Grâce à l'électricité, des scientifiques découvrent une nouvelle méthode prometteuse pour stimuler les réactions chimiques

Alors que le monde s’éloigne du gaz pour se tourner vers l’électricité en tant que source d’énergie plus verte, la liste des choses à faire va au-delà des voitures. Le vaste réseau mondial de fabrication qui fabrique tout, de nos batteries à nos engrais, doit également changer de cap.

Une étude menée par des chimistes de l'Université de Chicago a découvert un moyen d'utiliser l'électricité pour stimuler un type de réaction chimique souvent utilisé dans la synthèse de nouveaux candidats pour les médicaments pharmaceutiques.

Publié le 2 janvier dans Catalyse naturellela recherche constitue une avancée dans le domaine de l’électrochimie et montre la voie à suivre pour concevoir et contrôler des réactions et les rendre plus durables.

“Ce que nous voulons faire, c'est comprendre ce qui se passe au niveau fondamental à l'interface des électrodes et utiliser cela pour prédire et concevoir des réactions chimiques plus efficaces”, a déclaré Anna Wuttig, professeur adjoint de la famille Neubauer à l'UChicago et auteur principal de l'article. “C'est un pas vers cet objectif éventuel.”

Complexité chimique

Dans certaines réactions chimiques, l’électricité peut augmenter la production et, comme vous pouvez obtenir l’électricité nécessaire à partir de sources renouvelables, elle pourrait contribuer à rendre l’industrie chimique mondiale plus verte.

Mais l’électrochimie, comme on appelle ce domaine, est particulièrement complexe. Il y a beaucoup de choses que les scientifiques ignorent sur les interactions moléculaires, notamment parce qu'il faut insérer un solide conducteur (une électrode) dans le mélange pour fournir l'électricité, ce qui signifie que les molécules interagissent avec cette électrode ainsi qu'entre elles. Pour un scientifique essayant de démêler les rôles que joue chaque molécule et dans quel ordre, cela rend un processus déjà compliqué encore plus compliqué.

Mais Wuttig veut en faire un avantage. “Et si vous considériez cela comme l'électrochimie nous fournissant un levier de conception unique qui n'est possible dans aucun autre système ?” dit-elle.

Dans ce cas, elle et son équipe se sont concentrées sur la surface de l’électrode qui fournit l’électricité nécessaire à la réaction.

“Il y a eu des indices selon lesquels la surface elle-même est catalytique, qu'elle joue un rôle”, a déclaré Wuttig, “mais nous ne savons pas comment contrôler systématiquement ces interactions au niveau moléculaire”.

Ils ont bricolé un type de réaction couramment utilisé dans la fabrication de produits chimiques destinés à la médecine, pour former une liaison entre deux atomes de carbone.

Selon les prédictions théoriques, lorsque cette réaction est réalisée à l’aide de l’électricité, le rendement de la réaction devrait être de 100 %, c’est-à-dire que toutes les molécules entrées sont transformées en une seule nouvelle substance. Mais lorsque vous effectuez réellement la réaction en laboratoire, le rendement est inférieur.

L’équipe pensait que la présence de l’électrode éloignait certaines molécules de l’endroit où elles étaient nécessaires pendant la réaction. Ils ont découvert que l’ajout d’un ingrédient clé pourrait aider : un produit chimique connu sous le nom d’acide de Lewis ajouté à la solution liquide redirigeait ces molécules.

“Vous obtenez une réaction presque nette”, a déclaré Wuttig.

Catalyser le changement

De plus, l’équipe a pu utiliser des techniques d’imagerie spéciales pour observer les réactions se dérouler au niveau moléculaire. “Vous pouvez voir que la présence du modulateur a un effet profond sur la structure interfaciale”, a-t-elle déclaré. “Cela nous permet de visualiser et de comprendre ce qui se passe, plutôt que de le considérer comme une boîte noire.”

Il s’agit d’une étape cruciale, a déclaré Wuttig, car elle montre la voie à suivre pour pouvoir non seulement utiliser l’électrode en chimie, mais également prédire et contrôler ses effets.

Un autre avantage est que l’électrode peut être réutilisée pour davantage de réactions. (Dans la plupart des réactions, le catalyseur est dissous dans le liquide et est évacué pendant le processus de purification pour obtenir le produit final).

“C'est un pas vers une synthèse durable”, a-t-elle déclaré. “À l'avenir, mon groupe est très enthousiaste à l'idée d'utiliser ces types de concepts et de stratégies pour définir et relever d'autres défis synthétiques.”