Sur la piste de la réactivité des catalyseurs

Des catalyseurs sont utilisés dans environ 90 pour cent de tous les processus chimiques dans l'industrie. Ce sont des composés qui accélèrent les réactions chimiques, les font se dérouler à des températures plus basses ou peuvent même les rendre possibles. Les analogues dans la nature sont les enzymes, qui effectuent des transformations biochimiques complexes dans l'organisme de manière très efficace et sélective.

Dans l'industrie, les catalyseurs sont essentiels pour économiser de l'énergie et rendre ainsi les processus plus durables et plus efficaces. Il existe donc un grand intérêt pour de tels médiateurs de réaction afin de produire des produits chimiques et des matériaux. Cependant, le développement de catalyseurs dépend encore aujourd'hui fortement du screening, c'est-à-dire de l'essai de différentes molécules, et donc du hasard.

Comprendre les catalyseurs en détail

Pour développer de nouveaux catalyseurs ou les rendre plus efficaces, il est important de comprendre dans les moindres détails la répartition et la facilité de liaison de leurs électrons. Cette structure électronique détermine le caractère de chaque molécule et de chaque catalyseur, comme sa couleur, son odeur ou sa réactivité. Si l'on conna?t la structure électronique exacte, il est également possible de faire des prédictions sur les propriétés chimiques d'un composé.

C'est précisément ce qu'ont réussi à faire des chercheurs du groupe du professeur de l'ETH Christophe Copéret avec une équipe internationale : ils ont pu déterminer avec précision la structure électronique des catalyseurs et prédire leur comportement à l'aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) - une méthode d'analyse très répandue en chimie - et des méthodes assistées par ordinateur les plus modernes. Gr?ce à la nouvelle méthode qu'ils utilisent actuellement page externePNAS la voie vers de nouveaux catalyseurs devient plus simple et moins dépendante du criblage et du hasard.

De l'éthylène au polyéthylène

Dans leur étude, les chercheurs ont examiné les catalyseurs utilisés dans l'industrie pour la polymérisation des oléfines. Les polyoléfines sont des produits chimiques de base comme par exemple le polypropylène et le polyéthylène. Leur utilisation va des emballages aux filets de pêche en passant par les produits de haute technologie comme les gilets pare-balles. Le polyéthylène est obtenu par polymérisation de l'éthylène en présence de catalyseurs dits organométalliques. Ceux-ci contiennent un métal qui est lié à au moins un atome de carbone.

Dans les cours de chimie de base, les étudiants apprennent qu'il existe des liaisons simples, doubles et triples dans les molécules. Et ils apprennent que les polyoléfines sont produites par des catalyseurs qui contiennent une liaison simple métal-carbone. Les chercheurs du groupe de Copéret ont toutefois découvert que la réalité n'est pas toujours aussi entière : Dans les catalyseurs étudiés, la liaison carbone-métal se situe entre une liaison simple et une liaison double, selon le métal et la charge.

Le caractère de la double liaison détermine la réactivité

Le degré de cette double liaison est déterminant pour l'activité catalytique. C'est précisément ce caractère de double liaison que les chercheurs ont maintenant pu déduire directement du déplacement chimique de l'atome de carbone à partir de la spectroscopie RMN. Ils ont montré qu'un catalyseur produit d'autant mieux des polyoléfines que la liaison entre l'atome de métal et l'atome de carbone se comporte comme une double liaison. Ceci n'avait pas été pris en compte jusqu'à présent par les chercheurs et conduit à une conclusion contre-intuitive : plus la liaison carbone-métal a un caractère de double liaison, plus elle est courte et forte - et pourtant, plus elle est facilement rompue lors de la polymérisation des oléfines.

Développer des catalyseurs plus rapidement

En combinant la spectroscopie RMN avec des calculs théoriques, il est désormais possible de prédire si un catalyseur permettra une réaction chimique. Les chercheurs s'attendent à ce que cette nouvelle méthode accélère à l'avenir la conception, qui prend beaucoup de temps, tout en offrant aux chimistes une compréhension plus fine de la structure électronique des catalyseurs.