Dévoilement de l’impact de l’eau et des ions sur les réactivités chimiques aux interfaces solide-aqueux

Les interfaces solide-aqueux sont omniprésentes et essentielles dans une gamme variée de systèmes et de processus naturels et artificiels, de la formation minérale, de l’altération des roches et de la corrosion des métaux, au fonctionnement complexe des membranes biologiques et des canaux ioniques.

Dans tous ces systèmes et processus, l’eau et les ions d’origine hydrique jouent un rôle décisif et sous-tendent les réactivités chimiques interfaciales, mais souvent, une compréhension fondamentale de ces rôles et effets fait défaut. L’eau est considérée comme un milieu « vert » disponible en abondance, inoffensif pour l’environnement et peu coûteux, de sorte que l’avantage d’effectuer des réactions chimiques dans l’eau par rapport aux solvants organiques – qui ont dominé la chimie organique synthétique pour de bonnes raisons – semble évident, même d’un point de vue point de vue du profane.

L’une des questions clés, cependant, est « pouvons-nous prédire avec une bonne précision et exactitude si l’eau améliorera ou supprimera une réaction chimique sur un catalyseur solide? » Apparemment, la réponse repose sur notre capacité à comprendre, en profondeur, les tendances de la réactivité aux interfaces dynamiques et complexes entre le solide catalytique et l’environnement aqueux, ce qui conduira à son tour à la formulation et à la découverte de nouveaux concepts, principes et critères. qui peuvent être exploitées pour maximiser les réactivités chimiques envers le produit ou les gammes de produits ciblés.

Malgré les défis de taille associés à cette mission, la communauté hétérogène de la catalyse a fait de grands progrès au cours des dernières décennies, grâce à la fois au développement rapide de boîtes à outils habilitantes et à l’intensification du transfert de connaissances interdisciplinaires.

Alors, où en est-on après des décennies de recherche sur les réactions catalysées de manière hétérogène en phase aqueuse ? En se concentrant sur les catalyseurs acide-base solides, qui représentent un sous-ensemble de catalyseurs hétérogènes avec de larges applications dans l’industrie chimique, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hui Shi de l’Université de Yangzhou, en Chine, a compilé une évaluation complète des rôles des molécules d’eau, structurelles des groupements dérivés de l’eau, et des espèces ioniques qui y sont dissoutes, pour une catalyse acido-basique hétérogène à l’interface solide-aqueuse.

En limitant davantage leur attention à la déshydratation de l’alcool, à la condensation des aldols et à l’isomérisation des sucres, toutes étant des réactions prototypiques catalysées par l’acide-base, ces auteurs ont décrit un assortiment d’effets engendrés par l’eau, en utilisant des exemples soigneusement choisis, et ont discuté de manière critique leurs origines chimiques et leurs propriétés catalytiques. conséquences. La revue a été publiée dans Journal chinois de catalyse.

Ces auteurs ont couvert des avancées majeures dans la compréhension au niveau atomique et moléculaire de plusieurs modes d’action généraux, par lesquels l’eau affecte les mécanismes de réaction et les relations structure-performance, en s’appuyant sur les nouvelles preuves acquises pour l’ensemble individuel de la catalyse acide-base au interface solide-aqueuse.

Il est particulièrement important de reconnaître que les fonctionnalités de surface polaire, les silanols et les paires cation-anion par exemple, et les caractéristiques de polarité et de liaison H des différents états le long du chemin de réaction ont l’impact le plus dramatique sur la manifestation des effets de l’eau. Au moyen d’une analyse comparative, ils ont conclu que pour une série analogue de réactions, les rôles de l’eau peuvent être anticipés comme étant généralisables à partir d’un sous-ensemble spécifique de telles chimies. Enfin, certains concepts émergents qui méritaient d’être explorés plus avant ont été mis en évidence, tels que la « force ionique interfaciale » (ou « force ionique trapore », lorsque la phase solide contient des micropores – des pores inférieurs à deux nanomètres ou même inférieurs à 1 nm ).

Selon le professeur Hui Shi, « bien que de nombreux efforts pour effectuer des réactions dans l’eau ou des solvants aqueux aient été motivés par la bénignité inhérente de l’eau ainsi que par sa disponibilité et son coût, l’utilisation de l’eau comme solvant ou comme composant de mélanges de solvants ne devrait jamais être un choix mal informé sans une solide compréhension des origines chimiques de ses effets promotionnels ou indésirables. »

En effet, parfois même une infime goutte d’eau est suffisante pour booster la réaction catalytique de façon spectaculaire, ou « tuer » complètement la transformation. L’assimilation des idées résumées dans cet article de synthèse aidera probablement les chercheurs et les praticiens à synthétiser une image cohérente des effets liés à l’eau et à mieux contrôler le résultat pratique dans une direction souhaitée et préférée.