Une catalyse efficace avec moins de métal
Des chercheurs de l'ISTA mettent au point un catalyseur au nickel activé par la lumière pour la formation de liaisons chimiques
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Les produits pharmaceutiques, la chimie fine et les produits agrochimiques sont fabriqués à l'échelle industrielle à l'aide d'un large éventail de réactions chimiques. Ces procédés doivent gagner en efficacité, devenir moins coûteux et plus durables. Le groupe de Pieber, à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA), vient de faire un pas dans cette direction. Dans la revue *Nature Catalysis*, les chercheurs présentent un nouveau catalyseur au nickel pouvant être activé par la lumière visible pour former efficacement un large éventail de liaisons chimiques.
Derrière une paroi de verre du laboratoire Pieber, à l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), des LED bleues éclairent de petits récipients de réaction. Cette lumière n’est pas simplement un éclairage : elle fournit l’énergie qui alimente un catalyseur au nickel afin de déclencher des réactions chimiques.
Dans une nouvelle étude publiée dans *Nature Catalysis*, le groupe de recherche dirigé par Bartholomäus Pieber montre qu’un catalyseur au nickel soigneusement conçu peut rendre la synthèse chimique pilotée par la lumière à la fois plus polyvalente et plus efficace.
Pieber et les membres de son équipe, Aleksander Bena, Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis et Gayathri Palissery (tous de l’ISTA), en collaboration avec Daniel Bím de l’Université de chimie et de technologie de Prague, ont mis au point un nouveau système catalytique qui permet d’assembler de manière sélective et efficace des éléments chimiques de base à l’aide de très faibles quantités de nickel.
Activer le nickel par la lumière
Les médicaments ne poussent pas sur les arbres : ils sont produits au terme de processus chimiques en plusieurs étapes. Cela nécessite un large éventail de réactions différentes. L’une des stratégies les plus couramment utilisées pour construire ces molécules est la chimie du couplage croisé, dans laquelle deux éléments constitutifs moléculaires sont reliés par une nouvelle liaison chimique à l’aide d’un catalyseur métallique.
Un catalyseur est une substance qui permet ou accélère une réaction chimique sans être elle-même consommée. Il s’agit souvent d’atomes métalliques isolés liés à des molécules organiques appelées ligands. Ces derniers influencent le comportement du métal et peuvent être conçus pour affiner ses propriétés catalytiques.
Dans de nombreuses réactions de couplage croisé importantes, le catalyseur repose sur un atome de palladium. L’importance de cette découverte a été reconnue par l’attribution du prix Nobel de chimie 2010 à Richard Heck, Ei-ichi Negishi et Akira Suzuki pour leur mise au point de réactions de couplage croisé catalysées par le palladium en synthèse organique. Ces réactions ont joué un rôle déterminant dans la synthèse de molécules complexes, notamment de produits pharmaceutiques. Les catalyseurs au palladium sont très efficaces, mais ce métal noble est également rare et coûteux, ce qui constitue un inconvénient majeur.
Il y a environ dix ans, les premières études ont montré que l'association d'un catalyseur au nickel avec un second catalyseur capable de convertir la lumière visible en « énergie chimique » pouvait remplacer le palladium. Cette approche pourrait permettre de rendre ces réactions moins coûteuses et plus durables. Mais il y a un hic : les catalyseurs au nickel sont moins efficaces et ne permettent pas d’une même diversité de réactions que les catalyseurs au palladium.
« Dans notre laboratoire, nous essayons de comprendre pourquoi les systèmes actuels de catalyse au nickel présentent des limites, et sur la base de cette compréhension, nous concevons, fabriquons et étudions des candidats et des méthodes alternatifs », explique Pieber.
Le groupe a franchi une étape importante en 2020 en démontrant que les limites de la catalyse au nickel pouvaient être surmontées. Les chercheurs ont découvert que les catalyseurs au nickel pouvaient être détruits lors de l’utilisation de composants complexes et ont montré que cela pouvait être évité en contrôlant minutieusement les conditions de réaction. L’approche a fonctionné, mais les réactions étaient très lentes et nécessitaient de grandes quantités de catalyseurs au nickel.
« Bien sûr, on était encore loin d’une méthode efficace », précise M. Pieber. « Mais il s’agissait d’une preuve de concept importante, et au cours des dernières années, notre compréhension de ces réactions catalytiques n’a cessé de s’améliorer. »
Bena, doctorant, s’est appuyé sur ces connaissances grandissantes pour concevoir des structures potentielles de catalyseurs au nickel plus efficaces et plus robustes, pouvant être activés directement par la lumière visible, et a testé ses idées en laboratoire. Cela a finalement conduit l’équipe à découvrir un nouveau ligand qui aide le nickel à surmonter certaines des limites restantes de la catalyse photochimique.
« J’aime le défi que représente la résolution d’une énigme chimique. On développe une idée, on la teste expérimentalement et on tire des enseignements de chaque résultat », explique Bena. Sa persévérance a finalement abouti à un nouveau système catalytique largement applicable et nécessitant nettement moins de nickel.
Un petit groupe de travail s’est constitué au sein du groupe de Pieber — composé de Banik, Giannoudis, Ortis, Baunis et Palissery — afin d’étudier l’applicabilité générale du nouveau catalyseur. L’équipe a démontré la polyvalence de sa méthode en synthétisant plus de 150 produits, allant de simples éléments constitutifs à des molécules complexes, en passant par des dérivés de médicaments tels que la fluoxétine, l’un des antidépresseurs les plus courants et les plus largement prescrits.
Une petite quantité de nickel suffit
Cette avancée repose sur un ligand sur mesure qui renforce l’activité catalytique de l’atome de nickel lorsqu’il est activé par la lumière visible. Cela permet au nouveau catalyseur de créer des liaisons entre des atomes de carbone, d’azote, d’oxygène, de soufre ou de phosphore, fusionnant ainsi deux molécules en une structure plus grande et plus complexe.
« Le résultat le plus frappant est que nous pouvons établir efficacement des liaisons difficiles avec une très faible quantité de catalyseur au nickel », explique Bena.
Les chercheurs ont réussi à réduire la charge en catalyseur à 100 parties par million, soit 0,01 mol%. En termes simples, cela signifie que, dans cette expérience, une seule molécule de catalyseur au nickel produit jusqu’à 10 000 molécules de produit.
Leurs travaux démontrent ainsi comment la compréhension de la réactivité fondamentale des molécules à base de nickel peut contribuer à transformer un métal abondant en un catalyseur plus puissant.
« Ces faibles charges catalytiques ne sont généralement obtenues qu’avec des catalyseurs à base de palladium. Le fait de pouvoir y parvenir avec un catalyseur au nickel est vraiment passionnant », explique M. Pieber. « La combinaison d’une faible charge catalytique et d’une grande polyvalence sur de nombreux blocs de construction pourrait rendre cette approche particulièrement intéressante pour la synthèse pharmaceutique et la chimie fine. »
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