Une révolution catalytique pour la chimie fine

Depuis près de deux siècles, les agrégats d’hydrures métalliques jouent un rôle central en chimie, notamment en catalyse.  Composés de plusieurs atomes métalliques liés à des atomes d’hydrogène, on les retrouve dans des applications telles que le stockage d’hydrogène et la catalyse de réactions chimiques impliquant le transfert d’hydrogène (réactions de réduction). Pour stabiliser ces agrégats, on utilise des ligands, des molécules qui se lient aux métaux et influencent leur réactivité. Cependant, la sensibilité des hydrures métalliques à l’oxygène et à l’humidité limite leur utilisation pratique. Ainsi, le réactif de Stryker, un des catalyseurs à base de cuivre les plus utilisés pour synthétiser des molécules complexes en chimie fine, notamment en synthèse médicinale, se dégrade très rapidement à l’air libre. Des chimistes du laboratoire international de recherche entre le CNRS et l’Université de Californie à San Diego et leurs collègues1  viennent de résoudre ce problème en développant un nanocluster de cuivre exceptionnellement stable et performant.

Le secret ? L’intégration de carbènes spécifiques, appelés CAAC (Cyclic Alkyl Amino Carbene), comme ligands pour stabiliser ces nanoclusters. Au départ perçus comme une curiosité de laboratoire, les carbènes sont des molécules organiques contenant un atome de carbone avec deux électrons non partagés, une singularité qui les rend très réactifs et utiles pour stabiliser des métaux en catalyse. En utilisant une approche dite "bottom-up", les chimistes ont conçu des nanoclusters de cuivre stabilisés par ce carbène qu’ils ont ensuite hydrogénés pour obtenir des nanoclusters d’hydrure de cuivre. La forte liaison entre le ligand carbène et les atomes de cuivre persiste après hydrogénation, ce qui permet aux hydrures de résister à l’oxydation et de conserver leurs propriétés catalytiques bien plus longtemps à l’air libre. Ces observations ont été confirmées par des calculs de chimie quantique qui montrent que cette stabilité provient du fait que les électrons du cuivre sont efficacement partagés avec le ligand carbénique, empêchant ainsi la dégradation du catalyseur.

Les tests ont montré que ce nouveau catalyseur est non seulement plus stable que ses prédécesseurs, mais aussi plus sélectif et efficace dans des réactions de réduction chimique. Cela signifie qu’il pourrait remplacer certains catalyseurs industriels actuels bien moins stables, réduisant ainsi les coûts et l’empreinte environnementale de nombreuses réactions chimiques. En associant chimie de pointe et ingénierie moléculaire dans cette étude publiée dans la revue Angewandte Chemie International Edition, les chimistes repoussent encore une fois les limites de la transformation de la matière, avec des applications potentielles en chimie fine, en pharmacie et même en production d’énergie propre. 

Rédacteur : AVR

• 1du Joint Research Chemistry Laboratory (CNRS/UCSD), du Scripps Research Institute et de l’Institut de chimie et biochimie moléculaires et supramoléculaires (CNRS/Université Claude Bernard)