En broyage à boulets, les produits chimiques et une bille d'acier sont placés dans des bocaux en acier qui sont ensuite secoués vigoureusement. Crédit :Université d'Hokkaido
Les chercheurs ont montré que la force mécanique peut déclencher des réactions chimiques, les rendant moins chers, plus largement applicable, et plus respectueux de l'environnement que les méthodes conventionnelles.
Les réactions chimiques sont le plus classiquement provoquées par le chauffage des mélanges réactionnels. Au cours des dix dernières années, il y a eu des recherches approfondies sur les "catalyseurs photorédox" qui peuvent être activés par la lumière visible et permettre des réactions chimiques hautement spécifiques et efficaces. Cependant, ces réactions nécessitent souvent une grande quantité de solvants organiques nocifs, les rendant applicables uniquement aux réactifs solubles.
Les matériaux piézoélectriques tels que le titanate de baryum sont connus pour générer des potentiels électriques lorsqu'une pression mécanique leur est appliquée, c'est pourquoi ils sont utilisés dans les microphones et les briquets. Dans la présente étude publiée dans Science , l'équipe de recherche dirigée par Hajime Ito et Koji Kubota de l'Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) de l'Université d'Hokkaido a prouvé que ce potentiel électrique peut également être utilisé pour activer des réactions chimiques. « Dans notre système, on utilise la force mécanique fournie par un broyeur à boulets pour activer un matériau piézoélectrique pour des réactions redox, tout en éliminant l'utilisation de solvant organique, " dit Koji Kubota. Ils appellent cela une réaction mécanorédox par opposition à une réaction photorédox.
Mélanges réactionnels avant et après broyage dans un broyeur à boulets. Des réactions d'arylation mécanorédox se sont produites avec des sels d'aryle diazonium et du furane en présence d'un matériau piézoélectrique (BaTiO3). (Kubota K. et al. Science, 19 décembre 2019) Crédit :Kubota K. et al. Science , 19 décembre 2019
L'équipe a démontré que les potentiels électriques dérivés du matériau piézoélectrique (BaTiO3) activent un composé appelé sels d'aryle diazonium générant des radicaux hautement réactifs. Les radicaux subissent des réactions de formation de liaisons telles que des réactions d'arylation et de borylation, toutes deux importantes en chimie de synthèse, avec une efficacité élevée. L'équipe a également montré que la réaction de borylation pouvait se produire en frappant le mélange dans un sac en plastique avec un marteau.
"C'est le premier exemple de réactions d'arylation et de borylation utilisant la piézoélectricité induite mécaniquement, " explique Koji Kubota. " Notre système sans solvant utilisant un broyeur à boulets nous a permis d'éliminer les solvants organiques, rendre les réactions plus faciles à gérer, plus respectueux de l'environnement, et applicables même aux réactifs qui ne peuvent pas être dissous dans le solvant de réaction. » Ils pourraient également recycler le titanate de baryum et obtenir de meilleurs rendements que les réactions photoredox, augmentant encore l'attractivité de cette approche.
"Nous explorons maintenant l'accordabilité du potentiel électrique généré mécaniquement. Avec les prédictions informatiques, nous visons à étendre l'applicabilité de cette technique, ", déclare Hajime Ito. "Notre objectif est de compléter ou au moins de remplacer en partie les approches photorédox existantes et de fournir une alternative écologique et rentable à utiliser dans la synthèse organique industrielle."
