Des polymères poreux pour des catalyseurs solides réutilisables

Les catalyseurs homogènes (c’est-à-dire de type moléculaire) sont incontournables en synthèse organique. Mais il est souvent difficile de séparer le catalyseur des produits, une fois la réaction terminée, ce qui reste un inconvénient notamment dans l'industrie pharmaceutique qui nécessite des produits très purs. Le remplacement des procédés catalytiques homogènes actuels par des équivalents solides et insolubles, dits « hétérogènes », est donc un domaine d'étude qui suscite un fort intérêt scientifique. Les travaux de Jérôme Canivet et de son équipe ont contribué à développer ces catalyseurs hétérogènes, aussi bien sur des aspects théoriques qu’expérimentaux.

Dans leurs travaux, ces chercheurs ont développé des catalyseurs solides poreux. Les composantes organiques qui constituent la structure de ces catalyseurs solides se lient facilement aux cations métalliques. On parle de « macroligands ». De plus, la porosité intrinsèque de ces solides assure un accès facile aux sites actifs et multiplie la surface de réaction, ce qui optimise l’activité. Des solides poreux définis à l’échelle moléculaire, comme les polymères de coordination de type Metal-Organic Frameworks (MOF)¹ et les polymères microporeux conjugués (CMP)², représentent ainsi des opportunités attrayantes pour la catalyse solide.

Après des études approfondies sur des catalyseurs hétérogènes dans des structures MOF depuis 2011, l'équipe de Jérôme Canivet a porté une attention particulière aux CMP construits autour de « bipyridine », composé très stable largement utilisé dans la conception de catalyseurs classiques.

Pour relier les propriétés structurales à l’activité catalytique de manière quantitative, l'équipe a aussi transféré avec succès les règles de la chimie moléculaire à la conception de matériaux catalytiques solides. Elle a pour cela utilisé le paramètre de Hammett, qui mesure l’effet électronique d’un substituant sur une molécule aromatique, comme descripteur des performances du macroligand solide poreux. Jérôme Canivet a ainsi mis en évidence la corrélation directe entre le paramètre de Hammett du macroligand et l'activité du catalyseur, pour les catalyseurs aussi bien homogènes que MOF ou CMP.

Les scientifiques démontrent ainsi pour la première fois que des catalyseurs hétérogènes présentent la même activité que leurs homologues en catalyse homogène. C’est la première fois qu’un tel « alignement » est démontré entre catalyseurs moléculaires et solides. Une passerelle qui permet d’envisager des catalyseurs solides dont la réutilisation possible à grande échelle apporterait d’importants bénéfices environnementaux et économiques. Pour ces travaux, Jérôme Canivet est cette année honoré par la Division Catalyse de la Société Chimique de France qui lui remet le prix Jeunes chercheurs (moins de 40 ans).

Références

F. M. Wisser, P. Berruyer, L. Cardenas, Y. Mohr, E. A. Quadrelli, A. Lesage, D. Farrusseng, J. Canivet 
Hammett parameter in microporous solids as macroligands for heterogenized photocatalysts 
ACS Catalysis – Janvier 2018
DOI: 10.1021/acscatal.7b03998

F. M. Wisser, Y. Mohr, E. A. Quadrelli, D. Farrusseng, J. Canivet 
Microporous polymers as macroligands for Cp*Rh transfer hydrogenation catalysts
ChemCatChem – Février 2018
DOI: 10.1002/cctc.201701836

J. Canivet, S. Aguado, Y. Schuurman, D. Farrusseng
MOF-Supported Selective Ethylene Dimerization Single-Site Catalysts through One-Pot Post-Synthetic Modification
Journal of the American Chemical Society – Mars 2013
DOI: 10.1021/ja312120x