Tipos e atividade catalítica de catalisadores de aminas terciárias

Os catalisadores de aminas terciárias são um dos tipos de catalisadores mais comumente usados ​​na produção de espuma de poliuretano. A maioria dos catalisadores de aminas terciárias podem catalisar tanto a reação entre isocianatos e água quanto a reação entre isocianatos e polióis, que são as duas principais reações na síntese de espuma de poliuretano. No entanto, a atividade catalítica varia entre os diferentes compostos de amina.

Classificação de Catalisadores de Aminas Terciárias

Os compostos de aminas terciárias utilizados como catalisadores de poliuretano podem ser categorizados com base na sua estrutura química em aminas alifáticas, aminas alicíclicas e aminas aromáticas.

1. Aminas Alifáticas

Exemplos comuns: N,N-Dimetilciclohexilamina, Éter bis(2-dimetilaminoetil), Trietilenodiamina, N,N,N’,N’-Tetrametil-1,2-etilenodiamina, N,N,N’,N’’,N’’-Pentametildietilenotriamina, Trietilamina, N,N-Dimetilbenzilamina, N,N-Dimetilhexilamina.

2. Aminas Alicíclicas

Exemplos comuns: Trietilenodiamina, N-Etilmorfolina, N-Metilmorfolina, N,N’-Dietilpiperazina, N,N’-Dietil-2-metilpiperazina, N,N’-Bis(α-hidroxipropil)-2-metilpiperazina, N-(2-Hidroxipropil)-N,N-dimetilmorfolina.

3. Aminoálcoois

Exemplos: Trietanolamina, N,N-Dimetiletanolamina.

Estes são catalisadores reativos que podem ser usados ​​em combinação com outros catalisadores de alta atividade. A trietanolamina também atua como agente de reticulação em espumas moldadas.

4. Aminas Aromáticas

Exemplos: Piridina, N,N’-Dimetilpiridina.

Efeito Catalítico e Relevância Industrial

Nas fases iniciais da reação, a eficiência catalítica desempenha um papel crucial na produção industrial de espumas de poliuretano. O processo de fabricação da espuma flexível de poliuretano é altamente dependente de catalisadores devido à baixa funcionalidade dos reagentes e à menor densidade de reticulação dos produtos em comparação com as espumas rígidas. As espumas flexíveis requerem mais tempo para atingir resistência suficiente em sua rede celular e exibem uma alta taxa de células abertas.

Os catalisadores promovem as reações NCO-OH e NCO-H₂O, levando a um rápido aumento no peso molecular do polímero. Simultaneamente, é gerado gás, a viscosidade do polímero aumenta e a espuma se expande e solidifica rapidamente.

A atividade catalítica é normalmente avaliada com base no tempo de ascensão da espuma e no calor liberado durante a reação.

Fatores que afetam a atividade catalítica

Basicidade

A atividade catalítica das aminas terciárias é significativamente influenciada pela sua basicidade. Uma basicidade mais forte corresponde a uma atividade catalítica mais elevada. Substituintes doadores de elétrons no átomo de nitrogênio aumentam a densidade da nuvem de elétrons, aumentando a basicidade e a atividade catalítica. Por outro lado, os substituintes que retiram elétrons diminuem a basicidade e a eficiência catalítica. Alguns pesquisadores consideram a basicidade uma métrica chave para avaliar a atividade de catalisadores de amina.

Estrutura Molecular

O obstáculo espacial dos substituintes no átomo de nitrogênio afeta grandemente a atividade catalítica. Substituintes menores aumentam a atividade, enquanto grupos mais volumosos dificultam a aproximação do átomo de nitrogênio ao grupo carbonila do isocianato, reduzindo o desempenho catalítico.

Um estudo inicial no exterior demonstrou este princípio examinando a reação entre isocianato de fenila e 1-butanol em tolueno em 40°C. Apesar de ter uma constante de dissociação maior pKa, N,N,N’,N’-A tetraetilmetilenodiamina exibiu menor atividade devido ao impedimento estérico de seus quatro grupos etil. Em contraste, a trietilenodiamina, com a sua estrutura única em forma de gaiola e átomos de azoto expostos, mostrou forte actividade catalítica.

Dosagem do Catalisador e Considerações Econômicas

Quando a dosagem do catalisador é baixa, aumentá-la leva a um aumento significativo na velocidade da reação. Contudo, para além de um certo ponto, novos aumentos de dosagem têm um efeito decrescente na velocidade de reacção. Dado o custo relativamente elevado dos catalisadores, é essencial determinar uma dosagem óptima com base nos requisitos específicos da reacção.