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10 découvertes 2010

Vers une chimie plus verte

[7] _Chimie Université McGill
Par Mathieu Gobeil - 07/01/2011
Des nanoparticules de fer et un aimant. Grâce à cette boîte à outils, les chimistes peuvent maintenant travailler en respectant l’environnement.

Le chimiste Chao-Jun Li, de l’Université McGill, dans son laboratoire a l’air d’un magicien. Dans une fiole, il verse une poudre noire, y ajoute un liquide incolore et agite le tout. Il en résulte un mélange grisâtre. Il approche lentement un aimant du flacon et la solution se clarifie soudain, tandis qu’une poussière métallique vient s’agglutiner à la paroi, contre l’aimant. Il suffit ensuite de retirer ce petit amas de la solution. «Ce sont des nanoparticules de fer, des milliers de fois plus petites qu’un cheveu, explique Chao-Jun Li. Elles servent de catalyseur dans les réactions chimiques.»

Ces nanoparticules laissent entrevoir une véritable révolution verte en chimie. Contrairement aux catalyseurs employés actuellement dans l’industrie, elles sont facilement récupérables et réutilisables.

Le chimiste se sert de la même pincée de particules de fer pour fabriquer une grande quantité d’amines propargyliques. Ces molécules de carbone, d’azote et d’hydrogène sont abondamment utilisées dans l’indus­trie phar­­ma­­­­ceu­tique, chimique et dans différents domaines de recherche.

À l’heure actuelle, la plupart des catalyseurs qui entrent dans la fabrication de molécules pharmaceutiques sont des métaux lourds, comme l’argent ou le cuivre, qu’on utilise sous forme de sels. Ils sont très chers, et nocifs pour l’environnement ainsi que la santé.

«Les réglementations de l’industrie pharmaceutique sont extrêmement strictes. On veut absolument éviter que des métaux lourds ou d’autres impuretés se retrouvent dans les médicaments. Il est donc crucial de retirer une quantité maximale du catalyseur lorsqu’on a terminé les procédés de synthèse», explique Audrey Moores, professeure de chimie à l’Université McGill, qui collabore avec Chao-Jun Li. C’est elle qui a «confectionné» les particules de fer entrant dans les expériences du chimiste.

Les méthodes actuelles employées pour extraire les catalyseurs métalliques nécessitent beaucoup d’énergie et de solvants; elles engendrent également une grande quantité de déchets. «En cours de procédé, les sels métalliques sont dissous et se mêlent aux autres produits. Il est ensuite très compliqué de les en séparer et, lorsque c’est fait, ils ne sont plus réutilisables», explique le professeur Li.

Rien pour redorer le blason de l’industrie du médicament. «À l’heure actuelle, pour chaque kilogramme de médicament produit, l’industrie pharmaceutique génère de 25 kg à 100 kg de déchets de toutes sortes», explique Thierry Ollevier, professeur de chimie à l’Université Laval.

D’où l’intérêt des nanoparticules métalliques. «Les nanoparticules, même si elles sont très petites, offrent une grande surface de contact et permettent à plus de molécules de s’assembler et de réagir. La réactivité est plus grande qu’avec les autres méthodes», affirme Chao-Jun Li. De plus, ces nanoparticules restent solides en solution, ce qui facilite leur séparation du mélange.

Avant qu’on en arrive à cette méthode, des ingénieurs avaient d’abord fabriqué un catalyseur à partir de minuscules billes comportant un noyau magnétique de fer. On y avait greffé d’infimes grains d’un autre métal qui servait de catalyseur. À la fin du procédé, ces billes métalliques se retiraient en un tournemain à l’aide d’un aimant. À ce stade, cependant, la réactivité n’était pas optimale. «La surface de contact entre les billes du catalyseur et les composés chimiques était trop restreinte», expliquent les deux scientifiques de McGill.

Jusqu’à ce que Chao-Jun Li ait l’éclair de génie d’utiliser des nanoparticules de fer toutes seules, ce qui est très inhabituel dans la synthèse de composés. «Le rendement est excellent, affirme Chao-Jun Li. La réactivité de ce catalyseur est aussi bonne, sinon meilleure que celle des autres nanocata­lyseurs métalliques.»


De plus, les nanoparticules semblent indéfiniment réutilisables: les chercheurs ont réemployé les mêmes 12 fois, toujours avec la même efficacité. Et à un coût moindre. «Le fer est beaucoup moins cher que les autres métaux utilisés en catalyse. C’est un des éléments les plus abondants sur Terre!» poursuit le scientifique.

Audrey Moores ne cache pas sa surprise à la lumière des résultats. «C’est une réaction complexe sur laquelle Chao-Jun travaille depuis longtemps. Je ne m’attendais pas à ce que des particules si simples puissent accomplir une tâche aussi élaborée», affirme-t-elle. Avec son équipe, elle tente maintenant d’élucider le mécanisme à l’œuvre derrière cette réactivité.

«Le fer a été très peu utilisé en chimie organique. Les travaux de l’équipe du professeur Li ne manqueront pas d’attirer l’attention de l’industrie», mentionne Thierry Ollevier. D’ailleurs, le chimiste n’a pas dit son dernier mot. Il tente maintenant d’améliorer le solvant, en employant le plus bénin de tous: l’eau!

En pharmacologie, les catalyseurs sont des activateurs de réactions, essentiels pour lier les atomes dans la synthèse de produits chimiques.
 

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