Hidrogenação eletrocatalítica de substratos orgânicos utilizando eletrodos modificados poliméricos contendo partículas de Ni/Pd e Ni/Pt

Electrocatalytic hydrogenation of organic substrates on polymer modified electrodes embedding Ni/Pd and Ni/Pt particles

Novel modified electrodes bearing dispersed Pd and Pt particles have been prepared from poly (allyl ether of the p-benzenesulfonic acid) films with incorporated nickel particles making use of galvanic displacement reactions. The SEM analysis of the new modified electrodes revealed efficient deposition of Pd but weak up-take of Pt. Electrocatalytic hydrogenation of several classes of organic substrates were carried out using the MEs Ni, Ni/Pd and Ni/Pt. The Ni/Pd ME showed to be the best of them for the hydrogenation of double, triple and carbonyl bonds. The complete hydrogenation of the aromatic rings for the well-adsorbed substrates acetophenone and benzophenone is noteworthy.

modified electrode; palladium and platinum particles; complete aromatic hydrogenation


modified electrode; palladium and platinum particles; complete aromatic hydrogenation

ARTIGO

Hidrogenação eletrocatalítica de substratos orgânicos utilizando eletrodos modificados poliméricos contendo partículas de Ni/Pd e Ni/Pt

Electrocatalytic hydrogenation of organic substrates on polymer modified electrodes embedding Ni/Pd and Ni/Pt particles

Fabiana L. S. PurgatoI; José R. RomeroI,* * e-mail: jrromero@ffclrp.usp.br ; Luisa M. AbrantesII

IDepartamento de Química, Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Av. Bandeirantes, 3400, 14040-910 Ribeirão Preto - SP, Brasil

IIDepartamento de Química e Bioquímica, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, 1294 Lisboa Codex, Portugal

ABSTRACT

Novel modified electrodes bearing dispersed Pd and Pt particles have been prepared from poly (allyl ether of the p-benzenesulfonic acid) films with incorporated nickel particles making use of galvanic displacement reactions. The SEM analysis of the new modified electrodes revealed efficient deposition of Pd but weak up-take of Pt. Electrocatalytic hydrogenation of several classes of organic substrates were carried out using the MEs Ni, Ni/Pd and Ni/Pt. The Ni/Pd ME showed to be the best of them for the hydrogenation of double, triple and carbonyl bonds. The complete hydrogenation of the aromatic rings for the well-adsorbed substrates acetophenone and benzophenone is noteworthy.

Keywords: modified electrode; palladium and platinum particles; complete aromatic hydrogenation.

INTRODUÇÃO

A hidrogenação eletrocatalítica (HEC)1 e a catalítica2-6 envolvem a transferência de hidrogênio para moléculas orgânicas insaturadas quando ambas as espécies são adsorvidas na superfície de metais de transição, como níquel, paládio ou platina. Na hidrogenação catalítica clássica, o substrato e o hidrogênio usualmente requerem altas pressões e temperatura7 para serem adsorvidos e reagirem, enquanto que a eletrocatalítica requer temperatura ambiente e pressão atmosférica, já que os átomos de hidrogênio são gerados a baixos potenciais aplicados ao eletrodo a partir de prótons presentes na solução ácida.

É conhecido que a eficiência da HEC8-11 é determinada pela relativa habilidade dos substratos orgânicos adsorverem na superfície do eletrodo metálico, habilidade esta que depende de vários fatores como natureza do metal, potencial aplicado, pH e natureza do solvente.

Durante a última década ocorreu um grande desenvolvimento dos eletrodos modificados (EMs) que provêm sistemas com propriedades particulares no que concerne à reatividade e seletividade, com grande aplicação na catálise inorgânica12 e orgânica, como a hidrogenação de diferentes classes de substratos orgânicos.13-16

Filmes poliméricos têm sido usados largamente na preparação dos EMs. EM química e fisicamente estável pode ser preparado com o filme poli (éter alílico do ác. p-benzenossulfônico).17-23 A formação do filme polimérico resulta da eletrooxidação do ácido éter alilbenzeno p-sulfônico, através da formação de um cátion radical estabilizado pelo anel aromático que inicia uma reação em cadeia, originando o polímero.24 As possibilidades de funcionalização do anel aromático na posição para são muito grandes, o que permite construir vários tipos de EMs.18-23 O grupo aniônico sulfonato pode ser usado para a incorporação de íons metálicos (como NiSO4, PtCl4 ou PdCl4) por troca iônica e a subseqüente eletrorredução do íon produz micro/nano partículas dispersas no filme. Assim, estudaram-se as HEC em vários materiais eletródicos e observou-se um bom comportamento químico dado pelos metais incorporados.18- 23

No presente trabalho, as propriedades do poli (éter alílico do ác. p-benzenossulfônico) foram exploradas para incorporar níquel, que foi usado para promover reações de deslocamento galvânico25,26 a fim de se obter dispersões de paládio ou platina no filme polimérico. Estes novos EMs foram caracterizados e usados na HEC de diferentes classes de substratos orgânicos.

PARTE EXPERIMENTAL

Reagentes e equipamentos

Os reagentes comerciais foram purificados quando necessário. As soluções foram preparadas com água deionizada.

A preparação do éter alílico do ác. p-benzenossulfônico está descrita na literatura,17 bem como sua polimerização para produzir filmes que revestiram eletrodos de bastão de grafite.27

Os experimentos em voltametria cíclica foram realizados numa cela cilíndrica convencional de um compartimento (80 mL) usando 4 bastões de grafite (0,7 x 4,5 cm cada)27 presos num suporte de aço como um eletrodo de trabalho (40 cm2 de superfície recoberta com o filme), eletrodo de Ag/AgCl como referência e fio de platina como eletrodo auxiliar. Foi empregado um potenciostato/galvanostato da PAR modelo 273A conectado a um programa Electrochemical Analysis Model 270.

Os bastões de grafite recobertos pelo filme poli (éter alílico do ác. p-benzenossulfônico) foram inicialmente mergulhados em uma solução de NiSO4 0,5 mol L-1 durante 2 h para a troca do H+ pelo Ni2+. Estes eletrodos foram lavados com água e transferidos para uma cela eletrolítica convencional contendo KCl 0,1 mol L-1 para a redução eletroquímica do Ni2+ a Ni, através de seis varreduras no intervalo de 0,0 a -1,0 V versus Ag/ACl, com velocidade de varredura de 10 mV s-1. Estes bastões de grafite assim preparados foram mergulhados por 5 h numa solução de 0,1 g de PdCl4 em HCl conc. sob vigorosa agitação. O mesmo procedimento foi utilizado para promover a troca Ni/Pt utilizando-se uma solução de PtCl4. Assim foram preparados os EM's de Ni/Pd e Ni/Pt.

Os bastões de grafite podem ser recuperados para uso posterior removendo-se o filme e os metais incorporados polindo-os com o abrasivo PK-4 da Bioanalytical System Inc. (BAS).

A morfologia da superfície, a microestrutura e composição elementar dos filmes depositados foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV)28 e espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDX) num Leica-Zeiss LEO 440 modelo SEM acoplado a um analisador Oxford modelo 7060, utilizando uma pastilha de grafite com 3 x 6,38 mm.

Os espectros de ressonância nuclear magnética protônica (1H RMN) foram obtidos num espectrofotômetro Brucker AC-400 (400 MHz). O espectro de absorção no infravermelho foi obtido num espectrofotômetro Perkin-Elmer 1600 series FTIR usando KBr. Cromatografias gás-líquido (c.g.l.) foram realizadas num cromatógrafo a gás Intralab 4290 contendo uma coluna OV 17. Um detector de chama foi utilizado.

Caracterização dos eletrodos modificados

As análises de superfície foram feitas em pastilhas cilíndricas de grafite com 3 x 6,38 mm.

O microscópio foi acoplado a um detector EDX modelo 7060 (resolução 133 eV). A análise foi feita com um feixe de elétrons de 20,00 KV de potência, uma distância de trabalho (WD) de 25 mm; um detector SE1 (detector de elétrons secundários) permitiu um aumento de 3.000 e/ou 7.000 vezes para caracterizar a morfologia das amostras.

A geração de hidrogênio de uma solução de H2SO4 também foi usada para caracterizar o filme poli (ácido éter alílico p-benzenossulfônico) contendo partículas metálicas dispersas. Para este propósito, os EMs foram conectados a uma cela eletrolítica convencional contendo 0,1 mol L-1 de H2SO4 e varreduras de potencial foram feitas entre 0 a -1,0 V versus Ag/AgCl a 10 mV s-1. Vários experimentos foram realizados com o propósito de estudar a estabilidade destes eletrodos.

Hidrogenação eletrocatalítica dos substratos orgânicos usando SEM

1,6 moles (0,02 mol L-1) de benzaldeído, n-valeraldeído, eugenol, isoeugenol, fenilacetileno, 3-butin-1-ol, 2-ciclo-hexanona, isoforona, acetofenona e benzofenona como substratos foram adicionados a 80 mL de uma solução de H2SO4 0,1 mol L-1 numa cela eletrolítica convencional. Para os substratos imiscíveis, terc-butanol foi utilizado como co-solvente na proporção de 3:7 para a solução ácida. Os EMs foram polarizados a um potencial constante de -0,7 V versus Ag/AgCl sob forte agitação magnética durante 24 h. Desprendimento de hidrogênio no eletrodo de trabalho pôde ser observado. Os produtos foram extraídos com CH2Cl2, a solução foi seca e evaporada. O resíduo foi analisado por métodos convencionais como c.g.l., FTIR e 1H RMN e os produtos identificados por comparação com amostras originais.

Caracterização por 1H RMN e FTIR dos produtos da hidrogenação exaustiva da acetofenona e da benzofenona com EM Ni/Pd

Ciclo-hexil-metil-carbinol: 1H RMN δ(ppm): 1,1 (m 10H CH2 ciclo-hexano alifático), 1,8 (m, CH anel), 3,4 (dd, 3H, J=14,1 Hz and J=7,0 Hz, CH3), 3,9 (m, CH-OH) e 4,7

( -OH largo). FTIR (KBr): ν (cm-1) 3365 (OH) e 2974 (CH alifático saturado).

Diciclo-hexil-carbinol: 1H RMN δ (ppm): 1,1-1,4 (m, 20H ciclo-hexano alifático), 1,7 e 1,8 (m, 2x CH de anel) e 4,1 (q, J=7,1 Hz, HC-OH). FTIR (KBr): ν (cm-1): 3373 (OH) e 2933 (CH alifático saturado).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A preparação dos EMs por recobrimento de bastões de grafite com o poli (ác. éter alílico p-benzenossulfônico) já está descrita na literatura.18-24 Resulta da eletrooxidação do monômero e produz um filme estável quimica e fisicamente que pode ser reutilizado nas experiências de hidrogenação eletrocatalítica. O polímero pode também ser removido do eletrodo por polimento e o bastão de grafite pode ser usado repetidamente.

A caracterização do filme polimérico por microscopia eletrônica de varredura (MEV)28 (Figura 1) mostrou que é composto por oxigênio (12,96%), carbono (86,6%) e enxofre (0,44%), proporções estas que correspondem à composição do monômero. As correspondentes micrografias mostram um revestimento homogêneo.

O eletrodo revestido foi imerso por 2 h numa solução de íons de níquel para ocorrer a troca iônica dos prótons do filme com os íons metálicos da solução. A subseqüente eletrorredução foi feita por varreduras catódicas repetidas, até não ser mais observada corrente. A incorporação de partículas de níquel incorporadas na matriz polimérica foi confirmada por MEV mostrando 8,29% de partículas dispersas de forma irregular (Figura 2).

Como foi previamente descrito,18-24 o agora chamado EM/Ni apresenta melhor atividade eletrocatalítica para a evolução de hidrogênio que o filme sem as partículas de níquel. Por outro lado, níquel é apropriado para a ocorrência de uma reação de deslocamento18,20, 25,26 quando mergulhado numa solução de um sal de metal mais nobre, como PdCl4 e PtCl4 em meio ácido. Assim, o EM/Ni foi mergulhado por 5 h nas respectivas soluções de íons paládio e platina para produzir os respectivos EM/Pd e EM/Pt.

A caracterização por MEV destes novos EMs (Figura 3) revelou uma deposição heterogênea de paládio, muito parecida com clusters (2,59% Pd e 0,17% Ni). A incorporação de platina mostrou-se menos efetiva, dificilmente distinguível por análise de MEV, mostrada na Figura 4, contendo 1,23% Ni e 0,40% Pt. Não obstante, a pequena quantidade de platina incorporada responde por um aumento na atividade eletrocatalítica do eletrodo frente à redução de prótons e desprendimento de hidrogênio quando comparado com o EM Ni (Figura 5), o que confirma um comportamento interessante deste eletrodo. Os testes de desprendimento de hidrogênio feitos com o mesmo eletrodo por diversas vezes mostraram que os mesmos são estáveis.

Os EMs foram testados quanto à sua eficiência na hidrogenação de substratos orgânicos selecionados, que apresentam diversos tipos de insaturações e funções, tais como aldeídos e cetonas alifáticas (saturadas e insaturadas), aromáticos, olefinas, acetilenos saturados e insaturados, e moléculas polifuncionais apresentando um alto grau de substituição com restrições estéricas, fator de obstrução importante para reações que ocorrem em duas fases. A Tabela 1 sumariza os resultados obtidos. Em todos os experimentos foi aplicado um potencial de - 0,7 V versus Ag/AgCl para reduzir prótons da solução ácida a hidrogênio radicalar, que adsorve na superfície metálica das partículas no filme. Parte dos prótons transforma-se em hidrogênio molecular17 e parte reage com as moléculas orgânicas igualmente adsorvidas pelas suas insaturações, hidrogenando-as. A análise qualitativa e quantitativa dos produtos foi executada por cromatografia a gás, comparando com amostras puras e/ou analisados por métodos convencionais como 1H RMN ou FTIR.

De acordo com os dados apresentados na Figura 5 (maior corrente de geração de hidrogênio), os melhores resultados foram obtidos com o EM Ni/Pd, que se revelou ativo para a maior parte dos substratos orgânicos, produzindo rendimentos de razoável a bom. Há de notar que os EMs não foram capazes de hidrogenar substratos orgânicos muito volumosos, como o n-valeraldeído, devido à sua cadeia molecular hidrofóbica que adquire uma forma esférica no meio aquoso, e isoforona que possui três grupos metilas ligados ao anel onde estão as insaturações. A importância do paládio em promover adsorções eficientes de substratos orgânicos é evidenciada pelos resultados obtidos para os substratos polifuncionais eugenol e isoeugenol, moléculas volumosas com extensas insaturações conjugadas envolvendo a dupla ligação ou o par de elétrons com o anel aromático. Foi verificada a hidrogenação seletiva da dupla ligação.

Fenilacetileno e 3-butin-1-ol tiveram as suas triplas ligações hidrogenadas e benzaldeído e ciclo-hexanona deram álcool benzílico e ciclo-hexanol, respectivamente.

2-ciclo-hexen-1-ona deu dois possíveis produtos: a hidrogenação da dupla, obtendo-se ciclo-hexanona com os três EMs e, a hidrogenação total, dando ciclo-hexanol com os EMs Ni/Pd e Ni/Pt. Assim, é de se notar a seletividade obtida usando o EM/Ni que hidrogenou apenas a dupla ligação.

Particularmente interessantes foram os resultados obtidos com as cetonas aromáticas: acetofenona e benzofenona foram totalmente hidrogenadas dando ciclo-hexil-metil-carbinol e diciclo-hexil-carbinol quando se usou EM Ni/Pd, enquanto que o EM Ni revelou atividade somente para a hidrogenação da carbonila na acetofenona. Esta seletividade alcançada com diferentes EMs é muito importante para a hidrogenação de compostos aromáticos e nunca foi antes reportada na literatura para hidrogenações eletrocatalíticas. No caso do benzaldeído e do fenilacetileno, substratos igualmente aromáticos, os anéis benzênicos não foram hidrogenados devido a grupos funcionais (aldeído e acetileno) muito reativos que se hidrogenam muito facilmente e se dessorvem rapidamente, após a redução da carbonila ou da tripla ligação, respectivamente. As cetonas aromáticas são menos reativas e toda a extensão molecular conjugada fica fortemente adsorvida no eletrodo contendo paládio, o que permite a hidrogenação do anel. O papel chave do paládio na etapa da adsorção se evidencia quando se comparam os EM Ni e EM Ni/Pd, quando este último promove a hidrogenação da carbonila e da tripla ligação na acetofenona e no 3-butin-1-ol, respectivamente, para dar o álcool secundário e o radical etila.

CONCLUSÃO

Novos eletrodos modificados contendo partículas de paládio e platina dispersas no filme poli (éter alílico do ác. p-benzenossulfônico) foram preparados a partir da incorporação de partículas de níquel por troca iônica e da subseqüente troca e deposição dos metais nobres por reações de deslocamento galvânico. As análises por MEV destes novos eletrodos modificados (EMs) revelaram uma deposição eficiente de paládio, mas pouca deposição de platina. O comportamento destes EMs quanto à redução de prótons de uma solução ácida apontou para a potencialidade de seu uso nas hidrogenações eletrocatalíticas de substratos orgânicos.

Eletrólise a potencial constante favorável para a formação de hidrogênio atômico, mas distante da região onde se observa desprendimento de hidrogênio molecular, permitiu a estes eletrodos (Ni, Ni/Pt e Ni/Pd) hidrogenar um grande número de substratos orgânicos estrategicamente escolhidos de acordo com suas peculiaridades estruturais. Uma comparação da reatividade entre os vários metais foi possível. Para a grande maioria deles, o EM Ni/Pd mostrou ser o mais eficiente. Substratos volumosos e com altos graus de insaturações só puderam ser hidrogenados com o EM Ni/Pd. Os dados da hidrogenação permitiram correlacionar a extensão da conjugação com a eficiência da adsorção da molécula na superfície do eletrodo. Cetonas aromáticas foram totalmente hidrogenadas a alcoóis alifáticos insaturados, o que é um resultado relevante, pois a hidrogenação convencional de anéis benzênicos com gás hidrogênio e um catalisador requer condições muito mais drásticas com altas temperaturas e pressão.

AGRADECIMENTOS

Ao apoio financeiro da CAPES e ao Convênio CAPES/GRICES 067/01.

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Recebido em 25/8/08; aceito em 2/12/08; publicao na web em 11/5/09

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    30 Jul 2009
  • Data do Fascículo
    2009

Histórico

  • Aceito
    02 Dez 2008
  • Recebido
    25 Ago 2008
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