科学家们揭示了一种突破性方法，可将长期作为燃料燃烧的天然气转化为用于制造药物及其他高需求产品的宝贵化学结构单元。通过设计一种由LED光驱动的智能铁基催化剂，研究人员成功激活了甲烷等顽固分子并将其转化为复杂化合物，甚至首次直接从甲烷中制备出激素治疗药物双甲雌酚。
由圣地亚哥-德孔波斯特拉大学生物化学与分子材料研究中心（CiQUS）的马丁·法尼亚纳斯领导的研究团队近日开发出一种新方法，可将甲烷及其他天然气组分转化为多用途化学"结构单元"，用于制造包括药物在内的高价值产品。这项发表在《科学进展》上的研究标志着向更可持续和循环的化学经济迈出了重要一步。
在一项里程碑式的演示中，CiQUS团队首次直接从甲烷合成了一种生物活性化合物。该化合物为二甲雌酚，是一种用于激素治疗的非甾体雌激素。从甲烷中生产如此复杂的分子，凸显了该方法将丰富廉价的天然气转化为复杂且具有重要商业价值的化学品的潜力。
甲烷活化与选择性烯丙基化
研究人员聚焦于一种名为烯丙基化的反应。该过程将称为烯丙基的小化学片段连接到气体分子上，有效地为其提供一个功能性"手柄"（烯丙基），化学家可在后续步骤中以此为基础进行构建。有了这个手柄，修饰后的分子可转化为从药物成分到常见工业化学品的广泛产品。
主要障碍之一是催化系统容易引发不必要的氯化反应，从而产生副产物并降低效率。控制这些副反应对于使该过程实用化至关重要。
定制铁催化剂控制自由基
为解决此问题，该团队设计了一种特殊的超分子催化剂。"这一突破的核心在于设计了一种基于四氯铁酸盐阴离子的催化剂，该阴离子由可力丁鎓阳离子稳定，有效调节了反应介质中产生的自由基物种的反应性，"法尼亚纳斯教授解释说。"铁原子周围形成的复杂氢键网络维持了活化烷烃所需的光催化反应性，同时抑制了催化剂发生竞争性氯化反应的倾向。这为选择性烯丙基化反应的进行创造了最佳环境。"
简而言之，该催化剂精心管理高反应性自由基中间体，使其驱动所需转化而不引起不必要的副反应。
使用铁和LED光的可持续光催化
除了化学精确性外，该方法还因其环境优势而脱颖而出。它依赖于铁，铁价格低廉、来源广泛，且比催化化学中常用的稀有贵金属毒性小得多。该反应在相对温和的温度和压力下进行，并由LED光驱动。这些特点共同降低了能源需求和对环境的影响。
这一发现是欧洲研究理事会（ERC）支持的一项更大研究计划的一部分，该计划旨在将天然气的主要成分升级为更有价值的化学品。在发表在《细胞报告物理科学》上的相关工作中，同一研究小组报告了一种将这些气体与酰氯直接结合，一步生成工业上重要酮类的方法。这两项进展都依赖于光催化，并巩固了CiQUS作为开发更有效利用丰富原料创新策略领导者的地位。
迈向循环化学经济
将天然气转化为灵活的化学中间体可以扩大工业选择，并逐渐减少对传统石化原料的依赖。该研究受益于CiQUS强大的科学环境，该中心获得了加利西亚政府的CIGUS认证，以表彰其卓越的研究成果和影响力。该中心还通过加利西亚FEDER 2021-2027计划获得欧盟的关键资助，支持具有明确技术转让潜力和更广泛社会经济效益的科学进步。