Il gas naturale è costituito da idrocarburi leggeri come metano ed etano. Tali gas sono gas serra più potenti della CO2 , vengono costantemente rilasciati nell'atmosfera dai pozzi di gas naturale e sono più difficili da immagazzinare rispetto, ad esempio, ai loro corrispondenti alcoli (rispettivamente metanolo ed etanolo).
Sebbene esistano impianti su larga scala per la trasformazione del gas naturale, i costi eccessivi di costruzione e gestione di tali impianti presso pozzi di gas naturale più piccoli impediscono una conversione efficace a livello globale. Pertanto, nuove tecnologie convenienti e benigne per risolvere questo problema sono molto ricercate.
L'ossidazione diretta dei costituenti idrocarburici del gas naturale con abbondante O2 poiché l'ossidante a temperatura e pressione prossime a quelle ambientali è quindi estremamente interessante per lo sviluppo di nuove tecnologie verdi per la valorizzazione degli idrocarburi. Gli scienziati sono ora riusciti a tenere sotto controllo i gas con un nuovo catalizzatore. Il gruppo di ricerca ha pubblicato i risultati su Science .
La natura ha sviluppato enzimi in grado di attivare il diossigeno per reazioni selettive di ossigenazione degli idrocarburi. Una classe di enzimi contenenti ferro non eme sono le diossigenasi dipendenti dall'α-chetoglutarato, come l'enzima ben studiato taurina diossigenasi (TauD). Questo enzima utilizza un α-chetoacido come co-substrato per scindere il legame ossigeno-ossigeno del diossigeno per produrre una specie reattiva ferro-osso (TauD-J) che ossigena direttamente abbondanti legami C-H per fornire gli alcoli corrispondenti. /P>
Un team internazionale di ricercatori guidato dal Prof. Jeffrey R. Long dell'UC Berkeley e comprendente ricercatori di entrambi gli Istituti Max Planck di Mülheim (MPI für Kohlenforschung e MPI for Chemical Energy Conversion), i direttori Frank Neese e Serena DeBeer, nonché i leader del gruppo Eckhard Bill (deceduto il 6 ottobre 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis e Sergey Peredkov, sono stati in grado di imitare la funzionalità TauD in un materiale catalizzatore eterogeneo che è particolarmente adatto per le reazioni di gas solidi.
Questo materiale appartiene alla classe delle strutture metallo-organiche (MOF), che sono materiali cristallini porosi costituiti da linker organici e ioni metallici o nodi cluster che presentano ampie aree superficiali. Le strutture sono altamente sintonizzabili chimicamente e quindi consentono la personalizzazione ben definita di nuovi catalizzatori eterogenei.
I nuovi materiali sono in grado di effettuare l'ossigenazione catalitica degli idrocarburi a temperatura prossima a quella ambiente utilizzando O2 —che ricorda la reattività enzimatica. Il team del Campus di Chimica di Mülheim ha studiato l'intermedio reattivo generato dal MOF iniziale e dall'O2 , una specie ferro-osso ad alta valenza.
La natura del materiale ha consentito l'isolamento in sito di questa specie reattiva ferro-oxo, che è stata studiata con varie tecniche spettroscopiche all'avanguardia, vale a dire la spettroscopia Mössbauer a campo variabile a temperatura variabile e la spettroscopia di emissione di raggi X Fe Kβ (raccolti presso la linea di raggi X PINK presso BESSY II presso l'Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), nonché metodi computazionali all'avanguardia, che hanno confermato somiglianze strutturali ed elettroniche con TauD-J, vale a dire che l'intermedio è in uno stato di alto spin.
Significativamente, questo è il primo sistema non enzimatico che ossida gli idrocarburi leggeri con diossigeno simile alla reattività dei metalloenzimi tramite un intermedio ferro-osso ad alto spin completamente caratterizzato.
Ulteriori informazioni: Kaipeng Hou et al, Siti reattivi di ferro (IV)-osso ad alto spin attraverso l'attivazione del diossigeno in una struttura metallo-organica, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.add7417
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