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Une nouvelle façon de briser les liaisons chimiques ultra-fortes
Une avancée fondamentale en laboratoire a permis de rompre, à température et pression ambiantes, deux des types de liaisons chimiques les plus forts afin de fabriquer des composés industriels courants. Ce faisant, les chercheurs de l'Université Cornell ont fait un premier pas important vers des procédés moins énergivores pour la fabrication de composés organiques contenant de l'azote.
La liaison azote-carbone est l'épine dorsale de presque tous les produits pharmaceutiques les plus vendus, selon Paul Chirik , professeur de chimie à Cornell. Les liaisons azote-carbone se trouvent dans le nylon, les engrais, les insecticides et dans toutes les protéines. Cependant, le rapprochement du carbone et de l'azote nécessite généralement de grandes quantités d'énergie, car les chimistes utilisent l'ammoniac comme source d'azote. Chirik a développé une nouvelle réaction qui utilise du monoxyde de carbone et de l'azote moléculaire pour établir ces liaisons. Une telle réaction nécessite également généralement de grandes quantités d'énergie. Ce travail est décrit cette semaine dans la revue Chimie de la nature .
Sous sa forme naturelle, l'azote moléculaire, qui est composé de deux atomes d'azote liés par une triple liaison, est l'une des molécules les plus stables qui existent. Il n'a pas de fins négatives ou positives, il est donc très difficile de le faire réagir, dit Chirik. D'autres chimistes travaillent à imiter les enzymes biologiques qui fixent l'azote moléculaire pour produire de l'ammoniac qui pourrait être utilisé comme matière première pour les produits chimiques organiques. Le laboratoire de Chirik, en revanche, développe une réaction pour rompre la liaison azote non pas pour fabriquer de l'ammoniac mais pour fabriquer directement des composés organiques-azote.
La clé de la réaction de Cornell, qui prend deux étapes pour rompre les liaisons azote, est un complexe contenant le métal hafnium. Dans la première étape, deux complexes métalliques entourent chaque molécule d'azote, la mettant en cage. Les complexes d'hafnium réagissent avec l'azote, rompant deux des liaisons et créant une molécule intermédiaire. Ensuite, du monoxyde de carbone est ajouté au mélange. Le monoxyde de carbone est également un composé très stable et ne réagirait pas avec l'azote moléculaire. Mais le monoxyde de carbone réagira avec l'intermédiaire azote-hafnium, brisant la liaison azote finale pour former une molécule organique appelée oxamide qui est libérée du complexe hafnium par l'ajout d'acide.
Les personnes produisant des composés organo-azotés doivent d'abord produire de l'ammoniac, explique Christopher Cummins, professeur de chimie au MIT. La bonne chose à propos de la nouvelle technique Cornell, dit-il, c'est qu'ils développent des réactions pour transformer directement l'azote en organo-azote. Cummins souligne que la seule entreprise à le faire industriellement, American Cyanamid, a utilisé l'hydroélectricité produite par Niagara Falls pour créer un arc électrique suffisamment puissant pour provoquer la réaction.
La chimie Cornell n'est pas encore prête pour une utilisation industrielle. Jusqu'à présent, la réaction qu'ils ont développée n'est pas catalytique et n'est donc pas pratique. Le complexe d'hafnium permet à la réaction de se dérouler dans les conditions ambiantes, mais il s'use au cours de la réaction. Chirik travaille sur la façon de retirer les morceaux du métal afin qu'il puisse être réutilisé. Les chercheurs de Cornell tentent également de déterminer à quel point la réaction est générale. Ils l'ont utilisé pour faire un engrais ; d'autres travaux dira si ce type de réaction fonctionnera pour une myriade de composés organo-azotés. Chirik dit qu'il essaie également de déterminer si d'autres métaux peuvent être utilisés pour accélérer la réaction. L'hafnium est efficace, mais c'est rare.
C'est une fenêtre sur quelque chose pour l'avenir, dit Cummins. La chimie de base de la réaction de molécules simples comme l'azote et le monoxyde de carbone est encore à découvrir.