Com superácidos contra químicos perpétuos
A TU Berlin produz "ácidos de Lewis" à base de silício que podem atacar o químico problemático PFAS
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Os investigadores do UniSysCat Catalysis Cluster of Excellence da TU Berlin conseguiram, pela primeira vez, produzir uma classe de ácidos de Lewis que contêm o elemento silício e um átomo de halogéneo. Estes compostos estão entre os ácidos de Lewis mais fortes produzidos até à data e podem também quebrar ligações químicas muito estáveis. Este facto torna-os de grande interesse para os processos de reciclagem e para o conceito de química verde, por exemplo, para a degradação de substâncias alquílicas per e polifluoradas (PFAS) nocivas, também conhecidas como "produtos químicos perpétuos". A particularidade: Estes ácidos de Lewis não são consumidos por um processo cíclico na reação de degradação e podem, por isso, funcionar como catalisadores no futuro. Os resultados foram publicados na revista Nature Chemistry.
Na Alemanha, são descobertos repetidamente locais contaminados com elevadas concentrações de PFAS (imagem simbólica).
Os PFAS não podem ser cheirados nem provados e são suspeitos de causar cancro, tornar as pessoas inférteis e enfraquecer o sistema imunitário. Uma vez libertados no ambiente, permanecem aí durante muito tempo, porque as substâncias não podem ser decompostas rapidamente pela água, pela luz ou por bactérias. É precisamente devido ao facto de os PFAS serem tão persistentes que são utilizados de muitas formas diferentes, por exemplo, em mackintoshes, panelas ou materiais de construção. Na Alemanha, são constantemente descobertas zonas contaminadas com elevadas concentrações de PFAS.
Os ácidos super Lewis podem quebrar compostos estáveis de PFAS
"A resistência dos PFAS está diretamente relacionada com as suas ligações estáveis de carbono-flúor, que são muito difíceis de quebrar", explica o Prof. Dr. Martin Oestreich, titular de uma cátedra Einstein na TU Berlin, chefe do departamento de "Química Orgânica/Síntese e Catálise" e membro do UniSysCat. É sobretudo a chamada ligação de pares de electrões entre o flúor e os átomos de carbono nos PFAS que é particularmente forte. "Para tornar os PFAS inofensivos, é necessária uma substância que aceite facilmente pares de electrões", diz Oestreich. Essas substâncias são chamadas "super ácidos de Lewis". O nome "ácido de Lewis" não se refere a nenhum composto químico específico - como o ácido clorídrico, o ácido sulfúrico, etc. - mas sim a um conceito especial em química que define os termos "ácido" e "base". Foi desenvolvido em 1923 pelo físico-químico americano Gilbert Newton Lewis.
Ganância louca por electrões
"Para além de dois resíduos orgânicos, os nossos ácidos super Lewis contêm principalmente um átomo de silício que também transporta um halogéneo, como um átomo de flúor. Isto leva a uma ganância louca por pares de electrões", diz Oestreich. A combinação do átomo de silício, já sedento de electrões, com o flúor, que retira fortemente electrões, é crucial: "O flúor também puxa pelos restantes electrões exteriores do silício - tal como eu me embrulho completamente no edredão à noite quando a minha mulher e eu passamos a noite numa cama francesa". A falta de electrões leva a uma fome extrema de pares de electrões no silício - tornando-o o atacante perfeito para os PFAS.
A produção é complexa
Até há pouco tempo, estes super ácidos de Lewis com silício e halogéneos eram apenas previstos em teoria. Isto porque a sua produção é tudo menos simples. Em 2021, os cientistas da TU Berlin alcançaram um avanço quando usaram o processo de "protólise" para produzir ácidos super Lewis pela primeira vez, no qual grupos químicos individuais são separados de um composto em um ciclo para sintetizar um novo. "Em termos simples, o objetivo é transferir processos comprovados da química do carbono para a química do silício. Em princípio, estamos agora a colher os frutos da nossa ideia original", explica Martin Oestreich. As experiências foram complexas porque todo o trabalho teve de ser realizado num "porta-luvas" sob uma atmosfera de gás inerte; nem o oxigénio nem a água puderam entrar em contacto com as substâncias.
Pela primeira vez, a mecânica quântica completa dos compostos
Estou particularmente grato ao Professor Martin Kaupp, diretor do departamento de "Química Teórica/Química Quântica" da TU Berlin, sem cujos cálculos este trabalho não teria sido possível", diz Oestreich. Pela primeira vez, os cálculos de mecânica quântica foram utilizados para prever a acidez das moléculas produzidas apenas a partir da sua estrutura. "Temos uma compreensão mecânica quântica completa dos compostos, o que é uma enorme vantagem". Os ácidos de super Lewis foram depois analisados experimentalmente por espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), entre outros métodos, e os cálculos foram verificados.
Os ácidos de super Lewis não são consumidos como catalisadores
A caraterística especial da degradação dos PFAS nocivos: embora os ácidos de super Lewis sejam alterados pela absorção de pares de electrões quando um composto é decomposto, podem provavelmente ser transformados de novo no ácido de super Lewis original num processo de regeneração. Isto torna-os catalisadores que são utilizados na reação mas que são recuperados. Esta é uma grande vantagem, uma vez que não são necessárias grandes quantidades de um "antídoto" para decompor a contaminação por PFAS; em vez disso, quantidades muito pequenas dos novos ácidos de super Lewis seriam suficientes para tornar inofensivos os produtos químicos eternos.
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