Pour réussir à réduire l’impact environnemental de l’industrie chimique, il faut trouver une manière plus écologique de fabriquer les éléments chimiques de base des composés courants et massivement consommés.
Ce n’est un secret pour personne que les processus de fabrication ont certains des effets les plus importants et les plus intenses sur l’environnement, l’industrie chimique étant en tête du classement en termes de consommation d’énergie et de production d’émissions. Même si cela est logique en raison de l’ampleur de l’implication des produits chimiques fabriqués dans la vie quotidienne, cela laisse encore beaucoup à désirer dans l’intérêt de la durabilité.
En se concentrant sur les sources d’énergie renouvelables et les méthodes alternatives pour créer les éléments chimiques de base de certains des composés les plus couramment utilisés, les chercheurs espèrent réduire l’empreinte de l’industrie chimique grâce à des innovations vertes.
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le Journal de l’American Chemical Society le 7 octobre.
Cette étude porte principalement sur les amines cycliques, car ce sont les éléments constitutifs les plus importants de la chimie fine. Ces composés sont disposés en anneau et, dans ce cas, possèdent un atome d’azote. L’une des vedettes du spectacle est la pyridine, qui cède la place à la pipéridine, une amine cyclique essentielle dans l’industrie de la chimie fine.
La pipéridine, par exemple, fournit le cadre à de nombreux matériaux tels que les médicaments approuvés par la FDA, les pesticides et les matériaux quotidiens utilisés dans la vie de nombreuses personnes.
Les méthodes typiques d’ajout d’hydrogène à une amine cyclique contenant de l’azote impliquent l’utilisation d’hydrogène gazeux comme source de protons et d’électrons. Le processus d’hydrogénation repose sur l’hydrogène obtenu par reformage à la vapeur du méthane, un gaz à effet de serre majeur.
Non seulement cette méthode est énergivore, mais elle est également responsable d’environ 3 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Ce processus est également fortement dépendant des combustibles fossiles et consomme une grande quantité d’énergie. Heureusement, les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner ce problème en développant un électrolyseur à membrane échangeuse d’anions (AEM).
Un électrolyseur AEM permet l’hydrogénation de différents types de pyridines à température et pression ambiantes, sans avoir à utiliser d’additifs acides comme dans les méthodes traditionnelles. L’électrolyseur a pour fonction de diviser l’eau en ses composants, l’hydrogène atomique et l’oxygène. L’hydrogène atomique obtenu est ensuite ajouté au composé cyclique.
L’électrolyseur AEM fait également preuve d’une grande polyvalence avec d’autres aromatiques contenant de l’azote, ce qui en fait une voie prometteuse pour un large éventail d’applications. De plus, en développant une méthode pouvant être utilisée à des températures et pressions ambiantes, l’énergie électrique nécessaire au processus est considérablement réduite.
« La méthode offre un potentiel significatif pour des applications à l’échelle industrielle dans les produits pharmaceutiques et la chimie fine, contribuant à la réduction des émissions de carbone et à l’avancement de la chimie durable », a déclaré Naoki Shida, premier auteur de l’étude et chercheur à l’Université nationale de Yokohama.
Ce processus utilise de l’eau et de l’électricité renouvelable comme source d’énergie, ce qui contraste avec le recours aux combustibles fossiles pour la méthode conventionnelle. L’efficacité n’a pas été compromise par cette méthode et le pourcentage de rendement à grande échelle est de 78 %, affirmant en outre que cette technologie peut être raisonnablement évolutive.
Un problème qui pourrait être rencontré est une augmentation de la tension de la cellule pendant le processus d’électrolyse, mais cela peut être atténué soit par un AEM amélioré, soit, de préférence, par la conception d’un AEM spécifiquement conçu pour l’électrosynthèse organique.
Pour que la technologie d’hydrogénation électrocatalytique se répande et fasse la différence, elle doit être évolutive à l’échelle industrielle pour que les entreprises pharmaceutiques et de chimie fine puissent l’utiliser. Plus cette technologie est utilisée, plus il est facile de la transition vers d’autres composés aromatiques contenant de l’azote, exprimant ainsi le caractère pratique du processus d’hydrogénation électrocatalytique.
Idéalement, cette méthode s’imposerait comme une alternative aux méthodes traditionnelles utilisées dans l’industrie chimique et réduirait à terme l’empreinte carbone globale laissée par la fabrication de produits chimiques.
L’Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron a rendu cette recherche possible.
Plus d’informations :
Hydrogénation électrocatalytique des pyridines et autres composés aromatiques azotés, Journal de l’American Chemical Society (2024). DOI : 10.1021/jacs.4c09107