Cage à capsules : Confinement sélectif d'hydrates de métaux des terres rares dans des molécules hôtes.

Les métaux des terres rares sont indispensables à de nombreux produits techniques, qu'il s'agisse de smartphones, d'ordinateurs portables, de batteries, d'électromoteurs, d'éoliennes ou de catalyseurs. Dans la revue Angewandte Chemie, une équipe japonaise vient de présenter une "cage" moléculaire avec des "capuchons" qui peuvent être utilisés pour "confiner" sélectivement certains ions de métaux de terres rares en vue de leur isolation ou de leur recyclage.

Les terres rares comprennent 17 métaux : le scandium, l'yttrium, le lanthane et les lanthanides, les 14 éléments qui suivent le lanthane dans le tableau périodique, dont le néodyme et l'europium. Le nom est trompeur car les métaux des terres rares ne sont pas vraiment rares. Ils sont partout dans l'environnement mais sont très dispersés et liés à des minéraux ("terres") ; les grands gisements sont rares. La récupération de ces éléments à partir des déchets électroniques devient de plus en plus importante. On a découvert certains micro-organismes qui contiennent des enzymes avec des métaux de terres rares. Ceux-ci pourraient être utiles pour l'extraction et la récupération et inspirent l'utilisation des métaux des terres rares comme catalyseurs.

On trouve également des ions de métaux des terres rares dans les masses d'eau et dans les effluents. Cependant, il est difficile de les séparer individuellement des solutions aqueuses. L'une des raisons en est qu'ils sont généralement hydratés, ce qui signifie qu'ils sont liés à des molécules d'eau. Leurs états d'hydratation sont différents et peuvent changer. Cela rend plus difficile l'identification et l'isolement des ions par liaison à des ligands.

Une équipe dirigée par Makoto Fujita, de l'Université de Tokyo et de l'Institut des sciences moléculaires, est maintenant parvenue à "confiner" les formes hydratées des ions trivalents d'une série de métaux des terres rares dans des "cages" fermées. Chaque molécule de la cage se compose de quatre ligands organiques en forme de "plaques" triangulaires qui sont reliés par leurs extrémités à six ions palladium pour former une cage octaédrique avec deux grandes ouvertures. L'ion de terre rare s'insère dans la cage avec ses neuf molécules d'eau liées. La caractéristique essentielle de la cage est constituée par les deux "capuchons" qui recouvrent les ouvertures. Ce sont des molécules planes avec trois bras de liaison chargés négativement qui se lient aux molécules d'eau de l'ion de terre rare par des ponts hydrogène. En outre, elles sont maintenues serrées par des interactions électrostatiques avec les ions palladium chargés positivement dans la cage.

Tous les ions de terres rares ne sont pas capturés de la même manière par ce système. De subtiles différences dans leurs rayons et leurs modes d'hydratation préférés déterminent la façon dont ils s'intègrent dans les cages : le lanthane et les premiers lanthanides, comme l'europium, sont liés beaucoup plus fortement que les derniers lanthanides, comme l'ytterbium. Le scandium, par exemple, n'est lié qu'à six molécules d'eau et ne peut trouver une position stable dans la cage. Il est donc à peine maintenu en place.

Le confinement d'espèces métalliques hydrophiles dans une cavité fermée pourrait être une approche pour l'isolement des métaux des terres rares, ainsi que pour le développement de nouveaux catalyseurs analogues aux enzymes contenant des métaux (métallozymes) dans les micro-organismes.