In industrie, gasvormige koolwaterstoffen zoals ethaan en methaan worden vaak omgezet in moleculen die kunnen dienen als bouwstenen voor farmaceutica en landbouwchemicaliën. Typisch, deze processen vinden plaats bij hoge temperaturen en drukken, en kan ook grote hoeveelheden verontreinigende stoffen produceren. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor de directe conversie van gasvormige, koolwaterstoffen met een laag gewicht tot complexere moleculen bij kamertemperatuur en lage drukken door de moleculen met licht te belichten in aanwezigheid van een geschikte katalysator. Opmerkelijk, dit nieuwe proces is sneller en leidt tot weinig of geen materiaalverspilling. Dit werk is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

In de moderne samenleving, gasvormige alkanen zoals propaan, isobutaan en methaan worden regelmatig verbrand voor energie. Deze relatief goedkope en overvloedige moleculen kunnen ook worden gebruikt om complexe moleculen voor medicijnen of chemische producten in de landbouw te produceren.

Huidige grootschalige processen die deze moleculen activeren voor daaropvolgende chemische reacties vinden plaats bij hoge temperaturen en drukken, dit zijn zware reactieomstandigheden die moeilijk en duur kunnen zijn om te onderhouden, terwijl het ook leidt tot een aanzienlijke afvalproductie. Ook, voor het specifieke geval van methaan, de hoge temperaturen die nodig zijn voor activering maken het gebruik van eventuele resulterende producten in medicijnen teniet, omdat de organische moleculen eenvoudig desintegreren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Timothy Noël van de TU/e, in samenwerking met onderzoekers van de ShanghaiTech University (China), Universiteit van Pavia (Italië), en Vapourtec Ltd. (VK), hebben een nieuw proces bedacht voor de activering van alkanen met behulp van licht bij kamertemperatuur en lagere druk.

Aanzienlijke doorbraak

"Dit is een belangrijke doorbraak voor het omzetten van alkanen in bruikbare bouwstenen voor medicijnen en materialen voor andere industrieën, " zegt Noël. "Onze aanpak maakt het onmiddellijke gebruik van alkanen voor complexere moleculen mogelijk zonder veel ongewenste bijproducten, terwijl tegelijkertijd de vervuiling wordt verminderd en het activeringsproces wordt vereenvoudigd."

Om dit nieuwe proces te realiseren, de onderzoekers hadden te kampen met twee belangrijke problemen. Eerst, ze hadden een methode nodig die C-H-bindingen gemakkelijk kon splitsen of verbreken met een bindingsdissociatie-energie (BDE) tussen 96,5 en 105 kcal mol ^-1 . De C-H-bindingen in methaan zijn het moeilijkst te verbreken. Tweede, de behandeling van gasvormige alkanen vereist op maat gemaakte technologieën die de alkanen in nauw contact kunnen brengen met een katalysator in een zorgvuldig gecontroleerde reactieomgeving. De onderzoekers losten beide problemen op door de alkanen te exciteren met UV-licht (ongeveer 365 nm) in aanwezigheid van een geschikte katalysator bij kamertemperatuur.

"De gebruikte katalysator is decatungstate. Wanneer verlicht, de katalysator wordt zeer energetisch en heeft dan voldoende energie om C-H-bindingen te splitsen. We vinden dat dit werkt voor methaan, ethaan, propaan, en isobutaan, " zegt Noël. Hij voegt eraan toe:"Onze nieuwe aanpak is sneller dan traditionele benaderingen, en we zijn verheugd om te zien hoe het zich ontwikkelt. Bij deze studie zijn microreactoren gebruikt omdat ze een grotere controle over de reactieomstandigheden mogelijk maken, betere opsluiting van de gasvormige grondstoffen, en gemakkelijkere verlichting van de katalysator. In de toekomst, we zullen reactoren overwegen die hogere productiecapaciteiten mogelijk maken."

Deze nieuwe methode maakt de weg vrij voor een goedkopere productie van sommige medicijnen, aangezien de kosten voor het activeren van de gassen voor hun productie lager zouden zijn.