Activation et transformation catalytique du dioxyde de carbone : Synergie entre théorie et expérience – Theo-ExpCO2

Afin d’ouvrir le spectre de produits chimiques disponibles à partir du CO2, notre équipe a mis au point une nouvelle approche topologique, dite diagonale, qui permet de faire réagir le CO2 avec un réactif fonctionnalisant et un réducteur (source d’énergie) pouvant être modifiés indépendamment, pour produire une large gamme de produits. La preuve de concept de cette nouvelle stratégie a été apportée avec la découverte d’un procédé capable de recycler ensemble le CO2 et un déchet de l’industrie des silicones (PMHS, utilisé comme source énergétique) pour convertir les amines en formamides, produits pétrochimiques utilisés comme solvants, réactifs et agents de formulation. Ces résultats ont été obtenus par la conception de catalyseurs organiques réactifs, facilitée par la modélisation moléculaire. Ce travail a obtenu le Prix La Recherche en Chimie, en 2012. Une courte vidéo, réalisée en partenariat avec la Fondation Connaissance des Énergies, revient sur son impact (http://www.connaissancedesenergies.org/videos-ruptures).

Le but de l’approche diagonale est de concevoir des catalyseurs capables de recycler le CO2 en fonctions chimiques actuellement disponible uniquement par voie pétrochimique. La souplesse et le potentiel de cette stratégie se sont illustrés, encore, avec le développement de deux procédés permettant de désoxygéner totalement le CO2 pour préparer des formamidines (utilisées comme pesticides, insecticides…) et méthylamines (réactifs, engrais…). Jusqu’à présent, ces molécules nécessitaient l’emploi de réactifs toxiques et/ou de catalyseurs métalliques opérant à haute température et à haute pression avec des ressources fossiles. Ce projet de recherche a obtenu le soutien de l’Académie des Sciences à travers le Grand Prix Scientifique de la Fondation Louis D. – Institut de France, décerné à Thibault Cantat en 2013 et il continuera avec l’attribution d’une bourse ERC Starting Grant.

Nos efforts sont maintenant focalisés sur de nouveaux défis, que sont : i) la compréhension des mécanismes d’action des catalyseurs dans le recyclage du CO2, ii) l’utilisation d’énergies renouvelables pour des applications à hauts tonnages et iii) l’utilisation des nouvelles réactions diagonales pour la production de quelques cibles industrielles, telles que les méthylamines et polyamides. Cet axe de recherche conduira à une expansion des produits de valorisation du CO2 and contribuera ainsi à améliorer la durabilité de l’industrie chimique, sur le long terme. Derrière les applications pratiques, ce programme de recherche fondamentale apportera également de nouveaux modèles théoriques pour mieux appréhender le rôle des catalyseurs, organiques et métalliques, dans les réactions de transformation du CO2.

Les résultats obtenus au cours de son projet ont eu un impact significatif sur la communauté scientifique, avec la publication de 9 articles dans des revues internationales à comité de lecture. La preuve de concept de l’approche diagonale est apparue en couverture de la revue Angewandte Chemie et a fait l’objet d’un fait marquant dans la revue Nature. Ces travaux ont été présentés à travers 41 communications dans des congrès nationaux et internationaux, dont 16 conférences invitées. La propriété intellectuelle engendrée par le développement de nouveaux procédés catalytiques a été protégée par le dépôt de 5 demandes de brevets.

Le piégeage et le stockage du dioxyde de carbone en formations géologiques, au moment de sa production, est une solution viable pour assurer une chute apparente des émissions de CO2 dues à l'utilisation d'énergies fossiles. Sur le long terme il est néanmoins important de tirer profit de cette source de carbone, le dioxyde de carbone étant une matière première verte et économique pour la construction d'édifices moléculaires complexes ou comme précurseurs pour des produits chimiques utilisés à hauts tonnages. En particulier le CO2 est une source très attrayante pour la synthèse de fonctions carboxyles et carbonyles et une alternative intéressante au monoxyde de carbone et au phosgène. Malgré sa grande stabilité thermodynamique, le dioxyde de carbone peut être activé par des ions des métaux de transition puis incorporé dans des structures polymériques ou transformé en produits chimiques. Pourtant, très peu de procédés industriels conduisant à une telle valorisation du dioxyde de carbone existent à ce jour. La mise au point de nouveaux procédés catalytiques est donc primordiale et de nouveaux efforts de recherche sont nécessaires pour parvenir à fonctionnaliser le dioxyde de carbone. Le but de ce projet est de développer des percées technologiques pour l'activation du dioxyde de carbone et sa conversion catalytique en produits chimiques plus réactifs ainsi que d'apporter un degré de compréhension supérieur sur les mécanismes élémentaires mettant en jeu la fonctionnalisation du CO2, à l'aide d'une démarche associant théorie et expérience. Trois stratégies se sont révélées être particulièrement efficaces pour l'activation et la valorisation de molécules dites « inertes » et en particulier du CO2 : l'activation par un centre métallique, la catalyse homogène et hétérogène et la modélisation théorique. Ce projet combinera ces trois approches afin de proposer de nouvelles transformations stoechiométriques et catalytiques pour la conversion du dioxyde de carbone.Le projet sera conduit par Dr. Thibault Cantat (Director's Postdoctoral Fellow au Los Alamos National Laboratory (USA) depuis 10-2007) au sein du laboratoire de Chimie de Coordination des Éléments f (LCCEf) au Commissariat à l'Énergie Atomique (France). Il sera soutenu par le CEA de Saclay à travers l'institut IRAMIS. Le CEA a récemment lancé d'importants projets dans le domaine des nouvelles énergies et recherche de nouveaux développements dans le domaine de la chimie verte et du développement durable, aux moyens de ses instituts de recherche fondamentale (dont IRAMIS). Membre d'IRAMIS, le LCCEf a ouvert, en 2009, un poste sur ces thématiques et soutient la candidature de Thibault Cantat et son installation définitive au CEA (aucun soutien de l'ANR n'est demandé pour le salaire du candidat). Le LCCEf a acquis une renommée internationale pour ses activités sur la chimie des éléments f et pour sa contribution significative à la différentiation lanthanides/actinides ou à l'étude du magnétisme moléculaire des complexes d'actinides. Dr. Thibault Cantat est l'auteur et co-auteur de 25 publications (dont 1 revue dans Chemical Reviews, 4 communications dans Angewandte Chemie International Edition, 2 articles dans le Journal of the American Chemical Society et 3 communications dans Chemical Communications). Il a donné 2 conférences invitées, 9 présentations orales dans des congrès nationaux et internationaux et présenté 9 affiches dans des congrès nationaux et internationaux. Ses travaux de recherche ont déjà eu un impact important sur la communauté scientifique et ses résultats ont été cités dans 165 articles et décrits dans 12 revues. Son « point H » actuel est de 9. Ses centres d'intérêt et domaines d'expertise concernent la synthèse de nouveaux systèmes moléculaires (complexes de métaux de transition, de lanthanides et d'actinides et composés du groupe principal), l'étude de leurs propriétés catalytiques dans des procédés d'importance énergétique et reposent sur une interaction forte avec la chimie théorique.