Scientists turn methane into medicine in stunning breakthrough

圣地亚哥德孔波斯特拉大学的生物化学与分子材料研究中心（CiQUS）由Martín Fañanás领导的研究团队，现已开发出一种新方法，能将甲烷及天然气的其他成分转化为用途广泛的化学“积木”，这些“积木”可用于制造包括药品在内的高价值产品。这项发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究，标志着向更可持续、更循环的化学经济迈出了重要一步。

在一项具有里程碑意义的演示中，CiQUS团队首次直接从甲烷合成了一种生物活性化合物。这种名为己烯雌酚（dimestrol）的化合物是一种用于激素治疗的非甾体雌激素。从甲烷生产如此复杂的分子，凸显了这种方法将丰富且廉价的气体转化为复杂且具有商业重要性的化学品的潜力。

甲烷活化与选择性烯丙基化：研究人员重点研究了一种名为烯丙基化的反应。该过程会将一个称为烯丙基的小化学片段连接到气体分子上，实际上为其提供了一个功能性的“抓手”（即烯丙基），化学家可以在后续步骤中以此为基础进行构建。有了这个“抓手”，经过修饰的分子就能转化为从药物成分到常见工业化学品的多种产品。

一个主要障碍是催化系统容易引发不需要的氯化反应，这会产生副产物并降低效率。控制这些副反应对于使该过程实用化至关重要。

定制铁催化剂控制自由基：为解决这一问题，团队设计了一种专门的超分子催化剂。Fañanás教授解释道：“这一突破的核心在于设计了一种基于四氯高铁酸盐阴离子的催化剂，该阴离子由可力丁阳离子稳定，能有效调节反应介质中产生的自由基物种的反应性。铁原子周围形成的复杂氢键网络维持了活化烷烃所需的光催化反应性，同时抑制了催化剂发生竞争性氯化反应的倾向。这为选择性烯丙基化反应的进行创造了最佳环境。”简单来说，该催化剂能精心控制高反应性的自由基中间体，使其驱动所需的转化，而不会引发不需要的副反应。

使用铁和LED光的可持续光催化：除了化学精度外，该方法还因其环境优势而引人注目。它依赖于铁，铁价格低廉、来源广泛，且毒性远低于催化化学中常用的稀有贵金属。该反应在相对温和的温度和压力下进行，并由LED光提供能量。这些特点共同降低了能源需求和环境影响。

这一发现是欧洲研究理事会（ERC）支持的一项更大规模研究工作的一部分，该研究旨在将天然气的主要成分升级为更有价值的化学品。在发表于《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）的相关研究中，同一团队报告了一种将这些气体与酰氯直接结合，一步生产工业上重要的酮类的方法。这两项进展都依赖于光催化，并巩固了CiQUS作为开发创新策略以更有效地利用丰富原材料的领导者地位。

迈向循环化学经济：将天然气转化为灵活的化学中间体可以扩大工业选择，并逐渐减少对传统石油化工原料的依赖。这项研究得益于CiQUS强大的科学环境，该中心获得了加利西亚政府的CIGUS认证，以表彰其卓越的研究和影响力。该中心还通过加利西亚FEDER 2021 - 2027计划获得欧盟的关键资助，支持具有明确技术转让潜力和更广泛社会经济效益的科学进步。