Síntese, caracterização e aplicação de catalisadores do tipo [M{CH3(CH2)11SO4}n], M = Ce(III), Al(III) e Zr(IV)

Abstract

O desenvolvimento de novos catalisadores com maior atividade e seletividade tem sido o foco principal da indústria química, bem como do meio acadêmico, para atender as demandas ambientais e fatores econômicos. Neste trabalho, catalisadores ácidos de Lewis/surfactantes combinados (ALSCs) contendo cadeias doze carbonos e cátions metálicos de Zr(IV), Ce(III) e Al(III) foram utilizados na síntese do acetato de benzila a partir da esterificação do ácido acético com álcool benzílico. O uso de catalisadores heterogêneos em substituição aos ácidos convencionais é uma alternativa sustentável, pois não geram resíduos, podem ser reutilizados e obter melhores rendimentos e seletividade. A análise elementar dos materiais preparados forneceram as seguintes fórmulas para os catalisadores, [Zr4,0(OH)12,0(DS)4,0]∙6,7H2O, [Ce(DS)3,0]∙1,9H2O e [Al(DS)3,0]∙6,5H2O. As análises de IVTF e RMN confirmaram a composição encontrada através das bandas relativas aos modos de vibração do surfactante e dos sinais referentes aos átomos de hidrogênio presentes nas amostras, respectivamente. Em adição, os valores obtidos experimentalmente e os calculados a partir das fórmulas dos materiais para os processos de decomposição térmica comprovaram os dados de análise elementar. As análises de DRX mostraram que os catalisadores possuem uma estrutura lamelar bidimensional do tipo cabeça-cabeça/cauda-cauda. Para encontrar as melhores condições reacionais estudou-se a razão molar dos reagentes nas proporções 1:1, 1:2 e 2:1 (ácido:álcool), a temperatura em 40, 60 e 80 °C, a quantidade de catalisador em 5, 10 e 20% m/m e o tempo. Os melhores resultados foram obtidos com razão molar 2:1, temperatura de 60 °C e 5% de catalisador após 2 h de reação. Os catalisadores de cério(III) e alumínio(III) apresentaram os melhores resultados, obtendo 91,8 e 94,8%, respectivamente. Embora as diferentes condições reacionais limitem uma comparação efetiva com a literatura, os catalisadores desenvolvidos neste trabalho apresentaram valores superiores utilizando condições de reação mais brandas. O estudo cinético desses materiais na reação de esterificação revelou as constantes de velocidade (k) através do coeficiente angular obtido da linearização das curvas de conversão versus tempo. Os valores encontrados para os catalisadores de cério(III) e alumínio(III) foram 0,0124 e 0,0215 min-1, respectivamente. A caracterização e aplicação desses materiais fornecem uma nova rota sintética para a produção de ésteres e contribuem para aumentar o conhecimento de catalisadores ácidos de Lewis/surfactantes combinados.