As pessoas estão atentas ao impacto ambiental de tudo o que fazem: nos negócios, no governo, e individualmente tornando-se cada vez mais conscientes da necessidade de sustentabilidade e, subsequentemente, isso reflete nas suas ações. Os químicos não são diferentes e desempenham um papel fundamental no movimento em direção a um futuro sustentável, aplicando a sua profissão na procura de soluções verdes inovadoras numa infinidade de indústrias. No entanto, os próprios químicos produzem uma grande quantidade de resíduos através do uso extensivo de solventes orgânicos, como meios para realizar reações.
Abaixo analisamos os resíduos causados pelos solventes orgânicos e como a água pode ser uma alternativa sustentável.
As armadilhas dos solventes orgânicos
Os solventes orgânicos são normalmente perigosos tanto para a segurança como para a saúde; são frequentemente inflamáveis (por exemplo, acetona) e têm propriedades irritantes para a pele, mas também podem ser cancerígenos (por exemplo, benzeno), ter riscos reprodutivos (por exemplo, 2-etoxietanol) ou podem ser neurotoxinas (por exemplo, hexano). Estas características significam que nunca devem ser descarregados no ambiente e, em vez disso, devem ser recolhidos e incinerados, sendo que contribuem para as emissões de gases com efeito de estufa. Estes produtos químicos também são frequentemente provenientes de reservas de combustíveis fósseis: recursos finitos utilizados para inúmeros fins a nível mundial – isto por si só não significa “sustentável”.
Água – Uma Alternativa Verde
A busca por meios substitutos para realizar essas reações, incluindo o uso de CO₂ supercrítico, líquidos iônicos e produtos orgânicos derivados de biomassa, está progredindo, mas cada um tem limitações. Outra opção que tem chamado a atenção de muitos químicos nos últimos anos é na verdade a água - considerada “solvente da natureza”¹, a água é abundante, não tóxica, não inflamável e barata. As propriedades físicas da água, e como elas mudam com a temperatura e a pressão, permitem muito mais reações do que se esperava que ocorressem neste solvente polar. A água tem uma grande constante dielétrica e alta polaridade, o que leva ao efeito hidrofóbico - o agrupamento de moléculas ou funcionalidades não polares para reduzir a área interfacial polar/não polar. Isso pode concentrar bolsões de reagentes apolares, influenciando sua taxa de reação, quimio e regiosseletividade². As reações que ocorrem em condições como esta são denominadas 'na água', e o exemplo mais bem documentado é a aceleração da reação de Diels-Alder com água como solvente, conforme mostrado por Rideout e Breslow, 1980³. A capacidade de modular o efeito hidrofóbico da água com a adição de diferentes sais no “salting-in” e no “salting-out” foi ainda demonstrada neste trabalho. Compostos orgânicos voláteis (VOCs) têm sido tradicionalmente usados como meios solventes para reações como esta.
Alterando as características da água
O aquecimento e a pressurização da água para estados subcríticos ou supercríticos proporcionam opções adicionais na utilização da água como solvente, embora tragam preocupações de segurança e requisitos energéticos que podem limitar a conveniência e a aplicação destas condições. Essas mudanças de estado alteram drasticamente as propriedades da água, passando a ter baixa constante dielétrica, baixa polaridade e maior dissociação. A água supercrítica é, portanto, um solvente altamente adequado para compostos não polares, permitindo a sua reação em toda a mistura reacional. Além disso, o aumento da dissociação dos íons H+ e OH- fornece catálise ácida e básica, sem a necessidade de alterar o pH.
Reações 'na água' assistidas por surfactante
Outra opção promissora para reação utilizando água como solvente é o uso de surfactantes para proporcionar melhor interação entre moléculas polares e apolares em reações 'em água'⁴. O grupo Lipshutz da UC Santa Barbara concentra-se na melhoria da química verde na química orgânica sintética, e um de seus focos são os “surfactantes projetados” que podem, quando presentes na água em quantidades muito limitadas, fornecer micelas nanométricas ou os chamados “nanorreatores” para ocorram reações apolares. Lipshutz e seu grupo foram capazes de realizar muitas reações orgânicas de grande nome usando água como solvente, incluindo acoplamentos Suzuki-Miyaura, Sonogashira, Mizoroki-Heck e Negishi⁽⁵⁾ e Lipshutz afirma: “A catálise micelar está se tornando rica com uma crescente caixa de ferramentas de tecnologias que permitem que praticamente qualquer reação ocorra na água.”⁽⁶⁾
As quantidades limitadas de surfactantes projetados necessários têm o benefício descrito acima de “concentrações locais mais altas de substrato e, portanto, taxas de reação mais rápidas”, muitas vezes também reduzindo as cargas do catalisador e a energia necessária para as reações⁴. Condições relativamente amenas são, na verdade, frequentemente exigidas pela necessidade de evitar que os surfactantes atinjam o seu ponto de turvação, onde as propriedades das soluções surfactantes mudam. Além disso, o processamento necessário para isolamento e purificação de produtos de reação pode ser bastante simplificado usando condições de reação em água, com processamento incluindo extração “em frasco” do produto da mistura de reação aquosa usando uma quantidade única e mínima de um solvente orgânico reciclável, ou simplesmente decantando ou filtrando para obter o produto sólido”⁴. Outros benefícios das condições de reação em água incluem a capacidade de realizar etapas de reação sequenciais em um recipiente sem processamento e, particularmente, de mesclar reações sequenciais usando quimiocatálise e biocatálise (usando enzimas que podem ser desativadas por solventes orgânicos)⁽⁷⁾.
Uma perspectiva promissora para a água como solvente verde
A água parece ser uma promessa imensa como solvente verde para a indústria química e o meio ambiente. É inevitável que sejam introduzidas alterações nas actuais práticas químicas, quer devido à redução da oferta ou ao abastecimento mais difícil de solventes orgânicos, quer por razões económicas e ambientais. Priorizar o desenvolvimento de tecnologias baseadas na água traria grandes benefícios.
A ELGA LabWater está estabelecida no fornecimento de água de alta pureza para aplicação em química e práticas relacionadas, com purificadores ELGA fornecendo de forma confiável e consistente água de alta pureza que pode ser usada com confiança para apoiar as mudanças ecológicas mencionadas acima na Química Orgânica tradicional. O foco ambiental do grupo controlador Veolia faz da ELGA a escolha sustentável para água de alta pureza no laboratório.