Activation du Dioxyde de Carbone pour la production de monomères – CaDiAc

La synthèse de monomères (lactones, acrylates) à partir de CO2 et d’alcènes permet l'accès durable à des monomères de polymères de hauts tonnages et potentiellement biodégradables. Dotés de propriétés mécaniques modifiables, ces plastiques donnent des matériaux utilisés dans de nombreuses applications. Une nouvelle catalyse à base de fer permet l'utilisation de CO2 et d’alcènes comme matière première. Le CO2 n'a jamais été polymérisé avec des alcènes. Ce concept est pourtant bien plus attrayant que la synthèse de polycétones (CO/alcènes), ou de polycarbonates (CO2/oxirane). L'activation du CO2 par le catalyseur au fer déclenche un couplage oxydant avec le partenaire alcène. La formation d'une metalla-lactone s'ensuit. La ferro-lactone correspondante est ensuite transformée en dérivés d'acide acrylique ou d'esters cycliques. La carboxylation de molécules complexes est envisagée. Le développement durable est au centre de CaDiAc. Nous pensons que cette méthode de carboxylation catalysée au fer va trouver une application industrielle.
La difficulté principale de la copolymérisation du CO2 et des oléfines et/ou diènes réside dans la thermodynamique défavorable qui empêche son développement. Dans le projet CaDiAc, nous proposons de contourner ce problème en nous attaquant à la synthèse de monomères facilement polymérisables et composés exclusivement de CO2 et d’ oléfines et/ou de diènes. Dans le cas du CO2 et de l’éthylène par exemple, nous allons synthétiser de l’acide acrylique (sous sa forme carboxylate pour bénéficier d’un DeltarG<<0), alors que pour le CO2 et le butadiène, nous visons des lactones à 5 ou 6 chaînons (potentiellement composées de 2 molécules de diènes pour 1 de CO2). Ces deux classes de monomères peuvent être polymérisées par des techniques industrielles classiques, telle que la polymérisation radicalaire conventionnelle.
Le projet CaDiAc veut répondre au besoin de nouvelles technologies pour valoriser le dioxyde de carbone, un déchet s’accumulant toujours plus rapidement sur Terre, mais aussi une matière première à fort potentiel. Pour adresser ce challenge sociétal, nous proposons une méthode d’économie d’atomes mettant à profit la catalyse et utilisant directement le CO2 comme ressource sans altérer le degré d’oxydation de son atome de carbone. Cette stratégie nous permettra de minimiser les transformations chimiques, et donc de réduire les coûts énergétiques. La catalyse choisie souscrit au principe de développement durable en se concentrant sur l’utilisation de Fer comme métal principal. De plus, les molécules ciblées par cette recherche sont des classes de monomères (et d’intermédiaires chimiques) de forts tonnages qui permettent l’accès à des polymères de commodité (polyacrylics et polyesters). Dans le cas des polyesters à chaîne insaturée, une potentielle biodégradabilité et/ou bioassimilation est envisagée.
L’intérêt du projet CaDiAc est donc double. D’un côté, il permet l’accès direct à une grande gamme de produits chimiques de forts tonnages. De l’autre, il contribue à promouvoir le développement de la catalyse au fer et son application à la méthodologie de synthèse.
Le laboratoire C2P2 (UMR 5265) possède tout l’équipement et l’expertise nécessaires à la réalisation de cette ANR jeune chercheur qui sera effectuée pendant la durée d’une thèse. L’équipe de recherche procédera en suivant 4 tâches principales : 1) la synthèse et la caractérisation de complexes de fer ; 2) le développement de la catalyse ; 3) la production et l’utilisation des monomères synthétisés ; 4) le développement de la méthodologie de carboxylation. Tous les travaux et délivrables sont détaillés dans le document scientifique correspondant.