01.06.2022 - Massachusetts Institute of Technology

De nouveaux catalyseurs alimentés par la lumière pourraient faciliter la fabrication

Enduits sur des tubes en plastique, les catalyseurs pourraient agir sur les produits chimiques qui y circulent, contribuant ainsi à la synthèse de médicaments et d'autres composés

Les réactions chimiques déclenchées par la lumière constituent un outil puissant pour les chimistes qui conçoivent de nouveaux moyens de fabriquer des produits pharmaceutiques et d'autres composés utiles. L'exploitation de cette énergie lumineuse nécessite des catalyseurs photoredox, qui peuvent absorber la lumière et transférer l'énergie à une réaction chimique.

Les chimistes du MIT ont conçu un nouveau type de catalyseur photoredox qui pourrait faciliter l'intégration des réactions lumineuses dans les processus de fabrication. Contrairement à la plupart des catalyseurs photoredox existants, la nouvelle classe de matériaux est insoluble, ce qui permet de l'utiliser à l'infini. Ces catalyseurs pourraient être utilisés pour recouvrir des tubes et effectuer des transformations chimiques sur les réactifs lorsqu'ils passent dans le tube.

"La possibilité de recycler le catalyseur est l'un des plus grands défis à relever pour pouvoir utiliser la catalyse photoredox dans la fabrication. Nous espérons qu'en étant capables de faire de la chimie en flux avec un catalyseur immobilisé, nous pourrons offrir une nouvelle façon de faire de la catalyse photoredox à plus grande échelle", explique Richard Liu, post-doc du MIT et co-auteur principal de la nouvelle étude.

Les nouveaux catalyseurs, qui peuvent être réglés pour effectuer de nombreux types de réactions différentes, pourraient également être incorporés dans d'autres matériaux, notamment des textiles ou des particules.

Timothy Swager, titulaire de la chaire de chimie John D. MacArthur au MIT, est l'auteur principal de l'article, qui paraît dans Nature Communications. Sheng Guo, un chercheur du MIT, et Shao-Xiong Lennon Luo, un étudiant diplômé du MIT, sont également les auteurs de l'article.

Matériaux hybrides

Les catalyseurs photoredox fonctionnent en absorbant les photons, puis en utilisant cette énergie lumineuse pour alimenter une réaction chimique, de la même manière que la chlorophylle des cellules végétales absorbe l'énergie du soleil et l'utilise pour fabriquer des molécules de sucre.

Les chimistes ont mis au point deux grandes catégories de catalyseurs photoredox, connus sous le nom de catalyseurs homogènes et hétérogènes. Les catalyseurs homogènes sont généralement constitués de colorants organiques ou de complexes métalliques absorbant la lumière. Ces catalyseurs sont faciles à régler pour réaliser une réaction spécifique, mais l'inconvénient est qu'ils se dissolvent dans la solution où la réaction a lieu. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas être facilement retirés et réutilisés.

Les catalyseurs hétérogènes, en revanche, sont des minéraux solides ou des matériaux cristallins qui forment des feuilles ou des structures en 3D. Ces matériaux ne se dissolvent pas et peuvent donc être utilisés plus d'une fois. Cependant, ces catalyseurs sont plus difficiles à régler pour obtenir la réaction souhaitée.

Pour combiner les avantages de ces deux types de catalyseurs, les chercheurs ont décidé d'intégrer les colorants qui composent les catalyseurs homogènes dans un polymère solide. Pour cette application, les chercheurs ont adapté un polymère de type plastique doté de minuscules pores qu'ils avaient précédemment développé pour effectuer des séparations de gaz. Dans cette étude, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient incorporer environ une douzaine de catalyseurs homogènes différents dans leur nouveau matériau hybride, mais ils pensent qu'il pourrait en fonctionner beaucoup plus.

"Ces catalyseurs hybrides présentent la recyclabilité et la durabilité des catalyseurs hétérogènes, mais aussi l'accordabilité précise des catalyseurs homogènes", explique Liu. "Vous pouvez incorporer le colorant sans perdre son activité chimique, donc, vous pouvez plus ou moins choisir parmi les dizaines de milliers de réactions photoredox qui sont déjà connues et obtenir un équivalent insoluble du catalyseur dont vous avez besoin."

Les chercheurs ont constaté que l'incorporation des catalyseurs dans les polymères les rendait également plus efficaces. L'une des raisons est que les molécules réactives peuvent être retenues dans les pores du polymère, prêtes à réagir. De plus, l'énergie lumineuse peut facilement se déplacer le long du polymère pour trouver les réactifs en attente.

"Les nouveaux polymères lient les molécules de la solution et les préconcentrent efficacement pour la réaction", explique M. Swager. "De plus, les états excités peuvent rapidement migrer à travers le polymère. La combinaison de la mobilité de l'état excité et de la répartition des réactifs dans le polymère permet d'obtenir des réactions plus rapides et plus efficaces que celles possibles dans les processus de solution pure."

Une efficacité accrue

Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient régler les propriétés physiques du squelette du polymère, notamment son épaisseur et sa porosité, en fonction de l'application pour laquelle ils souhaitent utiliser le catalyseur.

Par exemple, ils ont montré qu'ils pouvaient fabriquer des polymères fluorés qui adhèrent aux tubes fluorés, souvent utilisés pour la fabrication en flux continu. Au cours de ce type de fabrication, les réactifs chimiques circulent dans une série de tubes tandis que de nouveaux ingrédients sont ajoutés ou que d'autres étapes telles que la purification ou la séparation sont réalisées.

À l'heure actuelle, il est difficile d'intégrer des réactions photoredox dans des processus à flux continu, car les catalyseurs s'épuisent rapidement et doivent donc être ajoutés en permanence à la solution. L'incorporation des nouveaux catalyseurs conçus par le MIT dans les tubes utilisés pour ce type de fabrication pourrait permettre d'effectuer des réactions photoredox en flux continu. Le tube est transparent, ce qui permet à la lumière d'une LED d'atteindre les catalyseurs et de les activer.

"L'idée est d'avoir le catalyseur qui recouvre un tube, de sorte que vous puissiez faire circuler votre réaction dans le tube tandis que le catalyseur reste en place. De cette façon, le catalyseur ne se retrouve jamais dans le produit, et l'efficacité est nettement supérieure", explique M. Liu.

Les catalyseurs pourraient également être utilisés pour enrober des billes magnétiques, ce qui faciliterait leur extraction d'une solution une fois la réaction terminée, ou pour enrober des flacons de réaction ou des textiles. Les chercheurs travaillent maintenant à l'incorporation d'une plus grande variété de catalyseurs dans leurs polymères, et à l'ingénierie des polymères afin de les optimiser pour différentes applications possibles.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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