Diels-Alder recarregado: mais eficaz com eletricidade
Química Quântica para Processos Sustentáveis: Como o Comportamento dos Electrões Determina as Reacções
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A investigação química é frequentemente um processo de tentativa e erro. Muitas vezes, no laboratório, as coisas não correm como esperado: as reacções estagnam ou produzem muito pouco produto. O conhecimento das propriedades químicas das substâncias envolvidas já não é suficiente. Em vez disso, os químicos gostariam de "olhar mais profundamente" para a reação, até ao nível subatómico. Isto é possível com análises de alta tecnologia. E a química quântica também é cada vez mais procurada, uma vez que pode revelar momentos críticos no processo catalítico apenas através de cálculos, por exemplo, do comportamento dos electrões. A Dra. Olga Bokareva dirige este trabalho no LIKAT em Rostock. Um exemplo atual é uma nova reação de Diels-Alder.
O aumento da capacidade de computação e os algoritmos cada vez melhores tornaram a modelação de reacções químicas indispensável na investigação. "Isto é particularmente verdade quando a química está a abrir novos caminhos, por exemplo, na substituição de matérias-primas fósseis por subprodutos da civilização. Ou na expansão da gama de aplicações de processos clássicos e comprovados e na sua utilização em processos sustentáveis", diz Olga Bokareva, chefe de um grupo de investigação júnior no Instituto Leibniz para a Catálise.
Diels-Alder recarregado: mais eficaz com eletricidade
A química cita a reação de Diels-Alder como um exemplo atual. Há três quartos de século que esta reação ocupa um lugar importante na química orgânica, nomeadamente na síntese de princípios activos farmacêuticos e de outras moléculas complexas. Os seus descobridores foram galardoados com o Prémio Nobel em 1950.
Atualmente, vários laboratórios estão a tentar tornar a reação de Diels-Alder utilizável em sínteses muito mais complexas do que foi possível até à data. No LIKAT, isto foi conseguido por meios electroquímicos. O Dr. Bokareva explica: "Os eléctrodos na solução de reação fornecem uma corrente que impulsiona o processo e o torna muito mais eficaz do que a reação clássica de Diels-Alder."
O Diretor Científico do LIKAT, Prof. Dr. Robert Franke, colaborou com colegas do Japão neste projeto e, em conjunto, apresentaram um artigo. As suas experiências mostraram que a reação eletroquímica de Diels-Alder funciona maravilhosamente com certos materiais de partida, mas não funciona de todo com outros. Os autores apresentaram algumas hipóteses sobre as causas. No entanto, a revista solicitou uma explicação mecanicista pormenorizada utilizando métodos de química quântica.
Foi aqui que a experiência da Dra. Bokareva e da sua equipa entrou em ação. Uma aluna de doutoramento, Yanan Han, assumiu o trabalho como parte da sua dissertação.
Comparável ao Google Maps
Para compreender o mecanismo de reação, a equipa utilizou a química quântica para calcular a energia das moléculas ao longo do percurso da reação. Tudo o que precisavam de saber era o material de partida e o produto, bem como algumas informações sobre as condições da reação, como a temperatura. A Dra. Bokareva compara esta abordagem ao Google Maps: "O utilizador sabe a sua localização e destino e quer evitar engarrafamentos; na reação, este pode ser um produto intermédio indesejável. O programa calcula a melhor rota".
Estes cálculos de química quântica não fornecem valores exactos, mas sim aproximações, explica a Dra. Bokareva. O estado atual das moléculas individuais é determinado pela diferença entre os seus estados energéticos. A razão para tal reside na natureza quântica dos electrões, que são descritos por funções de onda.
As bases matemáticas para tais cálculos foram desenvolvidas há cerca de cem anos, tais como as equações de Schrödinger, que Olga Bokareva e a sua equipa utilizam juntamente com métodos numéricos.
As nuvens de electrões determinam a reação
Hoje em dia, os resultados podem ser representados graficamente, por exemplo, como orbitais, que é o nome dado à localização dos electrões nos átomos. No ecrã, aparecem como estruturas coloridas que fazem lembrar balões flutuantes. "Falamos frequentemente de nuvens de electrões quando nos referimos ao espaço difuso onde os electrões se encontram", diz Olga Bokareva. Estas representações ajudam não só a analisar os processos de reação, mas também a compreendê-los intuitivamente. "A química quântica não é apenas um desafio, é também uma beleza".
O que mostraram os cálculos para a nova reação de Diels-Alder? "Conseguimos identificar um produto intermédio que se forma num momento crítico do processo", afirma a Dra. Bokareva. Para que a reação continue, este produto intermédio necessita de um eletrão adicional. O sistema tem de permitir que esta transferência de electrões ocorra energeticamente, e os investigadores conseguiram identificar condições específicas para tal no comportamento das nuvens de electrões. Estas condições não foram cumpridas nos substratos problemáticos e a reação foi interrompida.
A razão para a interrupção foi, portanto, encontrada e os resultados foram agora publicados em conjunto com parceiros do Japão e apareceram recentemente online. Segundo a Dra. Bokareva, o trabalho oferece abordagens para tornar utilizáveis na síntese eletroquímica de Diels-Alder substratos que até agora não tinham sido bem sucedidos. Por exemplo, alterando a estrutura eletrónica destes compostos ou as condições da reação eletroquímica.
Já não é um domínio masculino
Pode parecer surpreendente que esta descoberta tenha sido obtida através de trabalho teórico. Para Olga Bokareva, é natural utilizar o cálculo puro e "um verdadeiro trabalho de equipa para esclarecer descobertas experimentais intrigantes e revelar mecanismos ocultos". Isto dá-lhe mais satisfação do que o trabalho que fazia no laboratório há muitos anos.
Olga Bokareva fez o doutoramento e a licenciatura em teoria e em química quântica, domínios que durante muito tempo foram dominados pelos homens. Esta é uma das razões pelas quais se orgulha do facto de quatro dos seus alunos de doutoramento serem mulheres. O seu grupo está em crescimento constante e trabalha em questões actuais na interface entre a teoria e a aplicação.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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