De nouvelles réactions catalytiques pour rendre le monde plus vert et plus propre
Le projet SUSCAT (New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes), financé par le Conseil européen de la recherche (CER), s’appuie sur plusieurs domaines fondamentaux, tels que la chimie organométallique, la chimie de coordination, la synthèse organique, la cinétique, la spectroscopie, la catalyse et les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) basés sur l’informatique mécanique quantique. «Plus globalement, notre principal objectif au sein de SUSCAT était de découvrir puis de développer de nouvelles réactions catalytiques durables et sans danger pour l’environnement», commence par indiquer David Milstein, chercheur principal du projet, également professeur et titulaire de la chaire professionnelle Israel Matz de chimie organique à l’institut Weizmann des sciences. «De telles réactions se révèlent utiles pour les méthodologies de synthèse organique “vertes” qui ne génèrent aucun déchet et emploient des substrats durables, ainsi que pour le développement de systèmes de vecteurs d’hydrogène organique liquide (LOHC).»
Un tourbillon de réussite catalytique
La méthode de développement du catalyseur employée par SUSCAT se base sur une approche mécaniste, qui s’appuie à la fois sur des méthodes expérimentale et informatique. L’utilisation de complexes de tenailles en tant que catalyseurs s’est révélée particulièrement significative pour ces travaux. Pour résumer, les complexes de tenailles constituent une famille de composés qui ont eu un impact important sur le développement récent de méthodes de catalyse organiques-synthétiques, grâce à leur stabilité et à leurs modes de réactivités polyvalents. SUSCAT a utilisé ces complexes de tenailles pour tester pour la première fois plusieurs réactions catalytiques durables et vertes, utiles pour la synthèse organique et susceptibles de remplacer les processus polluants actuels. «Par exemple, l’une des réactions que nous avons récemment développée pour la toute première fois est catalysée par un complexe de tenaille innovant au manganèse et permet d’obtenir une famille de composés (des dérivés d’acrylonitrile) qui se révèlent de précieux intermédiaires dans la synthèse organique d’une variété de produits tels que des colorants, des herbicides, des parfums, des produits pharmaceutiques et des produits naturels», indique David Milstein. «Les méthodes conventionnelles visant à générer ces produits créent des déchets dangereux, ce qui fait de notre méthode une alternative bien plus verte et plus vertueuse pour l’environnement.» L’un des autres exemples de réussite de SUSCAT en matière de réactions catalytiques vertes inclut une synthèse directe en une étape d’amides (des composés essentiels à l’industrie pharmaceutique mais dont la synthèse classique génère de gros volumes de déchets), et cela sans générer le moindre déchet. De plus, la méthode de synthèse produit également du précieux gaz d’hydrogène, ce qui constitue une véritable aubaine. Un troisième exemple, et non des moindres, de réaction accomplie par SUSCAT est la dépolymérisation hydrogénative sans précédent de solides composés de nylon communément utilisés, pour former des aminoalcools, catalysés de manière efficace grâce à un complexe de tenaille de ruthénium. «Les nylons sont largement utilisés et sont des matériaux non-biodégradables, liés à une augmentation de la pollution terrestre et océanique, et impliquant une grave menace pour nos écosystèmes», commente David Milstein. «C’est la raison pour laquelle notre réussite a tant d’importance, dans la mesure où les aminoalcools peuvent être re-polymérisés en composés de nylon d’un poids moléculaire similaire, fournissant ainsi un cycle vert et durable en boucle fermée du recyclage des déchets à base de nylon.»
La connexion à l’hydrogène
Le projet SUSCAT s’est également placé à l’avant-garde du développement d’un nouveau système LOHC pour stocker de manière sûre et durable l’hydrogène, pour l’utiliser en tant que vecteur énergétique vert. «L’hydrogène est considéré comme un vecteur énergétique attrayant en raison de sa haute densité d’énergie gravimétrique, et parce qu’il génère de l’eau lorsqu’il se consume», explique David Milstein. «Toutefois, sa densité d’énergie volumétrique est très faible, ce qui nécessite qu’il soit stocké (par exemple dans les véhicules) à très haute pression dans son état gazeux, ou en tant que liquide à très basse température (-253 °C): ces deux modalités requièrent des investissements d’énergie colossaux et peuvent s’avérer dangereuses. L’utilisation de systèmes LOHC permet de contourner ces problèmes.» La solution de SUSCAT s’appuie sur le fait que de nombreuses réactions du projet génèrent ou consomment du gaz d’hydrogène; ainsi, l’équipe s’est naturellement intéressée au développement d’un système LOHC de stockage de l’hydrogène. «La capacité théorique d’hydrogène de ce système est 6,5 % mas plus élevée que la cible fixée par le département de l’énergie des États-Unis pour le stockage de l’hydrogène embarqué dans des véhicules légers, qui se situe à 5,5 % mas», poursuit David Milstein. «Bien que notre système LOHC nécessite davantage de développement, nous pensons qu’il peut se hisser parmi les meilleurs systèmes de sa catégorie, dans la mesure où il s’agit d’un vecteur énergétique durable, à faible coût et abondant de l’hydrogène. Ajoutons à cela son utilisation en tant que catalyseur unique, ses conditions de fonctionnement permissives et sa compatibilité avec les infrastructures existantes des stations pétrolières, et vous obtenez un des meilleurs systèmes LOHC au monde.» Concernant l’avenir, David Milstein et son équipe prévoient de poursuivre leurs travaux sur de nouvelles réactions catalytiques pour la synthèse verte et l’hydrogène, potentiellement en collaboration avec des partenaires industriels. «Ce dont je suis le plus fier vis-à-vis de SUSCAT, c’est que nous sommes peut-être parvenus à contribuer à l’avènement d’un monde bien plus vert», conclut-il.
Mots‑clés
SUSCAT, catalyseurs, synthèse organique, complexe de tenailles, hydrogène, stockage de l’hydrogène, LOHC, CER
