O gás natural consiste em hidrocarbonetos leves, como metano e etano. Esses gases são gases de efeito estufa mais potentes que o CO₂ , são constantemente lançados na atmosfera a partir de poços de gás natural e são mais difíceis de armazenar do que, por exemplo, seus álcoois correspondentes (metanol e etanol, respectivamente).



Embora existam instalações de grande escala para a transformação do gás natural, o custo excessivo de construção e operação de tais instalações em poços de gás natural mais pequenos impede uma conversão eficaz a nível mundial. Assim, novas tecnologias econômicas e benignas para resolver este problema são muito procuradas.

A oxidação direta de constituintes de hidrocarbonetos do gás natural com abundante O₂ como o oxidante em temperaturas e pressões próximas às ambientais é, portanto, extremamente atraente para o desenvolvimento de novas tecnologias verdes para valorização de hidrocarbonetos. Os cientistas conseguiram agora controlar os gases com um novo catalisador. A equipe de pesquisa publicou seus resultados na Science .

A natureza desenvolveu enzimas que são capazes de ativar o dioxigênio para reações seletivas de oxigenação de hidrocarbonetos. Uma classe de enzimas que não contêm ferro heme são as dioxigenases dependentes de α-cetoglutarato, como a bem estudada enzima taurina dioxigenase (TauD). Esta enzima utiliza um α-cetoácido como co-substrato para clivar a ligação oxigênio-oxigênio do dioxigênio para produzir uma espécie reativa de ferro-oxo (TauD-J) que oxigena ligações C-H abundantes diretamente para fornecer os álcoois correspondentes.

Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Prof. Jeffrey R. Long na UC Berkeley, e incluindo pesquisadores dos Institutos Mülheim Max Planck (MPI für Kohlenforschung e MPI para Conversão de Energia Química), diretores Frank Neese e Serena DeBeer, bem como líderes de grupo Eckhard Bill (falecido em 6 de outubro de 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis e Sergey Peredkov foram capazes de imitar a funcionalidade TauD em um material catalisador heterogêneo que é adequado para reações de gás sólido.

Este material pertence à classe de estruturas metal-orgânicas (MOFs), que são materiais porosos cristalinos que consistem em ligantes orgânicos e íons metálicos ou nós de cluster que apresentam grandes áreas superficiais. As estruturas são altamente sintonizáveis ​​quimicamente e, portanto, permitem uma adaptação bem definida de novos catalisadores heterogêneos.

Os novos materiais são capazes de oxigenação catalítica de hidrocarbonetos em temperaturas próximas à ambiente, utilizando O₂ — que lembra a reatividade enzimática. A equipe do Campus de Química de Mülheim estudou o intermediário reativo gerado a partir do MOF inicial e do O₂ , uma espécie ferro-oxo de alta valência.

A natureza do material permitiu o isolamento local desta espécie reativa de ferro-oxo, que foi estudada com várias técnicas espectroscópicas de última geração, nomeadamente espectroscopia Mössbauer de campo variável de temperatura variável e espectroscopia de emissão de raios X Fe Kβ (coletado na linha de luz de raios X PINK em BESSY II no Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), bem como métodos computacionais de última geração, que confirmaram semelhanças estruturais e eletrônicas com TauD-J, nomeadamente que o intermediário está em um estado de alta rotação.

Significativamente, este é o primeiro sistema não enzimático que oxida hidrocarbonetos leves com dioxigênio semelhante à reatividade metaloenzimática através de um intermediário ferro-oxo de alta rotação totalmente caracterizado.

Mais informações: Kaipeng Hou et al, Locais reativos de ferro (IV) -oxo de alta rotação através da ativação de dioxigênio em uma estrutura metal-orgânica, Science (2023). DOI:10.1126/science.add7417
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