Le gaz naturel, l'une des sources d'énergie les plus abondantes de la planète, est principalement composé de méthane, d'éthane et de propane. Bien qu’ils soient largement brûlés pour produire de l’énergie, produisant des émissions de gaz à effet de serre, les scientifiques et les industries recherchent depuis longtemps des moyens de convertir directement ces hydrocarbures en produits chimiques précieux. Cependant, leur extrême stabilité et leur faible réactivité ont constitué un défi de taille, limitant leur utilisation comme matière première durable pour l’industrie chimique.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par Martín Fañanás du Centre de recherche en chimie biologique et matériaux moléculaires (CiQUS) de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle a développé une méthode révolutionnaire pour transformer le méthane et d'autres composants du gaz naturel en « éléments de base » polyvalents pour la synthèse de produits très demandés, tels que les produits pharmaceutiques. Publié dans Avancées scientifiquescette avancée représente un pas crucial vers une économie chimique plus durable et circulaire.
Pour la première fois, l’équipe CiQUS a réussi à synthétiser un composé bioactif – le dimestrol, un œstrogène non stéroïdien utilisé en hormonothérapie – directement à partir du méthane. Cette réalisation démontre le potentiel de leur méthodologie pour créer des molécules complexes de grande valeur à partir d’une matière première simple, abondante et peu coûteuse.
Apprivoiser les radicaux libres pour ouvrir de nouvelles voies chimiques
La stratégie de l'équipe se concentre sur une réaction appelée allylation, qui consiste à attacher une petite « poignée » chimique (un groupe allyle) à la molécule de gaz. Cette poignée sert d'ancrage polyvalent, permettant les étapes ultérieures de création d'une large gamme de produits finaux, des ingrédients actifs pharmaceutiques aux produits chimiques quotidiens. Le principal obstacle était la tendance du système catalytique à produire des sous-produits de chloration indésirables, faisant dérailler le processus.
Pour surmonter cet obstacle, l’équipe a conçu un catalyseur supramoléculaire sur mesure. « Le cœur de cette avancée réside dans la conception d'un catalyseur basé sur un anion tétrachloroferrate stabilisé par des cations collidinium, qui module efficacement la réactivité des espèces radicalaires générées dans le milieu réactionnel », explique le professeur Fañanás.
« La formation d'un réseau complexe de liaisons hydrogène autour de l'atome de fer maintient la réactivité photocatalytique requise pour activer l'alcane, tout en supprimant simultanément la tendance du catalyseur à subir des réactions de chloration concurrentes. Cela crée un environnement optimal pour que la réaction d'allylation sélective se déroule. »
Au-delà de son efficacité, la méthode se démarque par sa pérennité. Il utilise du fer – un métal bon marché, abondant et beaucoup moins toxique que les métaux précieux généralement utilisés en catalyse – et fonctionne dans des conditions de température et de pression douces, alimenté par une lumière LED. Cela réduit considérablement à la fois l’impact environnemental et les coûts énergétiques.
Ces travaux portent sur la valorisation des principales composantes du gaz naturel. Dans une avancée complémentaire publiée dans Rapports cellulaires Sciences physiquesla même équipe a présenté une méthode permettant de coupler directement ces gaz avec des chlorures d'acide, produisant ainsi des cétones industriellement pertinentes en une seule étape. Les deux études, basées sur des stratégies photocatalytiques, positionnent CiQUS comme un leader dans le développement de solutions chimiques innovantes pour exploiter des matières premières abondantes.
Transformer le gaz naturel en intermédiaires chimiques polyvalents
La capacité de convertir le gaz naturel en intermédiaires chimiques polyvalents ouvre de nouvelles possibilités à l’industrie, jetant les bases du remplacement progressif des sources pétrochimiques par des alternatives plus durables. Cette recherche de pointe est rendue possible grâce à l'environnement d'excellence du CiQUS, qui détient l'accréditation CIGUS du gouvernement galicien, reconnaissant la qualité et l'impact de sa recherche.
