يعد الغاز الطبيعي أحد أكثر موارد الطاقة وفرة على وجه الأرض. وهي مصنوعة في الغالب من الميثان، إلى جانب الإيثان والبروبان. واليوم، يتم حرقه بشكل أساسي للحصول على الحرارة والكهرباء، وهي عملية تؤدي إلى إطلاق غازات الدفيئة. لسنوات، حاول الباحثون وقادة الصناعة إيجاد طرق لتحويل هذه الهيدروكربونات البسيطة مباشرة إلى مواد كيميائية مفيدة بدلا من حرقها. ويتمثل التحدي في أن غاز الميثان والغازات المماثلة مستقرة للغاية ولا تتفاعل بسهولة، الأمر الذي يحد من استخدامها كمواد خام مستدامة للتصنيع.
قام فريق بحث بقيادة مارتن فانياس في مركز أبحاث الكيمياء البيولوجية والمواد الجزيئية (CiQUS) في جامعة سانتياغو دي كومبوستيلا بتطوير طريقة جديدة لتحويل الميثان ومكونات أخرى من الغاز الطبيعي إلى “لبنات بناء” كيميائية متعددة الاستخدامات يمكن استخدامها لصنع منتجات عالية القيمة، بما في ذلك الأدوية. الدراسة التي نشرت في تقدم العلوميمثل خطوة مهمة نحو اقتصاد كيميائي أكثر استدامة ودورية.
وفي عرض توضيحي تاريخي، قام فريق CiQUS بتصنيع مركب نشط بيولوجيًا مباشرة من الميثان لأول مرة. المركب، ديمسترول، هو هرمون الاستروجين غير الستيرويدي المستخدم في العلاج الهرموني. إن إنتاج مثل هذا الجزيء المعقد من الميثان يسلط الضوء على إمكانات هذا النهج لتحويل الغاز الوفير وغير المكلف إلى مواد كيميائية متطورة ومهمة تجاريًا.
تنشيط الميثان والحليفة الانتقائية
ركز الباحثون على رد فعل يعرف باسم التوليف. تقوم هذه العملية بربط جزء كيميائي صغير يسمى مجموعة الأليل بجزيء غاز، مما يمنحه “مقبضًا” وظيفيًا (مجموعة أليل) يمكن للكيميائيين البناء عليه في خطوات لاحقة. وباستخدام هذا المقبض، يمكن تحويل الجزيء المعدل إلى مجموعة واسعة من المنتجات، بدءًا من المكونات الصيدلانية وحتى المواد الكيميائية الصناعية الشائعة.
وكانت إحدى العقبات الرئيسية هي ميل النظام الحفاز إلى إثارة تفاعلات الكلورة غير المرغوب فيها، مما أدى إلى ظهور منتجات ثانوية وتقليل الكفاءة. كان التحكم في هذه التفاعلات الجانبية ضروريًا لجعل العملية عملية.
محفز الحديد المخصص يتحكم في الجذور الحرة
ولحل هذه المشكلة، صمم الفريق محفزًا جزيئيًا متخصصًا. “يكمن جوهر هذا الإنجاز في تصميم محفز يعتمد على أنيون رباعي كلورو فيرات المستقر بواسطة كاتيونات الكولدينيوم، والذي يعدل بشكل فعال تفاعل الأنواع الجذرية المتولدة في وسط التفاعل”، يوضح البروفيسور فاناناس. “إن تكوين شبكة معقدة من روابط الهيدروجين حول ذرة الحديد يحافظ على تفاعل التحفيز الضوئي المطلوب لتنشيط الألكان، بينما يثبط في الوقت نفسه ميل المحفز للخضوع لتفاعلات الكلورة المتنافسة. وهذا يخلق بيئة مثالية لمواصلة تفاعل التحالف الانتقائي.”
بعبارات أبسط، يدير المحفز بعناية المواد الوسيطة الجذرية شديدة التفاعل بحيث تؤدي إلى التحول المطلوب دون التسبب في تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها.
اقرأ أيضًا...
التحفيز الضوئي المستدام باستخدام الحديد وضوء LED
وبعيدًا عن دقتها الكيميائية، تتميز هذه الطريقة أيضًا بمزاياها البيئية. وهي تعتمد على الحديد، وهو رخيص الثمن، ومتوفر على نطاق واسع، وأقل سمية بكثير من المعادن النادرة والثمينة التي تستخدم عادة في الكيمياء التحفيزية. يتم التفاعل تحت درجات حرارة وضغوط معتدلة نسبيًا ويتم تشغيله بواسطة ضوء LED. تعمل هذه الميزات معًا على تقليل الطلب على الطاقة والأثر البيئي.
يعد هذا الاكتشاف جزءًا من جهد بحثي أكبر يدعمه مجلس البحوث الأوروبي (ERC) يهدف إلى ترقية المكونات الأساسية للغاز الطبيعي إلى مواد كيميائية أكثر قيمة. في العمل ذي الصلة المنشور في مجلة Cell Reports Physical Science، أبلغت نفس المجموعة عن طريقة للجمع المباشر بين هذه الغازات وكلوريدات الحمض لإنتاج الكيتونات المهمة صناعيًا في خطوة واحدة. يعتمد كلا التقدمين على التحفيز الضوئي ويعززان مكانة CiQUS كشركة رائدة في تطوير استراتيجيات مبتكرة لاستخدام المواد الخام الوفيرة بشكل أكثر فعالية.
نحو اقتصاد كيميائي دائري
إن تحويل الغاز الطبيعي إلى مواد كيميائية وسيطة مرنة يمكن أن يوسع الخيارات الصناعية ويقلل تدريجياً الاعتماد على المواد الأولية البتروكيماوية التقليدية. يستفيد البحث من البيئة العلمية القوية في CiQUS، التي حصلت على اعتماد CIGUS من الحكومة الجاليكية تقديرًا لتميزها البحثي وتأثيرها. ويتلقى المركز أيضًا تمويلًا رئيسيًا من الاتحاد الأوروبي من خلال برنامج غاليسيا فيدر 2021-2027، الذي يدعم التقدم العلمي مع إمكانية واضحة لنقل التكنولوجيا وتحقيق فوائد اجتماعية واقتصادية أوسع.
المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily
