[Flash Info Chimie] #37 Décorer des nanoparticules de platine pour améliorer leurs propriétés catalytiques

Le platine est très utilisé pour réaliser des hydrogénations de doubles liaisons. Cela consiste simplement en l’ajout de deux atomes d’hydrogène, sur une fonction alcène (double liaison entre deux carbones) ou sur une fonction carbonyle (double liaison entre un carbone et un oxygène).

La façon la plus courante de réaliser des hydrogénations implique un catalyseur hétérogène : le métal, sous forme solide, est introduit dans la solution (liquide) qui contient les réactifs, dissouts dans un solvant. La réaction a donc lieu au niveau de la surface métallique du catalyseur.

Afin d’améliorer les qualités du catalyseur, il faut donc que cette surface soit la plus grande possible : les métaux sont ainsi souvent déposés en couches très fines sur un substrat inerte (charbon, silice,…) pour maximiser cette surface.

Avec l’engouement (justifié) pour les nanotechnologies, les chercheurs développent des nanoparticules pour la catalyse hétérogène. L’intérêt est double :

• Lors de leur synthèse, on peut contrôler la taille, la forme, la surface des nanoparticules. On peut les modifier facilement, et ainsi moduler leurs propriétés catalytiques
• Leur surface de contact est très grande, compte tenu de leur faible taille

Dans l’article dont il est question ici, les chercheurs ont « décorés » les nanoparticules avec des prolines, un acide aminé.

a) une molécule de proline
b) La nanoparticule décorée avec une proline (il faut imaginer la nanoparticule quasiment recouverte de prolines en réalité)

L’idée était de voir quel pouvait en être les conséquences sur l’efficacité, et la sélectivité de la catalyse. Grosso modo, ce qui est attendu, dans ces cas là, c’est une meilleure sélectivité (seules les doubles liaisons les plus fragiles / les plus accessibles sont hydrogénées), au détriment de l’efficacité (il y a moins de surface disponible, donc une moins grande accessibilité du métal). Ce qui est intéressant, c’est qu’il y a eu effectivement gain de sélectivité dans leur réaction test, mais aussi gain d’efficacité !

La réaction modèle est l’hydrogénation de l’acétophénone (à gauche). Sans « décoration » on obtient un mélange (en haut), à une vitesse de réaction plus faible qu’avec décoration, où on obtient une seule espèce chimique (en bas)

Ce qui semble se passer, c’est que les prolines jouent le rôle de « recruteurs » des réactifs, et ainsi les rapprochent efficacement du métal. Cela permet finalement une augmentation de la vitesse de réaction, même si les prolines occupent de la place, et diminuent la surface active du catalyseur…

[Pour les amateurs, voici le cycle catalytique proposé par les auteurs. Alors que d’habitude, les deux H du dihydrogène sont sur le métal, là, on voit qu’il y en a un seul sur le platine, et un sur l’azote de la proline, Cette liaison N-H entre en interaction avec l’oxygène de la fonction carbonyle de l’acétophénone, ce qui provoque une plus grande réactivité de la double liaison, et l’accélération de l’addition des hydrogènes…  

Functionalization of Platinum Nanoparticles with l-Proline: Simultaneous Enhancements of Catalytic Activity and Selectivity I. Shrade et al. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (2), pp 905–912