El gas natural se compone de hidrocarburos ligeros como el metano y el etano. Estos gases son gases de efecto invernadero más potentes que el CO2 , son constantemente liberados a la atmósfera desde los pozos de gas natural, y son más difíciles de almacenar que, por ejemplo, sus correspondientes alcoholes (metanol y etanol, respectivamente).
Si bien existen instalaciones a gran escala para transformar el gas natural, el costo excesivo de construir y operar dichas plantas en pozos de gas natural más pequeños impide una conversión efectiva a nivel mundial. Por lo tanto, son muy buscadas nuevas tecnologías rentables y benignas para resolver este problema.
La oxidación directa de los hidrocarburos constituyentes del gas natural con abundante O2 como oxidante a temperaturas y presiones cercanas a las ambientales, es extremadamente atractivo para el desarrollo de nuevas tecnologías ecológicas para la valorización de hidrocarburos. Los científicos han logrado controlar los gases con un nuevo catalizador. El equipo de investigación ha publicado sus resultados en Science .
La naturaleza ha desarrollado enzimas que son capaces de activar el dioxígeno para reacciones selectivas de oxigenación de hidrocarburos. Una clase de enzimas que contienen hierro no hemo son las dioxigenasas dependientes de α-cetoglutarato, como la bien estudiada enzima taurina dioxigenasa (TauD). Esta enzima utiliza un α-cetoácido como cosustrato para escindir el enlace oxígeno-oxígeno del dioxígeno para producir una especie reactiva hierro-oxo (TauD-J) que oxigena abundantes enlaces C-H directamente para proporcionar los alcoholes correspondientes. /P>
Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Prof. Jeffrey R. Long de UC Berkeley, que incluye investigadores de los Institutos Mülheim Max Planck (MPI für Kohlenforschung y MPI for Chemical Energy Conversion), los directores Frank Neese y Serena DeBeer, así como líderes de grupo. Eckhard Bill (fallecido el 6 de octubre de 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis y Sergey Peredkov pudieron imitar la funcionalidad TauD en un material catalizador heterogéneo que es muy adecuado para reacciones sólido-gas.
Este material pertenece a la clase de estructuras organometálicas (MOF), que son materiales porosos cristalinos que consisten en conectores orgánicos e iones metálicos o nodos de racimos que presentan grandes áreas de superficie. Las estructuras son altamente sintonizables químicamente y, por lo tanto, permiten una adaptación bien definida de nuevos catalizadores heterogéneos.
Los nuevos materiales son capaces de oxigenar hidrocarburos catalíticamente a temperaturas cercanas a la ambiente utilizando O2. —que recuerda a la reactividad enzimática. El equipo del Campus de Química de Mülheim estudió el intermedio reactivo generado a partir del MOF inicial y el O2 , una especie de hierro-oxo de alta valencia.
La naturaleza del material permitió el aislamiento en el sitio de esta especie reactiva de hierro-oxo, que se estudió con varias técnicas espectroscópicas de última generación, a saber, espectroscopia de Mössbauer de campo variable y temperatura variable y espectroscopia de emisión de rayos X Fe Kβ. (recopilado en la línea de rayos X PINK en BESSY II en el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), así como métodos computacionales de última generación, que confirmaron similitudes estructurales y electrónicas con TauD-J, a saber, que el intermedio está en un estado de alto giro.
Significativamente, este es el primer sistema no enzimático que oxida hidrocarburos ligeros con dioxígeno similar a la reactividad de las metaloenzimas a través de un intermedio hierro-oxo de alto espín completamente caracterizado.
Más información: Kaipeng Hou et al, Sitios reactivos de hierro (IV) -oxo de alto espín mediante activación con dioxígeno en una estructura organometálica, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.add7417
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
