Les fabricants de produits chimiques utilisent fréquemment des solvants toxiques tels que les alcools et le benzène pour fabriquer des produits tels que les produits pharmaceutiques et les plastiques. Les chercheurs examinent un phénomène jusque-là négligé et mal compris dans les réactions chimiques utilisées pour fabriquer ces produits. Cette découverte apporte une nouvelle compréhension fondamentale de la chimie catalytique et un tremplin vers des applications pratiques qui pourraient un jour rendre la fabrication de produits chimiques moins gaspilleuse et plus écologique.
L’étude menée par un chercheur de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign David Flaherty, Université du Minnesota, chercheur Twin Cities Matthew Neurock et chercheur Virginia Tech Ayman Karim a été publié dans la revue Science.
Des chercheurs de l’Illinois font partie d’une équipe multi-institutionnelle qui a découvert que les solvants réagissent spontanément avec les nanoparticules métalliques pour former des complexes réactifs qui peuvent améliorer les performances des catalyseurs et réduire simultanément l’impact environnemental de la fabrication de produits chimiques. Reproduit avec la permission de D. Flaherty et al., Science 371: 6529 (2021). Graphique avec l’aimable autorisation d’Alex Jerez, Imaging Technology Group – Beckman Institute.
La combinaison de solvants et de nanoparticules métalliques accélère de nombreuses réactions chimiques et aide à maximiser le rendement et les marges bénéficiaires de l’industrie chimique. Cependant, de nombreux solvants sont toxiques et difficiles à éliminer en toute sécurité, ont déclaré les chercheurs. L’eau fonctionne aussi, mais elle n’est pas aussi efficace ou fiable que les solvants organiques. On pensait que la raison de cette différence était la solubilité limitée de certains réactifs dans l’eau. Cependant, de multiples irrégularités dans les données expérimentales ont conduit l’équipe à réaliser que les raisons de ces différences n’étaient pas entièrement comprises.
Pour mieux comprendre le processus, l’équipe a mené des expériences pour analyser la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène – un ensemble utilisant de l’eau, un autre avec du méthanol et d’autres avec des mélanges d’eau et de méthanol. Toutes les expériences ont utilisé des nanoparticules de palladium.
«Dans des expériences avec le méthanol, nous avons observé une décomposition spontanée du solvant qui laisse un résidu organique, ou une écume, à la surface des nanoparticules», a déclaré Flaherty, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Illinois. «Dans certains cas, le résidu en forme d’écume s’accroche aux nanoparticules et augmente les vitesses de réaction et la quantité de peroxyde d’hydrogène formée au lieu d’entraver la réaction. Cette observation nous a amenés à nous demander comment cela pourrait aider.
L’équipe a découvert que le résidu, ou médiateur redox de surface, contient de l’oxygène, y compris un composant clé hydroxyméthyle. Il s’accumule à la surface des nanoparticules de palladium et ouvre de nouvelles voies de réaction chimique, rapporte l’étude.
«Une fois formé, le résidu devient une partie du cycle catalytique et est probablement responsable de certaines des différentes efficacités parmi les solvants rapportés au cours des 40 dernières années de travail sur cette réaction», a déclaré Flaherty. «Nos travaux fournissent des preuves solides que ces médiateurs redox de surface se forment dans les solvants alcooliques et qu’ils peuvent expliquer de nombreux mystères passés pour cette chimie.»
En travaillant avec plusieurs types d’expériences et de simulations informatiques, l’équipe a appris que ces médiateurs redox transfèrent efficacement les protons et les électrons aux réactifs, alors que les réactions dans l’eau pure transfèrent facilement des protons, mais pas des électrons. Ces médiateurs modifient également la surface des nanoparticules d’une manière qui abaisse la barrière énergétique à surmonter pour le transfert de protons et d’électrons, rapporte l’étude.
«Nous montrons que les solvants alcooliques ainsi que les additifs organiques peuvent réagir pour former des médiateurs de surface liés au métal qui agissent de la même manière que les cofacteurs enzymatiques de notre corps catalysent les réactions d’oxydation et de réduction», a déclaré Neurock.
De plus, ces travaux peuvent avoir des implications pour réduire les quantités de solvant utilisées et les déchets générés dans l’industrie chimique.
«Nos recherches suggèrent que dans certaines situations, les producteurs de produits chimiques pourraient former les médiateurs redox de surface en ajoutant de petites quantités d’un additif à l’eau pure au lieu de pomper des milliers de gallons de solvants organiques à travers ces réacteurs», a déclaré Flaherty.
La source: Université de l’Illinois
