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29 novembre 1952 – Vladimir Ipatieff, chimiste russo-américain

ImageVladimir Ipatieff est le super-héros de la catalyse dont vous n’avez jamais entendu parler Basics of Atoms Sketchnote | Sketch notes, Sketchnotes, ChemistryVladimir Nikolaïevitch Ipatieff (1867-1952) chimiste russo-américain

Vladimir Nikolayevich Ipatieff, (né le 21 novembre [9 novembre, style ancien] 1867 à Moscou, Russie – décédé le 29 novembre 1952 à Chicago, Illinois, États-Unis), chimiste américain d’origine russe qui était l’un des premier à étudier les réactions catalytiques à haute pression de hydrocarbures et qui a dirigé des équipes de recherche qui ont développé plusieurs procédés de raffinage du pétrole en indice d’octane élevé essence.ImageEn 1887, Ipatieff devint officier dans l’armée impériale russe et fréquenta plus tard l’Académie d’artillerie Mikhail (1889-1892), Saint-Pétersbourg, où il servit d’abord comme instructeur de chimie (1892-1898) puis comme professeur de chimie et d’explosifs (1898-1906). En 1897, il se rendit à Munich pour étudier la chimie de la poudre à canon. Là-bas, il a synthétisé et prouvé la structure del’ isoprène, l’unité moléculaire de base du caoutchouc naturel. Poursuivant ses études en chimie organique après son retour en Russie, il apprend très vite à contrôler et diriger des réactions catalytiques à haute pression, démontrant que les composés inorganiques peuvent induire des réactions chimiques dans les composés organiques. Pour mener ses expériences à haute pression, il a conçu un nouvel autoclave, scellé par un joint en cuivre, connu sous le nom de « bombe Ipatieff ». Une thèse basée sur ses recherches lui a valu un doctorat en chimie de l’Université de Saint-Pétersbourg (1908).Vladimir Haensel – Breath of Fresh Air - Features - The Chemical EngineerPendant la Première Guerre mondiale, Ipatieff, alors lieutenant général dans l’armée, a été nommé président de divers comités qui ont dirigé les efforts de guerre de l’industrie chimique, y compris le développement des gaz toxiques et des défenses contre les gaz toxiques. En 1916, il est élu à l’Académie russe des sciences. Malgré ses sentiments anticommunistes, il continua à travailler pour le gouvernement après la révolution russe et, en 1927, il reçut un prix Lénine pour son travail de catalyse. Cependant, il s’est inquiété de l’arrestation de nombreux collègues scientifiques et, en 1930, il a quitté l’URSS avec sa femme pour une conférence en Allemagne et n’est jamais revenu. Il a accepté un poste de directeur de la recherche chimique à l’Universal Oil Products Company (UOP) à Chicago et est également devenu maître de conférences en chimie organique à la Northwestern University.ImageAu laboratoire UOP, Ipatieff a appliqué ses procédés catalytiques à la fabrication d’essence à indice d’octane élevé à partir de matières premières de faible valeur. Lui et son équipe ont développé un procédé dans lequel certaines oléfines légères présentes dans les gaz résiduaires, lorsqu’elles sont soumises à la chaleur et à la pression en présence d’ acide phosphorique et de kieselguhr, sont amenées à se polymériser en oléfines liquides qui peuvent ensuite être raffinées en essence. Ils ont également développé une réaction d’alkylation dans laquelle deux molécules plus petites, l’une une oléfine et l’autre une iso paraffine (généralement de l’isobutane), se combinent sous l’influence d’un catalyseur d’acide sulfurique pour produire une molécule à chaîne longue à indice d’octane élevé. Pour produire la matière première d’isobutane pour la réaction d’alkylation, l’équipe a développé un procédé d’isomérisation qui produit l’isobutane à chaîne ramifiée à partir d’un abondant  » butane normal » à chaîne droite. Les processus de polymérisation, d’alkylation et d’isomérisation d’Ipatieff sont devenus essentiels à la production d’essence à indice d’octane élevé pendant la Seconde Guerre mondiale.  Ipatieff a remporté de nombreux prix, est devenu citoyen américain en 1937 et a été élu à l’Académie nationale des sciences en 1939. En 1945, ses mémoires sur sa vie et son travail en Russie ont été publiés en anglais sous le titre The Life of a Chemist.

Un scientifique d’origine russe a révolutionné la chimie en aidant à lancer la catalyse hétérogène il y a plus d’un siècle. Aujourd’hui, presque personne ne connaît son nomVladimir Ipatieff is the catalysis superhero you’ve never heard of

L’homme regarda par-dessus une épaule, puis l’autre, s’assurant subrepticement que personne n’était à portée de voix. Convaincu que la côte était dégagée, avec un accent russe, il a déclaré : «Ipatieff a bien fait de faire défection. Tobin J. Marks de la Northwestern University ne se souvient pas du nom de l’homme prudent, mais il se souvient que le chimiste soviétique a attendu d’attraper Marks seul dans un coin tranquille lors d’une conférence de recherche Gordon sur la catalyse au début des années 1980 pour partager ses réflexions. À l’époque, la guerre froide s’éternisait.  L’homme faisait référence à Vladimir Nikolayevich Ipatieff, le chimiste autodidacte qui, au début du 20e siècle, a jeté les bases de la chimie organique catalytique et du raffinage pétrochimique, pierres angulaires de l’entreprise chimique mondiale d’aujourd’hui.Catalyst Regeneration | Yokogawa AmericaNé à Moscou il y a un peu plus de 150 ans, Ipatieff s’est fait connaître en tant que chimiste pendant la Première Guerre mondiale. À la demande du tsar Nicolas II, il a dirigé l’industrie chimique russe dans la préparation d’explosifs et dans d’autres efforts de guerre. Mais en 1930, alors que Joseph Staline resserrait son emprise sur la Russie, la redoutable police d’État arrêta de nombreux hauts fonctionnaires et d’autres qui avaient été fidèles au tsar et opposés au communisme. Plusieurs amis et collègues d’Ipatieff ont été exécutés. D’autres ont tout simplement disparu. Craignant pour sa vie, Ipatieff s’est enfui et n’est pas revenu, même après la fin des temps agités. Finalement, il s’est rendu à Chicago, où il a dirigé des programmes de recherche chez Universal Oil Products (UOP), une société de technologie de génie chimique, et chez Northwestern.Continuous Catalyst Regeneration | FSC 432: Petroleum RefiningBien qu’il ait développé plusieurs procédés catalytiques industriels qui sont encore utilisés aujourd’hui, Ipatieff et ses contributions ont été largement oubliés en dehors des cercles de catalyse purs et durs. C’est regrettable, disent les praticiens de la catalyse d’aujourd’hui. Selon eux, les jeunes scientifiques peuvent devenir plus productifs et mieux préparés pour leur carrière en apprenant l’histoire de la chimie, y compris des histoires comme celle d’Ipatieff.  Adolescent, Ipatieff a fréquenté l’école militaire de Saint-Pétersbourg, se concentrant sur les cours de mathématiques et d’artillerie. Il a ensuite commencé à enseigner ces matières et, selon ses mémoires, a utilisé son temps libre pour étudier la chimie en lisant les manuels de Dmitri Mendeleev et Nikolai Menshutkin. Ipatieff a obtenu son diplôme en 1887 à 20 ans, devenant officier dans l’armée du tsar. Ses notes élevées à l’école lui ont valu une petite prime gouvernementale qu’il a utilisée pour construire un laboratoire à domicile, où il a acquis une expérience pratique rudimentaire en chimie.ImageAprès avoir servi comme officier de terrain pendant 2 ans, Ipatieff est retourné à l’académie militaire de Saint-Pétersbourg en tant qu’étudiant de niveau supérieur (ou diplômé). C’est là qu’il a commencé à enquêter sur les propriétés de l’acier utilisé pour fabriquer des systèmes d’artillerie. Ce travail a conduit à son premier article de recherche, publié dans un journal d’artillerie en 1892, la même année où il a été nommé instructeur de chimie à l’académie. Les recherches d’Ipatieff sur les métaux l’ont amené à développer des réacteurs chimiques en acier pour effectuer des réactions de composés organiques. Et cela a lancé une partie du travail pour lequel il est le plus connu.  Au tournant du siècle, Ipatieff a fait une découverte fondamentale : les réactions chimiques peuvent être influencées par les parois du conteneur dans lequel elles se déroulent, comme les parois intérieures d’un réacteur en acier.Synthetic strategies of single-atoms catalysts and applications in electrocatalysis - ScienceDirectUn cas étudié par Ipatieff concernait l’alcool isoamylique. Il a découvert que l’écoulement de l’alcool à travers un tube de fer chauffé éliminait l’hydrogène de l’extrémité de la molécule, produisant l’aldéhyde et l’hydrogène moléculaire correspondants. Aucune réaction ne s’est produite lorsqu’il a utilisé un tube de quartz. Ipatieff a déterminé que le contact avec la surface intérieure du tube de fer provoquait la déshydrogénation de divers types d’alcools – formes primaires, secondaires et tertiaires, formant respectivement des aldéhydes, des cétones et des alcènes. Il a qualifié ces phénomènes de « réactions de contact ». Le terme d’aujourd’hui est la catalyse hétérogène.

Reconnaissant que les surfaces des solides inorganiques pouvaient stimuler les réactions organiques, Ipatieff a ensuite mené des études systématiques sur les métaux et les oxydes métalliques, en particulier en tant que catalyseurs de la déshydratation de l’alcool. Il a découvert que le comportement catalytique – en particulier l’efficacité ou l’efficience d’un catalyseur – pouvait être amélioré en dispersant finement les particules de catalyseur sur un support inerte et en incluant de petites quantités de zinc ou de cuivre sur le support. Ces types d’additifs, désormais appelés promoteurs, sont encore utilisés aujourd’hui dans les réactions industrielles. The Comparison between Single Atom Catalysis and Surface Organometallic Catalysis | Chemical ReviewsPlusieurs scientifiques, dont certains qui connaissaient personnellement Ipatieff et d’autres qui sont nés après sa mort en 1952, ont beaucoup écrit sur ses contributions à la chimie. Un exemple récent vient de Christopher P. Nicholas, qui mène des recherches sur la catalyse à l’UOP près de 90 ans après qu’Ipatieff a commencé à y travailler (ACS Catal. 2018, DOI : 10.1021/acscatal.8b02310). Ipatieff a déterminé que la γ-alumine, un type d’oxyde d’aluminium, fonctionne comme un catalyseur de déshydratation très efficace, en particulier pour convertir l’éthanol en éthylène. Nicholas note que ce travail d’éthanol en éthylène a ensuite conduit Ipatieff à développer des méthodes pour convertir l’éthanol en d’autres alcènes, tels que le butadiène, un matériau clé nécessaire à la fabrication du caoutchouc. Dans les années 1940, ces procédés étaient utilisés en Union soviétique et aux États-Unis pour fabriquer des centaines de milliers de tonnes métriques de butadiène par an. Ils sont encore utilisés commercialement.

L’une des plus grandes innovations chimiques d’Ipatieff au tournant du siècle consistait à combiner la catalyse de surface avec la haute pression. Il l’a fait en développant des autoclaves spécialisés, parfois appelés bombes. Ipatieff a conçu ces récipients en acier de telle sorte que leurs hauts et leurs bas étaient bordés de bords de couteau d’accouplement qui pouvaient s’enfoncer dans une bague d’étanchéité en cuivre lorsqu’ils étaient boulonnés ensemble, permettant aux conteneurs d’être scellés hermétiquement et de résister à des pressions extrêmes.  Comme Aristid V. Grosse de l’UOP l’a noté dans un hommage à Ipatieff en 1937, ces tubes à essai métalliques ont introduit des pressions et des températures élevées comme nouveaux facteurs – c’est-à-dire des variables de réaction jusque-là inexplorées – dans la recherche en chimie.Chemistry Valentines Day Cards - MundokaysenÀ l’aide des autoclaves, qu’il a parfois doublés de cuivre, d’argent ou d’autres matériaux catalytiques, Ipatieff a exploré la chimie à des pressions près de 500 fois supérieures à la pression atmosphérique et à 500 ° C. Dans ces conditions extrêmes, inaccessibles aux chimistes utilisant des équipements en verre conventionnels, Ipatieff fabriquait des produits chimiques de base et d’autres produits à volume élevé via des voies synthétiques potentiellement moins coûteuses que les conventionnelles de l’époque. Par exemple, il a utilisé ses méthodes à haute pression pour oxyder le phosphore en acide phosphorique, largement utilisé pour fabriquer des engrais et des détergents. Il a également montré que le cuivre et d’autres métaux couramment utilisés dans la fabrication pouvaient être isolés à partir de solutions salines aqueuses, une alternative simple à l’affinage des métaux. Tous ces procédés étaient – ou sont encore – significatifs industriellement.

« Ipatieff avait une expérience unique dans le domaine des munitions, de l’artillerie et de la métallurgie qui l’a amené à réfléchir aux propriétés des matériaux et à leur influence sur les réactions chimiques », explique Bruce C. Gates, ingénieur chimiste à l’Université de Californie à Davis. L’expérience d’Ipatieff avec l’équipement militaire a fourni le savoir-faire pour travailler à des températures et des pressions élevées, ce qui le distingue des autres chimistes, ajoute Gates. « Ipatieff a reconnu qu’il n’était pas limité à l’utilisation de la verrerie, ce qui a ouvert un vaste horizon de transformations organiques qui ont finalement conduit au raffinage du pétrole. »Image  La plupart des travaux d’Ipatieff dans le domaine qui a ensuite été surnommé le raffinage du pétrole ont eu lieu aux États-Unis après 1930, lorsqu’il a émigré de Russie. Peu de temps après son arrivée à Chicago, il a développé un catalyseur de raffinage très actif en traitant la silice avec de l’acide phosphorique. Connu sous le nom d ‘«acide phosphorique solide» ou SPA, le catalyseur acide a permis l’enchaînement de butènes ou d’un mélange de butènes et de propène en chaînes courtes. Lorsqu’il est suivi d’une hydrogénation, le processus a donné de l’essence avec un indice d’octane de 81, bien supérieur au carburant à indice d’octane de 65 produit au niveau de plusieurs milliards de litres aux États-Unis à cette époque. En général, plus l’indice d’octane d’un carburant est élevé, meilleures sont les performances d’un moteur.ImageSelon Nicholas, les compagnies pétrolières ont rapidement commercialisé le procédé d’Ipatieff, construisant plus de 100 unités de raffinage de 1935 à 1945 pour faire fonctionner cette chimie de fabrication de carburant. Près de 10 % des raffineries d’aujourd’hui continuent de produire de l’essence de cette façon, dit-il.  Le SPA a également été utilisé pour fabriquer des carburants avec des indices d’octane encore plus élevés. Par exemple, le catalyseur a été utilisé pour entraîner des alkylations aromatiques, telles que la réaction du benzène avec du propène pour fabriquer du cumène (également connu sous le nom d’isopropylbenzène), un composant clé du carburant d’aviation à indice d’octane 100. Initialement, pour des raisons de sécurité nationale, les détails de ce processus de raffinage ont été tenus à l’écart de la littérature ouverte, souligne Nicholas. Finalement, l’ordre du bâillon a été levé et Ipatieff et son associé de recherche de longue date, Herman Pines, un jeune collègue avec qui il a travaillé à l’UOP et à Northwestern, sont devenus bien connus dans les cercles de chimie pour avoir développé divers procédés catalysés par l’acide qui ont donné des résultats ultra-élevés. -carburants performants.ImageCes méthodes ont été utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale pour fabriquer des dizaines de millions de litres par mois de carburants d’aviation à indice d’octane 100. Ces mélanges riches en énergie sont crédités d’avoir donné aux avions de combat de la Royal Air Force un avantage critique en termes de vitesse de vol et de maniabilité, permettant à leurs pilotes nettement plus nombreux de maintenir la supériorité aérienne et de repousser la puissante armée de l’air allemande lors de la bataille d’Angleterre, qui a commencé en l’été 1940.

Ipatieff a continué à travailler en étroite collaboration avec Pines et d’autres membres de son groupe de recherche développant des procédés catalytiques industriels jusqu’à sa mort subite en 1952 à l’âge de 85 ans. En fin de compte, il a laissé derrière lui un héritage de recherche de plus de 50 ans qui comprend près de 350 articles de revues et plus de 200 brevets. Son nom continue de vivre, mais seulement d’un nombre limité de façons. Par exemple, tous les 3 ans, l’American Chemical Society (qui publie C&EN) décerne le prix Ipatieff pour des travaux exceptionnels en catalyse et en chimie haute pression. Et depuis 1953, Northwestern a nommé des universitaires à la chaire Ipatieff. Pines a été la première personne à détenir ce titre. Marks est l’actuel professeur Ipatieff. Mais à part ces quelques honneurs, Ipatieff, bien qu’il ait aidé à établir le domaine vital de la chimie de la catalyse hétérogène, a été largement oublié. Il a été nominé 10 fois pour le prix Nobel de chimie mais n’a jamais gagné.

« Ipatieff est certainement sous-estimé », déclare Gates. Une partie de la raison peut être qu’il a écrit en russe et que ses articles ont été traduits et publiés en allemand, limitant leur portée. Et il a déposé très peu de brevets avant de venir aux États-Unis. Mais selon Gates, le manque de notoriété d’Ipatieff est également dû au fait que les scientifiques universitaires ne mettent généralement pas l’accent sur l’histoire des sciences dans leurs cours.  Devraient-ils ? Comment les étudiants bénéficieraient-ils d’apprendre sur les chimistes d’il y a longtemps ?

« Cela leur fournirait une perspective unique sur l’importance de notre domaine de la chimie dans le flux de l’histoire, de la politique et des grands événements mondiaux », déclare Gabor A. Somorjai de l’Université de Californie à Berkeley. Somorjai reconnaît qu’il aime l’histoire mais que tout le monde ne l’aime pas.  Pimenter une conférence avec des histoires historiques passionnantes peut être comme faire une démonstration pyrotechnique cool, dit Somorjai. Les deux peuvent grandement contribuer à susciter l’enthousiasme d’un élève pour les sciences. C’est pourquoi il aime raconter l’histoire de la bataille d’Angleterre lorsqu’il enseigne la cinétique de la combustion catalytique.  Les experts en catalyse tels que Somorjai qui ont travaillé dans le domaine pendant de nombreuses décennies ne sont pas les seuls à voir l’avantage d’enseigner l’histoire des sciences aux étudiants. Les jeunes chercheurs partagent également le sentiment.  Nicholas, par exemple, dit que l’une des principales raisons pour lesquelles il a écrit l’article ACS Catalysis était de remédier au manque frappant de sensibilisation des scientifiques aux contributions d’Ipatieff. « Il est important d’apprendre l’histoire de votre domaine et d’apprécier la façon dont vous vous tenez sur les épaules de ceux qui vous ont précédé », dit-il. « Cette histoire est très inspirante. »

Susannah L. Scott de l’Université de Californie, Santa Barbara, est d’accord. « Il est important de rappeler aux scientifiques, en particulier aux jeunes, à quel point des personnes comme Ipatieff sont précieuses », dit-elle. Ipatieff est arrivée aux États-Unis dans des conditions turbulentes et a fait des découvertes qui ont changé la trajectoire de toute l’industrie chimique américaine, affirme-t-elle. Bon nombre de ces découvertes et leur impact durable sont le fruit de recherches suscitées par la curiosité. De nos jours, en raison des budgets, des objectifs et des délais, cette approche de la découverte scientifique est plutôt rare. « C’est la curiosité qui mène aux véritables percées », dit Scott. « Nous devrions admirer ce genre de curiosité et la laisser nous motiver dans nos enquêtes. » Elle ajoute : « Nous devrions essayer de penser comme Ipatieff et encourager les jeunes scientifiques à faire de même.

L’essence de carburant

Essence, également orthographié gazoline, également appelé gaz ou essence, mélange d’hydrocarbures liquides volatils et inflammables dérivés du pétrole et utilisé comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Il est également utilisé comme solvant pour les huiles et les graisses. À l’origine un sous-produit de l’industrie pétrolière (le kérosène étant le produit principal), l’essence est devenue le carburant automobile préféré en raison de sa grande énergie de combustion et de sa capacité à se mélanger facilement à l’air dans un carburateur.

L’essence a d’abord été produite par distillation, séparant simplement les fractions volatiles et plus précieuses du pétrole brut. Des processus ultérieurs, conçus pour augmenter le rendement de l’essence à partir du pétrole brut, divisent les grosses molécules en plus petites par des processus connus sous le nom de craquage. Le craquage thermique, utilisant la chaleur et des pressions élevées, a été introduit en 1913 mais a été remplacé après 1937 par le craquage catalytique, l’application de catalyseurs qui facilitent les réactions chimiques produisant plus d’essence. D’autres méthodes utilisées pour améliorer la qualité de l’essence et augmenter son approvisionnement comprennent la polymérisation, la conversion des oléfines gazeuses, telles que le propylène et le butylène, en molécules plus grosses dans la gamme des essences ; l’alkylation, procédé associant une oléfine et une paraffine telle que l’isobutane ; l’isomérisation, la conversion d’hydrocarbures à chaîne droite en hydrocarbures à chaîne ramifiée ; et reformage, en utilisant soit de la chaleur, soit un catalyseur pour réarranger la structure moléculaire.

L’essence est un mélange complexe de centaines d’hydrocarbures différents. La plupart sont saturés et contiennent de 4 à 12 atomes de carbone par molécule. L’essence utilisée dans les automobiles bout principalement entre 30° et 200° C (85° et 390° F), le mélange étant adapté à l’altitude et à la saison. L’essence d’aviation contient de plus petites proportions de composants moins volatils et plus volatils que l’essence automobile.

Les caractéristiques antidétonantes d’une essence – sa capacité à résister au cognement, ce qui indique que la combustion des vapeurs de carburant dans le cylindre se produit trop rapidement pour l’efficacité – sont exprimées en indice d’octane. L’ajout de plomb tétraéthyle pour retarder la combustion a été initié dans les années 1930 mais a été interrompu dans les années 1980 en raison de la toxicité des composés du plomb rejetés dans les produits de combustion. D’autres additifs à l’essence comprennent souvent des détergents pour réduire l’accumulation de dépôts dans le moteur, des agents antigivrage pour prévenir le calage causé par le givrage du carburateur et des antioxydants (inhibiteurs d’oxydation) utilisés pour réduire la formation de «gomme». À la fin du 20e siècle, la hausse du prix du pétrole (et donc de l’essence) dans de nombreux pays a conduit à l’utilisation croissante du gasohol, qui est un mélange de 90 % d’essence sans plomb et de 10 % d’éthanol (alcool éthylique). Le gasohol brûle bien dans les moteurs à essence et est un carburant alternatif souhaitable pour certaines applications en raison du caractère renouvelable de l’éthanol, qui peut être produit à partir de céréales, de pommes de terre et de certaines autres matières végétales.

Vladimir Nikolayevich Ipatieff (1867-1952)

Chimiste russo-américain qui a été l’un des premiers à étudier les réactions catalytiques à haute pression des hydrocarbures et qui a mis au point un procédé de fabrication d’essence à indice d’octane élevé. Pendant ses études à Munich (1897), Ipatieff réalise la synthèse de l’isoprène, l’unité de base de la molécule de caoutchouc. De retour en Russie, il travaille notamment sur l’utilisation de la catalyse à haute pression et des oxydes métalliques comme catalyseurs. Avec ces techniques, il a aidé à établir l’industrie pétrochimique dans la Russie pré- et post-révolutionnaire. Avant la Première Guerre mondiale, il avait synthétisé l’isooctane et avait polymérisé l’éthylène. Après avoir déménagé aux États-Unis (1930), Ipatieff a montré comment convertir des essences à faible indice d’octane en essences à indice d’octane élevé en «craquant» des hydrocarbures à haute température.

https://isen.northwestern.edu/nu-symposium-honors-chemist-vladimir-nikolayevich-ipatieff-who-helped-win-world-world-ii

https://cen.acs.org/people/profiles/Vladimir-Ipatieff-catalysis-superhero-ve/97/i19

https://www.britannica.com/biography/Vladimir-Nikolayevich-Ipatieff

https://todayinsci.com/11/11_29.htm#death

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