p Indiscutivelmente o avanço industrial mais importante (se menos conhecido) do século 20, o processo de síntese de amônia Haber-Bosch essencialmente conquistou a escassez de alimentos criando os meios para a produção em massa de fertilizantes - fertilizantes então usados ​​para fortificar as colheitas de alimentos em todo o mundo. p Mas a produção de amônia - o bloco de construção do fertilizante de nitrato de amônio - gera um subproduto problemático no futuro:o dióxido de carbono. Muito:mais de duas toneladas de carbono para cada tonelada de fertilizante. É responsável por cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono. Então, enquanto o processo combateu a fome em massa, também começou a aumentar a carga de gases do efeito estufa do planeta.

p Um dos principais objetivos dos cientistas hoje é desvincular a produção de alimentos do carbono. Em parte, isso significa encontrar uma maneira de produzir fertilizantes por meio da síntese de amônia livre de carbono. Isso pode ser feito sem Haber-Bosch?

p Paul Chirik, o Professor Edwards S. Sanford em Química, deu um passo importante em direção a essa possibilidade com um único, abordagem fundamental para a síntese de ligações químicas. Ele e os pesquisadores em seu laboratório usam luz visível para conduzir a formação de ligações de hidrogênio-elemento fracas, que estão no cerne do desafio porque são muito difíceis de fazer.

p O papel de prova de conceito do laboratório, publicado este mês em Química da Natureza , apresenta um método simples que envolve o brilho de luz azul em um catalisador de irídio para permitir a formação de ligações fracas no ou próximo ao potencial termodinâmico, isto é, sem grandes gastos de energia - sem um subproduto de carbono.

p "O grande avanço aqui é ser capaz de pegar luz e, em seguida, promover uma reação química para fazer uma ligação que é realmente fraca, que você não poderia fazer sem um estímulo externo, "disse Chirik." No passado, esse estímulo foi associado ao desperdício ou ao consumo de eletricidade. Aqui, estamos fazendo isso com luz.

p "Temos esse mundo de catalisadores de metal que fizeram coisas incríveis - eles produziram amônia, eles fizeram drogas, eles fizeram polímeros. Agora, podemos fazer ainda mais com eles quando começarmos a olhar para o que acontece quando esses catalisadores absorvem luz, "ele acrescentou." Então, você está pegando algo que fazia uma química muito legal antes e está adicionando mais 50 quilocalorias.

p "Um mundo inteiro se abre. De repente, há uma nova classe de reações que podemos pensar em fazer. "

p Brilhar uma luz

p As ligações E-H são simplesmente uma forma de denotar quaisquer ligações que você possa fazer entre o hidrogênio e outro elemento. As forças de ligação E-H são altamente dependentes da estrutura química de cada elemento, mas muitas dessas ligações são fracas - instáveis ​​e inclinadas a quebrar facilmente e formar hidrogênio (H ₂ ) A maioria das reações químicas é impulsionada pela formação de ligações fortes, à medida que a energia é liberada quando produtos mais estáveis ​​são formados. É a montagem de laços fracos que apresenta o desafio.

p O laboratório de Chirik descobriu uma maneira de fazer uma ligação fraca iluminando um catalisador; nesse caso, irídio.

p É assim que funciona:os pesquisadores escolheram uma molécula orgânica representativa, antraceno, que atua como uma espécie de plataforma na qual a química ocorre dentro do frasco de reação. Brilhar luz azul no irídio dentro do frasco deixa-o "animado, "o que significa que tem energia para impulsionar a reação. Nesse estado, ele se choca com a molécula de antraceno e transfere um átomo de hidrogênio para formar uma ligação fraca. O catalisador de irídio então ativa o gás hidrogênio, completando o ciclo.

p A utilização de gás hidrogênio em vez de fontes de hidrogênio à base de carbono - amplamente utilizadas em síntese orgânica no passado - fornece uma maneira sustentável de fazer ligações químicas fracas sem gerar um subproduto de carbono.

p Parque Yoonsu, um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de Chirik e principal autor do artigo, e Sangmin Kim, a 2021 Ph.D. graduado do laboratório, surgiu com a ideia de usar fotoquímica revisando ligações fracas que aparecem em outras reações e extrapolando suas lições. Dois autores adicionais no artigo - Greg Scholes, o professor de química William S. Tod, e seu aluno de graduação Lei Tian - contribuíram com percepções sobre o papel da luz azul usando uma variedade de experimentos a laser.

p Park também determinou qual catalisador metálico na vasta extensão da tabela periódica seria o mais eficaz para realizar a reação desejada. Saltando do trabalho de laboratório anterior feito com ródio - outro raro, catalisador de metal caro - ele rapidamente se concentrou no irídio.

p Embora os cientistas ainda não estejam prontos para descartar Haber-Bosch, a prova de conceito do laboratório Chirik é uma etapa inicial importante.

p "Ainda não produzimos amônia cataliticamente. Temos um longo caminho a percorrer nesse sentido, "disse Chirik." Mas é essa ideia de aprender como fazer esses laços fracos que é tão importante.

p "O que gosto nesta pesquisa é, é diferente. É química fundamental, o mais básico possível. Ninguém vai abrir uma fábrica nesta pesquisa amanhã. Mas estamos muito animados com o conceito, e realmente esperamos que outras pessoas façam essa química em outros contextos. "