La synthèse de composés organiques et de polymères est au cœur de nombreuses industries manufacturières. Les nouvelles méthodes de « synthèse électrisante » qui peuvent combiner la chimie de synthèse conventionnelle avec l’électrochimie sont un pas de plus vers un avenir durable. Ces réactions ne nécessitent pas de réactifs chimiques potentiellement nocifs. Ils réalisent la synthèse organique en utilisant simplement les électrons d’une source d’énergie électrique pour conduire des réactions redox.
En plus d’être respectueuses de l’environnement, ces réactions peuvent également être rendues plus ou moins sélectives en ajustant finement les potentiels électriques. Cependant, leur dépendance vis-à-vis d’une alimentation électrique limite leur application dans des endroits non alimentés tels que l’aérospatiale et la haute mer.
La solution à ce problème contradictoire a été présentée par une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Shinsuke Inagi du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), au Japon. Dans leur récente étude publiée dans Chimie des communications, l’équipe a fourni une preuve de concept pour la polymérisation électrochimique de monomères aromatiques organiques sans alimentation électrique externe. Le professeur Inagi explique : « Nous avons vu un énorme bond en avant dans le développement de réacteurs électrochimiques pour la synthèse organique, mais la plupart d’entre eux nécessitent une source d’alimentation. Nous voulions construire un système indépendant de l’alimentation pour rendre le processus plus accessible. Et nous avons trouvé la réponse à notre quête dans l’électrochimie pilotée par le potentiel en continu. »
Quel est exactement ce potentiel de streaming mentionné par le professeur Inagi ?
Lorsqu’un électrolyte s’écoule à travers un microcanal, une différence de pression est créée en raison de ce mouvement. Cela conduit à un déséquilibre de charge, qui donne lieu à un potentiel de flux. L’équipe a utilisé une cellule personnalisée en polyéther éther cétone (ou PEEK) à deux chambres connectée par des fils de platine et un microtube PEEK pour leurs expériences. Ce microtube PEEK a été étroitement rempli de coton pour créer une chute de pression. Lorsqu’ils ont fait passer un électrolyte à travers le microtube, cela a généré un potentiel de flux qui pourrait fournir suffisamment d’énergie pour provoquer les réactions chimiques souhaitées.
Lorsque la cellule fonctionnait, les électrodes de la cellule à deux chambres connaissaient un potentiel de flux en amont et en aval, ce qui permettait à la cellule de se comporter comme ce qu’on appelle une électrode bipolaire divisée (BPE). Cette configuration BPE, accompagnée du potentiel de flux généré de 2-3 volts, était responsable de la création de conditions propices aux réactions redox des monomères organiques.
Pour tester les capacités de polymérisation de cette configuration, l’équipe a choisi deux composés organiques aromatiques : le pyrrole (Py) et le 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT). Ces deux monomères ont été électropolymérisés avec succès en polypyrrole (PPy) et poly-EDOT (PEDOT) respectivement, sans utiliser de source d’alimentation externe.
Ce nouveau réacteur à pression, respectueux de l’environnement et indépendant de l’alimentation électrique ouvre de nouvelles voies pour électrifier les réactions de synthèse. Les enseignements tirés de cette étude peuvent également s’avérer précieux lors de la conception de nouveaux réacteurs électrochimiques pour la synthèse de composés organiques et de polymères utiles. « Le monde entier essaie de rendre les processus industriels essentiels plus verts et plus propres. La synthèse organique étant au cœur de nombreuses industries chimiques, nous avons essayé de développer un procédé d’électrosynthèse nécessitant un minimum de ressources et contribuant aux objectifs de développement durable », conclut le Pr. Inagi.
Suguru Iwai et al, Électropolymérisation sans alimentation électrique, Chimie des communications (2022). DOI : 10.1038/s42004-022-00682-8