Une liaison chimique critique peut être assemblée en utilisant du diazote (N2) – une molécule disponible gratuitement dans l’air qui nous entoure – ont montré des chimistes du RIKEN dans un nouvel article publié dans Nature.
Cette démonstration a le potentiel de rendre la synthèse de composés industriels importants, tels que les polymères et les médicaments, beaucoup plus économe en énergie.
Le diazote est omniprésent. Il constitue près de 80 % de l’air que nous respirons. Mais malgré sa grande disponibilité, il est difficile de l’utiliser directement dans les réactions chimiques. En effet, la forte triple liaison de la molécule doit être rompue.
Pour des applications telles que la synthèse d’alkylamines pour la fabrication de médicaments et de polymères, le diazote est d’abord divisé en deux pour générer de l’ammoniac, dans une étape supplémentaire appelée procédé Haber-Bosch. Le composant alcène facilement accessible doit également être préactivé en le convertissant en alcool ou en acide carboxylique. Ces étapes supplémentaires allongent le processus et le rendent moins efficace.
Elles présentent un autre inconvénient : « La synthèse de ces sources d’azote et de carbone consomme également beaucoup d’énergie », note Takanori Shima, du Centre RIKEN pour la science des ressources durables.
Les chercheurs cherchent de meilleures alternatives à cette approche. « Il serait préférable d’utiliser directement du diazote et des alcènes pour synthétiser des alkylamines dans des conditions douces », ajoute-t-il. « Mais une telle réaction était inconnue et s’annonçait très difficile. »
Auparavant, Shima et ses collaborateurs avaient découvert un moyen de surmonter ces défis en utilisant des polyhydrures de titane, qui sont des complexes chimiques d’atomes de titane reliés par des atomes d’hydrogène.
« Nous avons découvert que le polyhydrure de titane présente une réactivité extrêmement élevée envers les petites molécules stables telles que le diazote et le benzène », explique Shima.
Aujourd’hui, Shima et son équipe ont montré que les multiples unités titane-hydrure du polyhydrure de titane peuvent fonctionner en coopération pour générer des alkylamines à partir de diazote et d’alcènes.
« Lorsque nous avons fait réagir des alcènes avec du polyhydrure de titane, les alcènes ont été activés, mais de nombreuses unités titane-hydrure sont restées après la réaction », explique Shima.
Lorsque l’équipe a ensuite ajouté du diazote, les unités titane-hydrure libres ont clivé de manière coopérative la molécule de diazote, puis ont attaché le charbon actif et les espèces d’azote ensemble via une nouvelle liaison azote-carbone, produisant l’alkylamine.
Une analyse informatique a révélé que la clé de la réaction réside dans le fait qu’après l’activation des deux substrats, la formation de liaisons azote-carbone se produit de manière sélective dans la structure du polyhydrure de titane. En effet, la formation de liaisons azote-carbone est beaucoup plus favorable sur le plan énergétique que d’autres voies possibles, telles que la formation de liaisons azote-hydrogène ou carbone-hydrogène.
Shima et son équipe explorent désormais les moyens de transformer cette transformation en un processus catalytique.
Plus d’informations :
Takanori Shima et al, Hydroamination d’alcènes avec des polyhydrures de diazote et de titane, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07694-5