Les superacides contre les produits chimiques éternels
L'université technique de Berlin produit des "acides de Lewis" à base de silicium capables d'attaquer les PFAS, un produit chimique problématique
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Des chercheurs du cluster d'excellence en catalyse UniSysCat de l'Université technique de Berlin ont réussi pour la première fois à produire une classe déjà prédite théoriquement d'acides dits super-Lewis, qui contiennent l'élément silicium ainsi qu'un atome d'halogène. Ces composés font partie des acides de Lewis les plus puissants fabriqués jusqu'à présent et peuvent également rompre des liaisons chimiques très stables. Ils sont donc d'un grand intérêt pour les processus de recyclage et le concept de chimie verte, par exemple pour la dégradation des substances alkyles per- et polyfluorées (PFAS) nocives pour la santé, également connues sous le nom de "produits chimiques éternels". La particularité de ce processus : Grâce à un processus de recyclage au sein de la réaction de dégradation, ces acides de Lewis ne sont pas consommés et pourraient donc agir à l'avenir comme des catalyseurs. Les résultats ont été publiés dans la revue spécialisée Nature Chemistry.
On découvre régulièrement en Allemagne des sites contaminés par des concentrations élevées de PFAS (image symbolique).
Les PFAS ne peuvent pas être sentis ou goûtés et ils sont soupçonnés de provoquer le cancer, de rendre stérile et d'affaiblir le système immunitaire. Une fois dans l'environnement, ils y restent très longtemps, car ces substances ne peuvent pas être dégradées rapidement par l'eau, la lumière ou les bactéries. C'est justement parce que les PFAS sont si résistants qu'ils sont utilisés de diverses manières, par exemple pour les vestes de pluie, les poêles ou les matériaux de construction. Et l'on découvre régulièrement en Allemagne des surfaces contaminées par des concentrations élevées de PFAS.
Les acides super Lewis peuvent briser les liaisons stables des PFAS
"La résistance des PFAS est directement liée à leurs liaisons carbone-fluor stables, qui sont très difficiles à rompre", explique le professeur Martin Oestreich, titulaire d'une chaire Einstein à l'Université technique de Berlin et directeur du département "Chimie organique/Synthèse et catalyse" ainsi que membre d'UniSysCat. C'est surtout la liaison dite par paire d'électrons entre les atomes de fluor et les atomes de carbone dans les PFAS qui est particulièrement forte. "Pour pouvoir rendre les PFAS inoffensifs, il faut donc une substance qui accepte très volontiers les paires d'électrons", explique Oestreich. De telles substances sont appelées "super acides de Lewis". Le nom "acide de Lewis" ne désigne pas de composés chimiques spécifiques - comme l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique et ainsi de suite - mais représente un concept particulier en chimie pour définir les termes "acide" et "base". Il a été développé en 1923 par le physico-chimiste américain Gilbert Newton Lewis.
Une folle avidité d'électrons
"Nos super acides de Lewis contiennent, outre deux résidus organiques, surtout un atome de silicium qui porte en plus un halogène, donc par exemple un atome de fluor. Cela entraîne une avidité folle pour les paires d'électrons", explique Oestreich. C'est justement la combinaison de l'atome de silicium, déjà avide d'électrons, et du fluor, qui attire fortement les électrons, qui est décisive : "Le fluor tire en plus sur les électrons extérieurs restants du silicium - tout comme je m'enroule complètement dans la couette commune la nuit lorsque ma femme et moi passons la nuit dans un lit français". Le manque d'électrons entraînerait chez le silicium une faim extrême de paires d'électrons - qui deviendrait ainsi l'agresseur parfait des PFAS.
La fabrication est complexe
Jusqu'à récemment, ces acides super-Lewis n'étaient prédits qu'en théorie avec le silicium et les halogènes. En effet, leur fabrication est loin d'être simple. En 2021, les scientifiques* de l'Université technique de Berlin ont réussi une percée en appliquant pour la première fois le procédé de "protolyse" pour produire des acides super-Lewis, qui consiste à séparer des groupes chimiques individuels d'un composé en un cycle pour en synthétiser un nouveau. "Pour simplifier, il s'agit ici de transférer des processus éprouvés de la chimie du carbone à la chimie du silicium. En principe, nous récoltons maintenant les fruits de notre idée de l'époque", raconte Martin Oestreich. Les expériences ont été coûteuses, car tous les travaux doivent être effectués dans une "boîte à gants" sous atmosphère protectrice, ni l'oxygène ni l'eau ne doivent entrer en contact avec les substances.
Pour la première fois, des composés entièrement compris par la mécanique quantique
"Je suis particulièrement redevable au professeur Martin Kaupp, directeur du département 'chimie théorique/chimie quantique' de l'université technique de Berlin, sans les calculs duquel ce travail n'aurait pas été possible", déclare Oestreich. Pour la première fois, des calculs de mécanique quantique ont été utilisés, grâce auxquels la force acide des molécules produites a pu être calculée à l'avance à partir de leur structure. "Nous avons entièrement compris les composés du point de vue de la mécanique quantique, c'est un énorme avantage". Les acides Super-Lewis ont ensuite été étudiés expérimentalement, notamment à l'aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), et les calculs ont été vérifiés.
Les acides Super-Lewis ne sont pas consommés comme catalyseurs
L'astuce particulière de la dégradation des PFAS nocifs pour la santé : les acides Super-Lewis sont certes modifiés par l'absorption de paires d'électrons lors du craquage d'un composé - mais ils peuvent vraisemblablement se retransformer en acide Super-Lewis d'origine lors d'un processus de régénération. Ce sont donc des catalyseurs qui sont certes consommés lors de la réaction, mais qui sont récupérés. Un grand avantage - car dans ce cas, il ne serait pas nécessaire d'utiliser de grandes quantités correspondantes d'un "antidote" pour dégrader les contaminations par les PFAS, mais des quantités infimes des nouveaux acides super Lewis suffiraient à rendre les produits chimiques éternels inoffensifs.
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