A eletroquímica de plasma oferece uma nova maneira de formar ligações químicas orgânicas

Engenheiros de plasma e químicos da Universidade de Illinois demonstraram uma maneira sustentável de formar ligações carbono-carbono – a base de todos os compostos orgânicos – sem metais caros e raros que normalmente são necessários como catalisadores nas reações orgânicas de formação de ligações.

Por meio de uma colaboração interdisciplinar, pesquisadores de Illinois em Engenharia Nuclear, de Plasma e Radiológica, Bioengenharia e Química combinaram seus conhecimentos para desenvolver essa nova abordagem sem catalisador de metal que poderia levar a química orgânica a uma nova direção, de acordo com os pesquisadores. Em um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society, a equipe explica como eles usaram eletricidade e um processo plasma-líquido para gerar elétrons solvatados para formar ligações carbono-carbono em uma reação de acoplamento pinacol. A formação de ligação CC é amplamente utilizada na produção de muitos produtos químicos sintéticos, como produtos farmacêuticos e plásticos.

Segundo os pesquisadores, este é o primeiro exemplo de elétrons solvatados gerados por plasma para uma reação de acoplamento redox orgânico e oferece uma solução sustentável para reações orgânicas redutoras semelhantes. Normalmente, tais reações requerem reagentes metálicos ou catalisadores que não são apenas escassos e caros, mas também apresentam problemas de segurança ou ambientais e, às vezes, requerem calor no processo reativo.

"Nosso processo realmente requer apenas eletricidade - além da célula e do equipamento do reator - e, no futuro, esperamos que isso venha de fontes renováveis, como eólica, solar ou nuclear, para que todo o processo seja sustentável", disse o coautor do estudo R. Mohan Sankaran, Donald Biggar Willett Professor de Engenharia no Departamento de Engenharia Nuclear, de Plasma e Radiológica.

Sankaran disse que seu processo produz elétrons a partir do gás argônio e, em seguida, injeta esses elétrons na solução para gerar elétrons solvatados, uma poderosa espécie química normalmente gerada por radiólise, que requer equipamentos complexos.

"No nosso caso, os elétrons solvatados são gerados apenas com uma fonte de alimentação DC e um reator de eletrólise relativamente simples que abriga nossos eletrodos e a solução onde temos os substratos orgânicos", disse Sankaran, cujo grupo desenvolve plasmas de pressão atmosférica há mais de uma década, e em trabalhos anteriores, aplicou este tipo de processo plasma-líquido a outras aplicações - síntese de nanopartículas e fixação de azoto. "Estávamos curiosos sobre química orgânica, mas não tínhamos experiência nem nos métodos nem na caracterização."

Sankaran, que procurou Jeffrey S. Moore, professor pesquisador em química, para obter experiência, disse que este projeto não teria sido possível sem a colaboração.

"A maior parte disso é química - algo que meu grupo não faz - e não teríamos sucesso sem ter alguém com a formação em química necessária", disse Sankaran.

Jian Wang, autor principal do estudo e associado de pós-doutorado no grupo Moore, trouxe sua experiência em química e ciência dos materiais para o projeto e trabalhou com o especialista em plasma Scott Dubowsky, coautor do estudo e cientista pesquisador do grupo Sankaran, para aprender o processo plasma-líquido e depois identificar uma reação orgânica para estudar.

Wang experimentou diferentes substratos orgânicos, caracterizando reações usando várias técnicas analíticas e, finalmente, escolheu o acoplamento pinacol, porque é uma reação bem estabelecida para a formação de ligações carbono-carbono e uma reação que eles acreditavam que poderia funcionar com o processo líquido de plasma. Matthew Confer, outro co-autor e pesquisador de pós-doutorado no grupo de Rohit Bhargava, professor de bioengenharia e professor afiliado em química, usou sua experiência em química computacional para modelar como o produto pinacol foi formado a partir da química de elétrons solvatados e reações radicais.

"Esta é uma excelente ilustração da regra de ouro para uma colaboração bem-sucedida: os melhores colaboradores compartilham um objetivo comum, mas trazem conhecimentos diferentes", disse Moore, professor de pesquisa Stanley O. Ikenberry, professor emérito de química e professor do Howard Hughes Medical Institute.