As técnicas convencionais de geração de alquilbenzeno, um insumo fundamental na produção de detergentes, produzem subprodutos tóxicos de halogênio, mas os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica que oferece um processo de fabricação da substância mais eficiente, barato e limpo.



Um artigo descrevendo o processo foi publicado na revista ACS Catalysis em 6 de setembro.

Na busca por processos de produção química mais eficientes e sustentáveis, os investigadores têm explorado formas inovadoras de aproveitar o potencial dos alcanos – compostos que consistem inteiramente em átomos de carbono e hidrogénio ligados uns aos outros por ligações simples carbono-carbono e carbono-hidrogénio.

Metano, etano, propano e butano são alcanos comuns, e a principal fonte de alcanos é o petróleo bruto e o gás natural. Segundo os pesquisadores, o uso direto de alcanos para transformação química altamente seletiva é geralmente difícil porque suas ligações carbono-hidrogênio são altamente estáveis ​​e difíceis de quebrar.

Sabão, pasta de dente, sabão em pó e produtos de limpeza industriais têm um segredo sujo:todos são fabricados com alquilbenzenos. Normalmente, são necessárias duas a três etapas para a produção de alquilbenzenos porque existem compostos adicionais, chamados agentes alquilantes. Esses agentes, produzidos a partir de alcanos por meio de diversas etapas, são necessários para realizar a alquilação do benzeno – o processo de adesão ao grupo alquil.

Para aumentar a eficiência e diminuir o custo desse processo, reduzindo o número de etapas necessárias, os pesquisadores investigaram a possibilidade de utilizar alcanos simples diretamente como agente alquilante para a síntese de alquilbenzenos.

"É provável que não só reduza custos, mas também reduza a geração de resíduos e agilize a produção, oferecendo uma alternativa mais ecológica aos métodos tradicionais", disse o professor Ken Motokura, principal autor do estudo e químico do Departamento de Química. e Ciências da Vida na Universidade Nacional de Yokohama.

Tradicionalmente, a produção de alquilbenzenos envolvia reações clássicas de Friedel-Crafts, muitas vezes resultando na geração de subprodutos indesejáveis ​​contendo halogênios tóxicos. Os agentes alquilantes convencionais são halogenetos de alquila, portanto, são produzidas quantidades equimolares de subprodutos contendo halogenetos.

“Ao reduzir as etapas extras, podemos reduzir a geração desses subprodutos”, disse Motokura.

Ao contrário dos métodos tradicionais, a alquilação direta usando alcanos como agentes alquilantes produz hidrogênio molecular inofensivo - que é gás hidrogênio - como único subproduto.

Mas para alcançar este ganho de eficiência, foi necessário o desenvolvimento de novos catalisadores – o ingrediente chave numa reacção química que a inicia ou acelera. Os pesquisadores já haviam descoberto que nanopartículas de paládio (partículas de matéria com apenas 1-100 nanômetros de diâmetro) se tornavam catalisadores altamente eficientes para alquilação direta quando situadas na superfície externa de zeólitas H-ZSM-5 – um tipo de material cristalino feito de alumínio e silício com muitos poros microscópicos.

Esses minúsculos poros são os locais onde a reação química é ativada.

O processo começa com a ativação de um alcano nos locais presentes no interior dos poros da zeólita, o que prepara o alcano para a adição de um benzeno, que é um composto orgânico em forma de anel. Isso produz o alvo:alquilbenzeno.

Durante este processo, dois átomos de hidrogênio (H) são removidos do alcano e do benzeno. Para regenerar os sítios ativos presentes no interior da zeólita, esses átomos de hidrogênio devem ser recombinados em uma molécula de hidrogênio (H₂ ). Um fenômeno de "transbordamento de hidrogênio" ocorre quando os átomos de hidrogênio se movem dos locais de ativação para as nanopartículas de paládio na superfície externa que suportam a recombinação para H₂ .

De acordo com os pesquisadores, a beleza da alquilação direta reside não apenas na sua eficiência, mas também na sua seletividade – sendo capaz de produzir um tipo específico de resultado desejado em detrimento de outros resultados possíveis menos desejados. Os pesquisadores conseguiram atingir uma seletividade de 95,6% para os produtos alquilados desejados.

Apesar dos ganhos de eficiência, o rendimento global do processo ainda permanece demasiado baixo para aplicações industriais, disseram os investigadores, pelo que a equipa pretende agora ajustar a sua técnica para aumentar a sua produtividade.

Mais informações: Satoshi Misaki et al, Nanopartículas de Pd na superfície externa de aluminossilicatos microporosos para a alquilação direta de benzenos usando alcanos, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02309
Informações do diário: Catálise ACS

Fornecido pela Universidade Nacional de Yokohama