L’ingénierie des défauts d’oxygène permet une production efficace de sulfone en utilisant l’oxygène moléculaire à basse température
Sulfonesune classe de composés contenant du soufre, sont dérivées chimiquement de l’oxydation sélective des sulfures. Bien que ces composés forment le noyau des produits pharmaceutiques, solvants et industries du polymère, leur synthèse chimique est souvent entravée par des températures de réaction élevées et des conditions de réaction extrêmes. De plus, ceux-ci nécessitent également des additifs coûteux et des solvants durs pour la production. Dans ce contexte, une équipe de chercheurs du Japon a introduit une nouvelle conception de catalyseurs, capable de surmonter les limites de la synthèse conventionnelle, offrant une sélectivité plus élevée et un meilleur rendement pour les sulfones.
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Keigo Kamata de l’Institut des sciences Tokyo, au Japon, a utilisé des techniques avancées de synthèse de catalyseur pour explorer comment les variations de la composition élémentaire et de la structure cristalline contribuent aux performances catalytiques de l’oxydation du sulfure à une température plus basse. Leurs résultats ont été publiés en ligne dans Matériaux fonctionnels avancés le 03 avril 2025.
«L’oxydation des sulfures utilisant l’oxygène moléculaire comme l’oxydant est l’une des réactions les plus difficiles de la chimie organique, et le développement de nouveaux catalyseurs solides qui peuvent faciliter ce type de réaction ont attiré une attention considérable ces dernières années», note Kamata.
Répondant à cette demande, les chercheurs se sont concentrés sur oxyde de pérovskiteun matériau largement utilisé pour la catalyse. Pour améliorer la réactivité d’une espèce spécifique d’oxygène métal-oxygène (oxygène par le visage) dans une pérovskite hexagonale à base de strontium (SR), de manganèse (MN) et d’oxygène (O) appelé Srmno₃, ils ont introduit des atomes de ruthénium (Ru) à la place de certains des atomes MN. Cette modification subtile a créé des lacunes d’oxygène à l’intérieur du cristal, ce qui a considérablement amélioré la capacité du catalyseur à transférer des atomes d’oxygène – une étape essentielle dans l’oxydation des sulfures.
Le résultat a été un catalyseur efficace connu sous le nom de srmn₁₋ₓRuₓO₃, qui était capable de convertir des sulfures en sulfones avec une sélectivité sans précédent de 99% à une température de réaction aussi basse que 30 ° C. Il s’agissait d’un changement spectaculaire par rapport à celui des systèmes conventionnels, qui nécessitent généralement 80 à 150 ° C pour la même réaction.
Les systèmes de réaction conventionnels dépendent de grandes quantités de métaux précieux pour la sélectivité. Alors que les chercheurs ont utilisé RU, ils ont atteint une plus grande sélectivité à seulement 1% de doping RU, ce qui réduit considérablement l’utilisation de métaux précieux. En utilisant des études mécanistes, les chercheurs ont en outre révélé le mécanisme derrière la remarquable performance catalytique.
«La catalyse suit un Mécanisme Mars – Van Krevelendans lequel les atomes d’oxygène sur la surface cristalline se transfèrent vers les sulfures, laissant derrière lui des lacunes à l’oxygène. Ces postes vacants sont ensuite remplies par l’oxygène moléculaire dans l’atmosphère, et le cycle se poursuit », explique Kamata.
Un autre avantage frappant du catalyseur développé a été sa durabilité. L’équipe a confirmé que le catalyseur pouvait être réutilisé au moins cinq fois sans aucune perte de performance significative. De plus, le système était applicable à un large éventail de substrats sulfurés, qui comprenaient aromatique, aliphatique, ce qui le rend très polyvalent pour les industries.
Bien que la présente étude ne se concentrait que sur l’oxydation des sulfures, les implications de ce travail pourraient s’étendre à un large éventail de réactions d’oxydation, transformant le nettoyage environnemental et les conversions d’énergie. L’équipe espère que leurs résultats inspireront de nouveaux conceptions de catalyseurs qui offrent une plus grande durabilité et une plus grande économie. La recherche souligne également l’effet synergique de plusieurs éléments dans la création de matériaux durables, ouvrant la voie à la chimie industrielle plus verte et plus intelligente.
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L’Institut des sciences Tokyo (Science Tokyo) a été créé le 1er octobre 2024, à la suite de la fusion entre Tokyo Medical and Dental University (TMDU) et Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), avec la mission de «faire progresser les sciences et le bien-être humain pour créer de la valeur pour et avec la société».
Miki Yamaoka
Institut des sciences Tokyo
yamaoka.m.487e@m.isct.ac.jp
Keigo Kamata
Institut des sciences Tokyo, Japon
kamata.k.ac@m.titech.ac.jp
Questions fréquemment posées
Comment le nouveau catalyseur améliore-t-il la production de sulfone par rapport aux méthodes traditionnelles?
Le catalyseur innovant permet la production de sulfone à des températures significativement plus faibles (30 ° C) tout en atteignant une sélectivité élevée, réduisant le besoin de métaux coûteux et de conditions de réaction sévères typiques des méthodes conventionnelles.
Quel rôle le ruthénium joue-t-il dans la nouvelle conception du catalyseur?
Le ruthénium est introduit en petites quantités pour créer des lacunes en oxygène dans la structure de la pérovskite, améliorant la capacité du catalyseur à transférer l’oxygène, ce qui est crucial pour l’oxydation efficace des sulfures en sulfones.
Le catalyseur développé peut-il être réutilisé dans des applications industrielles?
Oui, le catalyseur a démontré une durabilité remarquable, conservant ses performances sur au moins cinq cycles, ce qui en fait une option pratique et durable pour les réactions d’oxydation industrielle impliquant des sulfures.
