Nous avons le plaisir de vous présenter cette Série thématique sur la chimie du CO2 pour le Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). La demande croissante d’énergie, de matériaux et de produits chimiques a suscité un regain d’intérêt pour la chimie du CO2. Des processus chimiques plus économes en ressources sont en cours de mise en œuvre, alors que nous sommes confrontés au passage d’une société basée sur les combustibles fossiles à une société qui doit compter sur l’utilisation durable des ressources renouvelables. Bien qu’il existe de nombreuses façons d’exploiter les ressources énergétiques renouvelables, une grande partie des matériaux et des produits chimiques nécessaires continueront d’être à base de carbone.
Le dioxyde de carbone est l’une des ressources renouvelables les plus abondantes en carbone (figure 1). Des technologies de capture du carbone sont mises en œuvre pour capter une partie des émissions anthropiques annuelles de CO2 de 36 600 millions de tonnes métriques de CO2. Si seulement une fraction du flux de CO2 capté pouvait être mise à disposition pour la production chimique, une contribution significative à la production annuelle de matériaux et de produits chimiques à base de carbone pourrait être fournie. Ici, nous proposons au lecteur de relier ces chiffres à la production annuelle de matériaux polymères de 280 millions de tonnes métriques. Fait remarquable, 110 millions de tonnes de CO2 par an pour la production d’urée, de méthanol et d’acide salicylique sont aujourd’hui une réalité industrielle. Ces applications illustrent clairement la voie à suivre. En raison de la disponibilité abondante de flux de gaz CO2 purs, il est logique de promouvoir une utilisation plus répandue du dioxyde de carbone comme matière première chimique. Notamment, l’utilisation du CO2 pour la fabrication de matériaux et de produits chimiques en est encore à ses balbutiements.
Figure 1 : La molécule de dioxyde de carbone.
Figure 1 : La molécule de dioxyde de carbone.
Le dioxyde de carbone (CO2) a longtemps suscité la fascination des chimistes. Une chimie riche a évolué en utilisant cette molécule en synthèse chimique. Jusqu’à présent, la faible réactivité de la molécule de CO2 pose des défis importants à l’utilisation du dioxyde de carbone dans les applications industrielles. Ainsi, la molécule de CO2 est généralement perçue comme très inerte. Cette perception découle clairement de la stabilité chimique élevée du dioxyde de carbone. Cependant, la réactivité de la molécule de CO2 peut être sous-estimée. Le dioxyde de carbone est isoélectronique à des molécules hautement réactives telles que les isocyanates et les cétènes (Figure 2). Cela implique que la réactivité et les limitations cinétiques peuvent être rencontrées beaucoup moins fréquemment dans la conversion chimique du dioxyde de carbone que ce que l’on suppose généralement.
Figure 2: Exemples de molécules hautement réactives isoélectroniques au dioxyde de carbone.
Figure 2: Exemples de molécules hautement réactives isoélectroniques au dioxyde de carbone.
Pour surmonter son niveau thermodynamiquement bas, une énergie supplémentaire est nécessaire pour activer la molécule de CO2. La triple réactivité (figure 3) du CO2 avec un atome d’oxygène nucléophile, un atome de carbone électrophile et un système π offre au chimiste de nombreuses options. De même, une chimie de coordination riche avec les centres métalliques a été rapportée pour le CO2. Une voie à venir est la réaction du CO2 pour former des intermédiaires riches en énergie qui peuvent ensuite transférer la molécule de CO2 vers des substrats cibles. L’utilisation de catalyseurs efficaces est souvent une autre condition nécessaire pour diriger les voies réactionnelles avec une sélectivité élevée pour donner les produits cibles souhaités et pour surmonter les limitations cinétiques associées à certaines étapes élémentaires lentes.
Figure 3 : Triple réactivité du dioxyde de carbone et exemples de différents modes d’activation du CO2 impliquant des centres métalliques dans des catalyseurs homogènes et hétérogènes.
Figure 3: Triple réactivité du dioxyde de carbone et exemples pour différents modes d’activation de l’implication du CO2…
Cette série thématique sur la chimie du CO2 présente des approches intrigantes concernant différentes méthodologies pour activer le dioxyde de carbone. Un domaine émergent est la fixation électrochimique du CO2, qui peut être appliquée dans la synthèse d’acides carboxyliques. La combinaison d’approches enzymatiques et photocatalytiques pour activer le CO2 est également très intéressante. Les systèmes catalytiques bifonctionnels sont fréquemment nécessaires et bien compris dans la synthèse des carbonates cycliques. L’activation du dioxyde de carbone en l’insérant dans des liaisons métal-alcoxyde permet des applications ultérieures dans la synthèse des polymères telles que la copolymérisation du dioxyde de carbone avec des époxydes et d’autres co-monomères. Ici, la catalyse avec des complexes de cobalt présente encore des effets surprenants. Des systèmes plus efficaces de capture du CO2 sont en cours de développement sur la base de liquides ioniques fonctionnalisés par des amines où la formation d’adduits zwitterioniques est la clé d’une efficacité accrue. De plus, de nombreuses propriétés physiques du dioxyde de carbone sont exceptionnelles, faisant du dioxyde de carbone supercritique un solvant pas comme les autres.
Au total, les articles de cette série thématique présentent un aperçu remarquable des opportunités dans le domaine de la chimie du CO2 de la part de plusieurs de ses meilleurs praticiens. Ces opportunités sont annonciatrices des nombreuses réactions, modes de réactivité et catalyseurs supplémentaires qui restent à découvrir. L’exploitation du dioxyde de carbone pour créer de la valeur économique sera le moteur de l’utilisation plus répandue de cette molécule fascinante. À long terme, nous envisageons que l’humanité crée une boucle de carbone anthropique où le CO2 libéré à la fin de la durée de vie des biens à base de carbone de la vie quotidienne est à nouveau utilisé dans la production de nouveaux matériaux et produits chimiques.
Nous sommes très reconnaissants aux auteurs pour leurs excellentes contributions à faire de cette Série thématique un succès aussi important que les éditions précédentes.
Thomas E. Müller et Walter Leitner
Aix-la-Chapelle, avril 2015