La catalyse est une science interdisciplinaire qui englobe les percées des plus petites échelles quantiques aux plus grands réacteurs d'ingénierie. Les catalyseurs homogènes, catalyseurs et biocatalyseurs hétérogènes ont suscité des avancées révolutionnaires en matière d'énergie, l'agriculture, les matériaux, la médecine et l'assainissement de l'environnement. Les progrès de la spectroscopie, la conception assistée par ordinateur et de l'évolution de l'enzyme dirigée aident les catalyseurs à relever les défis de l'avenir.
La lumière du soleil qui inonde notre planète chaque jour est la ressource énergétique illimitée ultime: il génère tous les combustibles à base de carbone et le moteur de notre chaîne alimentaire. L’accès à cette alimentation, cependant, dépend essentiellement catalyse, qui est crucial pour la conversion photosynthétique de la lumière dans la matière organique .
Les catalyseurs fonctionnent en modifiant les barrières d'énergie des procédés chimiques et de l'accélération des vitesses de réaction sans être eux-mêmes consommé. Normalement, de tels procédés sont classés dans une des deux types: homogène lorsque le catalyseur est dans la même phase (gazeuse, liquide ou solide) en tant que réactifs, ou hétérogène si les phases sont différentes. De nombreux catalyseurs homogènes sont naturels; par exemple, la conversion de l'ozone en oxygène dans l'atmosphère est catalysée par des radicaux chlorés, qui sont tous en phase gazeuse. Les systèmes hétérogènes impliquent généralement un catalyseur de métal ou d'oxyde de métal solide interagissant avec des réactifs gazeux et peuvent, par exemple, rendre possible la production d'engrais ou de la réduction de la pollution.
La recherche de Catalyse est entrée dans une nouvelle ère, marquant la fin d'une époque dominée par essais et erreurs. Au lieu de cela, des outils d'analyse sophistiqués et puissants méthodes de calcul sont l'amélioration de notre compréhension des catalyseurs dans des conditions réelles. Parce que les frontières entre les catalyseurs homogènes, des catalyseurs hétérogènes et biocatalyseurs disparaissent rapidement, les percées nécessiteront des contributions de plusieurs disciplines - ce qui en fait une véritable frontière scientifique.
Défis pour la catalyse
Malgré beaucoup de progrès, les descriptions de niveau moléculaire des systèmes catalytiques réels sont encore rares. En particulier, les taux de réaction ne sont pas faciles à prévoir ou à mesurer; la sélectivité observée dans les transformations catalytiques dépend d'infimes différences de ces vitesses de réaction. En outre, le rôle de molécules de solvant lors de phase liquide réactions homogènes et les propriétés dynamiques complexes des catalyseurs eux-mêmes sont encore mal connus.
De nouvelles techniques de chimie de calcul peuvent être utilisées pour calculer la structure et les propriétés des molécules en utilisant les théories de la mécanique quantique. Des méthodes sophistiquées qui simulent des catalyseurs à plusieurs échelles de temps et plus de longueurs différentes peuvent être couplées avec une puissance de calcul de pointe pour aider à résoudre bon nombre de ces problèmes en suspens et de générer des idées prédictives dans de nouvelles substances catalytiques.
Les techniques expérimentales innovantes seront également jouer un rôle essentiel dans l'amélioration de la catalyse. Lasers ultra-rapides, qui émettent des éclats de lumière plus rapide que les atomes se déplacent, permettent maintenant le suivi en temps réel des processus catalytiques en action. En utilisant le laser et d'autres méthodes spectroscopiques pour identifier les états de transition insaisissables entre les réactifs, les produits et les catalyseurs, les scientifiques visent à améliorer la conception et l'efficacité catalyseur de manière significative. Automatisation a aussi le potentiel de révolutionner les découvertes de catalyseur: en utilisant à haut débit synthèse combinatoire, instruments robotiques peuvent filtrer l'activité de grandes collections de différents catalyseurs et donc d'accélérer l'identification des catalyseurs prometteurs.
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Figure. 1 Création de
catalyseurs
par l’évolution de laboratoire.
Concept de base de
l'évolution
dirigée de biocatalyseurs dans le ...
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La biologie continue à la fois d'inspirer et de contester les chercheurs de catalyse. Par exemple, de nombreux processus dans la nature sont régis par des réseaux interconnectés catalytiques qui passent soigneusement les voies chimiques ou désactiver .L'organisation de catalyseurs dans de tels systèmes contrôlés, cependant, reste difficile. Une autre façon dont les chercheurs imitent la nature est à travers l’évolution dirigée de biocatalyseurs dans des tubes à essai (Fig.1). En soumettant les séquences d'ADN codant pour une enzyme à des cycles itératifs de mutagenèse, de sélection et de criblage, il est possible de générer des biocatalyseurs qui sont en mesure d'exercer des fonctions chimiques spécifiques telles que l'oxydation sélective des chaînes d'hydrocarbures.
Organocatalysis
Le domaine émergent de organocatalyse vise à améliorer les systèmes catalytiques naturels en remplaçant, par exemple, les chaînes de protéines entières avec de petites molécules organiques qui imitent les sites actifs et les propriétés de liaison hydrogène de plus grandes entités biologiques . Que ces molécules peuvent être dotées d'autres caractéristiques souhaitables de biocatalyseurs, telles que la commutation moléculaire ou le contrôle allostérique, reste à voir.
Parce que de bons catalyseurs doivent survivre plusieurs cycles de traitement, les métaux nobles intrinsèquement stables, tels que le ruthénium et de l' or, jouent un rôle important dans les deux homogène et catalyse hétérogène . La nature, en revanche, a développé extraordinairement catalyseurs sélectifs qui sont exempts de métaux nobles. Les chercheurs peuvent trouver des alternatives bon marché, robustes et industriellement viables qui peuvent prendre le rôle de métaux nobles plus rares ?
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Figure. 2 Image de microscopie
à
effet tunnel à balayage de platine
(Pt) particules
supporté sur un mince
cristallin Fe 3 O 4 (111) ...
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Un des principaux objectifs de la recherche hétérogène-catalyse se délite les secrets derrière les processus d'adsorption, d'activation et de désorption se produisant sur les surfaces métalliques et d'oxyde métallique. La microscopie à effet tunnel à balayage représente une façon d'atteindre cet objectif; Par exemple, des études récentes ont révélé que le platine recouverte d'un film mince d’oxyde de fer agit comme un meilleur catalyseur que le platine pur (fig. 2). Ces résultats inattendus démontrent que des outils d'analyse améliorés peuvent produire des dessins de catalyseur plus rationnel.
Directions futures
La catalyse est indispensable pour la science des matériaux. Les techniques actuelles utilisent des matériaux de départ à base de pétrole, cependant, répondre à la demande pour les matériaux de haute performance tels que les polymères avancés nécessiteront une nouvelle génération de catalyseurs optimisés pour gérer les stocks d'alimentation chimique renouvelables, qui, contrairement à des hydrocarbures pétroliers simples, sont souvent sur-fonctionnalisé avec des groupes chimiques. L'avenir promet également des réacteurs chimiques redimensionnés situés à proximité de ces stocks d'alimentation. Cela représente une autre possibilité d'exploiter les avantages inhérents à la catalyse et nécessitera la conception d'un nouveau type de réacteur non traditionnel.
La production pharmaceutique, qui génère actuellement plus de déchets par kilogramme que l'industrie pétrochimique, présente un potentiel unique pour l'innovation de catalyseur. La synthèse de médicaments comporte normalement les étapes de synthèse multiples, diverses; jusqu'à ce que chaque transformation peut être fait catalytiquement, il reste un potentiel important pour l'innovation.
Dans l'avenir, les catalyseurs doivent être en mesure d'activer les molécules les moins réactifs que l'on peut imaginer: de nouvelles méthodes de fixation de l'azote, la décomposition du dioxyde de carbone, la séparation de l'eau et l'activation sélective des liaisons d'hydrocarbures représentent quelques-uns des grands défis en attente de chercheurs, avec potentiellement énormes ramifications pour la société.
La catalyse présente un moyen d'économiser l'énergie, réduire les déchets et relever les défis du développement durable face à notre planète, ce qui rend son étude plus important maintenant que jamais. Comme un nouveau siècle exige de plus en plus l'innovation économique et environnementale, il est sûr de prévoir que le domaine de la catalyse restera toujours jeune - et ne fera que croître en importance.
Quelle est la taille d’une enzyme peut obtenir sans perdre ses excellentes propriétés en tant que biocatalyseur? Ceci et les questions liées tombent dans le domaine de l'organocatalyse'. Ce nouveau domaine de la recherche, qui fait actuellement face à une croissance exponentielle et promet de compléter les champs établis de la catalyse organométallique, catalyse hétérogène et biocatalyse, est façonnée par l' un des départements de l'Institut Max Planck de recherche sur le charbon