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Nome do Projeto
Materiais híbridos sintetizados a partir de polímeros e espécies metálicas como potenciais catalisadores
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
11/05/2020 - 31/03/2024
Unidade de Origem
Centro de Ciências Químicas, Farmacêuticas e de Alimentos
Coordenador Atual
ANDRE RICARDO FAJARDO
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
O desenvolvimento de novos materiais tem aprimorado de forma contínua vários aspectos da vida moderna e ao mesmo tempo tem motivado e instigado pesquisadores nas mais diversas áreas a transporem as fronteiras do conhecimento. Aliada a essa motivação é crescente também a preocupação com os temas voltados a sustentabilidade e as práticas de produção/trabalho ecologicamente corretas. Prova disso é o aumento considerável de pesquisas que têm como foco principal a obtenção de sistemas e/ou materiais eco-friendly (adjetivo comumente utilizado na língua inglesa que pode ser traduzido de modo direto como "amigo da natureza"). Uma das áreas de pesquisa que mais tem contribuído para a obtenção desse tipo de sistemas e/ou materiais certamente é a área de catálise. A catálise, termo empregado na química para descrever uma reação que tem sua velocidade aumentada devido à presença de uma substância conhecida como catalisador, atua como protagonista na diminuição do consumo energético reacional e no aumento da eficiência de diversos processos químicos. Além da investigação de novas rotas catalíticas para diferentes tipos de reações químicas, muitas pesquisas também têm concentrado esforços no desenvolvimento de novos catalisadores e na readequação dos catalisadores já conhecidos. Por exemplo, a mais de um século diferentes espécies metálicas têm sido empregadas com sucesso como catalisadores em inúmeras reações químicas. No entanto, reações catalisadas por essas espécies metálicas costumam apresentar alguns inconvenientes como, por exemplo, uso de grandes quantidades e dificuldade na recuperação do catalisador, perda da eficiência catalítica (envenenamento do catalisador), entre outros. Ainda, quando as espécies metálicas são utilizadas em escalas diminutas de tamanho (em escala nanométricas) tem-se o inconveniente da agregação e coalescência do catalisador o que pode causar um grande prejuízo à catálise. Uma das formas de superar esses problemas é, por exemplo, suportar as espécies metálicas em um material sólido. Dentre os sólidos mais proeminentes para essa finalidade, os sólidos poliméricos têm ganhado grande destaque devido as suas atraentes propriedades (alta resistência química e mecânica, processabilidade, entre outras). Sólidos sintetizados a partir de polímeros de origem natural (polissacarídeos, por exemplo) têm como vantagem o fato de que esses são biodegradáveis; são obtidos a partir de fontes renováveis (fontes vegetais e resíduos de biomassa) e costumam apresentar inúmeros grupos funcionais em suas estruturas, o que facilita a interação e o suporte dessas espécies metálicas. Devido a essas considerações, nota-se que pesquisas com foco na síntese e caracterização de materiais híbridos constituídos de polissacarídeos e espécies metálicas são de fundamental importância para a obtenção de sistemas catalíticos mais eficientes e, portanto, ambientalmente mais amigáveis.

Objetivo Geral

De acordo com o tema apresentado neste projeto científico e tecnológico, o mesmo tem por objetivo principal desenvolver materiais híbridos a partir da combinação de diferentes tipos polímeros e espécies metálicas (na forma iônica ou não) para que esses sejam utilizados como catalisadores em diferentes reações orgânicas. Será dada preferência aos polímeros naturais, os quais possuem grande biodisponibilidade e relativo baixo custo de obtenção. Ainda, metodologias diferentes serão utilizadas para síntese desses materiais híbridos uma vez que esses podem ser obtidos em diferentes formatos e tamanhos. Já a imobilização das espécies metálicas nas matrizes poliméricas dependerá de alguns fatores levantados durante a execução do projeto (por exemplo, do tipo e do estado de oxidação do metal, do tipo de polímero utilizado, entre outras). Nesse sentido, novas metodologias de síntese/preparo serão testadas. Os materiais híbridos obtidos serão empregados como catalisadores em diferentes reações orgânicas, o que propiciará a interdisciplinaridade do projeto, uma vez que estas reações, bem como a elucidação dos seus respectivos mecanismos, serão realizadas em colaboração com grupos de pesquisa da área de química orgânica. Espera-se, portanto, que no decorrer do desenvolvimento dos trabalhos novas parcerias sejam criadas com outros grupos de pesquisa do PPGQ e/ou da UFPel e, também, com grupos de outras IES. Esta interdisciplinaridade será utilizada também para motivar e atrair alunos e colaboradores para o nosso grupo de pesquisa.

Justificativa

De acordo com as informações acima descritas e tendo em vista a ampla área de pesquisa científica e tecnológica relacionada aos materiais híbridos sintetizados a partir de polímeros e espécies metálicas, este projeto de pesquisa será dedicado ao desenvolvimento desse tipo de material e a sua aplicação em catálise. Nesse sentido, diferentes polímeros e espécies metálicas serão testados e diferentes tipos de materiais híbridos serão sintetizados. Serão empregados preferencialmente os polissacarídeos (por exemplo, amido, quitosana, alginato e gomas), adequando sempre a escolha dos mesmos a aplicação final e ao tipo de material que se deseja formular (filme, gel, partícula, etc.). Será dada prioridade para materiais de baixo custo, fácil obtenção e disponibilidade, visando assim viabilizar o custeio do projeto e também agregar valor aos mesmos. As espécies metálicas que serão incorporadas/imobilizadas nas matrizes poliméricas deverão ser escolhidas levando em consideração as mesmas diretrizes utilizadas para a escolha dos polissacarídeos e também, o tipo de reação a ser catalisada. Sendo assim, os diferentes materiais híbridos sintetizados serão testados como catalisadores em diferentes tipos de reações de síntese orgânica (exemplo, reações de cicloadição, reações de acoplamento, reações de hidrogenação, entre outras). Desta forma, avaliaremos a robustez e as propriedades de aplicação dos materiais híbridos sintetizados, permitindo também ampliar o leque de pesquisas do nosso grupo e o impacto de nossas pesquisas.

Metodologia

Metodologia a ser empregada
Preparo dos materiais híbridos
Preparar materiais híbridos a partir de polímeros e espécies metálicas utilizando para isso diferentes metodologias (por exemplo: síntese de filmes via metodologia casting [11]; síntese de hidrogéis via reticulação química ou física [10]; síntese de micropartículas; entre outras);
Avaliar a necessidade da modificação química da estrutura dos polímeros a fim de aumentar a interação desses com as espécies metálicas ou alguma propriedade do material final;
Avaliar e definir a melhor metodologia para o suporte das espécies metálicas nas matrizes poliméricas (imobilização in situ ou posteriormente no sólido já formado);
Sintetizar materiais a partir da associação de diferentes polímeros (principalmente os polissacarídeos) e espécies metálicas.

Caracterização
Realizar a caracterização estrutural e morfológica dos materiais híbridos utilizando diferentes técnicas disponíveis na Central de Análises do CCQFA e na UFPel (por exemplo: espectroscopia na região do infravermelho (FTIR); espectroscopia magnética nuclear (RMN); difração de raios-X (XRD); análises térmicas (DSC e TGA); absorção atômica, entre outras;
Avaliar as propriedades inerentes dos materiais híbridos (por exemplo: capacidade de absorção e retenção de água; estabilidade e lixiviação das espécies metálicas, etc.).

Avaliação da atividade catalítica:
Avaliar a robustez e eficiência dos materiais sintetizados como catalisadores em diferentes reações de síntese orgânica (e.g. reações do tipo "Click", reações de acoplamento, reações de hidrogenação, entre outras);
Avaliar a capacidade de regeneração e reuso dos materiais aplicáveis como catalisadores;
Avaliar os resultados obtidos a partir dos materiais desenvolvidos neste projeto com outros resultados descritos na literatura para materiais similares.

Indicadores, Metas e Resultados

Levando em consideração todos os aspectos abordados nesta proposta de projeto de pesquisa espera-se atingir os seguintes resultados ao final do mesmo:
Desenvolver novos híbridos a partir do uso de polímeros e espécies metálicas;
Utilizar como fonte polimérica principalmente os polissacarídeos, visando assim ampliar a aplicabilidade e a viabilidade econômica do projeto;
Obter resultados expressivos quanto a desempenho e robustez destes materiais em sistemas catalíticos;
Agregar valor materiais considerados resíduos ou subprodutos de algum processo industrial, contribuindo assim para questões ambientais;
Incentivar e divulgar as atividades de pesquisa na área de Físico-Química e Polímeros no CCQFA e PPGQ e outros centros da UFPel;
Contribuir na formação de alunos de Iniciação Científica e de Pós-Graduação e assim assegurar a qualificação dos futuros profissionais;
Gerar parcerias com diferentes grupos de pesquisas e pesquisadores (internos e externos) promovendo a interdisciplinaridade do projeto e o aumento das colaborações interinstitucionais;
Criar novos projetos de pesquisa vinculados a este;
Buscar a internacionalização do grupo de pesquisa por meio de colaborações com pesquisadores e instituições estrangeiras;
Divulgar os resultados obtidos através de publicações de artigos científicos em revistas de alto fator de impacto e através de comunicações em eventos científicos nacionais e internacionais.

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