Теперь исследователи из Университета Осаки использовали радикалы для преобразования парникового газа, метана, в полезные химические вещества. Этот экологически чистый процесс, движимый светом, позволяет достичь цели, которая десятилетиями оставалась недостижимой.
Метан (CH4) относится к метанолу и муравьиной кислоте, которые в огромных количествах необходимы химической промышленности. Бактерии могут почти без особых усилий окислять CH4 до метанола с помощью природных ферментов. Однако такое же преобразование в лаборатории химически требует высокой температуры, высокого давления и дорогих реагентов для разрыва чрезвычайно прочных связей C — H. Как недавно сообщалось, новый процесс использует мощные радикалы хлора для активации этих связей. Это позволяет реакции протекать при комнатной температуре, при свете лампы, с простым кислородом в качестве окислителя.
Свободные радикалы — это химические вещества с неспаренными электронами — их безудержная реакционная способность возникает из-за острой необходимости для одиноких электронов находить партнеров в другой молекуле. В процессе Осака диоксид хлорита (ClO2 •) активируется под действием фотооблучения с образованием радикалов хлора (Cl •) и синглетного кислорода. Высокоактивный радикал Cl • затем отщепляет атом водорода CH4 с образованием метильных радикалов CH3 •, которые, в свою очередь, реагируют с кислородом с образованием ценного метанола и муравьиной кислоты. Однако этот, казалось бы, простой процесс основан на тонком изюминке дизайна.
«Активация метана радикальными частицами уже была опробована», — говорит ведущий автор исследования профессор Кей Окубо. «Однако промежуточные соединения CH3 • имеют тенденцию вступать в реакцию с углеводородным органическим растворителем, вызывая дезактивацию реакционноспособных промежуточных радикалов. Этого не происходит в воде, но, к сожалению, метан почти не растворяется в воде». Исследователи нашли изящный способ обойти это: два растворителя в одной системе, по одному для каждого этапа процесса.
Первоначальное образование ClO2 • происходит в водной фазе, где хлорит натрия растворим. Затем ClO2 • переходит в фазу перфторгексана (PFH), где метан и O2 растворяются и вступают в реакцию с ними.
«PFH идеально подходит для второго этапа: он растворяет метан, но не реагирует с радикалами CH3 •», — объясняет Окубо. «Это создает пространство для окисления CH3 •, давая желаемые продукты. Затем, после образования метанола и муравьиной кислоты, они пересекают границу с растворителем в противоположном направлении, в водную фазу.
Здесь они защищены от дальнейшего окисления в нежелательный CO или CO2 в качестве парниковых газов ".Весь процесс впечатляюще эффективен, превращая более 99% метана в целевые продукты без необходимости использования высокой температуры или давления.
«Это первое успешное использование кислорода воздуха для окисления метана в условиях окружающей среды», — говорит Окубо. «Необходимо постепенно отказаться от энергоемких методов химического производства — нам срочно нужны интеллектуальные решения для щадящей, экологически чистой обработки сырья. Наше исследование показывает, как это можно сделать для метана. Концепция двухфазного растворителя, где нестабильные промежуточные продукты защищены растворителем, таким как PFH, потенциально могут использоваться в промышленности ».