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Transformando amônia em uma fonte sustentável de nitrogênio

Nova reação com amônia pode ser usada como fonte sustentável de nitrogênio

Ativação reversível e transferência catalítica de amônia através de um composto de elementos do grupo principal. Crédito: Frank Breher, KIT

Pesquisadores do KIT revelaram um novo sistema para a ativação e transferência catalítica de amônia – a catálise é baseada em elementos do grupo principal.

A amônia (NH3), composta de nitrogênio e hidrogênio, é um dos produtos químicos mais comumente fabricados em todo o mundo. Ele desempenha um papel crucial na criação de vários compostos à base de nitrogênio. Se as aminas pudessem ser produzidas pela simples adição de amônia a hidrocarbonetos insaturados, isso seria um grande avanço na química, porque as aminas, os derivados orgânicos da amônia, são muito procuradas em diversas áreas.

Eles servem como blocos de construção de produtos químicos agrícolas e farmacêuticos, bem como de substâncias detergentes, corantes, lubrificantes e revestimentos. Além disso, as aminas são utilizadas como catalisadores na produção de poliuretanos. E as aminas são aplicadas em lavadores de gases em refinarias e usinas de energia.

Ao quebrar a ligação forte entre o azoto e o hidrogénio, ou seja, a activação, a molécula de amoníaco pode ser transferida, pelo menos teoricamente, para outras moléculas, tais como hidrocarbonetos insaturados. A transferência de amônia para etileno, substância importante na indústria química, por exemplo, daria origem à etilamina.

Esta adição é chamada de hidroaminação pelos químicos. No entanto, a amônia e o etileno não reagem facilmente entre si. É necessário um catalisador para que a reação ocorra. Os catalisadores convencionais baseados em metais de transição, entretanto, reagem com a amônia e tornam-se inativos.

“A hidroaminação de alcenos não ativados com amônia, portanto, é considerada um grande desafio ou o Santo Graal da catálise”, diz o professor Frank Breher, chefe de um grupo de pesquisa na Divisão de Química Molecular do Instituto de Química Inorgânica (AOC) do KIT. .

Ativação e transferência catalítica de amônia

Em cooperação com investigadores da Universidade Paderborn e da Universidade Complutense de Madrid, o Professor Frank Breher e o Dr. Felix Krämer da AOC chegaram agora muito mais perto de alcançar este objetivo desafiador. “Desenvolvemos um sistema de ativação de amônia, que não é baseado em metais de transição, mas em elementos do grupo principal. O “átomoO processo “econômico” de ativação e posterior transferência de amônia não gera nenhum desperdício, o que é de particular interesse em termos de sustentabilidade”, afirma Breher. O trabalho agora é relatado na Nature Chemistry.

A equipe produziu o chamado par de Lewis frustrado (FLP), que consiste em um ácido como aceitador de pares de elétrons e uma base como doadora de pares de elétrons. Normalmente, ambos reagem entre si e produzem um aduto. Se a formação de aduto for evitada ou pelo menos limitada, resulta uma situação frustrante e a molécula reage prontamente com moléculas pequenas, como a amônia.

“É crucial amortecer a reatividade de forma que a reação com moléculas pequenas seja reversível. Só então será possível utilizar tal FLP em catálise. Fomos os primeiros a conseguir isso com amônia como substrato”, relata Breher. Descobriu-se que o FLP reage facilmente com amônia não aquosa de forma termoneutra e quebra reversivelmente a ligação nitrogênio-hidrogênio da amônia à temperatura ambiente.

Pela primeira vez, os pesquisadores apresentam reações de transferência de NH3 catalisadas por um catalisador baseado em elementos do grupo principal.

“Até agora, convertemos apenas substratos ativados e nenhum hidrocarboneto insaturado. Mas chegamos muito mais perto da reação dos nossos sonhos”, diz Breher. “Esperamos que a nossa primeira prova de princípio inicie novos trabalhos sobre o uso de amônia ativada por NH como uma fonte de nitrogênio facilmente disponível e sustentável.”

Referência: “Um ambifílico cristalino à base de alumínio-carbono capaz de ativação e transferência catalítica de amônia em meios não aquosos” por Felix Krämer, Jan Paradies, Israel Fernández e Frank Breher, 28 de setembro de 2023, Química da Natureza.
DOI: 10.1038/s41557-023-01340-9



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