[Flash Info Chimie] #5 Séparer le bon grain de l’ivraie en pétrochimie

Il n’y a pas beaucoup d’articles de chimie publiés par les magasines Science, ou Nature. Alors quand c’est le cas, ça mérite d’être souligné. Surtout quand c’est de la belle chimie.

Oui parce que mine de rien, il y a la « Belle chimie », et la moins belle. La belle est originale, bien pensée et bien mise en oeuvre, et si possible facilement explicable au grand public.

Donc ici, on a de la belle chimie, au service de la chimie lourde, la chimie des hydrocarbures. Lorsqu’on extrait du pétrole, qui est un énorme mélange de centaines de composés différents, contenant tous quasi-exclusivement des carbones et des hydrogènes ( des  »hydrocarbures », quoi !), on sépare ses constituants par distillation, afin d’obtenir des mélanges moins complexes. On peut ainsi obtenir un mélange d’alcanes contenant 6 atomes de carbones :

isomeres6CarbonesCes composés sont des « isomères » de l’hexane, c’est-à-dire qu’ils sont composés du même nombre de carbone, et d’hydrogène. Ce qui les différencie, c’est le nombre de ramification : l’hexane n’est pas ramifié, les deux pentanes (2-méthyl et 3-méthylpentane) ont une ramification, et les deux butanes en ont deux.

Mais si leurs propriétés voisines font qu’ils sont assez difficiles à séparer, d’un point de vue de leur valeur ajoutée industrielle, ça n’a rien à voir.

Ces composés sont, en premier lieu, utilisés comme combustibles. De l’essence, quoi. Le paramètre qui mesure leur intérêt est donc leur « Indice d’Octane« , et grosso modo, plus il est élevé, plus la valeur ajoutée est grande. Et plus le composé est ramifié, plus son indice est élevé. Ce sont donc les butanes qui sont les plus recherchés.

Il existe des réactions « d’isomérisation », qui permettent d’obtenir un mélange à peu près équitable, à partir d’un mélange qui contient majoritairement de l’hexane. Le schéma industriel ressemble à cela :

Schéma du procédé industriel : à partir d'un mélange peu ramifié,

Schéma du procédé industriel : à partir d’un mélange initial contenant les différents isomères (« feed »), on provoque une isomérisation, donc un mélange plus uniforme. On les sépare « MOF », en récupérant ceux qui ont un indice d’octane (RON) supérieur à 92, et on réinjecte les autres dans le réacteur à isomérisation. Les nombres à côté des molécules sont justement leur indice d’octane. (source)

L’étape la plus délicate est aujourd’hui la purification. Et c’est là (enfin) qu’intervient cette publication dans le prestigieux journal « Science ». L’idée des équipes de R. Krishna et J.R. Long, est de séparer ces constituants en fonction de leur capacité à se déplacer dans un environnement topographiquement contraint.

L’environnement qui a été testé / mis au point est constitué de tunnels de forme triangulaire : l’hexane, linéaire, se coince facilement dans les coins, là où les espèces avec une ramification vont plus vite, et où les espèces à 2 ramifications, plus compactes progressent plus rapidement encore

Progressions des différents isomères dans les "tunnels" trianguaires. L'hexane, en haut, comme une anguille dans l'eau !

Progressions des différents isomères dans les « tunnels » trianguaires.

Cette topographie particulière a pu être réalisée à partir de complexes du fer (II) avec des ligands de type benzyl-dipirazole, qui permettent de créer une sorte de polymère organométallique, de la structure souhaitée :

A : structure finale de ce polymère organo-métallique. En gris : carbone, en bleu : azote, en jaune : fer. On voit bien la géométrie triangulaire. B : le ligand utilisé. C : une vision monodimensionnelle du ligand.
A : le ligand benzyl-dipirazole. B: structure finale de ce polymère organo-métallique. En gris : carbone, en bleu : azote, en jaune : fer. On voit bien la géométrie triangulaire.  C : une vision linéaire du polymère.

Les auteurs ont donc bien pu séparer les différents constituants d’un mélange équimolaire des différents isomères. L’intérêt industriel et économique est simplement énorme dans le domaine, et des brevets ont donc été déposés parallèlement à cette publication.

Cette possibilité de conférer des topographies particulières de façon rationnelle aux polymères organométalliques montrent leur intérêt (et leur supériorité par rapport aux zéolithes par exemple) dans de nombreux domaines, que cela soit dans la séparation et la purification, mais aussi dans la séquestration de divers composés, et (bien sûr) dans le domaine de la catalyse.

« Separation of Hexane Isomers in a Metal-Organic Framework with Triangular Channels » Z.R. Herm et al., Science 2013, 340, 960-64

About Mr Pourquoi

Ce blog est né il y a quelques années du désir de parler des sciences, de toutes les sciences, depuis les plus insignifiants phénomènes qu’on peut rencontrer dans la vie courante, jusqu’aux sujets de recherche les plus pointus, particulièrement en chimie, et pharmaceutique. Je suis agrégé de chimie, docteur en chimie organique, et actuellement prof en lycée en France, et aussi, (et surtout ! ) un père heureux d’une famille (très) nombreuse.
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