e reduzem a eficiência. Controlar essas reações colaterais é fundamental para tornar o processo prático.
Catalisador de ferro personalizado controla radicais livres
Para resolver este problema, a equipe desenvolveu um catalisador supramolecular especializado. “No centro desta descoberta está o projeto de um catalisador baseado em ânions tetracloroferrato estabilizados por cátions de rênio, que modula efetivamente a reatividade das espécies radicais geradas no meio de reação”, explica o professor Fañanás. “A formação de uma rede complexa de ligações de hidrogênio em torno dos átomos de ferro mantém a reatividade fotocatalítica necessária para ativar alcanos, ao mesmo tempo que inibe o catalisador de competir com a propilação de compostos com química concorrente.”
Em suma, os catalisadores gerenciam cuidadosamente intermediários radicais altamente reativos para que conduzam a transformação desejada sem causar reações colaterais indesejadas.
Fotocatálise sustentável usando ferro e luzes LED
Além da precisão química, o método também se destaca pelas vantagens ambientais. Baseia-se no ferro, que é barato, versátil e muito menos tóxico do que os metais raros e preciosos comumente usados na química catalítica. A reação ocorre em temperaturas e pressões relativamente amenas e é alimentada por luzes LED. Juntos, esses recursos reduzem os requisitos de energia e o impacto ambiental.
A descoberta faz parte de um esforço de investigação mais amplo apoiado pelo Conselho Europeu de Investigação (ERC) para transformar os principais componentes do gás natural em produtos químicos mais valiosos. Em um trabalho relacionado publicado na Cell Reports Physical Science, o mesmo grupo relata 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 solidificam a posição da CiQUS como líder no desenvolvimento de estratégias inovadoras para utilizar matérias-primas abundantes de forma mais eficiente.
Rumo a uma economia química circular
A conversão do gás natural em intermediários químicos flexíveis poderia expandir as opções industriais e reduzir gradualmente a dependência de matérias-primas petroquímicas tradicionais. A investigação beneficia do forte ambiente científico do CiQUS, que recebeu a acreditação CIGUS do governo galego em reconhecimento da sua excelência e impacto na investigação. O Centro também recebeu financiamento significativo da União Europeia através do programa FEDER 2021-2027 da Galiza, apoiando o progresso científico com um claro potencial de transferência de tecnologia e benefícios socioeconómicos mais amplos.
