Les produits pharmaceutiques, les produits chimiques fins et les produits agrochimiques sont fabriqués industriellement à l’aide d’un large éventail de réactions chimiques. Ces procédés doivent devenir plus efficaces, moins coûteux et plus durables. Le groupe de Pieber à l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) vient de franchir un pas dans cette direction. Dans Nature Catalysis, des chercheurs présentent aujourd’hui un nouveau catalyseur au nickel pouvant être activé par la lumière visible pour former efficacement une grande variété de liaisons chimiques.
Derrière une paroi de verre dans le laboratoire de Pieber à l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA), des lampes LED bleues projettent leur lumière sur de petits récipients de réaction. La lumière n’est pas un simple éclairage : elle fournit l’énergie qui alimente un catalyseur au nickel pour mener les 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 activée 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 développé un nouveau système catalytique qui assemble de manière sélective et efficace des blocs de construction chimiques en utilisant de très petites quantités de nickel.
Activer le nickel avec la lumière
Les médicaments ne poussent pas sur les arbres : ils sont produits au moyen de procédés chimiques en plusieurs étapes. Cela nécessite un large éventail de réactions différentes. L’une des stratégies les plus utilisées pour construire ces molécules est la chimie du couplage croisé, dans laquelle deux blocs 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 consommée elle-même. Il s’agit souvent d’atomes métalliques isolés reliés à des molécules organiques appelées ligands. Ceux-ci 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 ce domaine a été reconnue par le prix Nobel de chimie 2010 décerné à Richard Heck, Ei-ichi Negishi et Akira Suzuki pour le développement de réactions de couplage croisé catalysées au palladium en synthèse organique. Ces réactions sont devenues essentielles pour la fabrication 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 une dizaine d’années, les premières études ont montré que la combinaison d’un catalyseur au nickel avec un second catalyseur convertissant la lumière visible en « énergie chimique » pouvait être utilisée à la place du palladium. Cela pourrait 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 la 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 peuvent être surmontées. Les chercheurs ont découvert que les catalyseurs au nickel peuvent être détruits lors de l’utilisation de blocs de construction difficiles et ont montré que cela peut être évité en contrôlant soigneusement les conditions de réaction. L’approche a fonctionné, mais les réactions étaient très lentes et nécessitaient de grandes quantités de catalyseur au nickel.
« Bien sûr, c’était encore loin d’être une méthode efficace », dit Pieber. « Mais c’était 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, a mis à profit cette compréhension croissante pour concevoir des structures possibles de catalyseurs au nickel plus efficaces et plus robustes, pouvant être directement activés par la lumière visible, et a testé ses idées au laboratoire. Cela a finalement conduit l’équipe à un nouveau ligand qui aide le nickel à surmonter certaines des limites persistantes de la catalyse activée par la lumière.
« J’aime le défi que représente la résolution d’une énigme chimique. On développe une idée, on la teste expérimentalement et on apprend quelque chose de chaque résultat », dit Bena. Sa persévérance a finalement abouti à un nouveau système catalytique largement applicable et nécessitant nettement moins de nickel.
Une petite équipe dédiée s’est formée au sein du groupe de Pieber — composée de Banik, Giannoudis, Ortis, Baunis et Palissery — pour 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 blocs de construction à des molécules complexes et à des dérivés de médicaments tels que la fluoxétine, l’un des antidépresseurs les plus courants et les plus prescrits.
Un peu de nickel, un grand effet
Cette avancée repose sur un ligand sur mesure qui accroît l’activité catalytique de l’atome de nickel lors de l’initiation par la lumière visible. Cela permet au nouveau catalyseur de former 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 former des liaisons difficiles de manière efficace avec une très petite quantité de catalyseur au nickel », dit Bena.
Les chercheurs ont pu réduire la charge de 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.
Leur travail démontre donc 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.
« De si faibles charges de catalyseur ne sont généralement atteintes qu’avec des catalyseurs à base de palladium. Le fait d’y parvenir avec un catalyseur au nickel est vraiment passionnant », explique Pieber. « La combinaison d’une faible charge de catalyseur et d’une grande généralité sur de nombreux blocs de construction pourrait rendre cette approche particulièrement intéressante pour la synthèse pharmaceutique et la chimie fine. »
Article : Ligand design broadens NiI-catalyzed C(sp²)–heteroatom couplings of aryl bromides at low catalyst loadings – Journal : Nature Catalysis – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : ISTA
