Chemiker legen die Grundlagen für unzählige neue, sauberere Methananwendungen

Anonim

Methan ist der weltweit häufigste Kohlenwasserstoff. Es ist der Hauptbestandteil von Erdgas und Schiefergas und, wenn es verbrannt wird, ist es ein effektiver Brennstoff. Aber es trägt auch wesentlich zum Klimawandel bei, mit einer 24-mal höheren Potenz als Treibhausgas als Kohlendioxid.

Mit einer neuen Methode hat ein Forscherteam unter Leitung von Chemikern der Universität von Pennsylvania das Potenzial aufgezeigt, Methan nicht als fossilen Brennstoff, sondern als vielseitigen chemischen Baustein zu nutzen, um komplexere Moleküle wie Pharmazeutika und andere wertschöpfende Substanzen herzustellen. hinzugefügte Substanzen.

Die Reaktion bietet auch eine Möglichkeit, die Eigenschaften von Methan zu nutzen, ohne Treibhausgase freizusetzen.

"Die Suche nach Möglichkeiten, Methan zu verwenden, anstatt es als Brennstoff zu verbrennen, ist ein praktischer Ansatz, dieses reichlich vorhandene Gas zu nutzen", sagte Daniel Mindiola, leitender Autor des Artikels und Professor in Penns Department für Chemie an der School of Arts & Sciences. "Unsere Methode wird uns hoffentlich dazu inspirieren, unsere Ressourcen nicht mehr zu verbrennen, sondern sie mehr als Kohlenstoffbaustein zu nutzen, um wertvollere Materialien herzustellen."

Die Studie wird in Science veröffentlicht .

Mindiola arbeitete bei der Arbeit mit Kyle Smith, einem Doktoranden in Mindiola's Labor und dem Hauptautor der Zeitung, zusammen; Simon Berritt, Direktor des High Throughput Screening Centers von Penn in der Abteilung für Chemie; Mariano González-Moreiras, ein Gastwissenschaftler; Seihwan Ahn und Mu-Hyun Baik von Koreas Advanced Institute of Science and Technology; und Milton R. Smith III, Professor an der Michigan State University, der zusammen mit Rob Maleczka die chemische Reaktion, bekannt als Kohlenstoff-Wasserstoff-Borylierung, entdeckte, auf der die aktuelle Arbeit aufbaut.

Methan besteht aus einem Kohlenstoffatom, das an vier Wasserstoffatome gebunden ist. Wenn es verbrannt wird, werden alle vier Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen gebrochen, was zur Erzeugung von Kohlendioxid und Wasser führt, die beide Treibhausgase sind.

"Wenn nur eine oder zwei Wasserstoffbrücken effizient gebrochen werden könnten, könnte es möglich sein, Kohlenstoffatome von zwei oder mehr Methanmolekülen zu verbinden, um größere Kohlenwasserstoffe zu bilden", sagte Smith von Michigan State. "Zum Beispiel ist Benzin eine Mischung von Kohlenwasserstoffen, die zwischen 4 und 12 Kohlenstoffatome enthalten. Das Polyethylen, das zur Herstellung von Müllsäcken und Milchkannen verwendet wird, besteht aus Millionen von Kohlenstoffatomen."

Die selektive Kontrolle der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen war jedoch schwierig. Chemiker haben deshalb Methan relativ inert betrachtet, wenn es nicht verbrannt wird. Da Methan bei Umgebungstemperaturen und Drücken ein Gas ist, ist es außerdem nicht die einfachste zu manipulierende Chemikalie.

Aber Mindiola hatte ein Brainstorming: Was, wenn er eine Borylierungsreaktion mit Methan unter variierenden Druckbedingungen versuchte? Die Kohlenstoff-Wasserstoff-Borylierung ist ein von Smith und Kollegen entwickelter Prozess, bei dem ein Kohlenwasserstoff mit einer borhaltigen Verbindung reagiert, die durch ein Metall katalysiert wird. Die Reaktion führt zum Ersatz einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung am Kohlenwasserstoff durch eine Kohlenstoff-Bor-Bindung. Diese Bindung kann später leicht ausgetauscht werden, um den Kohlenstoff an eine beliebige Anzahl anderer chemischer Gruppen zu binden. Obwohl die Borylierung vor mehr als einem Jahrzehnt entdeckt wurde, hatte niemand versucht, Methan zu verwenden, das einfachste der Kohlenwasserstoffe.

Die Forscher beschlossen, dies zu versuchen. Unter Ausnutzung bekannter Bedingungen, die in der Literatur für andere Substrate berichtet wurden, bestimmten sie die richtige Kombination von Verbindungen und Katalysatoren, die funktionierten, und verwendeten dann einen Berechnungsansatz, um verschiedene Bedingungen und Reagenzien zu bewerten, die die Effizienz der Reaktion verbessern könnten. Schließlich nutzten sie Penns High Throughput Screening Centre, eines von nur einer Handvoll solcher Einrichtungen im Land, das es ermöglicht, 96 verschiedene Reaktionen gleichzeitig zu testen, um die effizientesten Bedingungen für die Reaktion zu ermitteln.

Die Penn-Anlage ist insofern einzigartig, als sie Reaktionen unter Hochdruckbedingungen ermöglicht, was es dem Team erlaubt, Methan in einem gasförmigen Zustand zu verwenden, anstatt unter Umgebungsbedingungen zu arbeiten.

Die günstigste Reaktion, die unter relativ milden Bedingungen von 150 Grad Celsius und 500 Pfund pro Quadratzoll Methan unter Verwendung des Metall-Iridiums als Katalysator durchgeführt wurde, führte zu Ausbeuten von bis zu 52 Prozent boryliertem Methan mit hoher Selektivität für die Kohlenstoff-Wasserstoff-Borylierung von einer CH-Bindung im Gegensatz zu Mehrfachbindungen.

"Es stellt sich heraus, dass Methan nicht so träge ist, wie man es erwartet hätte", sagte Mindiola. "Wir konnten es mit handelsüblichen Reagenzien herstellen, was sehr praktisch ist."

Das Team evaluiert derzeit andere Reagenzien, um eine ähnliche Reaktion durchzuführen. Zum Beispiel versuchen sie, alternative Katalysatoren zu finden, da Iridium, obwohl kommerziell erhältlich, relativ selten und teuer ist. Kobalt könnte eine vielversprechende Alternative darstellen. Sie testen auch Siliziumverbindungen als Alternative zu denen, die das seltenere Bor enthalten.

Methan ist gegenwärtig so reichlich vorhanden, dass die petrochemische Industrie jedes Jahr etwa 50 Millionen US-Dollar an Methan in Gasfackeln verbrennt, teilweise aufgrund fehlender Speicherkapazität. Und während etwas Methan zur Dampfreformierung verwendet wird, ein Prozess, der Kohlenmonoxid und Wasserstoff bildet, der in Brennstoffzellen oder zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel verwendet werden kann, glauben die Forscher, dass die Borylierungsreaktion eine sinnvolle alternative Verwendung für Methan bieten kann.

"Ich denke, diese Arbeit wird eine Menge Chemie anregen und die Menschen dazu bringen, anders über Methan nachzudenken", sagte Mindiola. "Das bedeutet nicht, dass die Erdgasindustrie das gesamte Methan, das sie fördern, in Borylat verwandeln wird - es gibt eine Menge da draußen und Bor ist selten - aber es ist eine weitere wertvolle Option."

Mindiola bemerkte, dass diese Arbeit ein weiteres Papier ergänzt, das in der gleichen Ausgabe von Science veröffentlicht wurde, angeführt von Melanie Sanford von der University of Michigan. Dieser Bericht identifiziert einen Weg, Borylierung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Methan selektiv durchzuführen, entweder eine oder zwei Bindungen zu boralisieren und diese Methode auf den zweithäufigsten Kohlenwasserstoff, Ethan, auszudehnen. Die Umsetzung beider Reaktionen könnte die Verwendung von Methan in der pharmazeutischen Industrie sowie in vielen anderen Unternehmen erleichtern, um Designermoleküle mit einer Vielzahl von Anwendungen herzustellen.

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