Flacons contenant le catalyseur au titane et le colorant rouge, qui sont irradiés à la lumière verte dans le laboratoire de l'Institut de chimie organique et de biochimie de Kekulé à l'Université de Bonn. Crédit :Zhenhua Zhang
Pour la première fois, des chimistes de l'Université de Bonn et de l'Université Lehigh aux États-Unis ont mis au point un catalyseur au titane qui rend la lumière utilisable pour des réactions chimiques sélectives. Il fournit une alternative rentable et non toxique aux catalyseurs au ruthénium et à l'iridium utilisés actuellement, qui sont à base de métaux très chers et toxiques. Le nouveau catalyseur peut être utilisé pour produire des produits chimiques hautement sélectifs pouvant servir de base à des médicaments antiviraux ou à des colorants luminescents, par exemple. Les résultats ont été publiés dans l'édition internationale de la revue Angewandte Chemie .
Les électrons des molécules chimiques sont réticents à mener une seule vie; ils se produisent généralement par paires. Ensuite, ils sont particulièrement stables et n'ont pas tendance à nouer de nouveaux partenariats sous forme de nouveaux liens. Cependant, si certains des électrons sont amenés à un niveau d'énergie plus élevé à l'aide de la lumière (photons), les choses commencent à sembler différentes quand il s'agit de cette "monogamie" :dans un état si excité, les molécules aiment donner ou accepter un électron. Cela crée des soi-disant "radicaux", ' qui ont des électrons, sont très réactifs et peuvent être utilisés pour former de nouvelles liaisons.
Irradiation au feu vert
Ce nouveau catalyseur est basé sur ce principe :en son cœur se trouve le titane, qui est relié à un anneau de carbone dans lequel les électrons sont particulièrement mobiles et peuvent être facilement excités. La lumière verte est suffisante pour utiliser le catalyseur pour le transfert d'électrons afin de produire des intermédiaires organiques réactifs qui ne sont pas faciles à obtenir autrement. "Dans le laboratoire, nous avons irradié un ballon de réaction contenant le catalyseur au titane qui peut être considéré comme un « colorant rouge » avec une lumière verte, " rapporte le professeur Andreas Gansäuer de l'Institut de chimie organique et de biochimie de Kekulé à l'Université de Bonn. " Et cela a fonctionné tout de suite. " Le mélange génère des radicaux à partir de molécules organiques qui initient de nombreux cycles de réaction à partir desquels une grande variété de produits chimiques les produits peuvent être fabriqués.
Spectre d'absorption calculé du Titanocendichlorid [(C5H4)2TiCl2)] et des orbitales moléculaires impliquées dans l'excitation. Crédit :Tobias Hilche
Un facteur clé dans les réactions avec ce catalyseur photo-redox est la longueur d'onde de la lumière utilisée pour l'irradiation. "Le rayonnement ultraviolet n'est pas adapté car il est beaucoup trop riche en énergie et détruirait les composés organiques, " dit Gansäuer. La lumière verte des lampes LED est à la fois douce et suffisamment riche en énergie pour déclencher la réaction.
Les catalyseurs sont des substances qui augmentent la vitesse des réactions chimiques et réduisent l'énergie d'activation sans être elles-mêmes consommées. Cela signifie qu'ils sont disponibles en continu et peuvent déclencher des réactions qui, autrement, ne se produiraient pas sous cette forme. Le catalyseur peut être adapté aux produits souhaités en fonction de la molécule organique avec laquelle le titane est lié.
Blocs de construction pour les médicaments antiviraux ou les colorants luminescents
Le nouveau catalyseur au titane facilite les réactions des époxydes, un groupe de produits chimiques à partir desquels la résine époxy est fabriquée. Ceux-ci sont utilisés comme adhésifs ou pour les composites. Cependant, les scientifiques ne visent pas ce produit de masse, mais pour la synthèse de produits chimiques fins beaucoup plus précieux. "La base de titane, des catalyseurs photoredox sur mesure peuvent par exemple être utilisés pour produire des blocs de construction pour des médicaments antiviraux ou des colorants luminescents, " déclare Gansäuer. Il est convaincu que ces nouveaux catalyseurs offrent une alternative rentable et plus durable aux catalyseurs au ruthénium et à l'iridium utilisés jusqu'à présent, qui sont à base de métaux très chers et toxiques.
Le développement est un effort de collaboration internationale de Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniel Slak, Niels Rietdijk et Andreas Gansäuer de l'Université de Bonn et Ugochinyere N. Oloyede et Robert A. Flowers II de l'Université de Lehigh (États-Unis). Alors que les scientifiques de l'Université de Bonn ont étudié la meilleure façon de synthétiser les composés souhaités avec le nouveau catalyseur, leurs collègues des États-Unis ont effectué des mesures pour prouver les voies de réaction. "Le phénomène de luminescence ouvre vraiment un espace intéressant pour envisager la conception de nouvelles réactions durables qui procèdent par des intermédiaires radicaux libres, " déclare le professeur Robert Flowers de l'Université Lehigh.
