Los investigadores han estado interesados ​​durante mucho tiempo en encontrar formas de utilizar hidrocarburos simples, productos químicos compuestos por una pequeña cantidad de átomos de carbono e hidrógeno, para crear productos químicos de valor agregado, los utilizados en combustibles, plástica, y otros materiales complejos. Metano, un componente importante del gas natural, es uno de esos productos químicos que a los científicos les gustaría encontrar formas de utilizar de manera más eficaz, ya que actualmente no existe una forma ecológica y a gran escala de utilizar este potente gas de efecto invernadero.

Un nuevo artículo en Ciencias proporciona una comprensión actualizada de cómo agregar grupos funcionales a hidrocarburos simples como el metano. Realizado por los estudiantes graduados Qiaomu Yang y Yusen Qiao, postdoctorado Yu Heng Wang, y dirigido por los profesores Patrick J. Walsh y Eric J. Schelter, Este mecanismo nuevo y altamente detallado es un paso crucial hacia el diseño de la próxima generación de catalizadores y la búsqueda de enfoques escalables para convertir los gases de efecto invernadero en productos químicos de valor agregado.

En 2018, un artículo publicado en Ciencias describió un mecanismo para agregar grupos funcionales al metano, etano, y otros hidrocarburos a temperatura ambiente usando un fotocatalizador a base de cerio. La capacidad de utilizar metales abundantes en la tierra como el cerio para crear productos químicos de valor agregado era una perspectiva emocionante, dicen los investigadores. Sin embargo, Hubo aspectos de este estudio que Schelter y su grupo, que han estado trabajando con cerio durante varios años, Quería entender más a fondo.

"Había algunas cosas en el artículo original que pensamos que eran interesantes, pero no necesariamente estábamos de acuerdo con las conclusiones basadas en los datos que estaban reportando, ", Dice Schelter." Teníamos la idea de que lo que estaba sucediendo en términos del mecanismo de reacción, los pasos involucrados, y el catalizador que operaba para su química era diferente de lo que estaban informando ".

Para ejecutar los experimentos y recopilar los datos que necesitarían para respaldar una nueva hipótesis, Schelter y Walsh solicitaron una subvención inicial del Instituto Vagelos de Ciencia y Tecnología de la Energía de la Universidad de Pensilvania. Esta financiación apoyó una nueva colaboración entre Schelter y Walsh, permitiendo a los investigadores comprar equipo especializado y contratar a Yu Heng Wang, un ex postdoctorado de Penn que ahora es profesor asistente en la Universidad Nacional de Tsinghua en Taiwán.

Gracias al apoyo del Instituto Vagelos, los grupos de Schelter y Walsh pudieron combinar su experiencia complementaria en química orgánica e inorgánica y realizar experimentos para obtener los datos necesarios para proponer un nuevo mecanismo. Esto incluyó la síntesis de nuevas sustancias químicas, estudiar las tasas de reacción, mirando cómo reacciona el fotocatalizador con diferentes isótopos, y análisis computacional. Los investigadores también aislaron el intermedio de reacción propuesto y pudieron obtener su estructura cristalina, un desafío adicional considerando que muchos de los compuestos en este estudio eran altamente sensibles al aire y a la humedad.

"Estamos utilizando técnicas convencionales para comprender mejor el sistema y ofrecer un mecanismo claro, "Yang dice sobre su enfoque". Aquí, mayormente utilizamos la perspectiva inorgánica con diferentes técnicas para comprender los mecanismos de la reacción orgánica. Entonces, es una colaboración de perspectivas orgánicas e inorgánicas para comprender el mecanismo ".

Después de más de dos años de trabajo, los investigadores pudieron proponer un mecanismo revisado que destaca el papel esencial de los átomos de cloro. Si bien el estudio anterior implicó un intermedio a base de alcohol, este último estudio encontró que los radicales de cloro, átomos con electrones desapareados que los hacen altamente reactivos, Forman una "trampa" química selectiva en el fotocatalizador que puede dar lugar a diferentes productos.

"Creo que la parte más difícil fue entender por qué estaba ocurriendo la reactividad, y tuvimos que abordar eso con un pensamiento poco convencional de estos complejos intermedios, "dice Walsh." El comportamiento de los intermedios se ajusta a un patrón que la gente atribuye a un radical basado en el oxígeno, pero en realidad es un radical de cloro que es la especie activa, activar el alcohol para que parezca un radical derivado del alcohol ".

Tener una comprensión detallada de esta reacción química es un paso crucial para mejorar los catalizadores existentes y hacer que estas y otras reacciones químicas sean más eficientes. "Para desarrollar racionalmente la próxima generación de catalizadores, tenemos que entender qué está haciendo la generación actual, "dice Walsh". Con esta información, nosotros y otros ahora podemos basarnos en este mecanismo revisado y la vía de reacción para impulsar la ciencia ".

Y aunque hay más trabajo por hacer para encontrar un ayuno, reacción escalable para la transformación del metano, Tener una comprensión detallada de los mecanismos que impulsan esta reacción específica es esencial tanto para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero como para poder utilizar metano para crear productos de valor agregado. dicen los investigadores.

"La química es más elegante cuando podemos refinar el conocimiento a través de una visión más amplia, ", dice Schelter." La contribución aquí consiste en obtener el modelo correcto y usarlo para avanzar a la próxima generación de catalizadores que será incluso mejor que la actual ".