Catálise de transferência de fase induzida e intensificada por ultrassons

Os ultrassons de alta potência são bem conhecidos pelo seu contributo para diversas reações químicas. Trata-se da chamada sonoquímica. As reações heterogéneas – e especialmente as reações de transferência de fase – são áreas de aplicação com elevado potencial para os ultrassons de potência. Graças à energia mecânica e sonoquímica aplicada aos reagentes, é possível iniciar reações, aumentar significativamente a velocidade de reação e obter taxas de conversão mais elevadas, rendimentos superiores e melhores produtos. A escalabilidade linear dos ultrassons e a disponibilidade de equipamento ultrassónico industrial fiável tornam esta técnica uma solução interessante para a produção química.

Catálise de transferência de fase

A catálise de transferência de fase (PTC) é uma forma especial de catálise heterogénea, conhecida como uma metodologia prática para a síntese orgânica. A utilização de um catalisador de transferência de fase permite solubilizar reagentes iónicos, que são frequentemente solúveis numa fase aquosa, mas insolúveis numa fase orgânica. Isto significa que a PTC é uma solução alternativa para ultrapassar o problema da heterogeneidade numa reação em que a interação entre duas substâncias presentes em fases diferentes de uma mistura é inibida pela impossibilidade de os reagentes entrarem em contacto. (Esen et al. 2010) As vantagens gerais da catálise de transferência de fase incluem o reduzido esforço de preparação, procedimentos experimentais simples, condições de reação suaves, velocidades de reação elevadas, seletividades elevadas, a utilização de reagentes e solventes económicos e ambientalmente benignos, como os sais de amónio quaternário, e a possibilidade de realizar preparações em grande escala (Ooi et al. 2007).
Diversas reações líquido–líquido e líquido–sólido foram intensificadas e tornadas seletivas através da utilização de catalisadores simples de transferência de fase (PT), como compostos de amónio quaternário, polietilenoglicol-400, etc., que permitem transportar espécies iónicas da fase aquosa para a fase orgânica. Assim, é possível ultrapassar os problemas associados à solubilidade extremamente baixa dos reagentes orgânicos na fase aquosa. Nas indústrias de pesticidas e farmacêutica, a PTC é amplamente utilizada e alterou os fundamentos da atividade empresarial. (Sharma 2002)

Ultrassons de potência

A aplicação de ultrassons de potência é uma ferramenta bem conhecida para criar emulsões extremamente finas. Em química, estas emulsões com dimensões extremamente reduzidas são utilizadas para intensificar reações químicas. Isto significa que a área de contacto interfacial entre dois ou mais líquidos imiscíveis aumenta drasticamente, proporcionando assim um decurso da reação melhor, mais completo e/ou mais rápido.
Para a catálise de transferência de fase – tal como para outras reações químicas – é necessária energia cinética suficiente para iniciar a reação.
Isto tem vários efeitos positivos na reação química:

• Uma reação química que normalmente não ocorreria devido à sua baixa energia cinética pode ser iniciada por sonicação.
• As reações químicas podem ser aceleradas através da PTC assistida por ultrassons.
• Eliminação completa da utilização de um catalisador de transferência de fase.
• As matérias-primas podem ser utilizadas de forma mais eficiente.
• Os subprodutos podem ser reduzidos.
• Substituição de uma base forte perigosa e dispendiosa por uma base inorgânica económica.

Graças a estes efeitos, a PTC é uma metodologia química de valor inestimável para a síntese orgânica a partir de dois ou mais reagentes imiscíveis: a catálise de transferência de fase (PTC) permite utilizar as matérias-primas dos processos químicos de forma mais eficiente e produzir com maior rentabilidade. A intensificação das reações químicas através da PTC é uma ferramenta importante para a produção química, que pode ser drasticamente melhorada pela utilização de ultrassons.

Exemplos de reações de PTC promovidas por ultrassons

• Síntese de novos derivados de N’-(4,6-dissubstituído-pirimidin-2-il)-N-(5-aril-2-furoil)tioureia utilizando PEG-400 sob sonicação. (Ken et al. 2005)
• A síntese de ácido mandélico por PTC em líquido iónico, assistida por ultrassons, apresenta um aumento significativo dos rendimentos da reação em condições ambiente. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) descrevem a C-alquilação de fenilacetonitrilo assistida por ultrassons num meio sem solventes. O efeito dos ultrassons na promoção da reação foi atribuído à área interfacial extremamente grande entre as duas fases líquidas. A sonicação resulta numa velocidade de reação muito superior à obtida por mistura mecânica.
• A sonicação durante a reação de tetracloreto de carbono com magnésio para gerar diclorocarbeno resulta num rendimento superior de gem-diclorociclopropano na presença de olefinas. (Lin et al. 2003)
• Os ultrassons aceleram a reação de Cannizzaro do  p-clorobenzaldeído em condições de transferência de fase. Dos três catalisadores de transferência de fase – cloreto de benziltrietilamónio (TEBA), Aliquat e 18-coroa-6 – testados por Polácková et al. (1996), o TEBA revelou-se o mais eficaz. O ferrocenocarbaldeído e o  p-dimetilaminobenzaldeído originaram, em condições semelhantes, 1,5-diaril-1,4-pentadien-3-onas como produto principal.
• Lin-Xiao et al. (1987) demonstraram que a combinação de sonicação e PTC promove eficazmente a geração de diclorocarbeno a partir de clorofórmio em menos tempo, com melhor rendimento e menor quantidade de catalisador.
• Yang et al. (2012) investigaram a síntese verde de 4-hidroxibenzoato de benzilo assistida por ultrassons, utilizando dicloreto de 4,4′-bis(tributilamoniometil)-1,1′-bifenilo (QCl₂) como catalisador. Com a utilização de QCl₂, desenvolveram uma nova catálise de transferência de fase com dois centros ativos. Esta catálise de transferência de fase sólido–líquido (SLPTC) foi realizada como processo descontínuo com sonicação. Sob sonicação intensa, 33% do Q2+ adicionado, contendo 45,2% de Q(Ph(OH)COO)₂ , transferiu-se para a fase orgânica para reagir com brometo de benzilo, aumentando assim a velocidade global da reação. Esta velocidade de reação melhorada foi de 0,106 min^-1 sob 300W de irradiação ultrassónica, enquanto, sem sonicação, se observou uma velocidade de 0,0563 min^-1 . Deste modo, foi demonstrado o efeito sinérgico do catalisador de transferência de fase com dois centros ativos e dos ultrassons na catálise de transferência de fase.

Intensificação ultrassónica da reação assimétrica de transferência de fase

Com o objetivo de estabelecer um método prático para a síntese assimétrica de a-aminoácidos e dos seus derivados, Maruoka e Ooi (2007) investigaram “se a reatividade dos sais de amónio quaternário quirais N-espiro poderia ser aumentada e as suas estruturas simplificadas. Uma vez que a irradiação ultrassónica produz homogeneização, isto é, emulsões muito finas, aumenta consideravelmente a área interfacial em que a reação pode ocorrer, o que poderia proporcionar uma aceleração substancial da velocidade nas reações de transferência de fase líquido–líquido. De facto, a sonicação da mistura reacional de 2, iodeto de metilo e subunidade naftilo (S,S) (1 mol%) em tolueno/KOH aquoso a 50%, a 0 degC durante 1 h, originou o produto de alquilação correspondente com um rendimento de 63% e 88%ee; o rendimento químico e a enantiosseletividade foram comparáveis aos de uma reação realizada por simples agitação da mistura durante oito horas (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Outro tipo de reação de catálise assimétrica é a reação de Michael. A adição de Michael do N-acetil-aminomalonato de dietilo à chalcona é influenciada positivamente pela sonicação, o que resulta num aumento de 12% do rendimento (de 72%, obtido durante a reação sem ultrassons, até 82% sob sonicação). O tempo de reação é seis vezes mais rápido sob ultrassons de potência, em comparação com a reação sem ultrassons. O excesso enantiomérico (ee) não se alterou e foi de 40%ee em ambas as reações – com e sem ultrassons. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) demonstraram que a reação de Michael de chalconas como aceitadores com vários compostos com grupos metileno ativos, como malonato de dietilo, nitrometano, ciclo-hexanona, acetoacetato de etilo e acetilacetona como dadores, catalisada por KF/alumina básica, resulta em adutos com elevado rendimento em menos tempo sob irradiação ultrassónica. Noutro estudo, Li et al. (2002) demonstraram a síntese bem-sucedida de chalconas assistida por ultrassons e catalisada por KF-Al₂O₃.
As reações de PTC acima apresentadas mostram apenas uma pequena parte do potencial e das possibilidades da irradiação ultrassónica.
Os ensaios e a avaliação dos ultrassons relativamente a possíveis melhorias na PTC são muito simples. Os dispositivos ultrassónicos de laboratório da Hielscher, como o UP200Ht da Hielscher (200 watts), e os sistemas de bancada, como o UIP1000hd (1000 watts) permitem realizar os primeiros ensaios. (ver imagens 1 e 2)

Produção eficiente para competir no mercado químico

Ao utilizar a catálise de transferência de fase ultrassónica, beneficiará de uma ou mais das várias vantagens seguintes:

• iniciação de reações que, de outro modo, não são viáveis
• aumento do rendimento
• redução da utilização de solventes dispendiosos, anidros e apróticos
• redução do tempo de reação
• temperaturas de reação mais baixas
• preparação simplificada
• utilização de metal alcalino em meio aquoso em vez de alcóxidos de metais alcalinos, amideto de sódio, hidreto de sódio ou sódio metálico
• utilização de matérias-primas mais económicas, especialmente oxidantes
• alteração da seletividade
• alteração das proporções dos produtos (por exemplo, O-/C-alquilação)
• isolamento e purificação simplificados
• aumento do rendimento através da supressão de reações secundárias
• aumento de escala simples e linear até ao nível de produção industrial, mesmo com uma capacidade de processamento muito elevada