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L'industrie chimique utilise couramment des catalyseurs à base de palladium pour la production de composés organiques à haute valeur ajoutée. Le cas le plus notable est l'oxydation des oléfines* pour obtenir des cétones**. Ces cétones sont des molécules clés qui servent de briques de base pour la synthèse de nombreux médicaments ou matériaux. Une des méthodes les plus puissantes pour préparer ces briques est le procédé Wacker qui permet l'obtention des cétones à partir d'oléfines issues du pétrole.
Ce procédé est utilisé depuis les années 1950 pour la production de millions de tonnes d'acétaldéhyde par an à partir d'éthylène. Il nécessite l'ajout de catalyseurs de palladium et de cuivre, des conditions de température et pression très élevées et un milieu acide. Malheureusement, le palladium, constituant clé de ces réactions, est présent en faible quantité dans la croute terrestre et pourrait bien disparaitre au cours du prochain siècle si son utilisation se poursuit au rythme actuel. Il est qui plus est toxique et doit donc être purifié des produits finaux.
Des chimistes de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université Rennes/ENSCR/INSA Rennes) et de l'Université d'Amsterdam ont récemment montré la possibilité d'utiliser le cobalt au lieu du palladium pour catalyser l'oxydation d'oléfines en cétones. Le procédé de synthèse, publié dans la revue Angewandte Chemie International Edition, se déroule dans des conditions réactionnelles bien plus douces que le procédé Wacker (pression et température ambiante) tout en évitant le co-catalyseur de cuivre. De plus, ces réactions d'oxydation au cobalt ont lieu dans l'éthanol qui permet d'éviter les conditions acides classiquement utilisées avec les catalyseurs de palladium. Etonnamment, l'ajout d'un hydrure de silane (Et3SiH) comme additif permet d'accélérer fortement les vitesses de réaction qui se déroulent en 10 minutes en utilisant un ratio très bas de cobalt par oléfine de 1 pour 100.
Ces valeurs font des catalyseurs au cobalt les candidats actuels les plus prometteurs pour remplacer le palladium dans la production de cétones. Ils surpassent largement une première génération de catalyseurs à base de fer, métal aussi très abondant et non toxique, brevetée et publiée l'année passée par la même équipe de scientifiques dans le journal ACS Catalysis.
Un catalyseur au cobalt stabilisé par des ligands porphyrine surpasse les performances du palladium pour une réaction essentielle pour l'industrie chimique: l'oxydation d'oléfines en cétones
© Rafael GRAMAGE-DORIA
Des calculs computationnels menés en parallèle de l'étude expérimentale montrent que le fonctionnement optimal du cobalt nécessite qu'il soit dispersé dans le milieu réactionnel par les ligands porphyrine et que la formation de liaisons hydrogène grâce à l'éthanol est un facteur déterminant pour la formation sélective des cétones. Ces travaux, menés dans le cadre d'une thèse de doctorat en partie financée par le programme PAUSE du Collège de France, vont se poursuivre à l'avenir en étant soutenus par le programme de prématuration du CNRS.
Notes:
* Oléfines = molécules contenant une double liaison carbone-carbone (C=C).
**Cétones = molécules contenant une double liaison carbone-oxygène (C=O)
Rédacteur: AVR
Références:
Catalyst Complexity in a Highly Active and Selective Wacker-Type Markovnikov Oxidation of Olefins with a Bioinspired Iron Complex
Jonathan Trouvé, Sitthichok Kasemthaveechok, Khalil Youssef, Rafael Gramage-Doria.
ACS Catalysis 2023
https://doi.org/10.1021/acscatal.3c00593
Markovnikov-Selective Cobalt-Catalyzed Wacker-Type Oxidation of Styrenes into Ketones under Ambient Conditions Enabled by Hydrogen Bonding
Naba Abuhafez, Andreas W. Ehlers, Bas de Bruin, Rafael Gramage-Doria.
Angewandte Chemie Int. Ed. 2024
https://doi.org/10.1002/anie.202316825