Catalyse par des complexes organométalliques solubles dans l'eau

Récemment, un intérêt grandissant est consacré au développement de procédés industriels chimiques dotés d’efficacités économiques et environnementales. Ces procédés doivent générer le minimum possible de déchets et évitent, tant que possible, l'utilisation de produits et solvants toxiques. La catalyse dans l’eau est un nouveau domaine de recherche basé sur l’utilisation des complexes organométalliques solubles dans l’eau comme catalyseurs. Les procédés basés sur de tels systèmes sont intéressants de points de vues économiques et environnementales: i) les produits de la réaction, généralement liposolubles sont facilement séparés du catalyseur, par simple décantation, sans être contaminés avec des traces du métal (catalyseur); ii) le catalyseur hydrosoluble, qui demeure en phase aqueuse, est récupéré puis recyclé sans perte de son activité catalytique; iii) l’utilisation des solvants organiques comme les hydrocarbures halogénés et le benzène est évitée.; iv) l’eau est un solvant qui n’est pas coûteux, ne pose pas de problèmes environnementaux, et est facilement recyclable. Des résultats intéressants ont déjà été obtenus dans plusieurs domaines de la catalyse dans l’eau comme les réactions d'hydrogénation, les réactions d'hydroformylation, les réactions de couplage C-C, et les réactions d’hydrocarboxylation. Cependant, un travail considérable reste à accomplir concernant l'activité et la sélectivité de ces catalyseurs, d'autant plus que les procédés industrialisés sont très rares.
Ces dernières années nous avons développé des systèmes catalytiques solubles dans l’eau pour les réactions suivantes: hydratation des nitriles en amides correspondants ; oxydation de type Oppenauer des alcools secondaires en cétones correspondantes ; réduction des aldéhydes et des cétones par transfert d’hydrogène ; hydrogénation catalytique des oléfines ; l’amination réductrice des aldéhydes et cétones et le couplage C-C de type Heck. Ces systèmes ont conduit à des résultats intéressants qui ont fait l’objet de publications et de présentations à des congrès nationaux et internationaux. Nous continuerons nos efforts afin de synthétiser d’autres catégories de produits organiques exclusivement en phase aqueuse.

Application des matériaux avancés en catalyse hétérogène

Récemment d’énormes efforts sont dédiés au développement de nouveaux matériaux (matériaux avancés) ayant des applications dans divers domaines comme la photonique, l’environnement, la catalyse et l’énergie. Ces nouveaux matériaux sont particulièrement intéressants grâce à leurs propriétés physiques et chimiques qui surclassent celles des matériaux classiques.
La catalyse homogène a connu dernièrement un essor considérable permettant la synthèse d’un grand nombre de produits organiques, avec d’excellentes activités catalytiques et sélectivités. Les processus catalytiques sont généralement reproductibles et sont effectués dans des conditions douces. Cependant, la non récupération du catalyseur, surtout sous sa forme active, et la contamination des produits de la réaction par des traces de métaux néfastes, constituent les inconvénients majeures de la catalyse homogène. Afin de contrecarrer ces problèmes différentes stratégies ont été développées, notamment la transformation des catalyseurs homogènes en leurs analogues hétérogènes basée sur l’utilisation de supports solides. Le but principal est de pouvoir greffer les catalyseurs homogènes sur des supports solides sans qu’il y ait perte ou diminution accrue de leurs propriétés initiales (excellentes activités et sélectivités). Malheureusement, les catalyseurs hétérogènes basés sur des supports solides communs ont des inconvénients qui limitent leur utilisation, surtout au niveau industriel. Ces catalyseurs hétérogènes sont, en comparaison avec les catalyseurs homogènes, moins sélectifs et moins actifs, les résultats ne sont pas généralement reproductibles, et les conditions opératoires sont drastiques. Ces inconvénients sont principalement dus aux supports solides communs qui ont les limitations suivantes : surface spécifique faible, structure non uniforme, porosité irrégulière, et diamètre des pores assez faibles.
Tout récemment, la découverte de nouveaux matériaux mésoporeux hautement organisés constitue une percée tonitruante dans le domaine de la science des matériaux. Ces matériaux mésoporeux, par exemples MCM-41, FSM-16, HMS, et SBA-15, sont caractérisés par : des structures uniformes bien ordonnées, des surfaces spécifiques très élevées, une porosité régulière avec des pores larges et réguliers. Il est certes logique et évident que l’utilisation de ce genre de matériaux comme supports solides en catalyse hétérogène conduirait à des catalyseurs très efficaces, et ouvrirait de nouvelles possibilités dans le domaine de la catalyse. L’efficacité de ces matériaux en catalyse est, effectivement, prouvée par les travaux de qualité publiés ces dernières années, et de plus en plus de résultats importants sont escomptés dans un futur imminent.
Le principal objectif de ce programme de recherche est la synthèse de nouveaux catalyseurs hétérogènes à partir des matériaux mésoporeux, et leur utilisation pour préparer différents produits organiques par des réactions, par exemples, de couplage C-C, oxydation, et réduction. La synthèse des matériaux mésoporeux sera principalement basée sur les méthodes « sol-gel » qui permettent d’accéder aux nouveaux matériaux avec les structures et les propriétés désirées dans des conditions douces.

Préparation des couches minces nanocristallines

Les couches minces ont des applications diverses et très importantes au niveau industriel. Par conséquent, il y a une demande assez forte pour les couches minces de haute qualité. Ces dernières sont préparées par différentes méthodes incluant les dépôts par évaporation ou par laser pulsé, et par pulvérisations cathodiques. Ces méthodes, cependant, nécessitent des équipements très sophistiqués et des températures et vide assez poussés. En outre, les couches obtenues ne sont pas parfaitement homogènes au niveau de leurs compositions et leurs morphologies, et les tailles des particules ne sont pas complètement contrôlées. Différentes couches minces d’excellentes qualités ont été préparées par des procédés sol-gel dans des conditions douces. Notre objectif dans ce projet, est de mettre au point des méthodes « sol-gel » permettant de préparer des couches minces homogènes, nanostructurées, et chromogènes à base de SiO2, TiO2, WO3, et VO2. En combinant le procédé « sol-gel » au traitement solvothermique, nous visons particulièrement le contrôle de la porosité, la taille des particules et leur forme. Ces travaux de recherche sont élaborés, en général, en collaboration avec le professeur Pandurang Ashrit, directeur du Groupe de Recherche sur les Couches Minces et la Photonique de l’Université de Moncton.
Tout récemment, nous avons développé des couches minces pour utilisation comme barrières à oxygène. Les produits alimentaires en général, et particulièrement les produits dépourvus d’agents de conservation, ont des durées de vie de consommation relativement courtes qui dépendent de plusieurs facteurs notamment l’emballage. Le problème majeur concernant la péremption et la dégradation des aliments est dû à leur oxydation avec l’oxygène moléculaire présent ou qui traverse l’emballage. Les couches minces que nous avons développées sont très efficaces comme barrières à oxygène, sont très transparentes et assez flexibles. Le projet est accepté auprès de la FIA pour un montant de 6,5 millions de dollars. Je suis le principal chercheur pour l’élabortations des couches minces et ma part de la subvention est estimée à 476,750$ pour deux ans et 6 mois (11/2013-06/2016).
Un autre projet en développement concerne la fabrication de couches minces comme filtres optiques pour des applications dans l'aviation. L'un des problèmes majeurs de l'aviation ces dernières années est les attaques par des lasers, en particulier lors des atterrissages (90%). Avec la prolifération des lasers portables de forte puissance (jusqu'à 1W) et de leur forte baisse des prix, plus de 5,000 incidents ont été signalés dans le monde en 2011, et devrait augmenter à plus de 80,000 incidents par an d'ici 2015, si les tendances actuelles se poursuivent. Ces interférences laser qui distraient temporairement en aveuglant, ou en endommageant les yeux des pilotes, mettent en danger la vie des passagers. Le but principal du projet vise l’élaboration de couches minces transparentes qui filtrent les longueurs d'onde des lasers populaires, en particulier le vert et le bleu. Le projet est subventionné par le CRSNG (Subvention de recherche et Développement Coopérative-RDC) pour un montant global de 476,040$ pour deux ans (2014-2016). Ma part est estimée à 181,550 $.