L’industrie chimique est l’une des plus importantes au monde, essentielle pour nous approvisionner en produits pharmaceutiques, produits agrochimiques, matériaux et bien plus encore. Un grand soin est apporté à l'optimisation des réactifs et des conditions pour chaque réaction, en recherchant l'efficacité et, de plus en plus, la durabilité.
La mécanochimie est un domaine de synthèse en pleine croissance, dans lequel les réactifs sont mélangés à l'aide d'une force mécanique, ce qui permet des réactions plus écologiques avec moins d'utilisation de solvants et permet d'accéder à un large éventail de produits chimiques essentiels.
Dans une configuration typique de mécanochimie, les réactifs sont placés dans un pot rempli de billes, qui sont secouées à haute fréquence pour permettre le mélange et le broyage.
Souvent, des additifs solides et insolubles tels que des oxydes métalliques ou des matériaux piézoélectriques (matériaux qui se polarisent électriquement sous l'effet d'une contrainte mécanique) sont inclus dans le mélange réactionnel, car les mécanochimistes croient généralement que ces additifs aident à activer les catalyseurs ou les réactifs.
Cependant, un aspect important de cette méthodologie est souvent resté négligé : le mélange de réactifs solides dans une telle configuration use inévitablement les billes de broyage, qui sont souvent en acier inoxydable.
Maintenant, une nouvelle recherche publiée dans Chimie modifiée révèle l'importance de cette abrasion dans les processus de catalyse mécanochimique, incitant les chercheurs à réexaminer leurs mécanismes de réaction supposés.
La nouvelle étude de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) montre que l'abrasion d'une gamme d'additifs courants peut conduire à des réactions efficaces dans des conditions mécanochimiques. Étonnamment, même les abrasifs généralement considérés comme chimiquement non réactifs, tels que le carbure de tungstène ou la poudre de diamant, ont conduit à des réactions d'activation et de couplage efficaces du catalyseur.
Le professeur Julia Khusnutdinova, responsable de l'unité de chimie de coordination et de catalyse de l'OIST et auteur de l'étude, déclare : « Cette recherche change notre façon de penser les catalyseurs mécanochimiques. Elle met en évidence l'importance à la fois des additifs que nous utilisons et de l'équipement lui-même dans la conduite des réactions mécanochimiques, nous aidant à considérer les influences cachées qui peuvent jouer un rôle dans nos mécanismes de réaction.
Se mettre au travail
L’équipe a utilisé les réactions de couplage croisé comme modèle pour cette étude, étant donné leur large application pour fabriquer de nombreux produits chimiques courants. Ils ont montré comment une réaction à haut rendement dans un récipient en acier inoxydable avec des billes en acier inoxydable, utilisant les mêmes matériaux et conditions, a échoué dans un récipient en céramique avec des billes en céramique.
À l’aide de diverses techniques d’analyse, ils ont identifié que l’acier était abrasé, libérant du fer, du chrome et d’autres métaux dans le mélange réactionnel. Les métaux abrasés ont ensuite activé un précatalyseur de nickel stable présent dans le mélange réactionnel, le transformant en une espèce catalytiquement active.
L'analyse microscopique des additifs abrasifs utilisés pour activer le catalyseur a montré que de fines particules de l'additif abrasif étaient recouvertes localement d'une fine couche d'acier inoxydable, grattée des billes de broyage.
« Cette étude devrait inciter les chercheurs à réfléchir à leur équipement de réaction et à prendre en considération l'impact de l'abrasion sur les réactions chimiques », explique le premier auteur Thomas Hasiweder. « Nous avons prouvé que l'abrasion peut jouer un rôle important dans la catalyse mécanochimique. »
De nouvelles opportunités en catalyse
Si la recherche met en garde contre les complexités potentielles cachées des mécanismes mécanochimiques, elle offre également la possibilité d’une catalyse peu coûteuse et pratique pour une multitude de réactions chimiques.
En discutant des projets futurs des chercheurs, le professeur Khusnutdinova note : « Nous souhaitons explorer l'étendue des réactions là où une telle abrasion est importante. Grâce à ces connaissances, nous pouvons créer des protocoles simples et bon marché pour un large éventail de synthèses mécanochimiques, ouvrant ainsi de nouvelles voies aux produits agrochimiques essentiels, aux médicaments et au-delà.
