ความก้าวหน้าของตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้นักเคมีสร้างวัสดุชีวภาพได้โดยตรงจากมีเทน

ก๊าซธรรมชาติเป็นพลังงานหลักของโลก แต่องค์ประกอบหลัก ได้แก่ มีเทน อีเทน และโพรเพน ไม่สามารถแปลงเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ได้โดยตรง ความเสถียรของโมเลกุลทำให้ทนทานต่อการเปลี่ยนรูปภายใต้สภาวะที่รุนแรง

ข้อจำกัดดังกล่าวทำให้อุตสาหกรรมเคมีไม่สามารถใช้ไฮโดรคาร์บอนราคาไม่แพงเหล่านี้เป็นวัตถุดิบที่ยั่งยืนได้ ขณะนี้ทีมวิจัยในสเปนกำลังอ้างถึงความก้าวหน้าที่อาจเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ดังกล่าว

การเปลี่ยนก๊าซให้เป็นมูลค่า

ทีมวิจัยนำโดย มาร์ติน ฟาญานาส จากศูนย์วิจัยเคมีชีวภาพและวัสดุโมเลกุล (CiQUS) ได้พัฒนาวิธีการแปลงก๊าซมีเทนและส่วนประกอบอื่นๆ ของก๊าซธรรมชาติให้เป็น “หน่วยพื้นฐาน” ทางเคมีที่ปรับเปลี่ยนได้ วิธีการนี้ช่วยให้สามารถสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงได้โดยตรง รวมถึงส่วนประกอบทางเภสัชกรรม

ทีมวิจัยได้พิสูจน์วิธีการนี้โดยการสร้างส่วนประกอบของยาจริง พวกเขาได้สร้างไดเมสทรอล ซึ่งเป็นเอสโตรเจนที่ไม่ใช่สเตียรอยด์ที่ใช้ในการบำบัดด้วยฮอร์โมน โดยเริ่มต้นจากก๊าซมีเทน นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิจัยสามารถสร้างสารประกอบชีวภาพได้โดยตรงจากก๊าซที่มีอยู่มากมายนี้ ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าก๊าซธรรมชาติสามารถรองรับการผลิตสารเคมีในวงกว้างได้โดยไม่ต้องอาศัยขั้นตอนการกลั่นที่ซับซ้อน

นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามค้นหาแนวคิดนี้มานานหลายทศวรรษ พวกเขาพยายามใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบคาร์บอนต่ำ แต่อุปสรรคด้านปฏิกิริยากลับขัดขวางความก้าวหน้า พันธะที่แข็งแกร่งของมีเทนทำให้ยากต่อการปรับสภาพโดยไม่ก่อให้เกิดของเสียหรือผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ

ความพยายามหลายครั้งทำให้เกิดสารตกค้างคลอรีนหรือต้องใช้สภาวะการทำงานที่รุนแรง วิธี CiQUS มุ่งหวังที่จะหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้

ความท้าทายในการควบคุมที่รุนแรง

ทีมวิจัยได้สร้างกลยุทธ์โดยอาศัยปฏิกิริยาที่เรียกว่า allylation กระบวนการนี้จะยึดหมู่ allyl เข้ากับไฮโดรคาร์บอน ทำให้นักเคมีสามารถจัดการกับการเปลี่ยนแปลงในภายหลังได้

ความยืดหยุ่นนี้มีความสำคัญ เมื่อมี handle ไว้แล้ว นักวิจัยสามารถสร้างโมเลกุลที่หลากหลายได้ รวมถึงโครงยึดยาและสารเคมีอุตสาหกรรมทั่วไป ความพยายามก่อนหน้านี้ล้มเหลว เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาก่อให้เกิดผลพลอยได้จากคลอรีนมากเกินไป

ปฏิกิริยาข้างเคียงเหล่านี้ทำให้ผลผลิตลดลงและการใช้งานจริงมีจำกัด ฟาญานาสและเพื่อนร่วมงานได้แก้ไขปัญหานี้โดยการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเหนือโมเลกุลที่ปรับพฤติกรรมของอนุมูลอิสระภายในปฏิกิริยา

ฟาญานาสกล่าวว่า “แก่นแท้ของความก้าวหน้าครั้งนี้อยู่ที่การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่อาศัยแอนไอออนเตตระคลอโรเฟอร์เรตที่เสถียรโดยไอออนบวกคอลลิดิเนียม” เขาเสริมว่าระบบนี้ “ปรับปฏิกิริยาของอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นในตัวกลางปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ”

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปรับแต่งได้นี้ทำหน้าที่เป็นกลไกควบคุม โดยนำสารตัวกลางที่มีปฏิกิริยาไปสู่ขั้นตอนการ allylation ระบบของพวกเขายังหลีกเลี่ยงอุณหภูมิหรือความดันที่สูงเกินไป ระบบนี้ทำงานภายใต้สภาวะที่ค่อนข้างอ่อนโยน ซึ่งอาจทำให้การปรับขนาดง่ายขึ้น วิธีการนี้รองรับก๊าซตั้งต้นที่แตกต่างกัน ไม่ใช่แค่มีเทนเท่านั้น

ความคล่องตัวนี้ช่วยเพิ่มโอกาสในการแปลงกระแสก๊าซธรรมชาติที่มีเศษส่วนขนาดใหญ่ให้เป็นสารตั้งต้นที่มีค่า นักวิจัยกล่าวว่างานวิจัยดังกล่าวชี้ให้เห็นถึงอนาคตที่ก๊าซธรรมชาติจะป้อนการผลิตที่มีมูลค่าสูงขึ้นแทนการเผาไหม้

มีเทนยังคงมีอยู่มากมายและราคาถูก แต่ส่งผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศอย่างรุนแรง การเปลี่ยนให้เป็นสารเคมีที่เสถียรอาจช่วยลดการปล่อยมลพิษและสนับสนุนเศรษฐกิจเคมีแบบหมุนเวียน

ทีม CiQUS ยังคงทดสอบโมเลกุลใหม่ๆ และปรับปรุงการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยา พวกเขาโต้แย้งว่าวิธีการนี้เป็นต้นแบบสำหรับเคมีอุตสาหกรรมที่สะอาดขึ้น กลุ่มอุตสาหกรรมต่างๆ ก็กำลังจับตามองเช่นกัน เส้นทางตรงจากก๊าซธรรมชาติสู่ส่วนผสมของยาอาจปรับเปลี่ยนห่วงโซ่อุปทานและลดขั้นตอนการผลิต

ผลการศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances

แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ

Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit :  https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/@naichangmashare
TikTok :  https://www.tiktok.com/@naichangmashare

นายช่างมาแชร์