Des chercheurs de l’Université d’Osaka ont développé un catalyseur de synthèse chimique plus durable et plus rentable, réduisant considérablement le besoin en métaux rares et coûteux. Leur catalyseur à base de nanoparticules de carbure de nickel convertit efficacement les nitriles en amines primaires dans des conditions douces, offrant ainsi une solution prometteuse pour la production respectueuse de l’environnement de produits pharmaceutiques et de produits du quotidien.
Une équipe de l’Université d’Osaka et ses collaborateurs ont créé un catalyseur rentable pour un processus chimique clé, ouvrant potentiellement la voie à d’autres initiatives visant à réduire les dépenses dans le secteur chimique.
L’industrie chimique s’appuie souvent sur des métaux rares et coûteux pour fabriquer des produits pharmaceutiques et d’autres matériaux essentiels. Remplacer ces métaux par des alternatives plus facilement disponibles et abordables pourrait améliorer la durabilité environnementale, réduire les dépenses et diminuer la probabilité d’interruptions de la chaîne d’approvisionnement.
Or, dans une étude récemment publiée dans Chimie – Une revue européenne, des chercheurs de l’Université d’Osaka et des partenaires collaborateurs ont répondu à ce besoin dans leurs travaux sur une transformation chimique utile sur le plan industriel. Les conditions de réaction simples et douces décrites ici pourraient inspirer les chercheurs qui s’efforcent de réduire l’utilisation de métaux coûteux pour autant de réactions chimiques que possible.
Le rôle des métaux nobles et des alternatives
Les métaux dits nobles sont des matériaux particulièrement polyvalents. Par exemple, le palladium est un métal de choix pour catalyser une transformation chimique – convertir les nitriles en amines primaires – qui est une étape courante dans la production de nylon et de plastiques. Cependant, ces métaux sont rares et coûteux. Les substituts à base de métaux courants tels que le nickel pourraient être des catalyseurs moins chers.
(a) La photo du catalyseur nano-Ni3C/Al2O3. (b) Image au microscope électronique à transmission de nano-Ni3C/Al2O3. (c) Hydrogénation du nitrile en benzylamine à l’aide d’un catalyseur nano-Ni3C ou nanoparticules de Ni, et portée du substrat pour l’hydrogénation du nitrile catalysée par nano-Ni3C/Al2O3. Crédit : 2024 Yamaguchi et al., Catalyseur de nanoparticules de carbure de nickel pour l’hydrogénation sélective de nitriles en amines primaires, chimie – A European Journal
Malheureusement, de nombreux métaux bon marché nécessitent des conditions expérimentales difficiles, telles que des pressions et des températures élevées, pour la transformation chimique mentionnée précédemment. Déterminer si le carbure de nickel présente les mêmes limites – et dans le cas contraire, évaluer l’étendue des transformations chimiques possibles avec ce catalyseur – était l’objectif de l’étude de l’équipe de recherche.
Résultats de la recherche et avantages catalyseurs
« Dans notre travail, nous étudions en profondeur la chimie de la réaction qui est à la base d’un nouveau catalyseur hétérogène de nanoparticules de carbure de nickel pour l’hydrogénation sélective des nitriles en amines primaires », explique Sho Yamaguchi, auteur principal de l’étude. « La portée des substrats est large : de nombreux types de nitriles hétéroaromatiques et aliphatiques peuvent subir cette transformation. »
Hydrogénation de divers nitriles à l’aide du catalyseur nano-Ni3C/Al2O3 sous 1 bar H2. Crédit : 2024 Yamaguchi et al., Catalyseur de nanoparticules de carbure de nickel pour l’hydrogénation sélective de nitriles en amines primaires, chimie – A European Journal
Le catalyseur des chercheurs présente plusieurs avantages. Premièrement, malgré les conditions de réaction douces requises – une pression atmosphérique d’hydrogène et une température relativement basse d’environ 150 °C – le catalyseur présentait toujours une activité 4 fois supérieure à celle des nanoparticules de nickel simples. Deuxièmement, le catalyseur était réutilisable : au moins 3 fois. Troisièmement, les rendements de la réaction étaient élevés : jusqu’à 99 %.
« Nous sommes enthousiasmés car nos recherches contribueront à minimiser l’utilisation de métaux coûteux et simplifieront la configuration expérimentale d’une classe commune de synthèses chimiques », déclare Tomoo Mizugaki, auteur principal. « De plus, nos calculs théoriques fournissent des informations qui nous aideront à optimiser le catalyseur pour des applications supplémentaires. »
Ce travail constitue une étape importante vers l’augmentation de la durabilité d’une classe de réactions chimiques nécessaires à la synthèse de produits pharmaceutiques et de nombreux autres produits quotidiens. Étant donné que le catalyseur au nickel est beaucoup moins cher qu’un métal noble et que les procédures expérimentales requises sont simples, les applications réalisables à d’autres transformations chimiques devraient être simples.
L’étude a été financée par la Société japonaise pour la promotion de la science et le ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie.
