Pesquisadores da Universidade Nacional de Seul, na Coreia do Sul, descobriram que pequenas variações de acidez ao redor dos eletrodos podem determinar o sucesso de uma reação química. Ao controlar esse ambiente, a equipe elevou de aproximadamente 16% para 97% a proporção do produto desejado.
O trabalho usa oxigênio e eletricidade para produzir compostos empregados na fabricação de plásticos, medicamentos, adesivos, revestimentos e materiais eletrônicos. A abordagem reduz a necessidade de adicionar separadamente oxidantes à base de peróxidos, substâncias que podem dificultar o manuseio e gerar resíduos.
Os resultados foram publicados no Journal of the American Chemical Society (JACS). A pesquisa foi liderada por Jaeyune Ryu, professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Universidade Nacional de Seul.
O papel do pH perto dos eletrodos
A pesquisa se concentrou na eletrossíntese orgânica, técnica que usa energia elétrica para conduzir reações de compostos à base de carbono. Até agora, o desempenho desses processos era associado principalmente à voltagem, aos materiais dos eletrodos e à composição da solução.
A equipe identificou que o pH local — a acidez ou alcalinidade na região imediatamente próxima aos eletrodos — também exerce influência decisiva. Durante a reação, íons de hidrogênio podem ser produzidos ou consumidos mais rapidamente do que conseguem se deslocar pelo líquido. Com isso, a acidez perto dos eletrodos pode ficar muito diferente daquela medida no restante da solução.
Segundo os pesquisadores, mesmo quando a solução como um todo permanece praticamente neutra, a região próxima ao cátodo pode atingir aproximadamente pH 11, enquanto a área próxima ao ânodo pode chegar a pH 2,5. Essas condições alteram a formação de espécies reativas de oxigênio, modificam as moléculas iniciais e podem acelerar a decomposição dos produtos.
Para avaliar a possível abrangência do fenômeno, os cientistas analisaram mais de 600 artigos sobre eletrossíntese orgânica publicados desde 2010. Cerca de 89% dos estudos examinados envolviam reações em que elétrons e prótons eram transferidos em um ou mais eletrodos, característica que pode favorecer mudanças locais de acidez.
Reator redesenhado
O grupo testou o efeito do pH local na oxidação de Baeyer-Villiger, processo que adiciona um átomo de oxigênio a uma cetona e a transforma em éster ou lactona. Lactonas são usadas como componentes iniciais de plásticos biodegradáveis e poliuretanos.
Em vez de fornecer oxidantes peroxigenados de fora do sistema, os pesquisadores ativaram o oxigênio gasoso em um eletrodo. Experimentos com isótopos confirmaram que o oxigênio incorporado aos produtos vinha do gás, e não da água.
O reator foi redesenhado para aproximar os eletrodos e permitir a circulação do eletrólito, líquido condutor que transporta os componentes da reação. A distância entre os eletrodos foi reduzida de 20 milímetros para 4 milímetros. De acordo com os testes, essa mudança aumentou em aproximadamente 2,2 vezes a taxa de produção.
O fluxo do líquido também teve efeito expressivo: entre as vazões avaliadas, a quantidade produzida por unidade de tempo aumentou cerca de 14 vezes da menor para a maior. Quando o líquido não circulou, os pesquisadores obtiveram quase nenhum produto desejado, apesar de manterem a mesma voltagem e a mesma composição da solução.
Com o controle das condições próximas aos eletrodos, a seletividade da reação — proporção de formação do composto pretendido em relação a produtos indesejados — subiu de cerca de 16% para aproximadamente 97%.
Aplicações testadas
Nas condições otimizadas, a equipe sintetizou lactonas a partir de 18 compostos diferentes do grupo das cetonas. Entre os exemplos está a ε-caprolactona, obtida com rendimento de 82%. Esse composto é usado na produção de policaprolactona, polímero biodegradável aplicado em suturas cirúrgicas e sistemas de liberação de medicamentos.
A estratégia também foi aplicada à produção de epóxidos a partir de seis compostos do grupo dos alcenos. Essas substâncias são utilizadas em adesivos, revestimentos de proteção, resinas epóxi para materiais eletrônicos, medicamentos e produtos químicos especializados.
Os pesquisadores afirmam que o método ocorre em temperatura ambiente e pressão atmosférica normal. A eletricidade fornece a energia da reação, o que pode permitir no futuro a integração com fontes renováveis. A equipe também aponta possíveis aplicações em ingredientes farmacêuticos e outros produtos químicos de maior valor.
O estudo, porém, ainda não demonstra viabilidade industrial. Os autores indicam que serão necessários novos testes, otimização e aumento de escala para verificar se os resultados de laboratório podem ser reproduzidos de forma confiável e econômica na fabricação comercial.
