Hydrogénation de liaisons c=o par catalyse moléculaire électrochimique / hydrogenation of c=o b[...]

Hydrogénation de liaisons C=O par catalyse moléculaire électrochimique // Hydrogenation of C=O bonds by electrochemical molecular catalysis, Grenoble

Université Grenoble Alpes

Topic description

La mise en place d'une économie circulaire du carbone est un enjeu environnemental majeur qui nécessite le développement de nouvelles voies de transformation de la matière, notamment à partir de sources renouvelables et plus oxydées que les énergies fossiles actuellement utilisées. Dans ce cadre général, une approche prometteuse consiste en l'électrification des processus de réduction, en particulier de liaisons C–O, pour, à partir de substrats carbonés oxydés, générer des combustibles. A ce jour, la grande majorité des produits chimiques contient du carbone dérivé de ressources fossiles (hydrocarbures). L'épuisement de ces ressources et les problèmes environnementaux croissants liés à leur utilisation nous obligent à trouver des solutions alternatives pour accéder à ces produits, et ainsi, tendre vers une économie circulaire du carbone. Dans ce contexte, moyennant l'utilisation d'une source décarbonée d'électricité, un cercle vertueux peut alors se mettre en place. Cependant, l'électrification des processus de réduction de liaisons C=O n'est pas chose aisée et il est nécessaire de faire appel à des catalyseurs pour réaliser ces transformations de manière efficace et sélective. Cette réduction peut se faire par hydrogénation directe avec H2 ou via des hydrures métalliques ou hydroboranes ou hydrosilanes, mais leur production ou leur recyclage nécessitent une grande quantité d'énergie. Le présent projet propose d'aborder ce problème via l'étude de l'hydrogénation de dérivés d'acide carboxylique par catalyse moléculaire électrochimique. L'approche électrochimique consiste, en utilisant le concept de catalyse moléculaire électrochimique développé dans notre équipe, à électrogénérer in situ des complexes hydrure de métaux de transition qui hydrogèneront le substrat choisi. Le développement de cette méthodologie s'accompagnera d'une compréhension fondamentale détaillée des processus impliqués. En effet, la génération électrochimique d'un hydrure de complexe de métal de transition nécessite non seulement le transfert de deux électrons de l'électrode vers le complexe mais aussi d'un proton. Il est alors nécessaire que l'hydrure ainsi formé active plus rapidement et plus favorablement la liaison C=O du substrat qu'il ne réagisse avec l'acide ayant servi à le générer (auquel cas H2 serait produit). Pour contourner ce problème, l'approche proposée dans ce projet consiste à développer des pré-catalyseurs capables de conduire in-situ à un complexe hydrure possédant aussi un site de coordination vacant pour que le substrat accède à la sphère de coordination du métal. Ainsi le transfert d'hydrure vers le substrat par sphère interne sera potentiellement plus efficace que la formation de H2.

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La mise en place d'une économie circulaire du carbone est un enjeu environnemental majeur qui nécessite le développement de nouvelles voies de transformation de la matière, notamment à partir de sources renouvelables et plus oxydées que les énergies fossiles actuellement utilisées. Dans ce cadre général, une approche prometteuse consiste en l'électrification des processus de réduction, en particulier de liaisons C–O, pour, à partir de substrats carbonés oxydés, générer des combustibles. A ce jour, la grande majorité des produits chimiques contient du carbone dérivé de ressources fossiles (hydrocarbures). L'épuisement de ces ressources et les problèmes environnementaux croissants liés à leur utilisation nous obligent à trouver des solutions alternatives pour accéder à ces produits, et ainsi, tendre vers une économie circulaire du carbone. Dans ce contexte, moyennant l'utilisation d'une source décarbonée d'électricité, un cercle vertueux peut alors se mettre en place. Cependant, l'électrification des processus de réduction de liaisons C=O n'est pas chose aisée et il est nécessaire de faire appel à des catalyseurs pour réaliser ces transformations de manière efficace et sélective. Cette réduction peut se faire par hydrogénation directe avec H2 ou via des hydrures métalliques ou hydroboranes ou hydrosilanes, mais leur production ou leur recyclage nécessitent une grande quantité d'énergie. Le présent projet propose d'aborder ce problème via l'étude de l'hydrogénation de dérivés d'acide carboxylique par catalyse moléculaire électrochimique. L'approche électrochimique consiste, en utilisant le concept de catalyse moléculaire électrochimique développé dans notre équipe, à électrogénérer in situ des complexes hydrure de métaux de transition qui hydrogèneront le substrat choisi. Le développement de cette méthodologie s'accompagnera d'une compréhension fondamentale détaillée des processus impliqués. En effet, la génération électrochimique d'un hydrure de complexe de métal de transition nécessite non seulement le transfert de deux électrons de l'électrode vers le complexe mais aussi d'un proton. Il est alors nécessaire que l'hydrure ainsi formé active plus rapidement et plus favorablement la liaison C=O du substrat qu'il ne réagisse avec l'acide ayant servi à le générer (auquel cas H2 serait produit). Pour contourner ce problème, l'approche proposée dans ce projet consiste à développer des pré-catalyseurs capables de conduire in-situ à un complexe hydrure possédant aussi un site de coordination vacant pour que le substrat accède à la sphère de coordination du métal. Ainsi le transfert d'hydrure vers le substrat par sphère interne sera potentiellement plus efficace que la formation de H2.
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The development of a circular carbon economy is a major environmental challenge that requires the identification of new ways oftransforming matter, in particular from renewable sources that are more oxidized than the fossil fuels currently used. Within this generalframework, one promising approach consists of electrifying reduction processes, in particular of C-O bonds, to generate fuels fromoxidized carbon substrates. Today, the vast majority of chemical products contain carbon derived from fossil resources (hydrocarbons).The depletion of these resources and the growing environmental problems associated with their use are forcing us to find alternativesolutions to access these products, and thus move towards a circular carbon economy. By using a decarbonated source of electricity, avirtuous circle can then be established. However, electrification of C=O bond reduction processes is not straightforward, and catalystsare needed to carry out these transformations efficiently and selectively. The present project proposes to address this problem bystudying the hydrogenation of carboxylic acid derivatives by electrochemical molecular catalysis. The reduction of carboxylic acidderivatives can be achieved by direct hydrogenation with H2 or via metal hydrides or hydroboranes or hydrosilanes, which are difficult touse because their production or recycling requires large amounts of energy. The electrochemical approach we are proposing, using theconcept of electrochemical molecular catalysis developed in our team, consists in in-situ electrogenerating transition hydride metalcomplexes which will then hydrogenate the selected substrate. The development of this methodology will be accompanied by a detailed fundamental understanding of the mechanisms involved. Indeed, the electrochemical generation of a transition hydride metal complexrequires not only the transfer of two electrons from the electrode to the complex, but also of a proton. The hydride thus formed mustactiivate the C=O bond of the substrate (carboxylic acid derivative) faster and more favorably than it will react with the acid used togenerate the hydride (in which case H2 would be produced). To circumvent this problem, our approach is to develop catalysts that notonly electrogenerate a hydride, but also have a vacant coordination site for the substrate to access the metal coordination sphere wherethe hydride will be generated. In this way, hydride transfer to the substrate via the internal sphere will be potentially more efficient thanH2 formation.
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Début de la thèse : 01/10/

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Autre financement #J-18808-Ljbffr