Customização de Catalisadores para Sólidos

Nov 30, 2023

Os químicos da Hokkaido University e do Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) desenvolveram o primeiro catalisador de alto desempenho especificamente projetado e otimizado para síntese mecanoquímica em estado sólido. A equipe descobriu que, ao ligar longas moléculas de polímero a um catalisador de metal, elas poderiam prender o catalisador em uma fase fluida, o que permitia uma reatividade eficiente próximo à temperatura ambiente.Essa abordagem, relatadano Journal of the American Chemical Society, poderia trazer economia de custos e energia se adaptado para ampla aplicação na pesquisa química e na indústria.

As reações químicas sintéticas são geralmente realizadas em solução, onde as moléculas dissolvidas podem se misturar e reagir livremente. Nos últimos anos, no entanto, os químicos desenvolveram um processo chamado síntese mecanoquímica, no qual cristais e pós em estado sólido são moídos juntos. Essa abordagem é vantajosa porque reduz o uso de solventes perigosos e pode permitir que as reações prossigam mais rapidamente e em temperaturas mais baixas, economizando custos de energia. Também pode ser usado para reações entre compostos que são difíceis de dissolver em solventes disponíveis.

No entanto, as reações de estado sólido ocorrem em um ambiente muito diferente das reações baseadas em solução. Estudos anteriores descobriram que os catalisadores complexos de paládio originalmente projetados para uso em solução geralmente não funcionavam suficientemente em reações mecanoquímicas no estado sólido e que eram necessárias altas temperaturas de reação. O uso do catalisador de paládio não modificado para reações de estado sólido resultou em eficiência limitada devido à tendência do paládio de se agregar em um estado inativo. A equipe optou por seguir uma nova direção, projetando um catalisador para superar esse problema mecanoquímico de agregação.

"Desenvolvemos uma solução inovadora, ligando o paládio por meio de um ligante de fosfina especialmente projetado a uma grande molécula de polímero chamada polietilenoglicol", explica o professor Hajime Ito.

As moléculas de polietileno glicol formam uma região entre os materiais sólidos que se comporta como uma fase fluida em nível molecular, onde as reações mecanoquímicas de acoplamento cruzado Suzuki-Miyaura ocorrem com muito mais eficiência e sem a agregação problemática do paládio. Além de alcançar rendimentos de produto significativamente mais altos, a reação ocorreu de forma eficaz perto da temperatura ambiente - a alternativa de melhor desempenho anteriormente exigia aquecimento a 120°C. Reações semelhantes de acoplamento cruzado são amplamente utilizadas em pesquisa e na indústria química.

"Esta é a primeira demonstração de um sistema especificamente modificado para aproveitar o potencial dos catalisadores complexos de paládio no ambiente único de uma reação mecanoquímica", disse o professor associado Koji Kubota.

Eles acreditam que poderia ser adaptado para muitas outras reações, e também para catalisadores usando outros elementos dos metais de transição da tabela periódica.

A adoção mais ampla do processo, e de outros semelhantes, poderia eventualmente trazer economias significativas em custos e consumo de energia em processos químicos comerciais, permitindo, ao mesmo tempo, uma produção em larga escala mais ecológica de muitos produtos químicos úteis.

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da Universidade de Hokkaido