Um grupo de investigadores consegue simplificar os processos de fabrico de uma forma mais sustentável, com menos meios e menos materiais
Fabricar produtos industriais como plásticos, produtos farmacêuticos e detergentes sem utilizar solventes tóxicos nem metais pesados já é possível graças ao trabalho de investigadores espanhóis.
Trata-se da conquista de um grupo de investigação do Instituto de Tecnologia Química (ITQ), centro misto do Conselho Superior de Investigação Científica (CSIC) e da Universidade Politécnica de Valência (UPV), que desenvolveu um novo método para realizar uma reação fundamental na indústria química, a epoxidação de alquenos, utilizando apenas oxigénio ou ar, sem necessidade de utilizar catalisadores ou solventes.
O novo método foi patenteado e os seus resultados estão agora publicados na revista Nature Communications sob o título Epoxidação aeróbica não catalisada de alquil alquenos líquidos.
Reação industrial
Segundo o CSIC, «a epoxidação de alcenos é uma reação fundamental na indústria química, na qual um alceno, uma molécula orgânica formada por carbono e hidrogénio, se transforma num epóxido, um composto muito reativo que é muito útil em muitas reações químicas e industriais».
São essenciais, entre outros, na produção de plásticos e resinas epóxi (polímeros de grande resistência e versatilidade utilizados na construção, informática ou automotiva), bem como na fabricação de produtos farmacêuticos, detergentes, fragrâncias e aromas.
Como peças de Lego
«No que diz respeito à epoxidação de alcenos, temos de imaginar que os alcenos são como peças de Lego feitas apenas de carbono e hidrogénio, com uma ligação dupla entre dois dos seus átomos de carbono. Essa ligação dupla é uma espécie de ponto fraco, onde a molécula é mais reativa», explica Antonio Leyva Pérez, investigador científico do CSIC no ITQ (UPV-CSIC) e coautor da investigação.
A epoxidação é a reação química que pega essas peças de Lego, os alcenos, e adiciona um átomo de oxigénio para formar uma estrutura de três átomos, dois de carbono e um de oxigénio», sublinha o investigador.
«O resultado é um novo composto, o epóxido, muito mais reativo e versátil, uma peça fundamental que, de facto, abre muitas portas no campo da química», acrescenta Leyva Pérez.
Vanádio e titânio
Até agora, um dos métodos mais comuns para obter epóxidos é a epoxidação catalítica, um processo químico no qual os alquenos obtêm o átomo de oxigénio a partir do peróxido de hidrogénio, comumente conhecido como água oxigenada.
No entanto, para que o peróxido doe o átomo de oxigénio aos alquenos, é necessário o uso de catalisadores, onde são utilizados metais como o vanádio ou o titânio, que atuam como «mediadores moleculares» para converter os alquenos em epóxidos.
No entanto, o método inovador desenvolvido pelo ITQ permite obter epóxidos sem utilizar catalisadores, o que era considerado inviável até agora. Além disso, os seus resultados mostram altos níveis de rendimento e uma seletividade de até 90%, percentagem que se refere à preferência de uma reação química por formar um composto específico, quando existe a possibilidade de ocorrerem vários resultados diferentes.
Uma conquista inédita
Para conseguir isso, o sistema utiliza diferentes formas: a reação pode ser realizada utilizando ar a pressões moderadas (entre 3 e 5 bares); utilizando o contacto direto com o ar, onde a reação pode ocorrer espontaneamente à temperatura ambiente, algo também inédito até agora; e aplicando oxigénio e calor, com temperaturas entre 100 e 200 °C.
Este processo pode ser realizado num frasco comum aberto ao ar durante várias horas, o que permite aumentar significativamente a produção atual. A reação ocorre através de uma série de interações entre os alquenos no estado líquido e o oxigénio do ar. Nestas condições, os alquenos reagem para formar radicais, que são partículas altamente reativas capazes de ativar o oxigénio do ar.
Isto gera um superóxido, ou seja, um radical livre ou molécula com um eletrão desemparelhado (sem outro eletrão na mesma região ao redor do núcleo de um átomo) que reage com os alquenos ativados para formar um produto intermediário que, por sua vez, interage com mais oxigénio para dar origem ao produto final: um epóxido.
Apenas com ar
«Graças a este processo, é possível eliminar tanto a água oxigenada como os aditivos e o solvente utilizados até agora na indústria, substituindo tudo simplesmente por ar.
Desta forma, os custos de produção são reduzidos em mais de 50%», afirma Judit Oliver, investigadora do CSIC no ITQ (UPV-CSIC) e coautora da investigação.
Sustentável ou escalável industrialmente
Além de sustentável, este método destaca-se pela sua simplicidade, uma vez que, para realizar a reação, só requer alqueno puro e ar ou oxigénio como únicos reagentes. Também pode ser aplicado a diferentes tipos de alquenos, incluindo os derivados da biomassa.
Outra vantagem é que pode ser integrado diretamente em processos químicos muito comuns, como, por exemplo, a preparação de polímeros, lubrificantes e fármacos.
«Isto abre novas oportunidades para a síntese em uma única etapa ou one-pot, em que todos os reagentes são combinados em um único recipiente sem necessidade de isolar ou purificar os intermediários formados entre cada etapa», explica Susi Hervàs Arnandis, investigadora pré-doutoral no ITQ (UPV-CSIC), cuja tese enquadra este trabalho.
Mais seguro, sustentável e económico
Assim, o novo método pode ser combinado com outros processos de síntese num único reator e tem um baixo custo operacional, pois requer menos etapas, menos materiais e equipamentos mais simples do que os tradicionalmente utilizados para obter a mesma reação. Isso significa que é mais fácil escalá-lo industrialmente.
«Com a escalabilidade industrial, os reatores específicos utilizados para a água oxigenada podem ser substituídos por outros mais simples, uma vez que a água oxigenada é muito corrosiva e explosiva, obtendo-se um processo mais seguro, mais sustentável e mais económico», afirma o investigador do CSIC Antonio Leyva.
Equipa de investigação
O mercado global de epóxidos de alquilo foi avaliado em aproximadamente 70 mil milhões de euros em 2024 e espera-se que atinja cerca de 90 mil milhões em 2028, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) entre 3 e 6%, conforme explicado no artigo da Nature.
O trabalho foi realizado no Grupo de Catálise para Reações Orgânicas Sustentáveis do ITQ, no âmbito da tese de doutorado de Susi Hervàs Arnandis, orientada conjuntamente por Judit Oliver Meseguer e Antonio Leyva Pérez.
Além disso, também participam neste estudo como coautores Francisco Garnes Portolés e Silvia Rodríguez Nuévalos, ex-membros do grupo de investigação. Os resultados obtidos estão protegidos por patente registada.