Como podemos explicar que catalisadores aceleram reações químicas?

Tempo de leitura: 7 minutos

Texto produzido por Nicolas Bernardo Matos (UFABC); Roberta Pagliai Naves (UFABC), discentes da Licenciatura Interdisciplinar em Ciências Naturais e Exatas. 

Catalisadores: o que são, para quê servem e para onde vão?
Responder a essas perguntas é uma tarefa que pode parecer simples, afinal, todos nós tivemos ao longo do Ensino Médio pelo menos uma aula sobre catalisadores e, muitas vezes, acabamos nem parando mais para pensar se o que estamos aprendendo (ou aprendemos há algum tempo) já se transformou por conta de avanços na ciência. Por isso, antes de mais nada, vale dar uma breve recapitulada nos catalisadores mais conhecidos e como eles funcionam.

Vamos brincar um pouco com a imaginação para ajudar…pense que você está querendo sair de casa (ponto inicial) e ir curtir um show de rock na cidade vizinha (ponto final), lógico que, se você for a pé irá se cansar bastante (talvez até coma um lanche para repor as energias) e vai demorar muito, mas no fim das contas chegará aonde quer. No entanto, para sua sorte, há uma estação de trem perto de sua casa, dali, você pode embarcar e descer pertinho do seu destino, não vai ser cansativo e vai ser bem mais rápido e, aos filósofos de plantão, você continuará sendo você, independente da cidade que estiver.

Essa historinha que lemos é mais ou menos como um catalisador funciona.

Os catalisadores basicamente aceleram a velocidade de uma reação química. Ao reduzirem a energia necessária para o processo químico acontecer, ajudam a obter os produtos desejados (ponto final) com os mesmos reagentes (ponto inicial), sem interferir na composição esperada ou mesmo serem consumidos.

Só que o mais interessante está chegando porque, até pouco tempo, a ciência utilizava e difundia a existência de apenas dois tipos de catalisadores:

• Metálicos:  Os metais fazem parte de um grande grupo de substâncias usadas para fazer a catálise, mas que são subdivididos em dois tipos principais devido as diferentes fase que estarão durante a transformação química:
  • Catálise heterogênea – É um processo muito usado na indústria, desde a produção da manteiga que você passa no pão pela manhã até a separação de derivados do petróleo, como a gasolina e o gás de cozinha. Isso acontece porque os catalisadores neste tipo de catálise são facilmente separados da mistura de uma reação e não corroem os equipamentos da fábrica, mas exigem temperaturas mais elevadas, equipamentos mais sofisticados, são materiais de alto custo (ouro e platina, que não são nada baratos, são bastante utilizados) e pouco seletivos. De forma simples, o que define a catálise heterogênea é que o catalisador é sólido e os reagentes são líquidos ou gases, ou seja, estão em fases diferentes.
  • Catálise homogênea (dióxido de nitrogênio, iodeto de potássio)- É um processo que vem ganhando espaço na indústria, visto que suas reações químicas acontecem na temperatura e na pressão do ambiente, não exigem condições especiais e, também, é realizada com substâncias de menor custo. O que basicamente define esta catálise é que o catalisador está em uma fase igual dos reagentes (em geral, na fase líquida). Contudo, separar o catalisador dos produtos é mais difícil, ainda assim, é mais fácil estudar como seu processo funciona e, por isso, muitos estudos vêm sendo feitos para que substâncias metálicas atuem de forma homogênea, produzindo menos resíduos, sendo menos corrosivos e mais seletivos, além de serem solúveis em compostos orgânicos.
• Enzimáticos: Este tipo de catalisador, aqui entre nós, é o tipo mais legal, porque é realizado por meio de enzimas bastante especializadas. Com elas, a reação química acontece muito rapidamente, mais rápido que um piscar de olhos. Para ajudar a entender, a figura abaixo ajuda a explicar esse tipo de catálise biológica:

Mas isso mudou!

Já por algumas décadas muitos pesquisadores estavam buscando meios alternativos de catálise através de organocatalisadores (isto é, usando moléculas orgânicas invés de metais ou enzimas), até que finalmente Benjamin List (Alemanha) e David MacMillan (Reino Unido) encontraram um 3º tipo de catalisador com as mesmas capacidades de aceleração em reações químicas. Essa descoberta foi chamada de organocatálise assimétrica.

Organocatálise assimétrica é um nome pomposo para um processo fantástico, assim, vamos ver por partes para entender como ela funciona.

Por usarem moléculas orgânicas compostas por pequenos elementos (aqui podemos pensar no carbono associado a oxigênio, nitrogênio, fósforo e outros), são catalisadores de origem simples, estáveis, de fácil manipulação, com baixo nível de risco à saúde, baratos e sobretudo não agridem o meio ambiente. Quando entram em contato com os reagentes, aceleram a reação, ajudam a formar o produto e se mantêm estáveis ao longo de todo o processo.

Além disso, esse tipo de catalisador ajuda a formar na reação um único e previsível produto, algo que a indústria dos medicamentos e da agricultura se interessa bastante, pois todos querem a certeza absoluta de que estão produzindo aquilo que foi planejado, sem resultar em outros compostos que poderiam ser problemáticos (o nome técnico disso é que são enantiometricamente puros).

E não só isso, o termo “assimetria” foi dado pois a organização molecular do catalisador é peculiar, visto que o mesmo tipo de molécula orgânica pode participar em reações química diferentes e, também, pode ser reorganizada com os mesmos elementos, mas originar um produto final diferente. E OK, pode ser um pouco complicado de entender esse conceito, por isso, aqui embaixo você pode ver um exemplo da mesma molécula organizada de duas formas, resultando em coisas diferentes:

Bom, só sistematizar e divulgar esse processo de catálise tão inovador, por si só já, é bastante recompensador, não acha? Afinal, eles abriram novos caminhos para o desenvolvimento de processos químicos mais eficientes e ecológicos. Contudo, essa contribuição feita por List e MacMillan foi reconhecida pela tradicional Real Academia Sueca de Ciências em 2021 e lhes rendeu – mais que merecidamente – o Prêmio Nobel de Química naquele ano.

Sabemos que você já pode estar começando a se cansar de ler este texto, mas antes que vá embora, há uma última coisa bastante importante para você saber.

Toda essa busca por um processo de catálise mais moderno é resultado de algumas demandas da indústria, mas não só isso, ela é resultado de uma necessidade que vários outros segmentos estão tendo em decorrência da consciência e da urgência ambiental. Cada dia mais precisamos de um estilo de vida que não esgote os recursos naturais tão preciosos em nosso planeta, tanto é que foi neste contexto que surgiu a chamada “química verde” (o tal dos organocatalisadores entram aí)

De forma resumida, a química verde busca um desenvolvimento sustentável do processo químico no qual visa diminuir os danos causados ao meio ambiente com resíduos e efluentes (descartes na forma de líquidos ou gases) tóxicos. Idealmente, a aplicação dos princípios da química verde promovem o desenvolvimento de tecnologias e processos que não poluem ou emitem baixo índice de poluentes. Além dos benefícios ambientais, essa perspectiva também gera um impacto econômico positivo graças à diminuição de gastos com o armazenamento e tratamento de resíduos, com a descontaminação de resíduos perigosos e o pagamento de indenizações por danos ambientais ou mesmo laborais.

E sabe, o que vimos até aqui foi só uma pontinha do universo sobre catalisadores e a química verde, mas já foi fantástico, não é? Assim, não esqueça, são feitas dezenas de descobertas todos os anos na área da química e muitas mais estão por vir. As portas para homens e mulheres nas ciências estão abertas e a todo vapor, por isso, o que você está esperando para participar?

Fontes:

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Grupo A, 2018. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788582604625/. Acesso em: 26 set. 2022

BOERNER, L. K. Os pioneiros da organocatálise assimétrica ganham o Prêmio Nobel de Química de 2021. Chemical and Engineering News, v. 99, n. 37, 09 out. 2021. Disponível em: https://cen.acs.org/people/nobel-prize/pt-Os-pioneiros-da-organocatalise-assimetrica-
ganham-o-Premio-Nobel-de-Quimica-de-2021/99/i37. Acesso em 05 out. 2022.

E-DISCIPLINAS USP. Cinética Química. Disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/1291965/mod_resource/content/1/Cin%C3%A9tica%20qu%C3%ADmica__material.pdf. Acesso em 01 out. 2022.

FERNHOLM, A. Their tools revolutionised the construction of molecules. The Nobel Prize: popular information. Disponível em: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/popular-information. Acesso em 27 set. 2022.

PRADO, G. S. A. Química verde, os desafios da química do novo milênio. Química Nova, v. 26, n. 5, p. 738-744, 2003. Disponível em: https://www.scielo.br/j/qn/a/Lr7DQT 8pwNDfDPYJ53DwH6J/?format=pdf&lang=pt. Acesso em: 04 out. 2022.

TANAKA, N. Enzimas. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/biologia/enzimas. Acesso em: 05 out. 2022.

SILVA, L. L. Cinética química: conceitos e aplicação de alguns experimentos em laboratório. Instituto Federal de Goiás: campus Inhumas, 39f., mar. 2017. Disponível em: https://repositorio.ifg.edu.br/bitstream/prefix/166/1/corre%c3%a7%c3%a3o%20final.pdf. Acesso em 01 out. 2022.

Para saber mais:

KHAN ACADEMY. Equação de Arrhenius e mecanismos de reação. Khan Academy: biblioteca de química [on-line]. Disponível em: https://pt.khanacademy.org/science/chemistry/chem-kinetics/arrhenius-equation/v/collision-theory.

MOLECULAR JE. Podcast Molecular – nos bastidores da ciência. Episódios 4, 11 e 24. Disponível em: https://open.spotify.com/show/6IrNLO1a3Pxi9Ug7HXi9xJ?si=4b52d28844e848ea.  

REVISTA GALILEU. O que é organocatálise, técnica criada pelos vencedores do Nobel de Química. Revista Galileu: ciência [on-line], 06 out. 2021. Disponível em: https://revistagalileu.globo.com/Ciencia/noticia/2021/10/o-que-e-organocatalise-tecnica-criada-pelos-vencedoresdo-nobel-de-quimica.html.