Les scientifiques améliorent leur système catalytique, éliminant les déchets toxiques de métaux lourds et réduisant de plus de moitié les températures de réaction.
Et si les fabricants de produits chimiques pouvaient réduire leurs coûts énergétiques tout en éliminant les métaux lourds toxiques de leurs processus ? Des chercheurs de l’université de Nagoya ont mis au point un système catalytique qui permet justement cela en convertissant les alcools en produits chimiques de valeur à basse température à l’aide de composés iodés plus sûrs, au lieu d’utiliser des métaux lourds dangereux, des métaux précieux coûteux et des réactifs.
En 2009, une équipe dirigée par le professeur Kazuaki Ishihara de l’École supérieure d’ingénieurs a réussi à remplacer les métaux lourds toxiques et les métaux précieux coûteux utilisés dans les réactions d’oxydation traditionnelles par de l’iode plus sûr et plus abondant. Leur nouveau système catalytique à base d’iode-oxone leur a permis de convertir de manière durable les alcools en aldéhydes ou en acides carboxyliques et en cétones, des composés utilisés pour fabriquer divers produits de consommation. Cependant, un problème subsistait : le processus nécessitait une température de 70 °C pour fonctionner efficacement.
Aujourd’hui, l’équipe a réduit la température de la réaction d’oxydation de 70 °C à 30 °C en utilisant son catalyseur sous sa forme préactivée et en ajoutant un produit chimique auxiliaire pour améliorer le mélange. Cela leur a permis de supprimer les étapes de démarrage lentes qui nécessitaient une chaleur élevée. Combinée au remplacement antérieur des métaux toxiques tels que le chrome et le manganèse par des catalyseurs à base d’iode, leur méthode produit des réactions chimiques plus propres à des températures plus basses, ce qui réduit considérablement les coûts et la consommation d’énergie.
Identification du problème
L’oxydation des alcools en aldéhydes et en cétones est fondamentale dans la fabrication de produits chimiques. Ces molécules sont des ingrédients essentiels pour d’innombrables produits de consommation, notamment les médicaments, les parfums et les plastiques. Toute amélioration de l’efficacité ou de l’impact environnemental a des effets importants sur de multiples industries.
Afin de comprendre pourquoi le processus d’oxydation prenait beaucoup de temps et nécessitait des températures élevées pour fonctionner, les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pour observer ce qui se passait pendant la réaction. Ils ont supposé que la réaction principale qui transformait un alcool en aldéhyde était la partie lente du processus. Cependant, ils ont découvert que leur catalyseur, l’acide 2-iodoxybenzènesulfonique (IBS), ne s’activait pas correctement au début de la réaction.
Avant de pouvoir fonctionner, l’IBS devait être converti de sa forme inactive pré-IBS à sa forme active IBS(III). Ce processus de conversion était très lent à basse température. Pour aggraver les choses, l’oxone, l’agent oxydant qui provoque la conversion de l’alcool en aldéhydes et en cétones, est une poudre qui ne se dissout pas bien dans les solvants organiques. Il ne pouvait donc pas activer efficacement le catalyseur. Cela signifiait que le pré-IBS mettait beaucoup de temps à devenir actif à 30 °C, obligeant les chercheurs à utiliser une chaleur élevée (70 °C) pour accélérer le processus d’activation.
Des solutions intelligentes, des avantages écologiques
« L’une des principales limites de la chimie verte est que les températures élevées empêchent souvent la synthèse de composés thermosensibles utilisés dans les produits chimiques spécialisés et les médicaments », a déclaré le professeur Ishihara.
« Pour surmonter ces obstacles, nous avons utilisé un catalyseur préactivé en préparant l’IBS à l’avance sous une forme prête à l’emploi. Nous avons également ajouté un produit chimique auxiliaire, le sulfate d’hydrogène tétrabutylammonium, qui agit comme un savon pour permettre à l’oxone de se dissoudre et de se mélanger correctement. »
Le système amélioré présente plusieurs avantages : il permet d’effectuer plusieurs réactions chimiques dans un seul récipient, ce qu’on appelle la « synthèse en un seul récipient », où le produit de la première réaction devient immédiatement la matière première de la réaction suivante. Cela élimine les étapes de purification coûteuses et fastidieuses entre les réactions. De plus, les conditions à basse température permettent l’oxydation de nombreux alcools thermosensibles difficiles à traiter.
Le Japon, deuxième producteur mondial d’iode, pourrait particulièrement bénéficier du nouveau système catalytique à base d’iode et d’oxone, qui pourrait rendre son industrie chimique plus efficace et durable.
Les recherches futures se concentreront sur le remplacement des produits chimiques restants par des options plus respectueuses de l’environnement et sur la recherche de moyens de recycler le catalyseur afin qu’il puisse être utilisé à plusieurs reprises, rendant le processus encore plus propre et plus rentable.
Source : U. Nagoya
Article : « The low-temperature selective oxidation of alcohols and a one-pot oxidative esterification using an IBS(III/V)/oxone catalysis » – DOI : 10.1039/d5gc01737h
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