Pour la première fois, l’équipe du CiQUS a synthétisé un composé bioactif — le dimestrol, un œstrogène non stéroïdien utilisé en hormonothérapie — directement à partir de méthane. Cette prouesse marque une rupture dans l’industrie pharmaceutique : transformer le gaz naturel abondant en molécules complexes sans passer par les circuits pétrochimiques traditionnels.
En concevant un catalyseur innovant à base de fer activé par LED, des chercheurs sont parvenus à activer des molécules récalcitrantes comme le méthane et à les transformer en composés complexes, ouvrant la voie à une chimie pharmaceutique moins polluante et plus économique. Reste à prouver que cette innovation peut rivaliser avec les géants de la pétrochimie.
L’essentiel
- Premier succès mondial : synthèse directe du dimestrol (médicament hormonal) à partir de méthane via un catalyseur fer-LED
- Le CiQUS démontre que le méthane peut devenir une matière première simple, abondante et peu coûteuse pour des molécules complexes à haute valeur
- Le système fonctionne sous conditions relativement douces, ce qui pourrait faciliter la montée en échelle
- Le secteur pharmaceutique tire la croissance du marché de l’acide méthanesulfonique avec un taux de 4,7% par an
Le méthane défie la pétrochimie pharmaceutique
Le gaz naturel, en raison de son abondance et de son faible coût, représente une source d’approvisionnement majeure pour l’industrie pétrochimique et chimique. Les produits pétrochimiques, dérivés de ressources pétrolières comme l’éthane, le naphta et le gaz naturel, utilisent traditionnellement des ressources du secteur pétrolier, notamment le gaz naturel, les condensats et le naphta.
Le gaz naturel constitue l’une des ressources énergétiques les plus abondantes de la planète. Il se compose principalement de méthane, avec de l’éthane et du propane. Aujourd’hui, il est principalement brûlé pour le chauffage et l’électricité, un processus qui libère des gaz à effet de serre.
L’un des principaux défis réside dans l’activation initiale de la molécule de méthane. Ceci a abouti au développement de plusieurs approches différentes pour utiliser le méthane, certaines plus développées que d’autres. La conversion directe du méthane en composés de valeur ouvre la voie à des processus économes en énergie et en ressources qui présentent des avantages importants par rapport au traitement multi-étapes du gaz naturel. Par exemple, la condensation oxydante du méthane en éthylène permet de remplacer les matières premières pétrolières rares par du gaz naturel dans la production de ce semi-produit le plus important de la chimie pétrolière.
Un catalyseur au fer révolutionne l’activation du méthane
La stratégie de l’équipe se concentre sur une réaction appelée allylation, qui consiste à attacher une petite “poignée” chimique (un groupe allyle) à la molécule de gaz. Cette poignée sert d’ancrage polyvalent, permettant aux étapes suivantes de construire une large gamme de produits finaux — des ingrédients pharmaceutiques actifs aux produits chimiques quotidiens.
L’obstacle principal était la tendance du système catalytique à produire des sous-produits de chloration indésirables, faisant dérailler le processus. Pour surmonter cet obstacle, l’équipe a conçu un catalyseur supramoléculaire sur mesure.
Le cœur de cette percée réside dans la conception d’un catalyseur basé sur un anion tétrachloroferrate stabilisé par des cations de collidinium, qui module efficacement la réactivité des espèces radicalaires générées dans le milieu réactionnel, explique le professeur Martín Fañanás du CiQUS.
La formation d’un réseau complexe de liaisons hydrogène autour de l’atome de fer maintient la réactivité photocatalytique nécessaire pour activer l’alcane, tout en supprimant simultanément la tendance du catalyseur à subir des réactions de chloration concurrentes. Cela crée un environnement optimal pour que la réaction d’allylation sélective se déroule. Le système utilise du fer au lieu de métaux précieux et fonctionne sous des conditions douces alimentées par la lumière LED.
L’industrie pharmaceutique adopte les alternatives durables
La synthèse pharmaceutique reste le moteur principal du marché de l’acide méthanesulfonique, contribuant à environ 41% de la demande totale d’application. Plus de 58% des ingrédients pharmaceutiques actifs nouvellement développés utilisent des acides organiques forts lors de la formation d’intermédiaires.
L’augmentation de la prévalence des maladies chroniques et la hausse consécutive de la demande pharmaceutique mondiale ont un impact positif direct sur le marché de l’acide méthanesulfonique. Alors que les entreprises pharmaceutiques étendent leurs capacités de production pour répondre à cette demande croissante, le besoin de catalyseurs efficaces et fiables comme l’acide méthanesulfonique augmente.
L’acide méthanesulfonique a remplacé les acides nitrique, fluoroborique et perchlorique dans 30 à 40% des usines de placage et 25 à 35% des voies de synthèse pharmaceutique en raison de sa corrosivité réduite et de sa sécurité supérieure. Les rendements de placage s’améliorent de 5 à 20% et les coûts d’élimination des déchets diminuent de 10 à 40% avec la substitution.
La préoccupation mondiale pour l’avenir durable ainsi que l’avancement des produits verts avec les voies biotechnologiques ont renforcé l’utilisation de la bio-catalyse également appelée catalyseur vert dans les domaines industriels. Les développements en chimie verte sont intrinsèquement liés principalement au bio-catalyseur en raison de sa synthèse clé à partir de sources renouvelables.
Les défis de la montée en échelle industrielle
Le méthane reste abondant et bon marché, mais son impact climatique est sévère. Le transformer en produits chimiques stables pourrait réduire les émissions et soutenir une économie chimique circulaire.
Les difficultés de désactivation du catalyseur, un champ d’application limité pour la réutilisabilité, une portée de substrat restreinte et les barrières d’évolutivité économique continuent d’entraver l’adoption industrielle dans ce domaine.
L’une des chaînes de traitement chimique les plus courantes aux États-Unis distille l’éthane du gaz naturel (une matière première chimique), qui est ensuite “craqué” en éthylène (un produit chimique primaire) et finalement transformé en plastiques et autres matériaux. La production de produits chimiques primaires — notamment l’éthylène, le propylène, le benzène, le toluène, le xylène, l’ammoniac et le méthanol — émet le plus de gaz à effet de serre le long de la chaîne d’approvisionnement chimique. Ces “émissions de procédé” proviennent de la combustion de combustibles fossiles supplémentaires pour générer les hautes températures (jusqu’à 1 000 degrés C) nécessaires pour transformer les combustibles fossiles en produits chimiques primaires.
Alors que le monde opère une transition vers une énergie plus propre, le secteur pétrochimique se distingue comme un moteur de demande à long terme pour le gaz naturel — en particulier pour son utilisation non combustible comme matière première. Contrairement à la production d’électricité, où les énergies renouvelables remplacent rapidement les combustibles fossiles, le rôle de transformation chimique des hydrocarbures reste irremplaçable dans de nombreux cas.
La chimie verte redessine les circuits d’approvisionnement
L’industrie, des petites entreprises aux grandes corporations, a déjà pris des mesures stratégiques vers la durabilité en adoptant les principes de la chimie verte. Le développement de processus et de produits commerciaux moins dangereux, le passage des voies chimiques inefficaces vers la synthèse bio-basée, et le remplacement des matières premières à base de pétrole par des matériaux de départ renouvelables ne sont que quelques exemples des décisions majeures prises qui auront finalement de vastes conséquences pour les marchés chimiques mondiaux.
Leur extrême stabilité et leur faible réactivité ont posé un défi redoutable, limitant leur utilisation comme matières premières durables pour l’industrie chimique. La capacité de convertir le gaz naturel en intermédiaires chimiques polyvalents ouvre de nouvelles possibilités pour l’industrie, jetant les bases pour remplacer progressivement les sources pétrochimiques par des alternatives plus durables.
L’implémentation d’un processus pour aider l’industrie en aval avec l’utilisation du CO2 et fournir un approvisionnement en hydrogène à faible teneur en carbone est hautement souhaitable. Cela représente un changement de paradigme où la durabilité est le produit principal et les produits chimiques à base de combustibles fossiles sont un puits de carbone avec une valeur marchande significative. La valeur de durabilité sera la plus élevée pour les matières premières de méthane et offrira également l’une des utilisations les plus efficaces de l’électricité renouvelable.
Cette percée du CiQUS transforme un défi vieux de plusieurs décennies en opportunité commerciale. L’équipe CiQUS continue de tester de nouvelles molécules et d’affiner les conceptions de catalyseurs. Ils soutiennent que la méthode offre un modèle pour une chimie industrielle plus propre. Reste désormais à prouver que cette chimie verte peut rivaliser économiquement avec les géants pétrochimiques établis et convaincre une industrie pharmaceutique traditionnellement conservatrice d’adopter cette nouvelle voie de synthèse.
Sources :