As reações químicas que são impulsionadas pela luz oferecem uma ferramenta poderosa para os químicos que estão projetando novas maneiras de fabricar produtos farmacêuticos e outros compostos úteis. Aproveitar essa energia luminosa requer catalisadores fotorredutivos, que podem absorver a luz e transferir a energia para uma reação química.

Os químicos do MIT agora projetaram um novo tipo de catalisador fotoredox que pode facilitar a incorporação de reações acionadas pela luz nos processos de fabricação. Ao contrário da maioria dos catalisadores fotorredutores existentes, a nova classe de materiais é insolúvel, portanto, pode ser usada repetidamente. Esses catalisadores podem ser usados ​​para revestir tubos e realizar transformações químicas em reagentes à medida que fluem através do tubo.

“Ser capaz de reciclar o catalisador é um dos maiores desafios a serem superados em termos de poder usar catálise fotoredox na fabricação. Esperamos que, sendo capazes de fazer química de fluxo com um catalisador imobilizado, possamos fornecer uma nova maneira de fazer catálise fotorredutora em escalas maiores”, diz Richard Liu, pós-doutorando do MIT e co-autor principal do novo estudo.

Os novos catalisadores, que podem ser ajustados para realizar muitos tipos diferentes de reações, também podem ser incorporados a outros materiais, incluindo têxteis ou partículas.

Timothy Swager, professor de química John D. MacArthur no MIT, é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Nature Communications . Sheng Guo, um cientista de pesquisa do MIT, e Shao-Xiong Lennon Luo, um estudante de pós-graduação do MIT, também são autores do artigo.

Os catalisadores fotorredutivos funcionam absorvendo fótons e, em seguida, usando essa energia de luz para alimentar uma reação química, análoga à forma como a clorofila nas células das plantas absorve a energia do sol e a usa para construir moléculas de açúcar.

Os químicos desenvolveram duas classes principais de catalisadores fotorredutivos, que são conhecidos como catalisadores homogêneos e heterogêneos. Os catalisadores homogêneos geralmente consistem em corantes orgânicos ou complexos metálicos absorventes de luz. Esses catalisadores são fáceis de ajustar para realizar uma reação específica, mas a desvantagem é que eles se dissolvem na solução onde a reação ocorre. Isso significa que eles não podem ser facilmente removidos e usados ​​novamente.

Catalisadores heterogêneos, por outro lado, são minerais sólidos ou materiais cristalinos que formam folhas ou estruturas 3D. Esses materiais não se dissolvem, portanto podem ser usados ​​mais de uma vez. No entanto, esses catalisadores são mais difíceis de ajustar para alcançar uma reação desejada.

Para combinar os benefícios desses dois tipos de catalisadores, os pesquisadores decidiram incorporar os corantes que compõem os catalisadores homogêneos em um polímero sólido. Para esta aplicação, os pesquisadores adaptaram um polímero semelhante a plástico com poros minúsculos que haviam desenvolvido anteriormente para realizar separações de gases. Neste estudo, os pesquisadores demonstraram que poderiam incorporar cerca de uma dúzia de catalisadores homogêneos diferentes em seu novo material híbrido, mas acreditam que poderia funcionar muito mais.

“Esses catalisadores híbridos têm a reciclabilidade e durabilidade de catalisadores heterogêneos, mas também a sintonização precisa de catalisadores homogêneos”, diz Liu. “Você pode incorporar o corante sem perder sua atividade química, então, você pode mais ou menos escolher entre as dezenas de milhares de reações fotorredutivas que já são conhecidas e obter um equivalente insolúvel do catalisador que você precisa.”

Os pesquisadores descobriram que incorporar os catalisadores em polímeros também os ajudou a se tornarem mais eficientes. Uma razão é que as moléculas reagentes podem ser mantidas nos poros do polímero, prontas para reagir. Além disso, a energia da luz pode viajar facilmente ao longo do polímero para encontrar os reagentes em espera.

“Os novos polímeros ligam as moléculas da solução e as pré-concentram efetivamente para a reação”, diz Swager. “Além disso, os estados excitados podem migrar rapidamente por todo o polímero. A mobilidade combinada do estado excitado e a partição dos reagentes no polímero tornam as reações mais rápidas e eficientes do que são possíveis em processos de solução pura.”

Os pesquisadores também mostraram que podem ajustar as propriedades físicas da estrutura do polímero, incluindo sua espessura e porosidade, com base em qual aplicação eles desejam usar o catalisador.

Como um exemplo, eles mostraram que poderiam fazer polímeros fluorados que grudariam em tubos fluorados, que são frequentemente usados ​​para fabricação de fluxo contínuo. Durante esse tipo de fabricação, os reagentes químicos fluem através de uma série de tubos enquanto novos ingredientes são adicionados ou outras etapas, como purificação ou separação, são realizadas.

Atualmente, é um desafio incorporar reações fotorredutivas em processos de fluxo contínuo porque os catalisadores são usados ​​rapidamente, então eles precisam ser continuamente adicionados à solução. A incorporação dos novos catalisadores projetados pelo MIT na tubulação usada para esse tipo de fabricação pode permitir que as reações fotorredutivas sejam realizadas durante o fluxo contínuo. A tubulação é transparente, permitindo que a luz de um LED alcance os catalisadores e os ative.

“A ideia é ter o catalisador cobrindo um tubo, para que você possa fluir sua reação através do tubo enquanto o catalisador permanece no lugar. Dessa forma, você nunca faz com que o catalisador termine no produto e também pode obter uma eficiência muito maior”, diz Liu.

Os catalisadores também podem ser usados ​​para revestir esferas magnéticas, tornando-as mais fáceis de retirar de uma solução quando a reação terminar, ou para revestir frascos de reação ou têxteis. Os pesquisadores agora estão trabalhando na incorporação de uma variedade maior de catalisadores em seus polímeros e na engenharia dos polímeros para otimizá-los para diferentes aplicações possíveis.

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pela KAUST Sensor Initiative.