Solventes eutéticos profundos: alternativas sustentáveis para uma fabricação mais verde

Os solventes eutéticos profundos são uma classe de solventes projetados em rápida ascensão que transformaram a química verde, a síntese de materiais e os sistemas eletroquímicos. Formalizados conceitualmente no início dos anos 2000, esses solventes são formados pela mistura de dois ou mais componentes, tipicamente um doador de ligação de hidrogênio (HBD) e um aceitador de ligação de hidrogênio (HBA), em proporções molares específicas para gerar uma mistura eutética cujo ponto de fusão é drasticamente inferior ao de qualquer componente individual. 

Essa redução do ponto de fusão ocorre porque fortes interações de ligação de hidrogênio rompem a estrutura cristalina das substâncias puras, resultando em uma fase líquida a temperaturas relativamente baixas. Como resultado, os solventes eutéticos profundos podem frequentemente ser preparados por meio de aquecimento e agitação simples, sem a necessidade de etapas complexas de purificação ou secagem.

Um fator crítico no crescimento da pesquisa sobre solventes eutéticos profundos é a sua sustentabilidade. Ao contrário dos solventes orgânicos convencionais ou de alguns líquidos iônicos, eles podem ser sintetizados a partir de componentes baratos, prontamente disponíveis e, muitas vezes, biodegradáveis. Exemplos comuns de HBAs incluem sais de amônio quaternário, como o cloreto de colina (ChCl), enquanto os HBDs frequentemente incluem compostos como ureia, glicerol ou ácidos carboxílicos, ácidos orgânicos e metabólitos naturais. 

Sua baixa pressão de vapor reduz as preocupações com a inflamabilidade e limita as emissões nocivas, enquanto sua polaridade, viscosidade, acidez e capacidade de solvatação ajustáveis conferem aos pesquisadores uma enorme flexibilidade para adaptar os solventes a aplicações específicas. Como os solventes eutéticos profundos podem incorporar moléculas biocompatíveis, também conhecidos como solventes eutéticos profundos naturais (NADES), eles são adequados de forma única para aplicações que envolvem sistemas biológicos, extração de produtos naturais e formulação farmacêutica.

Por que os solventes eutéticos profundos estão atraindo a atenção da pesquisa

Aproveitamos a CAS Content Collection^TM, o maior repositório de informações científicas com curadoria humana, para extrair insights acionáveis sobre solventes eutéticos profundos a partir do vasto corpo de informações publicadas sobre este assunto. Criamos uma consulta específica no CAS IP Finder, desenvolvido pelo STN™, para analisar mais de 20.000 publicações relevantes de periódicos e patentes (veja a Figura 1). 

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A Figura 1 apresenta tendências temporais para documentos relacionados a solventes eutéticos profundos, obtidas usando a função “Analisar” oferecida pelo CAS IP Finder™. Pesquisadores que exploram tendências semelhantes também podem acessar recursos de pesquisa habilitados por IA no CAS SciFinder® para identificar padrões em suas áreas de pesquisa específicas.

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As tendências de publicação para solventes eutéticos profundos demonstram o crescimento acentuado característico de um campo emergente em transição para a maturidade. Esse padrão de dormência seguido por uma aceleração dramática indica que o tópico evoluiu de uma área de nicho para um foco de pesquisa convencional dentro da comunidade científica. 

Uma observação crítica, no entanto, é a disparidade acentuada entre os tipos de publicação, com artigos de periódicos dominando o cenário, enquanto as famílias de patentes representam uma fração substancialmente menor. Esse desequilíbrio sugere que o campo permanece predominantemente na fase de pesquisa fundamental, com tradução limitada para aplicações comerciais. A lacuna entre o interesse acadêmico e o desenvolvimento de propriedade intelectual indica barreiras à comercialização ou que o conhecimento fundamental ainda está sendo estabelecido antes que a implementação prática possa acelerar.

Por que os solventes eutéticos profundos são tão promissores, mesmo que ainda não tenham sido comercializados? Esses solventes compartilham várias semelhanças com os líquidos iônicos, já que ambos são considerados solventes de baixa volatilidade, ajustáveis e com caráter iônico. No entanto, existem diferenças notáveis entre os dois. Enquanto os líquidos iônicos são compostos inteiramente por íons e exibem caráter iônico total, os solventes eutéticos profundos são apenas parcialmente iônicos porque consistem em espécies moleculares que interagem por meio de ligações de hidrogênio.

Os solventes eutéticos profundos também são significativamente mais baratos porque são sintetizados a partir de componentes prontamente disponíveis, muitas vezes de base biológica, enquanto os líquidos iônicos exigem síntese em várias etapas e sais caros. Além disso, os solventes eutéticos profundos são mais fáceis de sintetizar, o que contrasta fortemente com os processos complexos de preparação e purificação associados aos líquidos iônicos.

De uma perspectiva funcional, os solventes eutéticos profundos exibem ambientes de solvatação únicos que diferem significativamente dos solventes aquosos ou orgânicos tradicionais. Eles podem dissolver inúmeros sais inorgânicos, óxidos metálicos, polímeros e biomoléculas, muitas vezes permitindo reações ou processos que são difíceis em outros meios. Suas amplas janelas eletroquímicas, alta condutividade iônica (em algumas formulações) e estabilidade os tornam candidatos atraentes para baterias de próxima geração, eletrodeposição de metais e supercapacitores.

Na química de materiais, esses solventes surgiram como meios poderosos para a síntese de nanomateriais, estruturas metal-orgânicas (MOFs) e estruturas orgânicas covalentes (COFs), carbonos porosos e catalisadores, oferecendo controle preciso sobre a nucleação e o crescimento, evitando condições severas. Eles são cada vez mais empregados em processos que apoiam a recuperação e reciclagem de recursos, como a extração de metais de resíduos eletrônicos, processamento de biomassa e captura de dióxido de carbono. Essas aplicações contribuem para a economia circular ao permitir a recuperação e reutilização sustentável de materiais.

No geral, os solventes eutéticos profundos representam uma alternativa promissora aos solventes orgânicos convencionais e aos caros líquidos iônicos, oferecendo uma solução versátil, econômica e ecológica para aplicações em catálise, eletroquímica, produtos farmacêuticos e ciência dos materiais.

Tipos de solventes eutéticos profundos

Os solventes eutéticos profundos são categorizados em vários tipos com base na natureza dos componentes HBD e HBA. Abbott et al. propuseram originalmente um sistema de classificação que compreende os Tipos I a IV, que foi posteriormente expandido para incluir o Tipo V para acomodar sistemas além dos sais de amônio quaternário convencionais. Essa classificação fornece uma estrutura sistemática para entender a formação, o comportamento físico-químico e as aplicações potenciais dos solventes eutéticos profundos.

• Tipo I: Estes são formados pela combinação de um sal de amônio quaternário, tipicamente um haleto como o cloreto de colina (ChCl), com um sal metálico contendo um cloreto metálico, como ZnCl₂ ou SnCl₂. O sal metálico atua como um ácido de Lewis, e sua interação com o ânion haleto leva a uma redução significativa do ponto de fusão.

• Tipo II: Estes solventes também dependem de um sal de haleto de amônio quaternário, mas o componente metálico está presente em sua forma hidratada. A presença de moléculas de água coordenadas aos íons metálicos influencia as ligações de hidrogênio e as interações iônicas, reduzindo ainda mais o ponto de fusão e aumentando a condutividade iônica.

• Tipo III: Estes são os mais estudados devido à sua simplicidade, custo-benefício e biodegradabilidade. Nesses sistemas, um sal de amônio quaternário atua como HBA, enquanto um composto molecular — comumente ureia, glicerol, etilenoglicol (EG) ou ácidos orgânicos — atua como HBD. A forte ligação de hidrogênio entre os componentes resulta em uma profunda redução do ponto de fusão, formando líquidos à temperatura ambiente ou próxima a ela. Sua polaridade ajustável e baixa toxicidade os tornam atraentes para processos de extração, conversão de biomassa e aplicações farmacêuticas.

• Tipo IV: Estes solventes eutéticos profundos diferem das categorias anteriores pelo fato de o sal metálico servir como HBA, enquanto o HBD é um composto molecular, como ureia ou EG. Esses sistemas podem incorporar altas concentrações de íons metálicos, e a coordenação entre os centros metálicos e os doadores moleculares contribui para suas propriedades estruturais e eletroquímicas únicas.

• Tipo V: O Tipo V representa uma categoria mais ampla e recente que não depende de sais de amônio quaternário ou haletos metálicos. Em vez disso, ambos os componentes são espécies moleculares capazes de formar fortes ligações de hidrogênio, como ácidos orgânicos, amidas, polióis, açúcares e outras moléculas neutras. Esta categoria se sobrepõe ao conceito de NADES, que utiliza componentes derivados naturalmente e biocompatíveis. Os solventes do Tipo V oferecem flexibilidade excepcional na criação de solventes ambientalmente benignos adaptados para aplicações alimentícias, farmacêuticas e biológicas.

Os documentos que analisamos incluíam substâncias indexadas associadas. A partir desses registros, identificamos os quinze principais pares de substâncias conhecidos por formar solventes eutéticos profundos (veja a Figura 2).

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A distribuição da atenção da pesquisa revela um cenário altamente concentrado, dominado por sistemas baseados em ChCl. A presença esmagadora do cloreto de colina na maioria dos pares mais bem classificados indica que ele se tornou o HBA predominante no campo. Isso se deve principalmente à sua acessibilidade, preparação direta e extensa caracterização, o que facilita a reutilização em diversos métodos e aplicações.

É importante ressaltar que a análise mostra que os 15 principais pares constituem apenas sistemas do Tipo III e do Tipo V. A predominância dos solventes do Tipo III indica que os sistemas baseados em componentes iônicos receberam a maior ênfase de pesquisa devido à sua simplicidade e custo-benefício.

Em contraste, a representação comparativamente limitada dos solventes do Tipo V sugere que esses sistemas totalmente moleculares são valorizados por sua biocompatibilidade e vantagens ambientais. Esse padrão demonstra uma mudança clara na pesquisa em direção a formulações livres de metais, consistente com um movimento mais amplo em direção ao desenvolvimento de solventes mais seguros e sustentáveis.

Cloreto de colina e novos pares de substâncias

Examinamos ainda mais os pares de substâncias para identificar aqueles que estão surgindo ou apresentando crescimento anual (YoY) elevado durante o período de 2021–2025 (veja a Figura 3).

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O cenário de pares de solventes eutéticos profundos emergentes apresenta uma relação inversa pronunciada entre a presença de pesquisas estabelecidas e o ímpeto de crescimento, em que sistemas com menor volume acumulado de publicações demonstram taxas de crescimento substancialmente mais elevadas. Esse padrão sugere que o campo está se diversificando para além das formulações historicamente dominantes, com sistemas de referência tradicionais ocupando o quadrante de alto volume e baixo crescimento, o que indica saturação na caracterização fundamental, enquanto novas combinações demonstram trajetórias de alto crescimento típicas de um interesse investigativo em expansão e do potencial de descoberta de aplicações anteriormente inexploradas.

Uma observação notável é a dominância evidente das formulações à base de betaína no regime de alto crescimento. O agrupamento da betaína com vários doadores de ligação de hidrogênio em taxas de crescimento elevadas sinaliza uma mudança de paradigma em relação ao cloreto de colina como o aceitador de ligação de hidrogênio universal, potencialmente impulsionada pela natureza zwitteriônica da betaína, maior biocompatibilidade, origem natural ou perfil regulatório favorável.

Essa diversificação composicional representa uma segunda geração de pesquisa em solventes eutéticos profundos. Ela aponta para o amadurecimento metodológico e a exploração sistemática de estruturas iônicas alternativas que podem abordar as limitações dos sistemas tradicionais à base de colina.

A porcentagem de dados de patentes destaca uma divergência entre o amadurecimento das publicações e a tradução comercial. As formulações emergentes à base de betaína estão atraindo interesse acadêmico e de propriedade intelectual simultâneo, indicando um forte potencial comercial percebido. Em contrapartida, os pares estabelecidos de cloreto de colina, apesar da ampla cobertura de pesquisa, mostram um envolvimento comparativamente menor com patentes, sugerindo novidade limitada para proteção ou barreiras persistentes à adoção pelo mercado.

No geral, o padrão implica uma mudança na inovação em direção a sistemas alternativos centrados na betaína que prometem desempenho diferenciado, vantagens regulatórias ou soluções para necessidades industriais não atendidas além dos solventes eutéticos profundos convencionais à base de colina.

Aplicações desde a fabricação farmacêutica até o tratamento de águas residuais e além

Identificamos as principais aplicações para solventes eutéticos profundos e analisamos a atividade de periódicos e patentes nesses domínios (veja a Figura 4). A distribuição da atividade de pesquisa entre as áreas de aplicação reflete a versatilidade desses solventes em viabilizar avanços tecnológicos concretos.

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Na ciência biomédica, os solventes eutéticos profundos, particularmente os NADES, apoiam a administração de medicamentos por meio da solubilização aprimorada de fármacos hidrofóbicos, estabilização de macromoléculas como proteínas e enzimas, e facilitação do transporte transdérmico e mucoso. Sua capacidade de manter a compatibilidade biológica enquanto melhora a estabilidade molecular também os tornou meios atraentes para formulações antimicrobianas e estratégias de criopreservação.

A valorização da biomassa representa outra área de foco importante, onde esses solventes são usados para deslignificação seletiva, dissolução de hemicelulose e pré-tratamento de matérias-primas lignocelulósicas para aumentar o rendimento de açúcar para bioconversão. Sua capacidade de extrair produtos químicos de plataforma, como furfural ou 5-(hidroximetil)furfural, sob condições relativamente brandas, reforça ainda mais sua relevância para operações de biorrefinaria sustentável.

No domínio de alimentos e nutracêuticos, os solventes eutéticos profundos são amplamente utilizados para extrair polifenóis, flavonoides, carotenoides e outros compostos bioativos de matrizes vegetais, oferecendo alternativas mais limpas aos solventes orgânicos enquanto preservam a funcionalidade antioxidante.

A pesquisa em catálise utiliza essas substâncias como meios de reação para catálise ácido-base, transformações catalisadas por metais e processos biocatalíticos. Suas redes estruturadas de ligação de hidrogênio frequentemente aumentam a estabilidade do catalisador, facilitam a ativação do substrato e apoiam uma melhor seletividade do produto.

A remediação ambiental, por sua vez, utiliza solventes eutéticos profundos para tarefas como remoção de corantes, sequestro de metais pesados e extração de poluentes orgânicos persistentes de águas residuais. Alguns também atuam como meios auxiliares para degradação enzimática ou fotocatalítica, apoiando caminhos de tratamento de água mais ecológicos e energeticamente eficientes.

As aplicações de solventes eutéticos profundos relacionadas à energia são igualmente diversas, abrangendo seu papel como eletrólitos em baterias de íon-lítio e íon-sódio, meios condutores de prótons em células de combustível e ambientes iônicos para supercapacitores de alto desempenho. Sua estabilidade térmica, baixa inflamabilidade e amplas janelas eletroquímicas os tornam alternativas atraentes aos eletrólitos convencionais.

A pesquisa em eletrodeposição envolve o uso de solventes eutéticos profundos para formar revestimentos uniformes de metais como níquel, cobre, cobalto e suas ligas, permitindo a deposição controlada sem os aditivos corrosivos necessários em banhos de galvanoplastia aquosos. Em aplicações de extração de metais, eles são usados para lixiviação seletiva e recuperação de metais valiosos de minérios, catalisadores gastos e lixo eletrônico. Por exemplo, solventes eutéticos profundos à base de colina podem dissolver metais preciosos por meio de complexação assistida por ligantes, fornecendo uma alternativa significativamente mais segura e ambientalmente benigna aos ácidos minerais fortes convencionais.

Estudos de captura e separação de gases exploram o uso desses solventes para absorção de CO₂, remoção de SO₂ e purificação de biogás, capitalizando sua afinidade ajustável de ligação de hidrogênio para gases específicos.

Finalmente, em cosméticos, os solventes eutéticos profundos funcionam como solubilizantes naturais, umectantes e veículos para extratos botânicos, permitindo o desenvolvimento de formulações mais suaves e derivadas de plantas, alinhadas às tendências de consumo de "rótulo limpo".

A pesquisa apresentada na Figura 4 ressalta que os solventes eutéticos profundos não são apenas solventes verdes teóricos, mas viabilizadores práticos de soluções tecnológicas direcionadas em biomedicina, química sustentável, sistemas de energia, gestão ambiental e produtos de consumo.

Pares de substâncias e aplicações na fabricação verde

Exploramos ainda mais os pares de substâncias de solventes eutéticos profundos mais utilizados nessas aplicações (veja a Figura 5). Essa análise revelou relações complexas entre as formulações de solventes eutéticos profundos e os domínios de aplicação.

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Os sistemas tradicionais de Tipo III à base de cloreto (combinados com polióis, ureia e ácidos orgânicos) demonstraram versatilidade notável por meio de distribuições de fluxo substanciais em todas as categorias de aplicação. Essa ampla aplicabilidade indica que essas formulações estabelecidas funcionam como plataformas de uso geral capazes de atender a diversos requisitos funcionais, refletindo sua importância histórica e capacidades multifuncionais potencialmente genuínas.

Paralelamente, algumas formulações de Tipo V aparecem como fluxos mais direcionados, vinculando-se preferencialmente a contextos biocêntricos e voltados para a remediação, onde atributos como biocompatibilidade, acidez ajustável e controle de viscosidade são vantajosos.

No geral, isso indica que a seleção da aplicação é governada menos por uma mistura ideal única do que por famílias composicionais (por exemplo, polióis, ácidos carboxílicos, carboidratos) que permitem o ajuste sistemático de polaridade, acidez, capacidade de ligação de hidrogênio e caráter iônico. Isso ressalta como a diversidade estrutural e química dos solventes eutéticos profundos permite sua implementação personalizada em tecnologias avançadas. Essa diversidade também motiva estruturas de seleção baseadas em propriedades e relatórios padronizados para minimizar a dependência excessiva de sistemas legados e revelar formulações de alto potencial ainda pouco exploradas.

Perspectivas futuras: A consistência impulsionará a adoção de solventes eutéticos profundos

Apesar de sua crescente importância como alternativas versáteis e sustentáveis aos solventes convencionais, os solventes eutéticos profundos continuam a enfrentar vários desafios científicos e tecnológicos que dificultam uma adoção industrial mais ampla. A principal barreira é sua sensibilidade aguda à composição, particularmente ao teor de água, que reorganiza as redes de ligação de hidrogênio e altera a viscosidade, a polaridade e o comportamento eletroquímico. Essas mudanças na composição ressaltam a necessidade de preparação padronizada, qualificação e quantificação rotineira de água in situ para garantir a reprodutibilidade.

Igualmente importante é a alta viscosidade, uma das restrições práticas mais reconhecidas. Viscosidades elevadas prejudicam a transferência de massa e calor, limitam a eficiência de separação e restringem aplicações eletroquímicas ou catalíticas. Paralelamente, os perfis toxicológicos e ambientais dos solventes eutéticos profundos permanecem incompletamente caracterizados. Embora sejam frequentemente rotulados como "verdes", especialmente os NADES, estudos recentes relataram resultados toxicológicos contraditórios, enfatizando a necessidade de protocolos de teste padronizados e avaliações mais amplas em nível de organismo.

Olhando para o futuro, o avanço da pesquisa em DES dependerá do estabelecimento de padrões rigorosos para relatórios de composição, controle de pureza e gerenciamento de água, apoiados por ferramentas rápidas de controle de qualidade capazes de garantir a consistência desde a preparação em laboratório até a implementação industrial. Avanços contínuos em modelagem molecular, espectroscopia e triagem de alto rendimento estão começando a fechar as lacunas de conhecimento existentes, permitindo um design mais racional e preditivo de sistemas de solventes específicos para cada aplicação.

Juntos, esses desenvolvimentos posicionarão os solventes eutéticos profundos como uma plataforma em evolução contínua, cujo potencial total só será realizado por meio de avanços coordenados em design, caracterização e implementação sustentável.

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