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Prédire l'efficacité des catalyseurs métalliques

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Résumé

Pour une chimie plus propre

Description

La catalyse est un procédé largement utilisé dans l'industrie pour synthétiser des molécules ou des matériaux. Cependant, déterminer les mécanismes catalytiques est un défi majeur de la chimie moderne.

Des chercheurs du Laboratoire de Chimie de Lyon (CNRS / Ecole normale supérieure de Lyon) ont mis en évidence par des méthodes de simulation numérique un moyen de comprendre beaucoup plus simplement les mécanismes réactionnels préférentiels à la surface d'un catalyseur métallique. Cette découverte est une avancée importante pour identifier les mécanismes catalytiques compétitifs et concevoir ainsi des procédés innovants, plus économiques et plus propres. Les résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition du 9 novembre 2009.

Dans l'industrie, la catalyse est utilisée pour la synthèse de plastiques, médicaments, cosmétiques ou encore carburants. Si les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques, ils permettent aussi de les piloter à travers des réseaux de mécanismes possibles et d'arriver plus efficacement vers un produit souhaité, évitant les sous-produits indésirables. Maîtriser les mécanismes d'action du catalyseur, en fonction de sa nature et de sa structure, permet ainsi d'orienter la réaction vers la molécule recherchée. Afin d'identifier ces mécanismes, des calculs intensifs sont nécessaires pour déterminer les « barrières d'énergie » mises en jeu, correspondant à la recherche des états de transition, points charnières dans la voie de synthèse d'un produit. Ce procédé est donc limité aujourd'hui à des schémas de réactions simples.

Pour synthétiser des molécules plus complexes, utiles à notre société comme les médicaments par exemple, le réseau des réactions possibles devient rapidement très large, et une exploration exhaustive des mécanismes correspondants est quasi impossible. La sélectivité de la réaction est donc très difficile à comprendre et à contrôler. Les chercheurs ont montré que le coût énergétique d'une étape, dans un ensemble de réactions catalysées peut être prédit en calculant seulement l'énergie de liaison entre les réactifs à transformer et la surface du catalyseur, une quantité bien plus simple à évaluer que les énergies des états de transition. Ils ont travaillé sur l'exemple de l'interaction entre l'hydrogène et une molécule organique sur une surface de platine.

Cette molécule présente quatre sites possibles pour la réaction, ce qui génère un réseau complexe de 32 étapes élémentaires à considérer dans le mécanisme. Comment le catalyseur pilote-t-il la réaction à travers ce dédale ? Les chercheurs ont montré que, pour chaque ensemble d'étapes liées à un site réactionnel, le coût énergétique de transformation est relié à l'énergie de liaison des réactifs à la surface juste avant l'acte réactionnel. Outre sa simplicité, cette relation découverte offre des prédictions particulièrement fiables qui peuvent être étendues à une large famille de molécules organiques.

 Références : Fast Prediction of Selectivity in Heterogeneous Catalysis from Extended Brønsted Evans Polanyi Relations: A Theoretical Insight. David Loffreda, Françoise Delbecq, Fabienne Vigné et Philippe Sautet