N2 et CO, des molécules semblables mais tellement différentes
Des scientifiques expliquent pourquoi malgré leurs similitudes, le monoxyde de carbone (CO) et le diazote (N2) présentent des réactivités très différentes lorsqu’ils sont liés à certains métaux. Une information clé car ces molécules sont au cœur des procédés les plus important pour la production d’ammoniaque et d’hydrocarbures, faisant intervenir des catalyseurs métalliques.
Incontournables en chimie industrielle, le diazote (N2) et le monoxyde de carbone (CO) sont au cœur des procédés les plus important de ce domaine : le diazote est utilisé dans le procédé Haber-Bosch pour synthétiser l’ammoniac (NH3) à hauteur de centaines de millions de tonnes par an, tandis que le monoxide de carbone permet la production de centaines de millier de barils d’hydrocarbures par jour.
Bien que ces deux molécules diatomiques soient semblables du point de vue de leur structure électronique, elles se distinguent radicalement par leur réactivité. Le diazote est communément considéré comme inerte, constituant de base de notre atmosphère que nous respirons tous les jours sans pour autant le métaboliser (à contrario du dioxygène O2). Le monoxyde de carbone et un gaz plus réactif, toxique pour les organismes vivants, qui est utilisé dans un vaste catalogue de réactions de chimie organique.
En faisant intervenir un métal (dans cette étude, le Manganèse, Mn) il est possible de combiner le CO avec du phényllithium, un réactif riche en électrons. Les molécules CO et N2 étant connues pour se lier de la même façon à un atome métallique pour former un complexe de coordination, les chimistes ont tout d’abord suggéré que la réactivité du diazote était analogue à celle du CO, à savoir leur réaction avec le phenyllithium pour former respectivement une liaison carbone-carbone ou azote-carbone.
En combinant expérience et calculs théoriques, les scientifiques du Laboratoire de chimie de coordination (CNRS) et du Laboratoire de physique et de chimie des nano-objets (CNRS/INSA Toulouse/Université de Toulouse) montrent que le diazote lié au manganèse ne présente pas la même réactivité que le monoxyde de carbone lié au même métal. La diffraction des rayons X sur monocristaux a révélé la structure moléculaire des composés issus de la réaction du complexe au diazote avec le phényllithium, excluant la formation d’une liaison azote-carbone comme cela avait été proposé.
Ces résultats publiés dans la revue Angewandte Chemie, apportent un nouvel éclairage sur les pistes à explorer pour opérer la transformation catalytique du diazote en composé à haute valeur ajoutée.
Rédacteur : CCdM
Référence
Quentin Le Dé, Amal Bouammali, Christian Bijani, Laure Vendier, Iker del Rosal, Dmitry A. Valyaev, Chiara Dinoi & Antoine Simonneau
An Experimental and Computational Investigation Rules Out Direct Nucleophilic Addition on the N2 Ligand in Manganese Dinitrogen Complex [Cp(CO)2Mn(N2)]
Angewandte Chemie International Edition 2023