Le méthane apprivoisé

Constituant majoritaire du gaz naturel et du biogaz, le méthane (CH₄) qui est un gaz à effet de serre, est aujourd’hui principalement utilisé pour produire de l’énergie, par sa combustion qui donne du dioxyde de carbone (CO₂), ou du gaz de synthèse (CO/H₂). Cette molécule qui est abondante,  est le plus simple des alcanes, molécules constituées exclusivement d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H), liés entre eux par des liaisons simples, ce qui donne un nombre maximal d’atomes d’hydrogène autour des chaines de carbone.

Les alcanes étant considérés comme des composés inertes, tenter de les transformer est donc un formidable défi scientifique. De par sa grande symétrie, la force et l’inertie des liaisons entre les atomes de carbone et d’hydrogène, le méthane est très difficile à « fonctionnaliser », (en particulier de façon catalytique), une opération qui revient à greffer une nouvelle fonction à une molécule, c’est-à-dire un nouveau groupe d’atomes qui donnent de nouvelles propriétés et in fine un nouveau produit.

Pouvoir transformer le méthane en un composé à forte valeur ajoutée est donc un enjeu considérable. Jusqu’alors, les chimistes n’y étaient arrivés qu’en de rares occasions : soit dans des conditions extrêmes (température élevée, milieu très acide), soit en utilisant une toute autre chimie (approche bio-inspirée ou utilisation de modèle biochimique). Dans le cadre du programme européen Era-chemistry initié par le CNRS, l’équipe de Michel Etienne du Laboratoire de chimie de coordination du CNRS et de l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, en collaboration avec entre les équipes espagnoles de Pedro J. Pérez de l’université de Huelva et de Gregorio Asensio de l’Université de Valencia ont réussi cette prouesse par catalyse organométallique dans des conditions extrêmement douces.

Transformation en molécule potentiellement valorisable.

En réunissant leurs compétences complémentaires dans les domaines de la synthèse et de la catalyse en milieu supercritique, ces chimistes ont directement converti le méthane en ester (propionate d’éthyle) par réaction avec un diazocarbène en présence d’un catalyseur et à température modérée (40°C). Cet ester est une molécule que les chimistes savent aisément utiliser,  par exemple dans l’industrie agroalimentaire ou des arômes.

C’est le catalyseur qui permet l’insertion d’un carbène, un composé très réactif dont le comportement est généralement difficile à contrôler, dans une des liaisons CH du méthane et ainsi la fonctionnaliser. Ce catalyseur est un complexe d’argent rendu extrêmement actif grâce à une complexation avec des ligands hautement fluorés. Cette complexation rend également le catalyseur soluble dans le dioxyde de carbone supercritique (scCO₂). L’utilisation de scCO₂ est nécessaire car il permet de dissoudre l’ensemble des réactifs et produits, et est lui-même totalement inerte vis à vis du catalyseur.

Si des applications synthétiques peuvent encore sembler éloignées, les performances de ces catalyseurs démontrent qu’une molécule aussi peu réactive que le méthane peut être « fonctionnalisée » par formation d’une liaison carbone-carbone en molécule potentiellement valorisable.