Des chimistes de l’Université d’Hokkaido et de l’Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) ont mis au point le premier catalyseur haute performance spécialement conçu et optimisé pour la synthèse mécanochimique à l’état solide. L’équipe a découvert qu’en attachant de longues molécules de polymère à un catalyseur métallique, elles pouvaient piéger le catalyseur dans une phase fluide, ce qui permettait une réactivité efficace à température ambiante proche. Cette approche, rapportée dans le Journal de l’American Chemical Societypourrait apporter des économies de coûts et d’énergie si elles sont adaptées à une large application dans la recherche chimique et l’industrie.

Les réactions de synthèse chimique sont généralement effectuées en solution, où les molécules dissoutes peuvent se mélanger et réagir librement. Ces dernières années, cependant, les chimistes ont développé un procédé appelé synthèse mécanochimique, dans lequel des cristaux et des poudres à l’état solide sont broyés ensemble. Cette approche est avantageuse car elle réduit l’utilisation de solvants dangereux et peut permettre aux réactions de se dérouler plus rapidement et à des températures plus basses, ce qui réduit les coûts énergétiques. Il peut également être utilisé pour des réactions entre des composés difficiles à dissoudre dans les solvants disponibles.

Cependant, les réactions à l’état solide se produisent dans un environnement très différent des réactions en solution. Des études antérieures ont montré que les catalyseurs au complexe de palladium conçus à l’origine pour être utilisés en solution ne fonctionnaient souvent pas suffisamment dans les réactions mécanochimiques à l’état solide et que des températures de réaction élevées étaient nécessaires. L’utilisation du catalyseur au palladium non modifié pour les réactions à l’état solide a entraîné une efficacité limitée en raison de la tendance du palladium à s’agréger dans un état inactif. L’équipe a choisi de s’engager dans une nouvelle direction, en concevant un catalyseur pour pallier ce problème mécanochimique d’agrégation.

« Nous avons développé une solution innovante, reliant le palladium via un ligand phosphine spécialement conçu à une grande molécule polymère appelée polyéthylène glycol », explique Ito.

Les molécules de polyéthylène glycol forment une région entre les matériaux solides qui se comporte comme une phase fluide au niveau moléculaire, où les réactions de couplage croisé mécanochimique Suzuki-Miyaura se déroulent beaucoup plus efficacement et sans l’agrégation problématique du palladium. En plus d’obtenir des rendements de produit nettement plus élevés, la réaction s’est déroulée efficacement près de la température ambiante – l’alternative la plus performante auparavant nécessitait un chauffage à 120°C. Des réactions de couplage croisé similaires sont largement utilisées dans la recherche et l’industrie chimique.

« Il s’agit de la première démonstration d’un système spécifiquement modifié pour exploiter le potentiel des catalyseurs au complexe de palladium dans l’environnement unique d’une réaction mécanochimique », déclare Kubota.

Ils pensent qu’il pourrait être adapté à de nombreuses autres réactions, ainsi qu’à des catalyseurs utilisant d’autres éléments des métaux de transition du tableau périodique.

L’adoption plus large du processus, et d’autres similaires, pourrait éventuellement entraîner des économies importantes en termes de coûts et de consommation d’énergie dans les processus chimiques commerciaux tout en permettant une production à grande échelle plus respectueuse de l’environnement de nombreux produits chimiques utiles.