Dévoiler l'impact de l'eau et des ions sur les réactivités chimiques aux interfaces solides-aqueuses

Les interfaces solides-aqueuses sont omniprésentes et essentielles dans un large éventail de systèmes et de processus naturels et artificiels, depuis la formation des minéraux, l'altération des roches, la corrosion des métaux, jusqu'au fonctionnement complexe des membranes biologiques et des canaux ioniques. Dans tous ces systèmes et processus, l'eau et les ions transportés par l'eau jouent des rôles décisifs et sous-tendent les réactivités chimiques interfaciales, mais souvent, une compréhension fondamentale de ces rôles et effets fait défaut. L'eau est considérée comme un milieu "vert", disponible en abondance, respectueux de l'environnement et peu coûteux, de sorte que l'avantage de réaliser des réactions chimiques dans l'eau plutôt que dans des solvants organiques - qui ont dominé la chimie organique synthétique pour de bonnes raisons - semble évident, même du point de vue d'un profane.

L'une des questions clés, cependant, est la suivante : pouvons-nous prédire avec une bonne précision et exactitude si l'eau va favoriser ou supprimer une réaction chimique par rapport à un catalyseur solide (le jargon étant "un catalyseur hétérogène") ? Apparemment, la réponse dépend de notre capacité à comprendre, en profondeur, les tendances de la réactivité aux interfaces dynamiques et complexes entre le solide catalytique et le milieu aqueux, ce qui conduira à la formulation et à la découverte de nouveaux concepts, principes et critères sur lesquels on pourra s'appuyer pour maximiser les réactivités chimiques vers le ou les produits visés. Malgré les défis de taille associés à cette noble mission, la communauté de la catalyse hétérogène a fait de grands progrès au cours des dernières décennies, grâce au développement rapide des boîtes à outils et à l'intensification du transfert de connaissances interdisciplinaires.

Alors, où en sommes-nous après des décennies de recherche sur les réactions catalysées de manière hétérogène en phase aqueuse ? En se concentrant sur les catalyseurs acide-base solides, qui représentent un sous-ensemble de catalyseurs hétérogènes ayant de larges applications dans l'industrie chimique, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hui Shi de l'université de Yangzhou, en Chine, a compilé une évaluation complète des rôles des molécules d'eau, des fragments structurels dérivés de l'eau et des espèces ioniques qui y sont dissoutes, pour la catalyse acide-base hétérogène à l'interface solide-aqueux. En limitant leur attention à la déshydratation des alcools, à la condensation des aldols et à l'isomérisation des sucres, qui sont toutes des réactions prototypiques catalysées par les acides et les bases, ces auteurs ont décrit un assortiment d'effets induits par l'eau, en utilisant des exemples bien choisis, et ont discuté de manière critique de leurs origines chimiques et de leurs conséquences catalytiques. Cette revue a été publiée dans le Chinese Journal of Catalysis.

Ces auteurs ont couvert des avancées majeures dans la compréhension atomistique et moléculaire de plusieurs modes d'action généraux, par lesquels l'eau affecte les mécanismes de réaction et les relations structure-performance, en s'appuyant sur les nouvelles preuves acquises pour l'ensemble individuel de la catalyse acide-base à l'interface solide-aqueux. Il est particulièrement important de reconnaître que les fonctionnalités polaires de la surface, les silanols et les paires cation-anion par exemple, ainsi que les caractéristiques de polarité et de liaison H des différents états le long du chemin de réaction, ont l'impact le plus spectaculaire sur la manifestation des effets de l'eau. Au moyen d'une analyse comparative, ils ont conclu que pour une série de réactions analogues, on peut s'attendre à ce que les rôles de l'eau soient généralisables à partir d'un sous-ensemble spécifique de ces chimies. Enfin, certains concepts émergents qui méritent d'être explorés plus avant ont été mis en évidence, tels que la "force ionique interfaciale" (ou "force ionique trapézoïdale", lorsque la phase solide contient des micropores, c'est-à-dire des pores inférieurs à deux nanomètres ou même à 1 nm).

Selon le professeur Hui Shi, "Bien que de nombreux efforts pour réaliser des réactions dans l'eau ou dans des solvants aqueux aient été motivés par la bénignité inhérente de l'eau ainsi que par sa disponibilité et son coût, l'utilisation de l'eau comme solvant ou composant de mélanges de solvants ne devrait jamais être un choix malavisé sans une solide compréhension des origines chimiques de ses effets promotionnels ou indésirables." En effet, il suffit parfois d'une minuscule goutte d'eau pour stimuler la réaction catalytique de manière spectaculaire, ou pour "tuer" complètement la transformation. L'assimilation des idées résumées dans cet article de synthèse aidera probablement les chercheurs et les praticiens à dresser un tableau cohérent des effets liés à l'eau et à mieux maîtriser les résultats pratiques dans la direction souhaitée et préférée.