La réaction de couplage croisé de Suzuki est une technique largement utilisée pour combiner des composés organiques et synthétiser des produits chimiques complexes pour des applications industrielles ou pharmaceutiques. Le procédé nécessite l'utilisation de catalyseurs au palladium (Pd) et, à ce jour, deux types principaux de matériaux à base de Pd sont utilisés en pratique comme catalyseurs hétérogènes.

Le premier concerne les "catalyseurs chargés de métal, " qui sont constitués d'atomes de Pd (sites actifs) chargés sur des supports inertes constitués d'oxydes ou de matériaux à base de carbone. Ils sont faciles à préparer et offrent une grande surface avec des sites actifs où la réaction de Suzuki peut se produire. Cependant, ces catalyseurs se dégradent rapidement à l'usage au fur et à mesure que les sites actifs s'agrègent/se détachent du support. Le deuxième type est celui des "catalyseurs intermétalliques", des molécules constituées de Pd et d'un autre métal. Bien que beaucoup plus stable et efficace dans des conditions douces, ces catalyseurs utilisent mal les quantités importantes de Pd nécessaires car peu de sites actifs finissent effectivement par être exposés au milieu réactionnel. Mais que se passerait-il si les deux types de catalyseurs étaient combinés pour surmonter leurs limitations inhérentes ?

Dans une étude récente publiée dans Catalyse ACS , une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, Japon, est venu avec une nouvelle idée pour un catalyseur hétérogène. Ils ont choisi le carbure de zirconium nanoporeux (ZrC) comme support sur lequel ils ont fait croître le ZrPd 3 nanoparticules, qui agissent comme un catalyseur intermétallique. Parce que le support et le composé actif ont le même élément (Zr), la préparation chimique du catalyseur est remarquablement simple. Les avantages globaux, de plus, aller bien au-delà.

D'abord, le nouveau catalyseur Pd-ZrC est très stable car les sites actifs (ZrPd 3 ) s'ancrent sur le support nanoporeux en ZrC. Cette forte interaction entre ZrPd 3 et ZrC contribue à améliorer la stabilité catalytique globale, permettant la réutilisation du catalyseur Pd-ZrC pendant plus de 15 cycles. En outre, les sites Pd exposés ne s'agglutinent pas et se dispersent dans tout le support, réalisant une surface efficace beaucoup plus grande que les catalyseurs intermétalliques seuls. La distribution soignée du ZrPd 3 sur la surface du support signifie également qu'une plus petite quantité de palladium est nécessaire pour le même nombre de sites actifs par rapport à d'autres catalyseurs intermétalliques - une mesure appelée économie d'atomes de Pd.

Le plus important est peut-être le fait que ces avantages sont offerts sans conditions ; les performances réelles, c'est-à-dire la fréquence de rotation, du nouveau catalyseur est supérieur à celui des composés disponibles dans le commerce. Professeur Hideo Hosono, qui a dirigé l'étude, explique : « Parce que le Pd-ZrC a à la fois du Pd chargé négativement et une forte capacité de don d'électrons, notre catalyseur a atteint des performances catalytiques élevées pour la réaction de couplage croisé de Suzuki, même à température ambiante."

Globalement, les résultats des analyses tant théoriques qu'expérimentales menées par l'équipe de scientifiques confirment que leur stratégie est très prometteuse pour le développement de futurs catalyseurs, comme le remarque le professeur Hosono :"Nos observations ont prouvé l'efficacité de la combinaison de catalyseurs intermétalliques avec des supports pour améliorer simultanément de multiples aspects, montrant que nous pouvons augmenter les degrés de liberté dans la conception de catalyseurs hétérogènes."

L'amélioration des catalyseurs est un moyen pratique de réduire les coûts économiques et environnementaux associés à la synthèse de produits chimiques complexes. Seul le temps nous dira combien de nouvelles conceptions de catalyseurs sont inspirées par la stratégie adoptée dans cette étude.