Cómo los catalizadores de laboratorio pueden ayudar a controlar los difíciles gases de efecto invernadero

09.11.2023

El gas natural se compone de hidrocarburos ligeros como el metano y el etano. Estos gases son gases de efecto invernadero más potentes que el CO2, se liberan constantemente a la atmósfera desde los pozos de gas natural y son más difíciles de almacenar que, por ejemplo, sus correspondientes alcoholes (metanol y etanol, respectivamente). Aunque existen instalaciones a gran escala para tales transformaciones, el coste excesivo de construir y explotar tales plantas en pozos de gas natural más pequeños impide una conversión eficaz a escala mundial. Por ello, se buscan nuevas tecnologías rentables y benignas para resolver este problema. La oxidación directa de los componentes hidrocarbonados del gas natural con abundante O2 como oxidante a temperaturas y presiones cercanas a las ambientales resulta, por tanto, extremadamente atractiva para el desarrollo de nuevas tecnologías verdes de valorización de hidrocarburos.

La naturaleza ha desarrollado enzimas capaces de activar el dioxígeno para reacciones selectivas de oxigenación de hidrocarburos. Una clase de enzimas que no contienen hierro hemo son las dioxigenasas dependientes de α-cetoglutarato, como la bien estudiada enzima taurina dioxigenasa (TauD). Esta enzima utiliza un α-cetoácido como co-sustrato para escindir el enlace oxígeno-oxígeno de la dioxigenasa y producir una especie reactiva hierro-oxo (TauD-J) que oxigena abundantes enlaces C-H directamente para proporcionar los alcoholes correspondientes.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Prof. Jeffrey R. Long de la UC Berkeley, que incluye investigadores de los dos Institutos Max Planck de Mülheim (MPI für Kohlenforschung y MPI for Chemical Energy Conversion): los directores Frank Neese y Serena DeBeer, así como los jefes de grupo Eckhard Bill (fallecido el 6 de octubre de 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis y Sergey Peredkov, fue capaz de imitar la funcionalidad TauD en un material catalizador heterogéneo muy adecuado para reacciones sólido-gas. Este material pertenece a la clase de los marcos metalorgánicos (MOF), que son materiales cristalinos porosos formados por enlazadores orgánicos e iones metálicos o nodos de conglomerados que presentan grandes áreas superficiales. Las estructuras son muy sintonizables químicamente, por lo que permiten una adaptación bien definida de nuevos catalizadores heterogéneos.

Los nuevos materiales son capaces de catalizar la oxigenación de hidrocarburos a temperaturas cercanas a la ambiente utilizando O2, lo que recuerda a la reactividad enzimática. El equipo del Campus de Química de Mülheim estudió el intermediario reactivo generado a partir del MOF de partida y el O2, una especie de hierro-oxo de alto valor. La naturaleza del material permitió el aislamiento de esta especie reactiva de hierro-oxo, que se estudió con diversas técnicas espectroscópicas de última generación, como la espectroscopia Mössbauer de campo variable a temperatura variable y la espectroscopia de emisión de rayos X Fe Kβ (recogida en la línea de rayos X PINK en BESSY II en el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), así como métodos computacionales de última generación, que confirmaron las similitudes estructurales y electrónicas con TauD-J, es decir, que el intermediario se encuentra en un estado de alto espín. Cabe destacar que se trata del primer sistema no enzimático que oxida hidrocarburos ligeros con dioxígeno de forma similar a la reactividad metaloenzimática a través de un intermediario hierro-oxo de alto espín completamente caracterizado.

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