Pour des produits de chimie fine fabriqués de manière efficace et respectueuse de l'environnement
Des ingénieurs chimistes de l'ETH Zurich ont mis au point un nouveau catalyseur qui permet de lier deux atomes de carbone à moindre co?t et de manière écologique. Cette technologie pourrait bient?t être utilisée dans l'industrie.
L'industrie chimique ne produit pas seulement de précieuses vitamines, des médicaments, des ar?mes et des produits phytosanitaires, mais souvent aussi beaucoup de déchets. Dans la production de médicaments et de produits chimiques dits fins notamment, les quantités de sous-produits de synthèse et de déchets invendables dépassent souvent de plusieurs fois celles du produit souhaité.
L'une des raisons est que les catalyseurs sont utilisés sous forme dissoute dans de nombreuses réactions chimiques, comme l'explique Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie catalytique. Les catalyseurs sont des substances auxiliaires qui favorisent une réaction. Si les catalyseurs sont solubles, il est souvent difficile de les séparer du solvant utilisé et des produits et sous-produits qui en résultent, puis de les réutiliser. Ce problème dispara?t avec les catalyseurs sous forme solide.
Pérez-Ramírez, son groupe, d'autres scientifiques européens et un partenaire industriel ont mis au point un tel catalyseur solide pour une réaction chimique importante, comme l'expliquent les chercheurs dans la revue spécialisée page externeNature Nanotechnology rapporter . Le catalyseur est un réseau moléculaire composé d'atomes de carbone et d'azote (nitrure de carbone graphitique). Ce réseau présente des lacunes que les chercheurs ont équipées d'atomes de palladium.
Catalyse efficace d'une réaction récompensée par un prix Nobel
Les scientifiques ont utilisé de minuscules particules de ce matériau palladium-carbone-azote et ont pu montrer qu'ils pouvaient ainsi catalyser très efficacement ce que l'on appelle le couplage de Suzuki. "En chimie, lorsqu'il s'agit de lier deux atomes de carbone, on utilise souvent aujourd'hui le couplage de Suzuki", explique Sharon Mitchell, scientifique dans le laboratoire de Pérez-Ramírez. C'est pour cette réaction que le Japonais Akira Suzuki a re?u, avec deux autres scientifiques, le prix Nobel de chimie 2010.
Jusqu'à présent, un catalyseur soluble à base de palladium était souvent utilisé pour cette réaction. Les tentatives précédentes de fixer ce catalyseur soluble sur un corps solide n'ont abouti qu'à des catalyseurs relativement peu stables et peu efficaces.
Nettement moins de déchets
Le nouveau catalyseur au palladium des chercheurs de l'ETH est beaucoup plus stable. Pour cette raison et parce qu'il ne se dissout pas dans le liquide de réaction, il peut être utilisé beaucoup plus longtemps. En outre, le catalyseur est beaucoup moins cher et environ vingt fois plus efficace que les catalyseurs utilisés aujourd'hui.
"Gr?ce à ce nouveau catalyseur, nous pouvons non seulement réduire les co?ts de synthèse des produits chimiques fins, mais aussi la consommation de palladium et la quantité de déchets", explique Pérez-Ramírez. Le catalyseur pourrait bient?t être prêt à être utilisé dans l'industrie : Selon les scientifiques, il devrait être facile de faire passer la production du catalyseur et son utilisation de l'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle.
Comme le soulignent les chercheurs, l'utilisation du nitrure de carbone graphitique comme catalyseur à l'état solide ne se limite pas au couplage de Suzuki. Il devrait également être possible d'occuper le réseau moléculaire avec d'autres atomes métalliques que le palladium, afin de catalyser d'autres synthèses. Les scientifiques de l'ETH vont explorer ces possibilités dans le cadre d'autres travaux de recherche. Ils prévoient en outre de créer une entreprise spin-off pour la commercialisation du nouveau catalyseur.
Référence bibliographique
Chen Z, Vorobyeva E, Mitchell S, Fako E, Ortu?o MA, López N, Collins SM, Midgley PA, Richard S, Vilé G, Pérez-Ramírez J : A heterogeneous single-atom palladium catalyst overpassing homogeneous systems for Suzuki coupling. Nature Nanotechnology, 25 juin 2018, doi : page externe10.1038/s41565-018-0167-2