Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

48Estratégia de síntese e química verde

O mesmo analgésico, o ibuprofeno, já foi fabricado de duas maneiras. A rota mais antiga tem seis etapas, e de cada cem quilogramas de matérias-primas que ela compra, sessenta viram resíduo. A mais nova tem três etapas, e aproveita quase todos os átomos que compra. As duas dão o mesmo pó branco no comprimido; elas diferem no planejamento. Um químico que planeja uma síntese faz quatro perguntas: como ir depressa, como obter muito, como mexer só na parte certa de uma molécula, e como desperdiçar pouco.

O que você já sabe

Uma síntese: reação, separação, purificação, identificação; o seu rendimento (Capítulo 28). As setas curvas, a substituição, a adição, a eliminação (Capítulo 40). Um catalisador acelera uma reação sem ser consumido (Capítulo 42). Uma reação não total para em $Q = K$ ; um excesso de um reagente, ou a retirada de um produto, a leva mais longe (Capítulo 43).

Uma fábrica farmacêutica: os reatores de uma síntese, ampliados para toneladas.

48.1 Otimizar uma síntese

Duas coisas diferentes podem ser melhoradas: a velocidade, que decide quanto tempo a síntese leva, e o rendimento, que decide quanto produto ela dá.

Proposição 48.1 (Alavancas sobre a velocidade e o rendimento)

A velocidade aumenta com a temperatura, com as concentrações dos reagentes e com um catalisador.
O rendimento final de uma reação total é fixado pelo reagente limitante; o de uma reação não total aumenta com um excesso de um reagente, ou com a retirada de um produto à medida que ele se forma. Um catalisador não o muda: ele só leva o sistema mais depressa ao mesmo estado final.

Demonstração. O primeiro ponto reúne os fatores cinéticos dos Capítulos 41 e 42. O segundo decorre de $Q = K$ no fim de uma reação não total: acrescentar um reagente ou retirar um produto torna $Q < K$ , e a reação continua no sentido direto. ∎

Exemplo 48.2 (A esterificação com um separador de água)

O ácido etanoico e o etanol, um mol de cada, só dão $67\,\%$ de éster no equilíbrio. Se a mistura for aquecida sob refluxo num solvente que não se mistura com a água, com um pouco de ácido como catalisador, o vapor se condensa num tubo lateral, um separador de água: a água, mais densa, se deposita no fundo e fica ali, enquanto o solvente volta para o balão. A água sai da reação à medida que se forma, $Q$ fica abaixo de $K$ , e a esterificação vai quase até o fim. O aquecimento dá a velocidade, o catalisador mais velocidade, o separador o rendimento.

Um separador de água num balão aquecido sob refluxo: a água formada é retirada da reação à medida que se condensa.

48.2 A seletividade

Uma molécula real muitas vezes carrega vários grupos funcionais. Um reagente que ataca todos eles dá uma mistura; uma boa síntese usa um reagente que só ataca o grupo que deve ser transformado.

Definição 48.3 (Reação quimiosseletiva)

Uma reação é quimiosseletiva quando, numa molécula que carrega vários grupos funcionais, o seu reagente transforma um grupo e deixa os outros intactos.

Exemplo 48.4 (Um redutor que escolhe)

O boro-hidreto de sódio, $\ce{NaBH4}$ , reduz o grupo carbonila dos aldeídos e das cetonas a um grupo álcool, mas não mexe nos ésteres. Numa molécula que carrega uma cetona e um éster, só a cetona muda:

\ce{CH3-CO-CH2-CH2-CO-O-CH3} \;\xrightarrow{\ \ce{NaBH4}\ }\; \ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH2-CO-O-CH3} .

Um redutor mais forte, o hidreto de lítio e alumínio $\ce{LiAlH4}$ , reduziria os dois grupos: ele não é quimiosseletivo aqui.

Observação 48.5 (Vários tipos de seletividade)

A quimiosseletividade escolhe entre grupos. Uma reação também pode escolher entre duas posições do mesmo grupo, ou entre dois estereoisômeros do produto, como mostraram as enzimas do Capítulo 42 e as moléculas quirais do Capítulo 39. Cada tipo é estudado nos volumes universitários.

48.3 Os grupos protetores

Quando nenhum reagente é seletivo o bastante, o químico esconde o grupo que não deve reagir, faz a reação e depois descobre o grupo de novo.

Definição 48.6 (Grupo protetor)

Um grupo protetor é um grupo ligado a um grupo funcional para impedi-lo de reagir durante uma ou mais etapas de uma síntese, e retirado depois para devolver o grupo original. As três operações são a proteção, a reação e a desproteção.

Método 48.7 (Planejar uma proteção)

Liste os grupos de cada reagente, e a única ligação a formar.
Marque todos os outros grupos que o reagente dessa etapa também poderia atacar.
Proteja cada um deles com um grupo que resista às condições da reação e que possa ser retirado em condições suaves que conservem a nova ligação.
Faça as contas do custo: cada proteção acrescenta duas etapas, proteção e desproteção, e diminui o rendimento global.

Exemplo 48.8 (Fabricar um dipeptídeo, e não quatro)

A glicina, $\ce{H2N-CH2-COOH}$ , e a alanina, $\ce{H2N-CH(CH3)-COOH}$ , carregam cada uma um grupo amina e um grupo ácido. Uma ligação amida entre o ácido da glicina e a amina da alanina dá o dipeptídeo Gly–Ala. Misturados diretamente, os dois aminoácidos dão quatro dipeptídeos, Gly–Ala, Ala–Gly, Gly–Gly e Ala–Ala, numa mistura difícil de separar. O plano:

proteger a amina da glicina com um grupo escrito $\ce{Z}$ , e o ácido da alanina na forma do seu éster metílico;
formar a ligação amida: só sobram livres um grupo ácido e um grupo amina;
retirar os dois grupos protetores.

Proteção, reação, desproteção: a única ligação amida que pode se formar é a desejada.

48.4 A economia atômica

Um rendimento de $100\,\%$ diz que cada molécula do reagente limitante virou produto. Ele não diz quantos dos átomos comprados acabaram no produto: os outros produtos da equação, por mais puros que sejam, são resíduos, a menos que alguém possa usá-los.

Definição 48.9 (Economia atômica)

A economia atômica de uma síntese é a fração da massa dos reagentes, tomados nas proporções da equação balanceada, que acaba no produto desejado.

Proposição 48.10 (A economia atômica a partir da equação)

Para uma equação balanceada $a_1\,\ce{R1} + a_2\,\ce{R2} + \cdots \rightarrow p\,\ce{P} + \text{outros produtos}$ ,

\text{economia atômica} = \frac{p\,M(\ce{P})}{a_1 M(\ce{R1}) + a_2 M(\ce{R2}) + \cdots} \times 100\,\% .

Demonstração. Para $x$ mols de reação, a massa de reagentes consumida é $x\,(a_1 M(\ce{R1}) + \cdots)$ e a massa de produto desejado formada é $x\,p\,M(\ce{P})$ ; a sua razão não depende de $x$ . ∎

Método 48.11 (Calcular uma economia atômica)

Escreva a equação balanceada; para uma rota de várias etapas, some as etapas de modo que todos os intermediários se cancelem.
Calcule a massa molar de cada reagente e do produto desejado.
Aplique a fórmula, com os coeficientes estequiométricos.
O resíduo por quilograma de produto é de $(100 - \text{economia atômica})/\text{economia atômica}$ quilogramas.

Exemplo 48.12 (Adição contra substituição)

O bromoetano a partir do eteno, $\ce{C2H4 + HBr -> C2H5Br}$ : todos os átomos acabam no produto, economia atômica $108.9/(28.0 + 80.9) = 100\,\%$ . O etanol a partir do bromoetano, $\ce{C2H5Br + NaOH -> C2H5OH + NaBr}$ : a economia atômica é $46.0/(108.9 + 40.0) = 30.9\,\%$ ; por quilograma de etanol, $2.2\,\mathrm{kg}$ de brometo de sódio. Uma adição sempre tem uma economia atômica de $100\,\%$ ; uma substituição ou uma eliminação nunca tem.

Economias atômicas calculadas a partir das equações: o eteno com o brometo de hidrogênio, o ácido etanoico com o etanol, as duas rotas do ibuprofeno, e o bromoetano com o hidróxido de sódio.

48.5 A química verde

Definição 48.13 (Química verde)

A química verde é a concepção de produtos e de processos químicos que reduzem ou eliminam o uso e a produção de substâncias perigosas, da escolha das matérias-primas ao destino do produto depois do uso.

Doze princípios resumem a abordagem; cada um é uma pergunta a fazer sobre um processo.

Prevenir os resíduos em vez de tratá-los.
Maximizar a economia atômica.
Conceber sínteses menos perigosas.
Conceber produtos químicos e produtos mais seguros.
Usar solventes e condições de reação mais seguros.
Aumentar a eficiência energética: trabalhar perto da temperatura e da pressão ambientes.
Usar matérias-primas renováveis.
Evitar derivados químicos, como os grupos protetores.
Usar catalisadores, e não reagentes estequiométricos.
Conceber produtos que se degradem depois do uso.
Analisar em tempo real para prevenir a poluição.
Minimizar o potencial de acidentes.

Observação 48.14 (Princípios, não leis)

Os princípios muitas vezes puxam em sentidos opostos: um grupo protetor desrespeita o princípio 8, mas pode salvar uma síntese inteira; um catalisador que economiza energia pode conter um metal raro. Julgar um processo é pesar os princípios, com números sempre que possível: economia atômica, rendimento, massa de resíduos, energia.

História — A química verde, 1998

Em 1998, os químicos Paul Anastas e John Warner publicaram um livro, Green Chemistry: Theory and Practice, que expôs os doze princípios. Um ano antes, um prêmio do governo para sínteses mais verdes tinha ido para a rota de três etapas do ibuprofeno, usada em escala industrial desde 1992. Desde então, os princípios são ensinados aos químicos como parte do seu ofício.

Exemplo 48.15 (Duas rotas para o ibuprofeno)

O ibuprofeno, $\ce{C13H18O2}$ , é fabricado a partir do hidrocarboneto $\ce{C10H14}$ (isobutilbenzeno). A rota mais antiga usa seis etapas e, em cada uma, uma quantidade completa de reagente; somados, os seus reagentes têm uma soma de massas molares de $514.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , para $206.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ de ibuprofeno: economia atômica de $40\,\%$ . A rota mais nova usa três etapas, duas delas catalisadas, e a equação global

\ce{C10H14 + C4H6O3 + H2 + CO -> C13H18O2 + C2H4O2}

dá $206.0/266.0 = 77\,\%$ . O seu subproduto, o ácido etanoico, é recuperado e usado: contado como produto, a economia atômica passa de $99\,\%$ .

O ibuprofeno (em cima) e as suas duas rotas industriais: a mais antiga, com seis etapas, e a mais nova, com três etapas catalisadas, com as suas economias atômicas.

Exemplo 48.16 (Solventes mais verdes)

Muitas reações e extrações usam solventes orgânicos tóxicos, inflamáveis ou voláteis. A água é o mais seguro de todos os solventes, quando os reagentes se dissolvem nela. O dióxido de carbono vira outro: acima de $31\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e $73.8\,\mathrm{bar}$ , ele é um fluido supercrítico, nem líquido nem gás, que dissolve muitas moléculas orgânicas. Ele extrai, por exemplo, a cafeína dos grãos de café; quando a pressão é liberada, ele simplesmente volta a ser gás e não deixa nenhum resíduo no produto.

Um vaso de extração de alta pressão, em que o dióxido de carbono supercrítico substitui um solvente orgânico.

48.6 Exercícios

Exercício 48.1 ★

O etanol pode ser fabricado por hidratação do eteno, $\ce{C2H4 + H2O -> C2H5OH}$ , ou por fermentação da glicose, $\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}$ . Calcule a economia atômica de cada uma.

Solução

Solução de Exercício 48.1.

Hidratação: $46.0/(28.0 + 18.0) = 100\,\%$ . Fermentação: $2 \times 46.0/180.0 = 51.1\,\%$ .

Exercício 48.2 ★

No esquema do dipeptídeo deste capítulo, diga em que etapa cada grupo protetor é colocado, e em que etapa ele é retirado.

Solução

Solução de Exercício 48.2.

Os dois grupos, o $\ce{Z}$ na amina da glicina e o éster metílico no ácido da alanina, são colocados na etapa 1 e retirados na etapa 3.

Exercício 48.3 ★

Uma fábrica substitui um solvente clorado por água numa das suas reações. Que princípio da química verde ela aplica?

Solução

Solução de Exercício 48.3.

Princípio 5: usar solventes e condições de reação mais seguros.

Exercício 48.4 ★

Por que um excesso de etanol aumenta o rendimento de uma esterificação, e um catalisador não?

Solução

Solução de Exercício 48.4.

Um excesso de etanol torna $Q < K$ , logo a reação avança mais no sentido direto. Um catalisador acelera os dois sentidos da mesma forma: chega-se ao mesmo estado final, só que mais cedo.

Exercício 48.5 ★

O boro-hidreto de sódio reduz os aldeídos e as cetonas, não os ésteres. A sua reação com o 4-oxopentanoato de metila (uma cetona e um éster) é quimiosseletiva? Que grupo muda?

Solução

Solução de Exercício 48.5.

Sim: só a cetona é reduzida, a um grupo álcool secundário; o éster não muda.

Exercício 48.6 ★★

Um mol de ácido etanoico e um de etanol dão $0.67\,\mathrm{mol}$ de éster no equilíbrio. Proponha duas maneiras de aumentar essa quantidade, e uma maneira de chegar a ela mais depressa.

Solução

Solução de Exercício 48.6.

Mais éster: um excesso de um reagente, ou retirar a água (separador de água) à medida que ela se forma. Mais depressa: aquecer sob refluxo, acrescentar um catalisador ácido.

Exercício 48.7 ★★

O 4-oxopentanoato de metila, $\ce{CH3-CO-CH2-CH2-CO-O-CH3}$ , é tratado uma vez com boro-hidreto de sódio, e outra vez com um excesso de hidreto de lítio e alumínio, que reduz o éster a dois álcoois. Escreva cada produto.

Solução

Solução de Exercício 48.7.

Com $\ce{NaBH4}$ :

\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH2-CO-O-CH3} .

Com $\ce{LiAlH4}$ :

\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH2-CH2OH}

(pentano-1,4-diol), mais metanol vindo da outra metade do éster.

Exercício 48.8 ★★

No gráfico de barras das economias atômicas, que reações conservam mais de três quartos dos átomos? Por que fator a rota de três etapas do ibuprofeno é melhor que a de seis?

Solução

Solução de Exercício 48.8.

A adição ( $100\,\%$ ), a esterificação ( $83\,\%$ ) e a rota de três etapas do ibuprofeno ( $77\,\%$ ). $77.4/40.0 = 1.9$ : quase duas vezes melhor.

Exercício 48.9 ★★

A aspirina é fabricada por $\ce{C7H6O3 + C4H6O3 -> C9H8O4 + C2H4O2}$ . Calcule a sua economia atômica e a massa de subproduto por quilograma de aspirina.

Solução

Solução de Exercício 48.9.

$180.0/(138.0 + 102.0) = 75.0\,\%$ . Ácido etanoico: $60.0/180.0 = 0.333\,\mathrm{kg}$ por quilograma de aspirina.

Exercício 48.10 ★★

Por que uma síntese é aquecida sob refluxo e não num balão aberto? Qual dos dois, a velocidade ou o rendimento, o aquecimento melhora?

Solução

Solução de Exercício 48.10.

O aquecimento acelera a reação; o condensador devolve os vapores ao balão, de modo que nenhum reagente ou solvente se perde. O aquecimento melhora a velocidade, não o rendimento final.

Exercício 48.11 ★★

Na figura das duas rotas do ibuprofeno, conte as etapas e diga que princípios da química verde a rota mais nova aplica. Dê três.

Solução

Solução de Exercício 48.11.

Seis etapas contra três. Princípios: prevenir os resíduos (1), maximizar a economia atômica (2), usar catalisadores (9); e também menos etapas, menos energia (6).

Exercício 48.12 ★★★

Uma síntese de três etapas tem rendimentos de $80\,\%$ , $70\,\%$ e $90\,\%$ . Calcule o rendimento global. Que quantidade de matéria-prima é necessária para obter $0.10\,\mathrm{mol}$ de produto final, sabendo que um mol de matéria-prima dá no máximo um mol de produto?

Solução

Solução de Exercício 48.12.

$0.80 \times 0.70 \times 0.90 = 0.504$ : $50.4\,\%$ . Matéria-prima: $0.10/0.504 = 0.20\,\mathrm{mol}$ .

Exercício 48.13 ★★★

Planeje a síntese do dipeptídeo Ala–Gly (o ácido da alanina ligado à amina da glicina): que grupos você protege, e quantas etapas o plano tem?

Solução

Solução de Exercício 48.13.

Proteger a amina da alanina ( $\ce{Z}$ ) e o ácido da glicina (éster metílico); formar a ligação amida entre o ácido livre da alanina e a amina livre da glicina; retirar os dois grupos protetores. Três fases, isto é, cinco reações se cada proteção e cada desproteção for contada.

Exercício 48.14 ★★★

Uma empresa chama o seu processo de “verde” porque ele usa um catalisador. O processo funciona a $250\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ em benzeno, um solvente tóxico, e a sua economia atômica é de $35\,\%$ . Julgue a afirmação, princípio por princípio.

Solução

Solução de Exercício 48.14.

O catalisador aplica o princípio 9. Mas os $250\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ vão contra o princípio 6, o benzeno contra os princípios 3 e 5, e uma economia atômica de $35\,\%$ contra o princípio 2: $65/35 = 1.9\,\mathrm{kg}$ de resíduos por quilograma de produto. Uma característica verde não faz um processo verde.

Exercício 48.15 ★★★

A cafeína é extraída dos grãos de café ou com diclorometano, um solvente clorado volátil, ou com dióxido de carbono supercrítico a cerca de $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e $100\,\mathrm{bar}$ . Explique por que o segundo é supercrítico, por que ele precisa de um vaso resistente, e dê duas vantagens que ele tem sobre o primeiro.

Solução

Solução de Exercício 48.15.

$40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e $100\,\mathrm{bar}$ estão acima do ponto crítico do dióxido de carbono, $31\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e $73.8\,\mathrm{bar}$ . A pressão é cem vezes a pressão atmosférica: o vaso é de aço grosso. O dióxido de carbono não é tóxico nem inflamável, volta a ser gás sem deixar resíduo, e pode ser reutilizado; nenhum solvente clorado escapa.

48.7 Problema: duas rotas para o ibuprofeno

Problema 48.1

Problema de fim de semana — quanto resíduo a rota de três etapas evita por tonelada de ibuprofeno?

A rota mais antiga do ibuprofeno $\ce{C13H18O2}$ tem seis etapas. Somados, os seus reagentes são $\ce{C10H14}$ , $\ce{C4H6O3}$ , $\ce{C4H7ClO2}$ , $\ce{C2H5ONa}$ , um ácido contado como $\ce{H3O}$ , $\ce{NH3O}$ e dois $\ce{H2O}$ . A rota mais nova tem três etapas:

\ce{C10H14 + C4H6O3 + H2 + CO -> C13H18O2 + C2H4O2} .

Parte I — As equações.

Verifique que a equação da rota mais nova está balanceada em carbono, hidrogênio e oxigênio.
Dê o nome do subproduto da rota mais nova.
Na rota mais antiga, que elementos dos reagentes acabam inteiramente nos resíduos?
Qual das duas rotas usa catalisadores? Que princípio isso aplica?

Parte II — As economias atômicas.

Calcule a massa molar do ibuprofeno.
Calcule a soma das massas molares dos reagentes da rota mais antiga.
Deduza a sua economia atômica.
Calcule a soma das massas molares dos reagentes da rota mais nova.
Deduza a sua economia atômica.
Quanto ela passa a ser se o ácido etanoico for contado como produto?

Parte III — Os resíduos por tonelada.

Para a rota mais antiga, com rendimento de $100\,\%$ , que massa de reagentes é comprada por tonelada de ibuprofeno?
Que massa de resíduos ela dá por tonelada?
A mesma pergunta para a rota mais nova: massa de reagentes por tonelada.
A massa de ácido etanoico por tonelada.
Que massa de resíduos por tonelada é evitada se o ácido etanoico for contado como resíduo?

Parte IV — Os rendimentos e o mundo real.

Suponha que cada etapa tenha um rendimento de $90\,\%$ . Calcule o rendimento global da rota mais antiga.
O mesmo para a rota mais nova.
Dê mais uma razão pela qual menos etapas significam menos resíduos, além da equação.
Na prática, o ácido etanoico é recuperado e usado. Que massa de resíduos por tonelada a rota mais nova dá então, com rendimento de $100\,\%$ ?
Dê a resposta final: quanto resíduo a rota de três etapas evita por tonelada de ibuprofeno?

Solução

Solução de Problema 48.1.

1. C: $10 + 4 + 1 = 15 = 13 + 2$ ; H: $14 + 6 + 2 = 22 = 18 + 4$ ; O: $3 + 1 = 4 = 2 + 2$ .

2. O ácido etanoico, $\ce{C2H4O2}$ .

3. O nitrogênio, o cloro e o sódio: o ibuprofeno só contém carbono, hidrogênio e oxigênio.

4. A mais nova: princípio 9, catalisadores em vez de reagentes estequiométricos.

5. $13 \times 12.0 + 18 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 206.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

6. $134.0 + 102.0 + 122.5 + 68.0 + 19.0 + 33.0 + 36.0 = 514.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

7. $206.0/514.5 = 40.0\,\%$ .

8. $134.0 + 102.0 + 2.0 + 28.0 = 266.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

9. $206.0/266.0 = 77.4\,\%$ .

10. $(206.0 + 60.0)/266.0 = 100\,\%$ no papel; mais de $99\,\%$ na prática.

11. $514.5/206.0 = 2.50\,\mathrm{t}$ .

12. $2.50 - 1 = 1.50\,\mathrm{t}$ .

13. $266.0/206.0 = 1.29\,\mathrm{t}$ .

14. $60.0/206.0 = 0.29\,\mathrm{t}$ .

15. $1.50 - 0.29 = 1.21\,\mathrm{t}$ .

16. $0.90^6 = 0.53$ : $53\,\%$ .

17. $0.90^3 = 0.73$ : $73\,\%$ .

18. Cada etapa usa solventes, separações e purificações, e perde um pouco de produto: menos etapas, menos dessas perdas.

19. Quase nenhum: o seu único subproduto é usado.

20. A rota de três etapas evita cerca de $1.5\,\mathrm{t}$ de resíduos por tonelada de ibuprofeno ( $1.2\,\mathrm{t}$ mesmo que o seu ácido etanoico fosse jogado fora).

Termos definidos neste capítulo

Ver todos os 852 termos do glossário