Tecnologias facilitadoras dão novo ritmo à química

Pesquisadores desenvolvem processos mais rápidos e sustentáveis para a síntese de compostos usados na indústria farmacêutica, com menos resíduos e solventes

Cientistas do Instituto de Química (IQ) da Unicamp estão desenvolvendo pesquisas voltadas a explorar os benefícios das chamadas tecnologias facilitadoras na síntese de moléculas orgânicas. A iniciativa, liderada pelo docente e bolsista do programa Jovem Pesquisador da Fapesp Julio Cezar Pastre, integra o Programa Bioen, dedicado a incentivar estudos na área de bioenergia, e vem resultando em processos alinhados aos princípios da química verde.

Tecnologias facilitadoras são inovações capazes de transformar significativamente a maneira como uma atividade é realizada, permitindo alcançar resultados que seriam difíceis ou até impossíveis pelos métodos convencionais. Na química, elas podem modificar a forma como reações são conduzidas, proporcionando maior controle, eficiência, segurança e sustentabilidade.

No caso das pesquisas de Pastre, o objetivo é explorá-las para superar as limitações dos chamados processos em batelada. Predominante na maioria dos laboratórios, esse modelo consiste em um sistema no qual todos os componentes são inseridos no início do processo, enquanto o produto é retirado apenas no final, após um tempo pré-determinado de reação.

Embora geralmente demande menos investimentos, a batelada acarreta desafios relacionados ao tempo e escalonamento do processo. Isso porque, assim como em uma panela, são as paredes do reator que transferem calor e permitem o aquecimento ou resfriamento, o que pode tornar a transferência de calor mais lenta, especialmente quando seu volume aumenta. Além disso, a relação entre a área de superfície e o volume do equipamento se altera durante o escalonamento, o que pode comprometer a eficiência da transferência de calor e massa.

Por esse motivo, uma das tecnologias facilitadoras empregadas é a da química em fluxo contínuo. Como em uma linha de produção, esse método permite alimentar o reator continuamente com os reagentes, enquanto os produtos são removidos assim que formados, sem interromper a reação. “Uma das vantagens do fluxo contínuo é justamente o controle sobre a reação. Nos microrreatores [onde essas reações ocorrem] as dimensões são muito pequenas, então a transferência de calor e de massa acontece de maneira muito eficiente”, afirma o docente.

Compostos aromáticos

Recentemente, o grupo publicou duas pesquisas com o uso do fluxo contínuo para a produção de moléculas aromáticas, compostos caracterizados pela presença de sistemas conjugados que lhes conferem propriedades eletrônicas e químicas particulares. Por isso, eles são amplamente empregados em uma grande variedade de produtos químicos e desempenham papel importante na indústria farmacêutica, além de serem utilizados na fabricação de outros produtos industriais, como corantes.

Muitos compostos aromáticos utilizados na produção de medicamentos são obtidos de matérias-primas de origem fóssil, como o petróleo. “A principal fonte de compostos aromáticos na natureza é a biomassa lignocelulósica. No entanto, a lignina, que confere resistência e proteção às plantas, é bastante complexa e rígida. Além disso, ela possui ligações carbono-oxigênio muito fortes, que são difíceis de quebrar”, explica.

É aí que entram as pesquisas do grupo. Em uma delas, publicada no periódico Tetrahedron Letters, a equipe obteve moléculas aromáticas em um processo de apenas vinte minutos, enquanto as reações em batelada demoravam cerca de cinco horas para fazer o mesmo. Isso foi possível devido a uma estratégia de fotocatálise – quando a luz fornece energia ao sistema por meio de um fotocatalisador – a partir de uma combinação inédita de fluxo contínuo, luz azul de LED e uma molécula chamada éster de Hantzsch.

O processo permitiu obter moléculas de maneira mais seletiva, ou seja, reduzindo a formação de subprodutos. Isso se deveu, principalmente, ao fluxo contínuo, que acelerou a reação, e ao LED, que permitiu o controle das condições de irradiação. “Na batelada, quando você irradia demais, ocorrem outras reações, porque o produto permanece no meio reacional ao longo do processo. Como o tempo de reação diminuiu com o fluxo contínuo, a exposição à irradiação também foi menor e, com isso, menos reações colaterais aconteceram”, esclarece.

O segundo artigo, por sua vez, descreve uma estratégia semelhante para obter amidas N-arílicas, a partir de nitroarenos. No entanto, em vez da fotocatálise, o estudo empregou a eletroquímica – sistema no qual a energia elétrica promove a transferência de elétrons necessária para a transformação química. Divulgada no periódico especializado Reaction Chemistry & Engineering, a estratégia simplificou um processo que envolvia múltiplas etapas e o uso de substâncias potencialmente agressivas, obtendo vinte amidas N-arílicas diferentes, cada uma com um tempo de reação de apenas quinze minutos.

Mecanoquímica

Outras tecnologias facilitadoras também têm trazido resultados promissores. Uma delas é a mecanoquímica, na qual as reações são promovidas por energia mecânica, geralmente em um processo em batelada. Para isso, os pesquisadores utilizam um reator cilíndrico, semelhante a um pequeno moinho, contendo esferas em seu interior. Durante a agitação, as esferas colidem entre si e com os reagentes, promovendo a quebra e a mistura dos materiais e fornecendo a energia necessária para que a reação ocorra.

Em uma dessas pesquisas, publicada no periódico RSC Sustainability, os pesquisadores converteram terpenos – moléculas que podem ser obtidas a partir de fontes renováveis, como a biomassa – em ftalamidas, compostos aromáticos nitrogenados empregados nas indústrias química e farmacêutica. A estratégia viabilizou uma rota mais sustentável do que as descritas anteriormente, com tempo de reação de apenas 90 minutos, enquanto processos tradicionais levam cerca de cinco horas.

Uma das principais vantagens da mecanoquímica é o fato de possibilitar reações com pouco ou nenhum solvente. Isso torna a técnica particularmente interessante para a síntese orgânica sustentável, uma vez que a redução do uso de solventes é um dos princípios da química verde. “A indústria farmacêutica é uma das indústrias de química fina que, proporcionalmente, mais geram resíduos, e 80% desses resíduos são causados pelo uso de solventes. Então, imagine o impacto que vai ocorrer na produção de um fármaco se os processos não fizerem uso dessas substâncias”, comenta.