Uma equipe internacional de químicos encontrou um método para acelerar o desenvolvimento de novos catalisadores. Usando espectroscopia NMR juntamente com química computacional, eles podem avaliar se as moléculas podem ou não permitir reações.

Cerca de 90 por cento de todos os processos químicos na indústria dependem de catalisadores - moléculas que permitem ou aceleram as reações químicas, permitindo assim que ocorram em temperaturas mais baixas. A analogia da natureza são as enzimas que realizam transformações bioquímicas complexas no organismo de forma seletiva e muito eficiente.

Na industria, catalisadores são essenciais para economizar energia, tornando os processos mais sustentáveis ​​e, portanto, eficientes em termos de custos. Obviamente, há um grande interesse em descobrir esses novos facilitadores de reação para produzir produtos químicos e materiais de maneira mais eficiente. Contudo, o desenvolvimento do catalisador ainda é muito empírico hoje em dia, confiando fortemente em tentativa e erro, e às vezes sorte.

Compreendendo os catalisadores em detalhes

Para desenvolver novos catalisadores e torná-los mais eficientes, é importante compreender a distribuição e capacidade de ligação de seus elétrons em detalhes. Esta estrutura eletrônica determina o caráter das moléculas, por exemplo a cor, o cheiro, mas também a reatividade. Se a estrutura eletrônica exata de um composto for conhecida, também é possível fazer previsões sobre suas propriedades químicas.

É exatamente isso que os pesquisadores do grupo do Prof. Copéret, em colaboração com uma equipe internacional, agora percebemos:Usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) - um dos métodos analíticos mais comuns em química - em combinação com química computacional de última geração, eles agora podem obter informações sobre a estrutura eletrônica dos catalisadores e prever sua reatividade. Essa nova metodologia que acabaram de publicar em PNAS tornará o projeto e a descoberta de catalisadores mais fáceis e menos dependentes de triagem e acaso.

Polimerização de etileno

Em seu estudo, os pesquisadores investigaram catalisadores que são usados ​​na indústria para polimerizar olefinas. As poliolefinas são produtos químicos básicos, como polipropileno e polietileno. Suas aplicações variam de embalagens e redes de pesca a produtos de alta qualidade, como coletes à prova de balas. O polietileno é produzido pela polimerização do etileno na presença dos chamados catalisadores organometálicos - moléculas que contêm um metal ligado a pelo menos um átomo de carbono.

Em palestras de química básica, os alunos aprendem que há solteiros, ligações duplas e triplas em moléculas. E eles aprendem que as poliolefinas são produzidas por catalisadores que contêm uma ligação simples metal-carbono. Contudo, este estudo mostra que a realidade nem sempre é tão simples:na classe de catalisadores investigada, a ligação carbono-metal fica entre uma ligação simples e uma ligação dupla, dependendo do metal e da carga.

Caráter de ligação dupla determina reatividade

O grau desta dupla ligação é decisivo para a atividade catalítica. Foi exatamente esse caráter de ligação dupla que os pesquisadores agora eram capazes de derivar da espectroscopia de NMR diretamente do deslocamento químico do átomo de carbono. Eles poderiam mostrar que quanto mais a ligação entre o metal e os átomos de carbono se comporta como uma ligação dupla, mais facilmente um catalisador produz poliolefinas. Os pesquisadores até agora não haviam entendido esse fato, que fornece uma conclusão contra-intuitiva:quanto mais caráter de ligação dupla tem a ligação metal-carbono, quanto mais curto e mais forte for - no entanto, mais fácil é quebrá-lo durante a polimerização de olefinas.

Projetando catalisadores mais rápido

Ao combinar a espectroscopia de NMR com cálculos teóricos, agora é possível prever se um catalisador permitirá uma reação química. Os pesquisadores esperam que este novo método forneça aos químicos uma compreensão mais apurada da estrutura eletrônica dos catalisadores e acelere o design do catalisador no futuro.