O KAIST desenvolve uma plataforma molecular para o controlo seletivo das vias de reação do oxigénio
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Controlar a forma como o oxigénio reage é importante para melhorar tecnologias como as baterias, as células de combustível e os processos químicos ambientalmente sustentáveis. Uma equipa de investigação do KAIST desenvolveu um novo sistema molecular capaz de alterar seletivamente a via pela qual os eletrões são transferidos durante a ativação do oxigénio. Espera-se que estas descobertas forneçam um princípio de conceção fundamental para catalisadores de próxima geração e tecnologias de conversão de energia.
Figura 1. Illustrazione schematica di un complesso di germanio in grado di effettuare un trasferimento di quattro elettroni grazie alla cooperatività redox germanio-ligando (in alto a sinistra), nonché del trasferimento selettivo di due elettroni e della reattività ambifila dell’intermedio a due elettroni formatosi tramite metilazione (in alto al centro e in alto a destra).
KAIST
O KAIST (Presidente Choongsik Bae) anunciou, no dia 22 de julho, que uma equipa de investigação liderada pelo Professor Seung Jun Hwang, do Departamento de Química, desenvolveu um sistema molecular capaz de direcionar a ativação do oxigénio ao longo de uma via de transferência de eletrões selecionada. Ao combinar o germânio com uma estrutura molecular capaz de armazenar e transferir eletrões, a equipa estabeleceu um princípio de conceção para alternar seletivamente a ativação do oxigénio entre vias de dois e quatro eletrões.
Os catalisadores para controlar reações de oxigénio têm sido tradicionalmente desenvolvidos em torno de centros de metais de transição, como o ferro, o cobalto e o níquel. O germânio, em contrapartida, é um elemento do grupo principal, pertencente ao mesmo grupo da tabela periódica que o silício, e tem sido geralmente considerado menos adequado para reações que exigem a transferência coordenada de vários eletrões.
Para superar esta limitação, a equipa de investigação combinou o germânio com um ligando redox-ativo, uma estrutura molecular capaz de armazenar, aceitar e transferir eletrões. O ligante funciona como um reservatório de eletrões e coopera com o centro de germânio, permitindo que toda a estrutura molecular participe em reações multieletrónicas.
Quando o oxigénio reage, os produtos e os resultados da reação dependem do facto de serem transferidos dois ou quatro eletrões. Em geral, a redução do oxigénio com dois eletrões produz peróxido de hidrogénio, enquanto a redução com quatro eletrões produz água. Controlar seletivamente estas vias constitui, portanto, um desafio importante no desenvolvimento de baterias, células de combustível e catalisadores químicos mais ecológicos.
O estudo apresenta um exemplo raro de um sistema molecular do grupo principal no qual a reatividade de dois e quatro eletrões pode ser acedida seletivamente dentro da mesma estrutura molecular subjacente. Esta abordagem alarga o leque de elementos que podem ser considerados na conceção de catalisadores e proporciona uma estratégia alternativa à dependência exclusiva dos metais de transição.
A equipa também conseguiu isolar e analisar um composto de germânio que representa a fase de dois eletrões da reação, o qual estabilizaram através da ligação de um grupo metilo ao complexo de germânio. Notavelmente, o átomo de germânio neste composto era capaz tanto de doar como de aceitar eletrões, fornecendo uma pista importante sobre a forma como o sistema controla diferentes vias de reação.
A equipa confirmou ainda o potencial prático do novo sistema. Em condições suaves e sem exposição à luz, o complexo de germânio removeu átomos de halogéneos, como o bromo e o cloro, de compostos orgânicos e regenerou alcenos (compostos orgânicos que contêm uma ligação dupla carbono-carbono), amplamente utilizados como matérias-primas para produtos farmacêuticos, plásticos e outros produtos químicos. Estes resultados sugerem que é possível produzir matérias-primas químicas úteis através de processos mais simples e potencialmente mais eficientes do ponto de vista energético.
«Esperamos que estas descobertas contribuam para o desenvolvimento de catalisadores de próxima geração para a conversão de energia e para processos químicos mais seletivos e eficientes», afirmou o professor Hwang.
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