Une équipe internationale de chimistes a trouvé une méthode pour accélérer le développement de nouveaux catalyseurs. En utilisant la spectroscopie RMN avec la chimie computationnelle, ils peuvent évaluer si les molécules peuvent ou non permettre des réactions.

Environ 90 pour cent de tous les processus chimiques dans l'industrie dépendent des catalyseurs - des molécules qui permettent ou accélèrent les réactions chimiques, leur permettant ainsi de se dérouler à des températures plus basses. L'analogie avec la nature sont des enzymes qui effectuent des transformations biochimiques complexes dans l'organisme de manière sélective et très efficace.

Dans l'industrie, les catalyseurs sont indispensables pour économiser l'énergie, rendre les processus plus durables et donc plus rentables. Il y a évidemment un énorme intérêt à découvrir de tels nouveaux catalyseurs de réaction pour produire des produits chimiques et des matériaux d'une manière plus efficace. Cependant, le développement des catalyseurs est encore très empirique de nos jours, s'appuyant fortement sur les essais et les erreurs, et parfois de la chance.

Comprendre les catalyseurs en détail

Afin de développer de nouveaux catalyseurs et de les rendre plus efficaces, il est important de comprendre en détail la distribution et la capacité de liaison de leurs électrons. Cette structure électronique détermine le caractère des molécules, par exemple la couleur, l'odeur, mais aussi la réactivité. Si la structure électronique exacte d'un composé est connue, il est également possible de faire des prédictions sur ses propriétés chimiques.

C'est exactement ce que les chercheurs du groupe du Pr Copéret, en collaboration avec une équipe internationale, ont maintenant réalisé :En utilisant la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) - l'une des méthodes analytiques les plus courantes en chimie - en combinaison avec la chimie informatique de pointe, ils peuvent désormais mieux comprendre la structure électronique des catalyseurs et prédire leur réactivité. Cette nouvelle méthodologie qu'ils viennent de publier dans PNAS rendra la conception et la découverte de catalyseurs plus faciles et moins dépendantes du criblage et de la sérendipité.

Polymérisation de l'éthylène

Dans leur étude, les chercheurs ont étudié les catalyseurs utilisés dans l'industrie pour polymériser les oléfines. Les polyoléfines sont des produits chimiques de base tels que le polypropylène et le polyéthylène. Leurs applications vont des emballages et des filets de pêche aux produits haut de gamme tels que les gilets pare-balles. Le polyéthylène est produit en polymérisant l'éthylène en présence de catalyseurs dits organométalliques – des molécules qui contiennent un métal lié à au moins un atome de carbone.

Dans les cours de chimie fondamentale, les élèves apprennent qu'il y a des célibataires, doubles et triples liaisons dans les molécules. Et ils apprennent que les polyoléfines sont produites par des catalyseurs qui contiennent une simple liaison métal-carbone. Cependant, cette étude montre que la réalité n'est pas toujours aussi simple :dans la classe de catalyseurs étudiée, la liaison carbone-métal se situe entre une simple liaison et une double liaison, selon le métal et la charge.

Le caractère de double liaison détermine la réactivité

Le degré de cette double liaison est déterminant pour l'activité catalytique. C'est précisément ce caractère de double liaison que les chercheurs ont désormais pu déduire de la spectroscopie RMN directement à partir du déplacement chimique de l'atome de carbone. Ils ont pu montrer que plus la liaison entre le métal et les atomes de carbone se comporte comme une double liaison, plus un catalyseur produit des polyoléfines facilement. Les chercheurs n'avaient jusqu'à présent pas compris ce fait qui fournit une conclusion contre-intuitive :plus la liaison métal-carbone a un caractère de double liaison, plus il est court et fort - néanmoins, plus il est facile de le casser lors de la polymérisation des oléfines.

Concevoir des catalyseurs plus rapidement

En combinant la spectroscopie RMN avec des calculs théoriques, il est désormais possible de prédire si un catalyseur va permettre une réaction chimique. Les chercheurs s'attendent à ce que cette nouvelle méthode fournisse aux chimistes une compréhension plus fine de la structure électronique des catalyseurs et accélère la conception des catalyseurs à l'avenir.