Les sulfones, une classe de composés contenant du soufre, sont dérivées chimiquement de l'oxydation sélective des sulfures. Bien que ces composés forment le noyau des produits pharmaceutiques, solvants et industries du polymère, leur synthèse chimique est souvent entravée par des températures de réaction élevées et des conditions de réaction extrêmes. De plus, ceux-ci nécessitent également des additifs coûteux et des solvants durs pour la production.
Dans ce contexte, une équipe de chercheurs du Japon a introduit une nouvelle conception de catalyseurs, capable de surmonter les limites de la synthèse conventionnelle, offrant une sélectivité plus élevée et un meilleur rendement pour les sulfones.
L'équipe de recherche, dirigée par le professeur Keigo Kamata de l'Institut des sciences de Tokyo, au Japon, a utilisé des techniques avancées de synthèse de catalyseur pour explorer comment les variations de la composition élémentaire et de la structure cristalline contribuent à la performance catalytique de l'oxydation du sulfure à une température plus basse.
Leurs résultats ont été publiés dans Matériaux fonctionnels avancés.
« L'oxydation des sulfures en utilisant l'oxygène moléculaire comme l'oxydant est l'une des réactions les plus difficiles de la chimie organique, et le développement de nouveaux catalyseurs solides qui peuvent faciliter ce type de réaction ont attiré une attention considérable ces dernières années », note Kamata.
En répondant à cette demande, les chercheurs se sont concentrés sur l'oxyde de pérovskite, un matériau largement utilisé pour la catalyse. Pour améliorer la réactivité d'une espèce spécifique de métal-oxygène (oxygène à face) dans une pérovskite hexagonale à base de strontium (SR), de manganèse (MN) et d'oxygène (O) appelé SRMNO3ils ont introduit des atomes de ruthénium (RU) à la place de certains des atomes de MN.
Cette modification subtile a créé des lacunes d'oxygène à l'intérieur du cristal, ce qui a considérablement amélioré la capacité du catalyseur à transférer des atomes d'oxygène – une étape essentielle dans l'oxydation des sulfures.
Le résultat a été un catalyseur efficace connu sous le nom de SRMN1-xRuxO3qui était capable de convertir des sulfures en sulfones avec une sélectivité sans précédent de 99% à une température de réaction aussi basse que 30 ° C. Il s'agissait d'un changement spectaculaire par rapport à celui des systèmes conventionnels, qui nécessitent généralement 80 à 150 ° C pour la même réaction.
Les systèmes de réaction conventionnels dépendent de grandes quantités de métaux précieux pour la sélectivité. Alors que les chercheurs ont utilisé RU, ils ont atteint une plus grande sélectivité à seulement 1% de doping RU, ce qui réduit considérablement l'utilisation de métaux précieux. En utilisant des études mécanistes, les chercheurs ont en outre révélé le mécanisme derrière la remarquable performance catalytique.
« La catalyse suit un mécanisme de krévelen Mars-Van, dans lequel les atomes d'oxygène sur la surface cristalline se transfèrent aux sulfures, laissant derrière eux les lacunes d'oxygène. Ces lacunes sont ensuite remplies par l'oxygène moléculaire dans l'atmosphère, et le cycle continue », explique le Kamata.
Un autre avantage frappant du catalyseur développé a été sa durabilité. L'équipe a confirmé que le catalyseur pouvait être réutilisé au moins cinq fois sans aucune perte de performance significative. De plus, le système était applicable à un large éventail de substrats sulfurés, qui comprenaient l'aromatique et l'aliphatique, ce qui le rend très polyvalent pour les industries.
Bien que la présente étude ne se concentrait que sur l'oxydation des sulfures, les implications de ce travail pourraient s'étendre à un large éventail de réactions d'oxydation, transformant le nettoyage environnemental et la conversion d'énergie.
L'équipe espère que leurs résultats inspireront de nouveaux conceptions de catalyseurs qui offrent une plus grande durabilité et une plus grande économie. La recherche souligne également l'effet synergique de plusieurs éléments dans la création de matériaux durables, ouvrant la voie à la chimie industrielle plus verte et plus intelligente.
