Inom industrin, gasformiga kolväten som etan och metan omvandlas ofta till molekyler som kan fungera som byggstenar för läkemedel och jordbrukskemikalier. Vanligtvis, dessa processer äger rum vid höga temperaturer och tryck, och kan även producera stora mängder föroreningar. Forskare vid Eindhovens tekniska universitet (TU/e) har utvecklat en ny metod för omedelbar omvandling av gasformiga, lågviktiga kolväten till mer komplexa molekyler vid rumstemperatur och låga tryck genom att belysa molekylerna med ljus i närvaro av en lämplig katalysator. I synnerhet, denna nya process är snabbare och leder till lite eller inget materialavfall. Detta arbete har publicerats idag i tidskriften Vetenskap .

I det moderna samhället, gasformiga alkaner som propan, isobutan och metan förbränns regelbundet för energi. Dessa relativt billiga och rikliga molekyler kan också användas för att producera komplexa molekyler för läkemedel eller kemiska produkter inom jordbruket.

Nuvarande storskaliga processer som aktiverar dessa molekyler för efterföljande kemiska reaktioner äger rum vid höga temperaturer och tryck, som är hårda reaktionsförhållanden som kan vara svåra och dyra att underhålla, samtidigt som det leder till betydande avfallsgenerering. Också, för det specifika fallet med metan, de höga temperaturerna som krävs för aktivering förnekar användningen av alla resulterande produkter i mediciner eftersom de organiska molekylerna helt enkelt sönderfaller.

En forskargrupp ledd av Timothy Noël från TU/e, i samarbete med forskare vid ShanghaiTech University (Kina), Universitetet i Pavia (Italien), och Vapourtec Ltd. (Storbritannien), har utarbetat en ny process för aktivering av alkaner med hjälp av ljus vid rumstemperatur och lägre tryck.

Betydligt genombrott

"Detta är ett betydande genombrott för att omvandla alkaner till användbara byggstenar för läkemedel och material för andra industrier, " säger Noël. "Vårt tillvägagångssätt möjliggör omedelbar användning av alkaner för mer komplexa molekyler utan många oönskade biprodukter, samtidigt som man minskar föroreningarna och förenklar aktiveringsprocessen."

För att förverkliga denna nya process, forskarna hade att brottas med två huvudfrågor. Först, de behövde en metod som lätt kunde söndra eller bryta CH-bindningar med en bindningsdissociationsenergi (BDE) mellan 96,5 och 105 kcal mol ^-1 . CH-bindningarna i metan är de svåraste att bryta. Andra, hanteringen av gasformiga alkaner kräver skräddarsydd teknik som kan föra alkanerna i nära kontakt med en katalysator i en noggrant övervakad reaktionsmiljö. Forskarna löste båda dessa problem genom att excitera alkanerna med UV-ljus (ca 365 nm) i närvaro av en lämplig katalysator vid rumstemperatur.

"Katalysatorn som används är dekavolframat. När den är upplyst, Katalysatorn blir mycket energisk och har sedan tillräcklig energi för att splittra C-H-bindningar. Vi finner att detta fungerar för metan, etan, propan, och isobutan, " säger Noël. Han tillägger:"Vårt nya tillvägagångssätt är snabbare än traditionella tillvägagångssätt, och vi är spännande att se hur det utvecklas. Denna studie har använt mikroreaktorer eftersom de underlättar större kontroll över reaktionsförhållandena, bättre inneslutning av de gasformiga råvarorna, och lättare belysning av katalysatorn. I framtiden, vi kommer att överväga reaktorer som kan tillåta högre produktionskapacitet."

Denna nya metod banar väg för en billigare produktion av vissa läkemedel, eftersom kostnaden för att aktivera gaserna för deras produktion skulle bli lägre.