Introdução à Catálise

Catalisadores são substâncias que são adicionadas aos sistemas químicos para permitir que as reações químicas ocorram mais rapidamente, usando menos energia.

A quantidade mínima de energia necessária para iniciar uma reação é chamada de energia de ativação. Os catalisadores fornecem uma via de reação alternativa com uma energia de ativação mais baixa, permitindo que a reação ocorra em condições menos extremas. A energia de ativação é descrita pela equação de Arrhenius.

As enzimas são moléculas biológicas que se comportam como catalisadores extremamente específicos. As enzimas são específicas da forma e guiam as moléculas reagentes, chamadas substratos, para a configuração ideal para a reação. Os catalisadores homogêneos estão na mesma fase que os reagentes. Na maioria das vezes, o catalisador e os reagentes são dissolvidos na fase líquida. Na catálise heterogênea, o catalisador e os reagentes estão em fases diferentes, separados por um limite de fase. Comumente, os catalisadores heterogêneos são sólidos e consistem em uma entidade catalítica em nanoescala, normalmente uma nanopartícula de metal, que é dispersa em um material de suporte.

O material de suporte, geralmente carbono, sílica ou óxido metálico, é usado para aumentar a área de superfície e conferir estabilidade contra a agregação das nanopartículas. Membranas e grânulos porosos, malha e chapas empilhadas são algumas das geometrias de suporte usadas na catálise.

Na catálise heterogênea, as nanopartículas possuem sítios ativos na superfície, onde ocorre a reação. Dependendo da reação, esses locais ativos podem ser faces planas ou bordas de cristal na superfície da partícula. Normalmente, nanopartículas menores têm maior atividade catalítica, devido à maior quantidade de átomos de superfície por mol de catalisador.

Este vídeo destacará os fundamentos da catálise e demonstrará como realizar uma reação catalítica básica em laboratório.

Existem vários tipos de catalisadores. Em alta temperatura, as moléculas se movem mais rápido e colidem com mais frequência. Como a proporção de colisões moleculares é maior, os reagentes têm energia suficiente para superar a energia de ativação da reação. O catalisador fornece um mecanismo de reação alternativo que aumenta a proporção de colisões a uma temperatura mais baixa, diminuindo assim a quantidade de energia necessária para completar a reação. O catalisador pode participar de múltiplas transformações químicas, porém permanece inalterado na conclusão da reação e pode ser reciclado e reutilizado.

A reação na superfície do catalisador começa com a adsorção dos reagentes no sítio ativo, seguida pela reação na superfície. A reação de superfície pode ocorrer entre uma espécie adsorvida e outra a granel, chamada de mecanismo Eley-Rideal, ou entre duas espécies adsorvidas, chamada de mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Os produtos então dessorvem da superfície para o volume.

Agora que você entende os fundamentos da catálise, vejamos a redução de 4-nitrofenol para 4-aminofenol usando um catalisador de paládio disponível comercialmente suportado em carbono ativo moído. O progresso da reação será medido usando a mudança de cor que ocorre durante a reação.

Antes de iniciar o experimento, certifique-se de usar equipamentos de proteção individual adequados, como jaleco, óculos de segurança e luvas. Para preparar os materiais, primeiro pese 14 mg de 4-nitrofenol e dissolva-o em 10 mL de água deionizada em um frasco de vidro para fazer uma solução de 10 mM. Em seguida, pesar 57 mg de borohidreto de sódio e dissolvê-lo em 15 mL de água DI para fazer uma solução de 100 mM. Misture os dois e mexa em temperatura ambiente para formar uma solução uniforme. A cor da solução não deve mudar, pois o borohidreto de sódio não pode reduzir totalmente o 4-nitrofenol sem o catalisador. Pesar 10 mg de paládio em carvão activo e 10 mg de carvão activo sem catalisador como amostra de controlo.

Transfira os catalisadores pesados para frascos separados e adicione 100 mL de água deionizada a cada um. Sonicar os frascos para injetáveis com uma potência de saída de 135 Watts até que os catalisadores estejam bem distribuídos na água.

Agora que os materiais estão preparados, a redução catalítica do 4-nitrofenol pode ser realizada. Meça 1,15 mL da solução preparada de 4-nitrofenol e borohidreto de sódio e transfira para um frasco de vidro de 5 mL.

Observe e registre a cor da solução no frasco para injetáveis. Adicione 1 mL da solução de paládio preparado em catalisador de carvão ativo ao frasco e agite com a mão para misturar.

Observe a reação por 20 minutos e registre quando a cor da solução começa a mudar e depois desaparece completamente. Quando toda a cor desbotar, a reação estará completa.

Repita o mesmo procedimento para a solução de controle de carvão ativo. À medida que a reação progride, a cor muda de amarelo para incolor, indicando o consumo de 4-nitrofenol. Para quantificar essa mudança, medir a absorbância UV-Vis da amostra a 400 nm.

Plote o log natural de absorbância em relação ao tempo. A absorbância diminui ao longo da reação, indicando o consumo de 4-nitrofenol. A amostra controle não apresentou atividade catalítica.

Os catalisadores são de vital importância para uma ampla gama de campos industriais e científicos.

Na presença de um catalisador de paládio, ocorrem reações de acoplamento carbono-carbono, conhecidas como Reação de Heck. A reação de Heck é considerada o primeiro mecanismo correto para reações de acoplamento catalisadas por metais de transição. É tão valioso para a catálise moderna que Richard F. Heck recebeu o Prêmio Nobel de Química por sua descoberta. A reação de Heck pode ser realizada usando um catalisador de paládio, como mostrado neste experimento. Aqui, o catalisador foi sintetizado à temperatura ambiente. Após a reação, o produto foi analisado por espectroscopia de ressonância magnética nuclear, ou RMN.

Na natureza, as enzimas são catalisadores que permitem uma ampla gama de reações biológicas. Por exemplo, a acetato quinase é uma enzima encontrada em microrganismos que facilita a conversão reversível de acetato em acetil fosfato.

A atividade enzimática foi medida por espectrofotometria UV-Vis, com uma curva padrão.

A quantidade de acetilfosfato consumida foi monitorada durante toda a reação e a cinética enzimática plotada em função do tempo.

Os polímeros são outro campo que pode tirar proveito da catálise. Aqui, partículas de polímero em forma de estrela foram sintetizadas.

Primeiro, o catalisador foi preparado e seco à temperatura ambiente. Os ramos do polímero foram então misturados com o catalisador e, em seguida, um reticulador foi adicionado para formar as partículas.

O tamanho das partículas foi então analisado por cromatografia de permeação em gel. As nanopartículas poliméricas, como os polímeros estelares fabricados neste exemplo, são usadas para uma ampla gama de aplicações, como administração de medicamentos e automontagem.

Você acabou de assistir à introdução à catálise de JoVE. Depois de assistir a este vídeo, você deve entender o conceito de catálise e como executar uma reação simples em laboratório.

Obrigado por assistir!