Chimie durable : des chercheurs mettent au point une méthode pour réduire l'empreinte carbone de l'industrie chimique
Une méthode efficace pour hydrogéner les composés aromatiques contenant de l'azote
La réduction de l'impact environnemental de l'Industrie chimique repose sur la recherche d'une méthode plus écologique pour fabriquer les éléments chimiques de base des composés courants et massivement consommés.
Le réacteur à membrane échangeuse d'anions hydrogénise la pyridine en pipéridine.
Yokohama National University
Ce n'est un secret pour personne que les processus de fabrication ont certains des effets les plus importants et les plus intenses sur l'environnement, l'industrie de la fabrication de produits chimiques arrivant en tête pour ce qui est de la consommation d'énergie et des émissions. Si cette situation est logique en raison de l'ampleur de l'implication des produits chimiques manufacturés dans la vie quotidienne, elle laisse encore beaucoup à désirer du point de vue de la durabilité. En se concentrant sur les sources d'énergie renouvelables et les méthodes alternatives de création des éléments chimiques de base de certains des composés les plus couramment utilisés, les chercheurs espèrent réduire l'empreinte de l'industrie chimique grâce à des innovations vertes.
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le Journal of the American Chemical Society le 7 octobre.
L'étude porte principalement sur les amines cycliques, qui sont les principaux éléments constitutifs des produits chimiques fins. Ces composés sont disposés en anneau et, dans le cas présent, possèdent un atome d'azote. L'une des vedettes du spectacle est la pyridine, qui donne naissance à la pipéridine, une amine cyclique d'une importance capitale pour l'industrie de la chimie fine. La pipéridine, par exemple, constitue la structure de nombreux matériaux tels que les médicaments approuvés par la FDA, les pesticides et les matériaux utilisés dans la vie de tous les jours.
Les méthodes habituelles d'ajout d'hydrogène à une amine cyclique contenant de l'azote impliquent l'utilisation d'hydrogène gazeux comme source de protons et d'électrons. Le processus d'hydrogénation repose sur l'hydrogène obtenu par reformage à la vapeur du méthane, un important gaz à effet de serre. Non seulement cette méthode consomme beaucoup d'énergie, mais elle est également responsable d'environ 3 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Ce processus est également très dépendant des combustibles fossiles et nécessite une grande quantité d'énergie. Heureusement, les chercheurs ont trouvé une solution en mettant au point un électrolyseur à membrane échangeuse d'anions (MEA).
Un électrolyseur AEM permet l'hydrogénation de différents types de pyridines à température et pression ambiantes, sans devoir utiliser d'additifs acides comme dans les méthodes traditionnelles. L'électrolyseur sépare l'eau en ses composants, l'hydrogène atomique et l'oxygène. L'hydrogène atomique obtenu est ensuite ajouté au composé cyclique. L'électrolyseur AEM fait également preuve d'une grande polyvalence avec d'autres composés aromatiques contenant de l'azote, ce qui en fait une voie prometteuse pour un large éventail d'applications. En outre, en développant une méthode qui peut être utilisée à des températures et des pressions ambiantes, l'énergie électrique nécessaire au processus est considérablement réduite.
"Cette méthode offre un potentiel important pour des applications à l'échelle industrielle dans le domaine des produits pharmaceutiques et de la chimie fine, contribuant ainsi à la réduction des émissions de carbone et à l'avancement de la chimie durable", a déclaré Naoki Shida, premier auteur de l'étude et chercheur à l'Université nationale de Yokohama.
Ce procédé utilise de l'eau et de l'électricité renouvelable comme source d'énergie, ce qui contraste avec la dépendance aux combustibles fossiles de la méthode conventionnelle. L'efficacité n'a pas été compromise par cette méthode et le pourcentage de rendement à grande échelle est de 78 %, ce qui confirme que cette technologie peut être raisonnablement mise à l'échelle. L'augmentation de la tension de la cellule au cours du processus d'électrolyse est un problème qui peut être rencontré, mais il peut être atténué par l'amélioration de l'AEM ou, de préférence, par la conception d'un AEM spécialement conçu pour l'électrosynthèse organique.
Pour que la technologie de l'hydrogénation électrocatalytique s'impose et fasse la différence, il faut qu'elle puisse être mise à l'échelle industrielle pour que les entreprises pharmaceutiques et de chimie fine puissent l'utiliser. Plus cette technologie sera utilisée, plus il sera facile de l'appliquer à d'autres composés aromatiques contenant de l'azote, ce qui confirme le caractère pratique du processus d'hydrogénation électrocatalytique. Idéalement, cette méthode devrait s'imposer comme une alternative aux méthodes traditionnelles utilisées dans l'industrie chimique et, à terme, réduire l'empreinte carbone globale laissée par la fabrication de produits chimiques.
Naoki Shida, Mahito Atobe, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani et Yusuke Muto du département de chimie et des sciences de la vie de l'université nationale de Yokohama, Naoki Shida et Mahito Atobe de l'institut des sciences avancées de l'université nationale de Yokohama et Naoki Shide de PRESTO de l'agence japonaise pour la science et la technologie, Ryo Kurihara et Kazuhide Kamiya du Centre de recherche sur la chimie de l'énergie solaire de l'université d'Osaka, Junko N. Kondo de l'Institut de recherche innovante de l'Institut de technologie de Tokyo, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo et Seiji Suga de la division de chimie appliquée de l'université d'Okayama, Shoji Iguchi de l'école supérieure d'ingénierie de l'université de Kyoto et Kazuhide Kamiya de la division des sciences de la catalyse innovante de l'université d'Osaka ont contribué à cette recherche.
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Publication originale
Naoki Shida, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani, Yusuke Muto, Ryo Kurihara, Junko N. Kondo, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo, Seiji Suga, Shoji Iguchi, Kazuhide Kamiya, Mahito Atobe; "Electrocatalytic Hydrogenation of Pyridines and Other Nitrogen-Containing Aromatic Compounds"; Journal of the American Chemical Society, 2024-10-7
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