Ping-Pong avec les photons : la lumière comme outil pour une chimie nouvelle et surtout durable
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En matière de progrès des connaissances, la photocatalyse occupe actuellement les premières places en chimie. Dans ce domaine, le Dr Jola Pospech et son équipe de l'Institut Leibniz de catalyse de Rostock développent de nouvelles voies pour les voies de réaction classiques. Un exemple est l'hydrofonctionnalisation pour des produits précieux comme les amines bioactives, présentes naturellement dans les neurotransmetteurs et importantes pour la recherche sur les substances actives. Dans ses cours, le Dr Pospech utilise des images concises pour expliquer la photocatalyse aux étudiants de première année.
La photocatalyse nécessite de la lumière, et comme source de lumière, le groupe de recherche du Dr Jola Pospech utilise souvent en laboratoire des produits de masse pour les discothèques : la lumière noire. Ce nom curieux désigne des LED dans le domaine de l'ultraviolet, la lumière UV-A, qui est tout juste visible et qui est aussi appréciée en dentisterie que dans les discothèques.
"Dans notre cas, cette lumière a la bonne longueur d'onde pour déclencher des réactions chimiques", explique le Dr Jola Pospech. "Nous dirigeons le panneau LED vers le récipient de réaction, là les photons rencontrent les paires d'électrons externes des substances impliquées, dans notre cas le catalyseur, et celui-ci passe dans ce que l'on appelle un état excité". Cela signifie qu'il est désormais en mesure de céder ou d'accepter un électron et d'activer ainsi des substances chimiques de base. Car en fin de compte, de nouveaux composés chimiques se forment lorsque les substances concernées échangent ou partagent des électrons.
Catalyse photoréductrice
Prenons deux réactions chimiques de base : l'oxydation et la réduction. Pour l'oxydation, le catalyseur donne un électron et le récupère à la fin du cycle. Pour la réduction, il reçoit à l'inverse un électron et le donne à nouveau à la fin du cycle. "Tu peux t'imaginer le tout comme une partie de ping-pong", explique le Dr Pospech en se basant sur la catalyse photoréductrice qui réunit les deux réactions.
Jola Pospech : "Imagine que tu tiens fermement deux balles dans la poche de ton pantalon. Lors d'une poussée d'énergie, provoquée par le photon, une balle, donc un électron, se déplace vers le niveau supérieur suivant". La main de Jola Pospech se déplace avec la balle imaginaire de la poche au-dessus de la tête. "La poche a maintenant accès et de la place pour de nouveaux joueurs. C'est ainsi que les réactions chimiques se mettent en place. Lorsque les substances de départ ont été transformées, la balle peut être retirée de la main et le cycle recommence". La balle imaginaire atterrit à nouveau dans la poche du pantalon.
Exemple : le processus : Hydrofonctionnalisation
Pendant des siècles, la chimie se déroulait de la manière suivante : Les chimistes chauffaient leurs récipients de réaction pour activer les substances qu'ils contenaient. "Avec la lumière, je peux franchir la barrière de l'activation beaucoup plus rapidement et avec des quantités d'énergie beaucoup plus importantes", explique Jola Pospech. Grâce à la technique moderne des LED, la longueur d'onde de la source lumineuse peut être adaptée avec une précision extrême au spectre d'absorption du catalyseur.
La chimiste cite l'exemple de l'hydrofonctionnalisation, une voie de réaction très appréciée qui se déroule de manière très "économique sur le plan atomique" : les substances concernées sont transformées jusqu'au dernier atome, sans sous-produits. Il en résulte des produits précieux, comme les amines bioactives, qui sont naturellement présentes dans les émetteurs de neutres et sont importantes pour le développement de substances actives.
Jusqu'à présent, nombre de ces réactions se déroulaient avec des catalyseurs en métaux rares et coûteux, avec de nombreuses étapes intermédiaires, des co-catalyseurs et des réactifs dits sacrificiels. Jola Pospech : "Ceux-ci ne servent qu'à donner un électron supplémentaire pour qu'un autre électron puisse changer de partenaire à l'endroit correspondant à un coût énergétique avantageux".
Des catalyseurs organiques comme alternative
Son groupe de recherche a développé des catalyseurs photoréducteurs organiques alternatifs, composés d'azote, d'hydrogène, d'oxygène et de carbone. "Les composés que nous utilisons sont peu coûteux à produire, peuvent être activés précisément et rapidement par la lumière noire et sont multifonctionnels d'un point de vue mécanique". Les co-catalyseurs et le réactif sacrificiel deviennent ainsi obsolètes.
Les chimistes de Rostock sont actuellement en train de conférer une fonction sélective à ce catalyseur, via l'intégration d'acides aminés. Cela devrait aider à produire des molécules droitières et gauchères entraînées par la lumière. Pour cela, le catalyseur a besoin pour ainsi dire d'un "sens spatial", d'une information stéréo. Selon l'idée de Jola Pospech, les acides aminés pourraient transmettre de telles informations stéréo, car ils présentent des structures tridimensionnelles bien définies.
Selon le Dr Pospech, on est tout à fait motivé dans la pratique pour utiliser industriellement de telles connaissances issues de la recherche fondamentale. Du moins à long terme. "Toutes les grandes entreprises chimiques disposent désormais dans leur recherche de départements de photocatalyse et d'électrochimie". Le LIKAT est pour ainsi dire à la pointe du progrès dans ce domaine.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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