Pingue-pongue com fotões: a luz como ferramenta para uma química nova e, sobretudo, sustentável
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Em termos de avanços no conhecimento, a fotocatálise está atualmente na vanguarda da química. Neste domínio, a Dra. Jola Pospech e a sua equipa do Instituto Leibniz para a catálise, em Rostock, estão a desenvolver novas abordagens para vias de reação clássicas. Um exemplo é a hidrofuncionalização de produtos valiosos, como as aminas bioactivas, que ocorrem naturalmente nos neurotransmissores e são importantes para a investigação de medicamentos. Nas suas palestras, a Dra. Pospech utiliza imagens concisas para explicar a fotocatálise aos alunos do primeiro ano.
A fotocatálise requer luz, e o grupo de investigação da Dra. Jola Pospech utiliza frequentemente luzes de discoteca produzidas em massa como fonte de luz no laboratório: luz negra. O nome curioso refere-se aos LEDs na gama ultravioleta, luz UV-A, que é pouco visível e é tão popular em medicina dentária como nas discotecas.
"No nosso caso, esta luz tem o comprimento de onda certo para desencadear reacções químicas", explica a Dra. Jola Pospech. "Apontamos o painel LED para o recipiente de reação, onde os fotões atingem os pares de electrões exteriores das substâncias envolvidas, no nosso caso o catalisador, e este entra no chamado estado excitado". Isto significa que agora é capaz de libertar ou aceitar um eletrão e, assim, ativar os materiais químicos de base. Em última análise, formam-se novos compostos químicos quando as substâncias envolvidas trocam ou partilham electrões.
Catálise fotoredox
Tomemos duas reacções básicas em química: oxidação e redução. Na oxidação, o catalisador doa um eletrão e retoma-o no final do ciclo. Inversamente, na redução, aceita um eletrão e volta a libertá-lo no final. "Podemos imaginar tudo isto como um jogo de pingue-pongue", diz a Dra. Pospech, explicando-o através da catálise fotoredox, que combina as duas reacções.
Jola Pospech: "Imaginemos que temos duas bolas no bolso das calças. Quando há um aumento de energia provocado pelo fotão, uma bola, ou seja, um eletrão, passa para o nível superior seguinte". A mão de Jola Pospech move-se com a bola imaginária do seu bolso sobre a sua cabeça. "O bolso tem agora acesso e espaço para novos jogadores. É assim que as reacções químicas se processam. Uma vez convertidos os materiais de partida, a bola pode ser libertada da mão e o ciclo recomeça". A bola imaginária acaba novamente no bolso das calças.
Exemplo: Hidrofuncionalização
Durante séculos, a química funcionou da seguinte forma: Os químicos aqueciam os seus recipientes de reação para ativar as substâncias no seu interior. "Com a luz, posso ultrapassar a barreira de ativação muito mais rapidamente e com quantidades de energia muito maiores", diz Jola Pospech. Graças à moderna tecnologia LED, o comprimento de onda da fonte de luz pode ser adaptado com precisão ao espetro de absorção do catalisador.
Como exemplo, a química cita a hidrofuncionalização, uma via de reação popular que é muito "eficiente em termos de átomos": as substâncias envolvidas são convertidas até ao último átomo, sem quaisquer subprodutos. Isto produz produtos valiosos, como as aminas bioactivas, que ocorrem naturalmente nos neutransmissores e são importantes para o desenvolvimento de ingredientes activos.
Até agora, muitas destas reacções têm sido realizadas utilizando catalisadores feitos de metais escassos e caros, com muitos passos intermédios, co-catalisadores e os chamados reagentes de sacrifício. Jola Pospech: "Estes servem apenas para doar um eletrão adicional para que outro eletrão possa mudar de parceiro no ponto apropriado de uma forma energeticamente favorável."
Catalisadores orgânicos como alternativa
Como alternativa, o seu grupo de investigação desenvolveu catalisadores fotoredox orgânicos à base de azoto, hidrogénio, oxigénio e carbono. "Os compostos que utilizamos são de produção barata, podem ser activados com precisão e rapidez utilizando luz negra e são mecanicamente multifuncionais." Isto torna obsoletos os co-catalisadores e os reagentes de sacrifício.
Os químicos de Rostock estão atualmente a dar a este catalisador uma função selectiva através da incorporação de aminoácidos. Isto deverá ajudar a produzir moléculas destras e canhotas de uma forma orientada pela luz. Para tal, o catalisador necessita de um "sentido espacial", por assim dizer, de informação estéreo. De acordo com a ideia de Jola Pospech, os aminoácidos podem transmitir essa informação estéreo porque têm estruturas tridimensionais definidas.
De acordo com o Dr. Pospech, as pessoas do sector estão definitivamente motivadas para utilizar estes resultados da investigação fundamental para fins industriais. Pelo menos a longo prazo. "Todas as grandes empresas químicas têm agora departamentos de investigação em fotocatálise e eletroquímica". O LIKAT tem o dedo no pulso, por assim dizer.
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