As reações químicas que são impulsionadas pela luz oferecem uma ferramenta poderosa para os químicos que estãoprojetando novas maneiras de fabricar produtos farmacaªuticos e outros compostos aºteis. 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 contra¡rio da maioria dos catalisadores fotorredutores existentes, a nova classe de materiais éinsolaºvel, portanto, pode ser usada repetidamente. Esses catalisadores podem ser usados ​​para revestir tubos e realizar transformações químicas em reagentes a  medida que fluem atravanãs do tubo.

“Ser capaz de reciclar o catalisador éum dos maiores desafios a serem superados em termos de poder usar cata¡lise fotoredox na fabricação. Esperamos que, sendo capazes de fazer química de fluxo com um catalisador imobilizado, possamos fornecer uma nova maneira de fazer cata¡lise fotorredutora em escalas maiores”, diz Richard Liu, pa³s-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 taªxteis ou partículas

Timothy Swager, professor de química John D. MacArthur no MIT, éo autor saªnior 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 fa³tons e, em seguida, usando essa energia de luz para alimentar uma reação química, ana¡loga a  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 homogaªneos e heterogaªneos. Os catalisadores homogaªneos geralmente consistem em corantes orga¢nicos ou complexos meta¡licos absorventes de luz. Esses catalisadores são fa¡ceis de ajustar para realizar uma reação especa­fica, mas a desvantagem éque eles se dissolvem na solução onde a reação ocorre. Isso significa que eles não podem ser facilmente removidos e usados ​​novamente.

Catalisadores heterogaªneos, por outro lado, são minerais sãolidos 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 difa­ceis de ajustar para alcana§ar uma reação desejada.

Para combinar os benefa­cios desses dois tipos de catalisadores, os pesquisadores decidiram incorporar os corantes que compõem os catalisadores homogaªneos em um pola­mero sãolido. Para esta aplicação, os pesquisadores adaptaram um pola­mero semelhante a pla¡stico com poros minaºsculos que haviam desenvolvido anteriormente para realizar separações de gases. Neste estudo, os pesquisadores demonstraram que poderiam incorporar cerca de uma daºzia de catalisadores homogaªneos diferentes em seu novo material ha­brido, mas acreditam que poderia funcionar muito mais.

“Esses catalisadores ha­bridos tem a reciclabilidade e durabilidade de catalisadores heterogaªneos, mas também a sintonização precisa de catalisadores homogaªneos”, diz Liu. “Vocaª pode incorporar o corante sem perder sua atividade química, então, vocêpode mais ou menos escolher entre as dezenas de milhares de reações fotorredutivas que já são conhecidas e obter um equivalente insolaºvel do catalisador que vocêprecisa.”

Os pesquisadores descobriram que incorporar os catalisadores em polímeros também os ajudou a se tornarem mais eficientes. Uma razãoéque as moléculas reagentes podem ser mantidas nos poros do pola­mero, prontas para reagir. Além disso, a energia da luz pode viajar facilmente ao longo do pola­mero 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 pola­mero. A mobilidade combinada do estado excitado e a partição dos reagentes no pola­mero tornam as reações mais rápidas e eficientes do que são possa­veis em processos de solução pura.”

Os pesquisadores também mostraram que podem ajustar as propriedades físicas da estrutura do pola­mero, 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 conta­nuo. Durante esse tipo de fabricação, os reagentes químicos fluem atravanãs de uma sanãrie de tubos enquanto novos ingredientes são adicionados ou outras etapas, como purificação ou separação, são realizadas.

Atualmente, éum desafio incorporar reações fotorredutivas em processos de fluxo conta­nuo porque os catalisadores são usados ​​rapidamente, então eles precisam ser continuamente adicionados a  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 conta­nuo. A tubulação étransparente, permitindo que a luz de um LED alcance os catalisadores e os ative.

“A ideia éter o catalisador cobrindo um tubo, para que vocêpossa fluir sua reação atravanãs do tubo enquanto o catalisador permanece no lugar. Dessa forma, vocênunca 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 magnanãticas, tornando-as mais fa¡ceis de retirar de uma solução quando a reação terminar, ou para revestir frascos de reação ou taªxteis. Os pesquisadores agora estãotrabalhando na incorporação de uma variedade maior de catalisadores em seus polímeros e na engenharia dos polímeros para otimiza¡-los para diferentes aplicações possa­veis.

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