Tecnologia Científica

Qua­micos descobrem a chave para a produção de alimentos mais verdes
Paul Chirik, o professor de química Edwards S. Sanford, deu um passo importante em direa§a£o a essa possibilidade com uma abordagem única e fundamental para a sa­ntese de ligaa§aµes químicas.
Por Wendy Plump - 31/07/2021


O brilho da luz azul no ira­dio deixa-o “animado”, dando-lhe a energia para se chocar com a molanãcula de antraceno e transferir um a¡tomo de hidrogaªnio, formando uma ligação fraca. O catalisador de ira­dio então ativa o gás hidrogaªnio, completando o ciclo. Crédito: Princeton University

Indiscutivelmente o avanço industrial mais importante (se menos conhecido) do século 20, o processo de sa­ntese de ama´nia Haber-Bosch essencialmente conquistou a escassez de alimentos criando os meios para produzir fertilizantes em massa - fertilizantes então usados ​​para fortificar colheitas de alimentos ao redor do mundo.

Mas a produção de ama´nia - o bloco de construção do fertilizante de nitrato de ama´nio - gera um subproduto problema¡tico no futuro: o dia³xido de carbono. Muito: mais de duas toneladas de carbono para cada tonelada de fertilizante. a‰ responsável por cerca de 1,4% das emissaµes globais de dia³xido de carbono . Assim, embora o processo tenha combatido a fome em massa, ele também começou a aumentar a carga de gases do efeito estufa do planeta.

Um dos principais objetivos dos cientistas hoje édesvincular a produção de alimentos do carbono. Em parte, isso significa encontrar uma maneira de produzir fertilizantes por meio da sa­ntese de ama´nia livre de carbono. Isso pode ser feito sem Haber-Bosch?

Paul Chirik, o professor de química Edwards S. Sanford, deu um passo importante em direção a essa possibilidade com uma abordagem única e fundamental para a sa­ntese de ligações químicas. Ele e os pesquisadores em seu laboratório usam luz visível para conduzir a formação de ligações fracas de hidrogaªnio, que estãono cerne do desafio porque são muito difa­ceis de fazer.

O papel de prova de conceito do laboratório, publicado este maªs na Nature Chemistry , apresenta um manãtodo simples que envolve o brilho de luz azul em um catalisador de ira­dio para permitir a formação de ligações fracas no ou pra³ximo ao potencial termodina¢mico - isto anã, sem grandes despesas de energia - sem um subproduto de carbono.

"O grande avanço aqui éser capaz de pegar luz e, em seguida, promover uma reação química para fazer uma ligação que érealmente fraca, que vocênão poderia fazer sem um esta­mulo externo", disse Chirik. “No passado, esse esta­mulo estava associado a desperda­cio ou consumo de eletricidade. Aqui, fazemos isso com luz.

"Temos esse mundo de catalisadores de metal que fizeram coisas incra­veis - fizeram ama´nia, fizeram drogas, fizeram polímeros. Agora, podemos fazer ainda mais com eles quando comea§armos a observar o que acontece quando esses os catalisadores absorvem a luz ", acrescentou. "Então, vocêestãopegando algo que fazia uma química muito legal antes e estãoadicionando mais 50 quilocalorias.
 
"Um mundo inteiro se abre. De repente, háuma nova classe de reações que podemos pensar em fazer."

Brilhar uma luz

As ligações EH são simplesmente uma forma de denotar quaisquer ligações que vocêpossa fazer entre o hidrogaªnio e outro elemento. As forças das ligações EH são altamente dependentes da estrutura química de cada elemento, mas muitas dessas ligações são fracas - insta¡veis ​​e inclinadas a quebrar facilmente e formar hidrogaªnio (H 2 ). A maioria das reações químicas éimpulsionada pela formação de ligações fortes, pois a energia éliberada quando produtos mais esta¡veis ​​são formados. a‰ a montagem de laa§os fracos que apresenta o desafio.

O laboratório de Chirik descobriu uma maneira de fazer uma ligação fraca iluminando um catalisador; neste caso, ira­dio.

Funciona assim: os pesquisadores escolheram uma molanãcula orga¢nica representativa, o antraceno, que atua como uma espanãcie de plataforma na qual a química ocorre dentro do frasco de reação. O brilho da luz azul no ira­dio dentro do frasco o deixa "excitado", o que significa que ele tem energia para impulsionar a reação. Nesse estado, ele se choca com a molanãcula de antraceno e transfere um a¡tomo de hidrogaªnio para formar uma ligação fraca. O catalisador de ira­dio então ativa o gás hidrogaªnio, completando o ciclo.

A utilização de gás hidrogaªnio em vez de fontes de hidrogaªnio a  base de carbono - amplamente utilizadas em sa­ntese orga¢nica no passado - fornece uma maneira sustenta¡vel de fazer ligações químicas fracas sem gerar um subproduto de carbono.

Yoonsu Park, um associado de pesquisa de pa³s-doutorado no laboratório de Chirik e autor principal do artigo, e Sangmin Kim, um Ph.D. em 2021. graduado em laboratório, teve a ideia de usar a fotoquímica revisando laa§os fracos que aparecem em outras reações e extrapolando suas lições. Dois autores adicionais no artigo - Greg Scholes, o William S. Tod Professor de Quí­mica e seu aluno de graduação Lei Tian - contribua­ram com insights sobre o papel da luz azul usando uma variedade de experimentos a laser.

Park também determinou qual catalisador meta¡lico na vasta extensão da tabela peria³dica seria o mais eficaz para realizar a reação desejada. Saltando do trabalho de laboratório anterior feito com ra³dio - outro catalisador de metal raro e caro - ele rapidamente se concentrou no ira­dio.

Embora os cientistas ainda não estejam prontos para descartar Haber-Bosch, a prova de conceito do laboratório de Chirik éum passo inicial importante.

"Ainda não produzimos ama´nia de maneira catala­tica. Temos um longo caminho a percorrer nesse sentido", disse Chirik. "Mas éessa ideia de aprender a fazer esses laa§os fracos que étão importante.

"O que eu gosto nessa pesquisa éque édiferente. a‰ química fundamental, o mais ba¡sico possí­vel. Ninguanãm vai abrir uma fa¡brica nesta pesquisa amanha£. Mas estamos muito animados com o conceito e realmente esperamos que outras pessoas fazer essa química em outros contextos. "

 

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