De nouveaux catalyseurs alimentés par la lumière pourraient aider à la fabrication

Les réactions chimiques déclenchées par la lumière offrent un outil puissant aux chimistes qui conçoivent de nouvelles façons de fabriquer des produits pharmaceutiques et d’autres composés utiles. Exploiter cette énergie lumineuse nécessite des catalyseurs photoredox, qui peuvent absorber la lumière et transférer l’énergie à une réaction chimique.

Les chimistes du MIT ont maintenant conçu un nouveau type de catalyseur photoredox qui pourrait faciliter l’intégration de réactions induites par la lumière dans les processus de fabrication. Contrairement à la plupart des catalyseurs photoredox existants, la nouvelle classe de matériaux est insoluble, de sorte qu’elle peut être utilisée encore et encore. De tels catalyseurs pourraient être utilisés pour revêtir les tubes et effectuer des transformations chimiques sur les réactifs lorsqu’ils s’écoulent à travers le tube.

« Pouvoir recycler le catalyseur est l’un des plus grands défis à relever en termes de capacité à utiliser la catalyse photoredox dans la fabrication. Nous espérons qu’en étant capable de faire de la chimie en flux avec un catalyseur immobilisé, nous pourrons fournir une nouvelle façon de faire catalyse photorédox à plus grande échelle », explique Richard Liu, post-doctorant au MIT et co-auteur principal de la nouvelle étude.

Les nouveaux catalyseurs, qui peuvent être réglés pour effectuer de nombreux types de réactions différents, pourraient également être incorporés dans d’autres matériaux, notamment des textiles ou des particules.

Timothy Swager, professeur de chimie John D. MacArthur au MIT, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Communication Nature. Sheng Guo, chercheur au MIT, et Shao-Xiong Lennon Luo, étudiant diplômé du MIT, sont également les auteurs de l’article.

Matériaux hybrides

Les catalyseurs photorédox fonctionnent en absorbant les photons, puis en utilisant cette énergie lumineuse pour alimenter une réaction chimique, analogue à la façon dont la chlorophylle dans les cellules végétales absorbe l’énergie du soleil et l’utilise pour construire des molécules de sucre.

Les chimistes ont développé deux classes principales de catalyseurs photoredox, connus sous le nom de catalyseurs homogènes et hétérogènes. Les catalyseurs homogènes sont généralement constitués de colorants organiques ou de complexes métalliques absorbant la lumière. Ces catalyseurs sont faciles à régler pour effectuer une réaction spécifique, mais l’inconvénient est qu’ils se dissolvent dans la solution où la réaction a lieu. Cela signifie qu’ils ne peuvent pas être facilement retirés et réutilisés.

Les catalyseurs hétérogènes, quant à eux, sont des minéraux solides ou des matériaux cristallins qui forment des feuilles ou des structures 3D. Ces matériaux ne se dissolvent pas, ils peuvent donc être utilisés plus d’une fois. Cependant, ces catalyseurs sont plus difficiles à régler pour obtenir une réaction souhaitée.

Pour combiner les avantages de ces deux types de catalyseurs, les chercheurs ont décidé d’incorporer les colorants qui composent les catalyseurs homogènes dans un polymère solide. Pour cette application, les chercheurs ont adapté un polymère de type plastique avec de minuscules pores qu’ils avaient précédemment développé pour effectuer des séparations de gaz. Dans cette étude, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient incorporer environ une douzaine de catalyseurs homogènes différents dans leur nouveau matériau hybride, mais ils pensent que cela pourrait fonctionner davantage.

« Ces catalyseurs hybrides ont la recyclabilité et la durabilité des catalyseurs hétérogènes, mais aussi l’accordabilité précise des catalyseurs homogènes », explique Liu. « Vous pouvez incorporer le colorant sans perdre son activité chimique, vous pouvez donc plus ou moins choisir parmi les dizaines de milliers de réactions photoredox déjà connues et obtenir un équivalent insoluble du catalyseur dont vous avez besoin. »

Les chercheurs ont découvert que l’incorporation des catalyseurs dans les polymères les aidait également à devenir plus efficaces. Une des raisons est que les molécules de réactifs peuvent être retenues dans les pores du polymère, prêtes à réagir. De plus, l’énergie lumineuse peut facilement se déplacer le long du polymère pour trouver les réactifs en attente.

« Les nouveaux polymères lient les molécules de la solution et les préconcentrent efficacement pour la réaction », explique Swager. « En outre, les états excités peuvent migrer rapidement dans tout le polymère. La mobilité combinée de l’état excité et la séparation des réactifs dans le polymère permettent des réactions plus rapides et plus efficaces que celles possibles dans les processus en solution pure. »

Efficacité supérieure

Les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient ajuster les propriétés physiques du squelette du polymère, y compris son épaisseur et sa porosité, en fonction de l’application pour laquelle ils souhaitaient utiliser le catalyseur.

À titre d’exemple, ils ont montré qu’ils pouvaient fabriquer des polymères fluorés qui colleraient aux tubes fluorés, qui sont souvent utilisés pour la fabrication en flux continu. Au cours de ce type de fabrication, les réactifs chimiques circulent dans une série de tubes pendant que de nouveaux ingrédients sont ajoutés ou que d’autres étapes telles que la purification ou la séparation sont effectuées.

Actuellement, il est difficile d’intégrer des réactions photoredox dans des procédés à flux continu car les catalyseurs sont rapidement consommés et doivent donc être ajoutés en continu à la solution. L’incorporation des nouveaux catalyseurs conçus par le MIT dans les tubes utilisés pour ce type de fabrication pourrait permettre d’effectuer des réactions photoredox en flux continu. Le tube est transparent, permettant à la lumière d’une LED d’atteindre les catalyseurs et de les activer.

« L’idée est d’avoir le catalyseur enrobant un tube, afin que vous puissiez faire passer votre réaction à travers le tube pendant que le catalyseur reste en place. De cette façon, vous n’obtenez jamais que le catalyseur se retrouve dans le produit, et vous pouvez également obtenir beaucoup plus haut. efficacité », déclare Liu.

Les catalyseurs pourraient également être utilisés pour enrober des billes magnétiques, ce qui les rend plus faciles à retirer d’une solution une fois la réaction terminée, ou pour enrober des flacons de réaction ou des textiles. Les chercheurs travaillent maintenant sur l’incorporation d’une plus grande variété de catalyseurs dans leurs polymères et sur l’ingénierie des polymères pour les optimiser pour différentes applications possibles.