Chimie verte et catalyse sans métal

     

    La catalyse au cœur du développement durable

    Les catalyseurs se retrouvent au cœur d’une majorité de procédés chimiques, allant de la pétrochimie à la synthèse de nouveaux médicaments, et permettent la diminution des consommations énergétiques et minimisent les déchets produits, tout en augmentant la sélectivité et le rendement des transformations. La catalyse est au cœur de la chimie verte et du développement durable.

     

    Changement de paradigme en catalyse


    Même si la catalyse est un procédé durable, les catalyseurs eux ne le sont que très rarement. Les catalyseurs les plus efficaces utilisent des métaux nobles comme le rhodium, l’iridium et le platine, dont la production est coûteuse et polluante. Par exemple, il faut extraire 10 tonnes de terre sur 1,6 kilomètre de profondeur pour isoler 30 grammes de platine! Ces métaux sont souvent hautement toxiques pour les espèces vivantes et plusieurs industries, comme la pharmaceutique et l’agroalimentaire, doivent les retirer, à fort coût, des produits finaux.

    La présence de ces métaux fut longtemps considérée comme un mal nécessaire mais au cours de la dernière décennie, un nouveau paradigme est apparu: la catalyse sans métal. La découverte des paires de Lewis frustrées par Douglas W. Stephan fut primordiale dans ce changement de paradigme. Les paires de Lewis sont constituées d’un acide de Lewis, une espèce déficiente en électrons, et d’une base de Lewis, une espèce riche en électrons. Traditionnellement, lorsqu’un acide et une base (des molécules organiques, non-toxiques et bon marché) se rencontrent, il y a formation d’un lien chimique. Par contre, si les contraintes stériques ou géométriques sont trop importantes, nous obtenons une « frustration » qui empêche la formation du lien désiré. Dès lors, les deux fragments ne se neutralisent plus mais vont plutôt collaborer pour cliver des liens chimiques peu réactifs. Ce type de transformation constitue la première étape pour une catalyse efficace.  

    Notre groupe s’intéresse aux interactions entre les acides et bases de Lewis. Nos intérêts visent la mise en place de procédés verts et durables qui sont rentables économiquement. Ainsi, nous construisons des architectures moléculaires sur mesure à l’aide de prédictions computationnelles, d’une connaissance de la chimie des métaux, et d’une intuition chimique afin de produire des catalyseurs ayant les propriétés désirées.  

    Tiré de European Journal of Inorganic Chemistry, Volume 2008, Issue 35.    
    Illustration par Marie Tremblay

     

     

    Valorisation du CO2

    Plusieurs alternatives industrielles et énergétiques existent pour limiter l’utilisation de combustibles fossiles, mais les coûts sont importants, leur mise en place est lente et des impacts environnementaux secondaires sont souvent présents. Notre vision face à ce problème peut être résumée en un concept : l’économie du méthanol. Ceci consiste à remplacer les combustibles fossiles, notamment pour l’industrie des transports, par du méthanol « vert ». Il est possible de transformer le CO2 généré par les grands utilisateurs en méthanol à l’aide de l’hydrogène moléculaire produit d’énergies vertes (par l’électrolyse de l’eau). 

    Le méthanol est un liquide transportable qui est peu explosif, contrairement à l’hydrogène. De plus, on peut efficacement transformer le méthanol en éthylène, élément au cœur de la pétrochimie actuelle. La synthèse d’un vecteur énergétique à partir du CO2 de l’atmosphère et d’une énergie verte peut être comparée à la fixation du CO2 de l’air par les plantes pour générer un biocarburant sans l’utilisation de terres arables et d’ajouts de fertilisants, le tout plus rapidement.  

    Nous avons développé au cours des dernières années certains des catalyseurs les plus efficaces pour la transformation du CO2 en méthanol. En contrôlant la nature des groupements acides et basiques de Lewis, nous avons démontré qu’il est possible pour cette paire de Lewis frustrée de faire le travail plus efficacement que les catalyseurs métalliques. 

     

     Articles parus dans JACS : 2013, 2014

    Article paru dans ACS Catalysis 

    Activation des liens carbone-hydrogène (C-H)

    La fonctionnalisation des liens C-H est l’une des réactions catalytiques la plus utile en synthèse, permettant de créer des molécules complexes à partir des liens C-H qui sont omniprésents dans les composés organiques. Nous avons démontré que nos catalyseurs pouvaient fonctionnaliser efficacement les liens carbone-hydrogène et faire la borylation des hétéroarènes. Nous développons présentement des catalyseurs dont l’efficacité est améliorée et nous ciblons dans nos études les molécules d’intérêt pour les industries pharmaceutique et de l’électronique organique. 

     

    Article paru dans Science

    Article paru dans Chemical Communications

    Entrevue dans Québec Science

     

    Extraction de terres rares de résidus industriels

    En collaboration avec les groupes de Larivière et Kleitz, nous travaillons à la synthèse de matériaux hybrides pour l’extraction et la purification des terres rares à partir de déchets industriels comme les boues rouges. Les terres rares sont 17 éléments du tableau périodique qui incluent notamment les 14 lanthanides et sont essentiels à plusieurs technologies de pointe (ordinateurs, cellulaires, éoliennes, imagerie médicale, etc.). Malheureusement, l’isolation de ces éléments est vue comme l’un des procédés les plus polluants au monde ce qui empêche plusieurs pays à développer cette industrie malgré les avantages économiques certains. Nous but est de développer une méthode afin d’isoler ces produits sélectivement de façon durable et rentable.

     

    Entrevue dans Québec Science