
Des chimistes parviennent à mettre à l’échelle un réactif commun pour des applications de niveau industriel
Différentes étapes d’une réaction chimique avec le réactif diiodure de samarium. Le flacon de gauche contient une forme jaune et inactive du composé. Au fil du temps, le composé devient actif et devient violet, comme on le voit à droite. Ce changement de couleur se produit parce que l’état d’oxydation du réactif samarium passe de 3+ à 2+, ou de Sm(III) à Sm(II), ce qui signifie qu’il gagne un électron. Crédit : Caltech/Chungkeun Shin
L’élément métallique samarium, lorsqu’il est lié à d’autres éléments, est un réactif chimique incroyablement utile pour synthétiser des molécules pouvant conduire à de nouveaux produits pharmaceutiques. Découvert dans une mine russe en 1879, l’élément doit son nom au minéral dans lequel il a été trouvé, appelé samarskite, lui-même nommé d’après l’ingénieur minier russe Vassili Samarsky-Bykhovets.
Le réactif au samarium le plus courant est le diiodure de samarium, qui se compose d’un atome de samarium et de deux atomes de l’élément iode.
Mais il s’est avéré difficile de produire ce réactif polyvalent en quantités suffisamment importantes pour être utilisé dans des environnements industriels. « Le réactif est sensible à l’air, il faut donc souvent préparer la solution fraîche, juste avant la réaction », explique Chungkeun Shin, étudiant diplômé de Caltech, qui travaille dans le laboratoire de Sarah Reisman, professeure de chimie Bren et titulaire de la chaire Norman Davidson Leadership de la division de chimie et de génie chimique de Caltech.
« Et nous devons souvent en utiliser de grandes quantités, même dans de petites réactions, ce qui n’est pas pratique pour mener des réactions à l’échelle industrielle. »
Comme indiqué dans le numéro du 22 août du journal ScienceLes chimistes de Caltech ont réussi à résoudre cette énigme de mise à l’échelle. L’étude est intitulée « (Electro)catalyse réductrice au samarium activée par SmIII-protonolyse des alcoxydes.”
Leur solution permet au réactif diiodure de samarium de se recycler lui-même pour une utilisation répétée dans une seule réaction, ce qui signifie que de grandes quantités de solvants et de nouvelles préparations ne sont plus nécessaires.
« Le diiodure de samarium est utilisé dans le milieu universitaire pour la synthèse de produits naturels comme le taxol, un agent anticancéreux, mais ce réactif n’est pas pratique pour créer des produits comme celui-ci à l’échelle industrielle », explique Reisman. « La percée réside dans le fait que nous pouvons désormais traduire certaines de ces réactions intéressantes en développement de procédés ou en découvertes. »
Le réactif au samarium a été limité à une utilisation en laboratoire en raison d’une liaison samarium-oxygène gênante qui se forme pendant les réactions et rend le produit chimique inactif.
« Jusqu’à présent, il a été très difficile de recycler le samarium pour le ramener à son état actif », explique Emily Boyd, étudiante diplômée de Caltech, qui travaille dans le laboratoire de Jonas Peters, professeur de chimie Bren et directeur du Resnick Sustainability Institute à Caltech. Boyd et Shin sont co-auteurs principaux de la nouvelle étude.
« Le réactif se retrouve souvent avec une liaison samarium-oxygène très forte qui est difficile à rompre et rend difficile le recyclage du réactif », explique-t-elle.
En d’autres termes, la liaison oxygène conduit à une impasse pour la réaction. « C’est comme si le réactif au samarium devenait paresseux, assis sur un canapé et ne voulant pas travailler », explique Shin.
« Il est très à l’aise dans cet état et veut le rester », explique Boyd. « Nous avons donc expérimenté différents acides pour rompre la liaison samarium-oxygène et remettre le réactif au travail. »
Les tentatives précédentes pour rompre cette liaison samarium-oxygène ont nécessité l’utilisation de produits chimiques agressifs. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont pu rompre la liaison à l’aide d’un acide doux, plus pratique pour les réactions à grande échelle. L’acide fournit un proton à l’oxygène lié, ce qui le transforme en alcool et libère le samarium.
Boyd dit qu’elle et ses collègues du laboratoire Peters étaient intéressés à travailler avec le laboratoire Reisman parce que leurs études de recherche sur la fixation de l’azote impliquent l’agent diiodure de samarium.
La fixation de l’azote est le processus par lequel l’azote gazeux de notre atmosphère est converti en composés tels que l’ammoniac, essentiels aux plantes (et aux personnes qui les consomment). Ce processus peut être réalisé naturellement par des bactéries, et artificiellement par des réactions chimiques. Le laboratoire Peters développe de nouvelles réactions chimiques pour fixer artificiellement l’azote de manière plus efficace et durable que ce qui est couramment utilisé actuellement.
« Notre laboratoire s’intéresse de près à la transformation de l’azote en ammoniac », explique Boyd. « Nous utilisons le réactif samarium pour étudier ces réactions, mais il serait impossible de le transposer à l’échelle industrielle. Après avoir discuté avec le groupe Reisman, spécialisé dans la chimie organique synthétique, nous avons décidé d’unir nos forces. »
Cette collaboration s’est révélée synergique. Shin explique : « Je n’ai pas les compétences d’Emily et vice versa. Cette combinaison nous a permis de comprendre cette alchimie difficile. »
Plus d’informations :
Emily A. Boyd et al., (électro)catalyse réductrice au samarium activée par SmIII -protonolyse des alcoxydes, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adp5777
Fourni par le California Institute of Technology
Citation:Les chimistes réussissent à mettre à l’échelle un réactif commun pour des applications de niveau industriel (2024, 23 août) récupéré le 23 août 2024 à partir de
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