Production de molécules à base de lumière

Les cellules photoélectrochimiques (PEC) sont largement étudiées pour la conversion de l'énergie solaire en combustibles chimiques. Ils utilisent des photocathodes et des photoanodes pour "scinder" l'eau en hydrogène et en oxygène respectivement. Les cellules PEC peuvent fonctionner dans des conditions douces avec la lumière, ce qui les rend également adaptées à d'autres réactions catalytiques qui transforment les molécules organiques en produits chimiques à haute valeur ajoutée, comme ceux utilisés pour développer des médicaments. 

Cependant, les cellules PEC ont rarement été utilisées dans la synthèse organique jusqu'à présent, sauf dans quelques tentatives conceptuelles récentes qui n'ont testé qu'une poignée de substrats simples. Dans l'ensemble, les cellules PEC restent largement inexplorées pour les méthodologies synthétiques à grande échelle de molécules organiques fonctionnelles. 

Ils pourraient néanmoins s'avérer très utiles dans l'une des méthodes synthétiques les plus attrayantes pour les produits pharmaceutiques et agrochimiques, appelée "amination directe". Il s'agit d'ajouter un groupe amine à une molécule organique sans pré-activer la molécule par une étape de traitement supplémentaire. 

L'amination directe exige normalement des températures élevées et nécessite également ce que l'on appelle un "groupe dirigeant" - une unité chimique qui fixe le site de réaction mais qui n'a pas d'autres fonctions, et qui doit souvent être éliminée avant d'utiliser le nouveau composé dans les applications. 

Aujourd'hui, les laboratoires de Xile Hu et Michael Grätzel de l'Institut des sciences et du génie chimiques (ISIC) de l'EPFL ont mis au point une nouvelle méthode d'amination des arènes - des hydrocarbures avec un anneau dans leur structure - sans avoir besoin d'un groupe directeur. 

"Notre méthode est simple sur le plan opérationnel et peut être utilisée pour synthétiser une large gamme d'hétérocycles azotés pertinents pour la découverte de médicaments ", écrit Lei Zhang, l'auteur principal de l'étude. Prouvant ce point, les chercheurs ont utilisé leur méthode pour fabriquer plusieurs molécules pharmaceutiques, y compris des dérivés du relaxant musculaire metaxalone et du chlorure de benzéthonium antimicrobien.

Basée sur une cellule PEC, la méthode catalyse la réaction avec la lumière et l'hématite semi-conductrice peu coûteuse et abondante sur Terre. "Des études pionnières dans le laboratoire de Michael Grätzel ont donné des échantillons d'hématite robustes et efficaces pour la séparation de l'eau, mais l'hématite n'a jamais été utilisée pour catalyser la synthèse organique ", dit Hu. 

Dans la présente étude, l'hématite s'est révélée efficace pour l'amination directe sous lumière visible, tandis que sa grande stabilité promet une longue durée de vie en tant que catalyseur efficace. Et parce qu'elle capte la lumière, la photoélectrocatalyse utilisée ici consomme moins d'énergie que l'électrocatalyse directe.

"Il s'agit d'une importante démonstration de principe de l'utilisation des cellules PEC pour la production de produits chimiques et pharmaceutiques à haute valeur ajoutée ", déclare Hu. "L'œuvre fusionne deux domaines traditionnellement séparés, à savoir la photoélectrochimie et la synthèse organique. Il y a beaucoup d'opportunités inexploitées pour cette approche, et nous sommes enthousiastes à l'idée d'explorer davantage ces opportunités."

Autres contributeurs

• Université de Nankai (Chine)