L’hydrogène est considéré comme une source d’énergie d’avenir, du moins lorsqu’il est produit dans le respect du climat. L’hydrogène peut également être important pour la production d’ingrédients actifs et d’autres substances importantes. Pour produire de l’hydrogène, l’eau (H2O) peut être convertie en hydrogène gazeux (H2) au moyen d’une série de processus chimiques.
Toutefois, les molécules d’eau étant très stables, leur séparation en hydrogène et en oxygène représente un défi de taille pour les chimistes. Pour réussir, l’eau doit d’abord être activée à l’aide d’un catalyseur ; elle réagit alors plus facilement.
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Armido Studer de l’Institut de chimie organique de l’université de Münster (Allemagne) a mis au point un processus photocatalytique dans lequel l’eau, dans des conditions de réaction douces, est activée par des phosphines triaryles, et non, comme dans la plupart des autres processus, par des complexes de métaux de transition.
Selon l’équipe, cette stratégie, qui vient d’être publiée dans Nature, ouvrira une nouvelle voie dans le domaine très actif de la recherche sur la chimie des radicaux. Les radicaux sont, en règle générale, des intermédiaires très réactifs. L’équipe utilise un intermédiaire spécial – un cation radical phosphine-eau – comme eau activée, à partir duquel les atomes d’hydrogène de H2O peuvent être facilement séparés et transférés à un autre substrat. La réaction est entraînée par l’énergie lumineuse.
“Notre système, explique le professeur Studer, constitue une plate-forme idéale pour étudier les processus chimiques non étudiés qui utilisent l’atome d’hydrogène comme réactif dans la synthèse.“
Christian Mück-Lichtenfeld, qui a analysé les complexes d’eau activés à l’aide de méthodes théoriques, explique que “la liaison hydrogène-oxygène dans cet intermédiaire est extraordinairement faible, ce qui permet de transférer un atome d’hydrogène à divers composés“.
Jingjing Zhang, qui a réalisé les travaux expérimentaux, ajoute : “Les atomes d’hydrogène de l’eau activée peuvent être transférés à des alcènes et à des arènes dans des conditions très douces, dans des réactions dites d’hydrogénation.”
Les réactions d’hydrogénation sont extrêmement importantes dans la recherche pharmaceutique, l’industrie agrochimique et les sciences des matériaux.
Légende illustration principale : Un atome d’hydrogène (H) de l’eau (H2O) est transféré à un cation radical phosphine-eau sous l’effet de l’énergie lumineuse (LED). Cet intermédiaire radicalaire important peut ensuite transférer l’atome d’hydrogène (blanc) au substrat. Les régions bleues indiquent la distribution du spin des électrons. Crédit : Christian Mück-Lichtenfeld
Pour plus d’informations : Jingjing Zhang et al, Photocatalytic phosphine-mediated water activation for radical hydrogenation, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06141-1
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