Apprendre de nouveaux tours à un vieux métal
Des scientifiques ont trouvé un moyen de recycler un réactif commun utilisé dans les réactions de chimie de synthèse
L'élément métallique samarium, lorsqu'il est lié à d'autres éléments, est un réactif chimique incroyablement utile pour synthétiser des molécules qui peuvent conduire à de nouveaux produits pharmaceutiques. Découvert dans une mine russe en 1879, l'élément a été nommé d'après le minéral dans lequel il a été trouvé, la samarskite, elle-même nommée d'après l'ingénieur minier russe Vassili Samarsky-Bykhovets. Le réactif de samarium le plus courant est le diiodure de samarium, composé d'un atome de samarium et de deux atomes d'iode.
Cette image montre les différentes étapes d'une réaction chimique avec le réactif diiodure de samarium. Le flacon de gauche contient une forme jaune et inactive du composé. Au fil du temps, le composé devient actif et prend une couleur violette, comme on peut le voir à droite. Ce changement de couleur est dû au fait que l'état d'oxydation du réactif de samarium passe de 3+ à 2+, ou de Sm(III) à Sm(II), ce qui signifie qu'il gagne un électron.
Caltech/Chungkeun Shin
Mais il s'est avéré difficile d'obtenir des quantités suffisantes de ce réactif polyvalent pour pouvoir l'utiliser dans un cadre industriel. "Le réactif est sensible à l'air, il faut donc souvent préparer la solution juste avant la réaction", explique Chungkeun Shin, étudiant diplômé de Caltech, qui travaille dans le laboratoire de Sarah Reisman, professeur de chimie Bren et titulaire de la Norman Davidson Leadership Chair de la division de chimie et d'ingénierie chimique de Caltech. "De plus, nous devons souvent en utiliser de grandes quantités, même pour de petites réactions, ce qui n'est donc pas pratique pour les réactions à l'échelle industrielle.
Comme l'indique le numéro du 23 août de la revue Science, les chimistes du Caltech ont réussi à résoudre cette énigme de la mise à l'échelle. Leur solution permet au réactif de diiodure de samarium de se recycler lui-même pour une utilisation répétée dans une seule réaction, ce qui signifie qu'il n'est plus nécessaire d'utiliser de grandes quantités de solvants et d'effectuer de nouvelles préparations.
"Le diiodure de samarium a été utilisé en milieu universitaire pour la synthèse de produits naturels tels que le taxol, un agent anticancéreux, mais le réactif n'est pas pratique pour créer des produits de ce type à l'échelle industrielle", explique M. Reisman. "L'avancée réside dans le fait que nous pouvons désormais traduire certaines de ces réactions intéressantes en développement de processus ou en découverte.
Le réactif à base de samarium a été limité à une utilisation en laboratoire en raison d'une liaison samarium-oxygène gênante qui se forme au cours des réactions et rend le produit chimique inactif.
"Jusqu'à présent, il était très difficile de recycler le samarium pour le ramener à son état actif", explique Emily Boyd, étudiante diplômée de Caltech, qui travaille dans le laboratoire de Jonas Peters, professeur de chimie Bren et directeur du Resnick Sustainability Institute de Caltech. Boyd et Shin sont les coauteurs principaux de la nouvelle étude.
"Le réactif se retrouve souvent avec une liaison samarium-oxygène très forte qui est difficile à briser et qui complique le recyclage du réactif", explique-t-elle.
En d'autres termes, la liaison oxygène conduit à une impasse pour la réaction. "C'est comme si le réactif de samarium devenait paresseux, s'asseyait sur un canapé et ne voulait pas travailler", explique Shin.
"Il est très à l'aise dans cet état et veut le rester", ajoute M. Boyd. "Nous avons donc expérimenté différents acides pour rompre la liaison samarium-oxygène et remettre le réactif au travail.
Les tentatives précédentes pour rompre cette liaison samarium-oxygène ont nécessité l'utilisation de produits chimiques agressifs. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont pu rompre la liaison en utilisant un acide doux, plus pratique pour les réactions à grande échelle. L'acide fournit un proton à l'oxygène lié, ce qui le transforme en alcool et libère le samarium.
Mme Boyd explique qu'elle et ses collègues du laboratoire Peters étaient intéressés par une collaboration avec le laboratoire Reisman parce que leurs recherches sur la fixation de l'azote impliquent l'agent samarium diiodide. La fixation de l'azote est le processus par lequel l'azote gazeux de notre atmosphère est converti en composés tels que l'ammoniac qui sont essentiels pour les plantes (et les personnes qui mangent ces plantes). Ce processus peut être réalisé naturellement par des bactéries et artificiellement par des réactions chimiques. Le laboratoire de Peters met au point de nouvelles réactions chimiques pour fixer artificiellement l'azote de manière plus efficace et plus durable que les méthodes couramment utilisées aujourd'hui.
"Prendre de l'azote et le convertir en ammoniac est une réaction à laquelle notre laboratoire s'intéresse de près", explique M. Boyd. "Nous utilisons le réactif samarium dans notre laboratoire pour étudier ces réactions, mais il serait impossible de les porter à un niveau industriel. En discutant avec le groupe Reisman, spécialisé dans la chimie organique synthétique, nous avons décidé d'unir nos forces.
La collaboration s'est avérée synergique, explique Shin : "Je n'ai pas les compétences d'Emily et vice versa. Cette combinaison nous a permis de résoudre les difficultés de la chimie".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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