Introduction à la chimie verte

Introduction à la chimie verte
EPFL
1er décembre 2009

Pierre-Philippe Chappuis
Dr. ing. chimiste EPFL

1

Plan du cours
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.
2.1
2.2
3.
3.1
3.2
3.3
3.4

Concept de chimie verte
Qu’est-ce que la chimie ?
Les fondements historiques
Quelques concepts de base
Définition de la chimie verte
Quelques instruments utiles à la chimie verte
Exemples concrets
DTE (industrie chimique)
Ibuprofen (industrie pharmaceutique)
La chimie verte comme source de progrès
Les problèmes de la chimie verte
Chimie versus Biotechnologie
Quelques technologies prometteuses
Conclusion
2

1.

Concept de chimie verte

« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »
Maxime d’Anaxagore (philosophe présocratique) reprise par A. Lavoisier vers 1780

3

1.1


J.-M. Lehn 1997 (prix Nobel de chimie)
« La chimie est la science de la matière et de
ses transformations, et la vie est son expression la plus haute.
Elle fournit des structures douées de propriétés et élabore les procédés de
synthèse de ces structures…
La chimie est aussi science de transfert, nœud de communication
entre le simple et le complexe, entre les lois de la physique et
les règles de la vie … »

4

1.1

Le chimiste pollueur reste une image archétypale dont il sera bien
difficile de se débarasser.
Un nouveau concept est apparu; celui de Green Chemistry.
Est-ce un nouveau slogan ou une nécessité ?
Assurément les deux !

5

1.2


La chimie verte est apparue aux Etats-Unis dans les années 90.
« Aucun développement durable n’est possible sans la participation
active de l’industrie chimique »

Définition 1
« La chimie du XXIe siècle devra être verte, c’est-à-dire respectueuse de
notre environnement »
Green Chemistry, P.T. Anastas, T.C. Williamson (eds), ACS, Symp. Series 626, ACS,
Washington, DC, 1996

6

1.2

Définition 2
Une définition classique de la chimie verte englobant clairement
le génie chimique peut être donnée comme suit :

« La conception, le développement et l’implantation de procédés et de
produits chimiques dans le but de réduire ou d’éliminer les substances
dangereuses à la santé humaine ou l’environnement »
P.T. Anastas et J. Warner « Green Chemistry Theory and Practice », 1998

Définition 3
La définition 2 a été précisée et améliorée en 2002 par
M. Poliakoff, J. M. Fitzpatrick, T.R. Farren et P.T. Anastas
7

1.3

Quelques concepts de base

quatre concepts de base
1)  utiliser au maximum les matières premières qui, transformées,
doivent se retrouver le plus largement possible dans le produit final,
limitant ainsi la production de sous-produits
3)  utiliser des solvants propres, non toxiques et compatibles avec
l’environnement
5)  utiliser au mieux l’énergie, en termes de rendement, d’économie, de
sources et de rejets
4)

produire des quantités minimales de déchets dans des formes
adaptées (solide, liquide ou gazeuse) qui limitent leur dissémination
potentielle et facilitent le recyclage
8

1.4

Les 12 principes de la chimie verte

1 Prévention des déchets
Prévenir et limiter la production des déchets
2 Economie de matière
Concevoir les synthèses de manière à maximiser l’incorporation des matériaux
utilisés au cours du procédé dans le produit final
3 Synthèses chimiques moins nocives
Faire des réactions chimiques avec des produits/réactifs avec peu ou pas de
toxicité
4 Conception de produits chimiques plus sûrs
Concevoir des produits et des composés chimiques avec peu ou pas de toxicité
5 Réduction des solvants et auxiliaires de synthèse
Minimiser l’utilisation de composés réactionnels intermédiaires
9

1.4


6 Amélioration du rendement énergétique
Rechercher l’efficacité énergétique de la réaction : travailler à température et
pression ambiante quand cela est possible
7 Utilisation de matières premières renouvelables
Préférer les matières premières renouvelables (biomasse…) à celles fossiles
(hydrocarbures, charbon…)
8 Réduction de la quantité de produits dérivés
Modification du procédé physico-chimique
9 Catalyse sélective
Utiliser au maximum les catalyseurs dans les réactions chimiques afin de
minimiser les quantités de réactifs utilisés et de déchets produits
10

1.4


10 Conception de substances non-persistantes
Concevoir des produits chimiques qui se décomposeront en composés inertes et
qui ne s’accumuleront pas dans l’environnement
11 Analyse en temps réel de la lutte contre la pollution
Analyser en continu toutes les réactions de transformation pour détecter
immédiatement la production de sous-produits afin de les minimiser , voire les
éliminer
12 Chimie essentiellement sécuritaire afin de prévenir les accidents
Concevoir des produits chimiques dans des formes appropriées (liquide, solide ou
gazeuse …) afin de limiter les risques d’accident : explosions, incendies,
dissémination dans l’environnement etc.
11

1.4

Forme mnémonique des 12 principes

Prevent wastes
Renewable materials
Omit derivatization steps
Degradable chemical products
Use safe synthetic methods
Catalytic reagents
Temperature, pressure ambient
In-process monitoring
Very few auxiliary substances
E-factor, maximize feed in product
Low toxicity of chemical products
Yes, it is safe
S.L.Y. Tang, R.L. Smith and M. Poliakoff Green Chem, 7, 761-762, 2005
12

1.4


La chimie verte parfois appelée chimie durable se situe au cœur de l’écologie industrielle

Ingénierie verte
Ecologie industrielle

Chimie verte

Développement durable

Adapté partiel de l’article : P.T. Anastas & J.J. Breen, J. Cleaner Production (1997)
13

1.5


a) E-facteur
Le E-facteur a été introduit par Roger A. Sheldon en 1980 déjà.
Définition : le E-facteur est la mesure de la quantité de déchets produits
pour fabriquer un produit donné comparé à la quantité de ce même
produit final (utilisable).
E-facteur = masse de déchets [kg] / masse de produit [kg]
Roger A. Sheldon, Green Chem., 2007, 9, 1273
R. A. Sheldon, « Atom utilisation, E factors and the catalytic solution » C. R. Acad. Sci.
Paris, Série IIc (2000) 541

En principe, ce facteur est facile à déterminer !
E-facteur = (masse des entrées – masse des sorties) [kg] / masse de
produit final [kg]
14

1.5


Secteur

Tonnage annuel

Facteur E

< 104-106

<1-5

Chimie fine

102-104

5 - 50

Industrie pharmaceutique

10-103

> 25-100

Chimie lourde

Le but final serait E-facteur égal à zero

15

1.5


Plus simplement, le E-facteur peut être vu de la façon suivante :

16

1.5


b) Utilisation atomique (efficacité atomique)

Introduite par B.M. Trost, également appelée l’efficacité atomique

B. M. Trost, « The atom economy, a search for synthetic efficiency » Science, 254 (1991) 1471

Le E-facteur est relié à l'utilisation atomique par la relation suivante :

17

2.

Exemples concrets

« Science sans conscience n’est que ruine de l’âme »
François Rabelais vers 1532

18

2.1


Fabrication du réactif de Cleland (DTE)
DTE; Erythro-1,4-dimercapto-2,3-butanediol;
dithioerythritol (d.t.e);
Dithioerythritol,
Molecular Biology Grade DTE;
1,4-Dithioerythritol, 99%;
1,4-Dithioerythritol; Cleland's; 1,4Dimercapto-2,3-butanediol, erytho-Form

Domaine d’applications étendu (intérêt économique et scientifique)
Biotechnologie (proteomics, genomics…)
Enzymologie
Technique de greffage
Agent dénaturant / agent protecteur
Utilisation en électrophorèse (sur gel)
Matrice pour FAB-MS (« magic bullet »)

19

2.1

Caractéristiques physico-chimiques et toxicologiques

Nom du produit
Poids moléculaire
Formule brute
Apparence
Point de fusion
Stabilité
Solubilité dans l’eau
Incompatibilité
Produits de décomposition dangereux

Prescription de sécurité S 24/25
Propriétés toxicologiques
Numéro CAS
EINECS
RTECS
LD50 (souris)
Entreposage

1,4-Dithioerythritol
154,25 g mol-1
C4H10O2S2
poudre cristalline blanche avec odeur typique
>81°C
stable
5 % w/v
forts agents oxydants, agents réducteurs,
bases et métaux alcalins
décomposition thermique peut produire des fumées
toxiques monoxyde et dioxyde de carbone, oxydes de soufre
et sulfure d’hydrogène
éviter le contact avec les yeux et la peau
mal connues
6892-68-8
2299988
KF2410000
309 mg/kg
2-8°C sous azote
20

2.1


Le réactif de Cleland est un produit chimique important utilisé pour réduire
quantitativement les liaisons disulfures et maintenir les monothiols dans un
état réduit.
A basse concentration, le DTE stabilise les enzymes qui possèdent des
groupes libres sulfhydriques. Après oxydation, l’activité in vitro peut être
restaurée (équilibre redox).
Dithioerythritol

C4H8O2S2/C4H10 O2S2

-330 mV

Dithionite

SO32-/S2O42-

-527 mV

Dithiothreitol

C4H8O2S2/C4H10O2 S2

-330 mV

W.W Cleland, Biochemistry 3, 480 (1964)
21

2.1

Principe de base d’utilisation du DTE

1) Equilibre d’oxydo-réduction entre le DTE et sa forme oxydée 4,5Dihydroxy-1,2-dithiane
2) C4H8O2S2 / C4H10O2S2

-330 mV

Réduction du pont disulfure entre deux cystéines

22

2.1


Utilisation intensive en biotechnologie
Antioxydant
Agent protecteur
Agent chelatant de métaux lourds
Agent dénaturant de certaines protéines
Applications industrielles principales
Stabilisation des enzymes, anticorps et facteurs de croissances divers
Très pratique pour la production de protéines en grande quantité
Réactif très utile en synthèse organique pour la protection des thiols
Grand intérêt de la concurrence en raison de ses qualités
Nombreuses applications en biotechnologie
Spécifications bien établies
Bonne reproductibilité des lots à produire
Peu d’impuretés présentes lors d’un stockage sous azote
Faible odeur de thiol

23

2.1

Fabrication du 1,4-Dithioerythritol (DTE)
OH

OH
OH

HO

3 é ta p e s

SH

HS
OH

OH
Meso-Erythritol
122,12 g mol-1

154,25 g mol-1

1,4-Dithioerythritol est produit à partir de Meso-Erythritol en trois étapes
distinctes (synthèse multistade)

1) Bromuration et acétylation
2) Substitution nucléophile
3) Désacétylation
24

2.1


OH

OAc
OH

HO

HBr/AcOH 33%
H2SO4 conc.

OH

Ac2O
0°C

Br

Br
OAc

OH

OAc
Reflux

C2H4OS

331.99 g mol-1

Meso-Erythritol
122.12 g mol-1

H2O

MeOH/K2CO3

SAc

AcS
OAc
322.40 g mol-1

MeOH

HS
MeOH/HCl (gas)

SH

OH
154.25 g mol-1

25

2.1

Détails des opérations unitaires (3 stades)
MeOH
K 2CO 3
Erythrite

Phase I
HBr

H2 SO4

Dissolution

Dissolution
Refroidir 20°C

acide
thioacétique

MeOH
MeOH

Agiter à 20°C

Refroidir

Reflux 3 h

Agiter 12 h

Mélanger -20°C
Phase II

Mélanger

HCl
gazeux

Mélanger

Refroidir 20°C
anhydride
acétique
H2 O
glace

Agiter 48 h

Concentrer

H2O
Refroidir à 0°C

Mélanger
toluène

NaOH

Refroidir 12 h -20°C
Filtrer

Sécher / Stocker

Neutraliser

acétate
d'éthyle

Filtrer / Stocker
Recristalliser

Mélanger
Concentrer

acétate
d'éthyle
éther de
pétrole

DTE

Cristallisation

Mélanger
Cristalliser -20°C
Filtrer

Filtrer

Filtrer / sécher

Distillation
sous vide

Sécher

Phase I

Sécher / Stocker

Phase II

26

2.1

Quantité unitaire globale des substances utilisées
Substance [unité]
Meso-Erythritol [kg]
HBr / AcOH 33 % [litre]
Acide sulfure concentré [litre]
NaOH concentré [litre]
HCl gazeux [kg]
Carbonate de potassium sec [kg]
Acide thioacétique [litre]
Méthanol [litre]
Toluène [litre]
Acétate d’éthyle [litre]
Ether de pétrole [litre]
Eau courante [litre]
Glace [kg]

Quantité unitaire
par rapport DTE [kg]

3,2
18,6
2,8
21,1
0,12
3,0
3,2
32,3
2,0
19,3
2,9
37,3
8,8

Rendement global 25-30 %
27

2.1

Produit de départ
Erythrite est un produit naturel extrait d’algues ou de lichens
Nom du produit
Poids moléculaire
Formule brute
Apparence
Point de fusion
Stabilité
Incompatibilité
Prescription de sécurité S 24/25
Numéro CAS
EINECS
RTECS
LD50 (rat)
Entreposage

Meso-Erythritol
122,12 g mol-1
C4H10O4
poudre cristalline blanche
121,5°C
stable
10 % w/v
forts agents oxydants
monoxyde et dioxyde de carbone lors de
la combustion
éviter le contact avec les yeux et la peau
pas de toxicité connue
149-32-6
2057373
KF2000000
>180000 mg/kg
dans un local sec à température
ordinaire
28

2.1


Caractéristiques physico-chimiques et toxicologiques de l’acide thioacétique
Nom du produit
Poids moléculaire
Formule brute
Apparence
Point d’ébullition
Stabilité
Incompatibilité
Prescription de sécurité S 36/37/38//39


Numéro CAS
EINECS
RTECS
LD50 (rat)
Entreposage

acide thioacétique
76,12 g mol-1
C2H4OS
liquide jaunâtre avec odeur piquante
88-91,5°C
stable mais très inflammable
légèrement soluble avec réaction
forts agents oxydants
décomposition thermique peut produire du sulfure d’hydrogène
Porter un vêtement de protection approprié, des gants
et un appareil de protection des yeux et du visage.
En cas de ventilation insuffisante, porter un appareil
respiratoire approprié
toxique par inhalation, ingestion et contact avec la peau,
brûlure douloureuse, effet à long terme sur les reins
lors de l’inhalation répétée
507-09-05
2080638
AJ5600000
200-350 mg/kg
dans un local à 5°C, sec et bien ventilé
29

2.1


The E factor depends on the recycling rate of solvents, quantity of salty
water used or degree of purity (>99,0 %) among others.
E factors shown in Table 1. are calculated for different recycling conditions :
solvent + water recycling (a), solvent recycling (b) or no recycling (c).
E factor [kg waste/kg DTE]
Step

(a)

(b)

(c)

Yield [%]

min/mout [kg/kg]

i)

1.8

9.8

10.9

67

0.55

ii)

4.1

10.7

20.2

53

1.95

iii)

3.1

3.1

19.7

71

2.96

Table 1. E factor, conversion yield determined for each steps i)-iii)
and three recycling conditions (a)-(c)
30

2.1


Points positifs
• Erythrite, produit naturel renouvelable
existant dans divers algues et lichens, libre
ou à l’état de diester de l’acide orsellique
Extrait de Roccella tinctoria ou de R.
fusciformis, des lichens dits à orseille
• Produit très utilisé en biotechnologie pour
la stabilisation des protéines, permettant
d’éviter certaines pertes ou repurification
• Optimisation de l’incorporation de l’acide
thioacétique dans le DTE

Points négatifs
• Réactifs utilisés souvent toxiques ou
dangereux
• Production de déchets solides, liquides et
gazeux
• Elimination des déchets et peu de recyclage
• Utilisation de substances auxiliaires (cellites,
sels …)
• Chauffage à reflux, évaporation et distillation
longue en dernière étape
• Produit final toxique et relativement
persistent / pas d’étude globale effectuée
• Risque d’accident chimique avec oxydant fort
ou le feu
• Acétylation / désacétylation peut-être inutiles
• Pas d’optimisation de structure

Le bilan est très mitigé !
31

2.1


L’application de la chimie verte au DTE démontre le rôle central de la R&D
OH
OH

HO
OH

-

OH

synthèse ?
technologie ?

SH

HS
OH

remplacer le DTE par une molécule plus « verte »
utiliser des solvants non polluants comme l’eau
utiliser des catalyseurs recyclables
diminuer le nombre d’étapes (< 3)
utiliser des conditions douces (1 atm, 25°C)
utiliser peu ou moins d’énergie
utiliser des produits renouvelables (comme l’Erythritol)
32

2.2

Ibuprofen (industrie pharmaceutique)
Molecular Information
IUPAC name= 2-(4-Isobutylphenyl)propanoic
acid
Molecular Weight = 206.29 g mol-1
Molecular Formula = C13H18O2
Molecular Composition = 75.69 % C, 8.8 % H,
15.51 % O
Melting Point = 75 - 77 oC
Number of Chiral Centers (stereocentres) = 1

Anti-inflammatoire non-stéroïdiens
Synthèse de l’Ibuprofen : deux méthodes originales
a)  A l’origine développé et breveté en 1960 par Boots Company
c)  Procédé a vert breveté en 1991 par BHC Company
cette technologie a été récompensée en 1997 par le
« Presidential Green Chemistry Challenge Award »
a

33

3.

La chimie verte comme
source de progrès

« Je ne suis pas d’accord avec ce que vous dites, mais je me battrai
jusqu’au bout pour que vous puissiez le dire »
Apocryphe; Voltaire vers 1770

36

3.1


Le développement peut être très cher
La détermination de la toxicité de nouveaux composés est difficile
Transition difficile d’une méthodologie réactive à une autre proactive
Demande extrêmement ambitieuse : E-facteur doit tendre rapidement
vers zero!
Industrie

Produit annuel [t]

kg déchet / kg produit

Pétrolier

106-108

0.1

Chimie lourde

104-106

<1-5

Chimie fine

102-104

5-50

Pharmaceutique

10-103

25-100
37

3.1


L’avenir de la chimie du XXIe siècle devra être vert, c’est-à-dire
respectueux de l’environnement.
Par exemple redéfinir tous les paramètres qui gouvernent les
procédés de synthèse et de fabrication; développer la « Grey
Biotech » (Classical Fermentation and Bioprocess Technology),
«White Biotech (Gene-based Bioindustries)», la « Suschem »
etc.
Une constatation s’impose l’œuvre à accomplir est immense et
incertaine en raison de la complexité du monde qui nous
entoure.

38

3.1

Au niveau de la chimie

Nombre de molécules de PM < 850 g mol-1 est d’environ 10200
Nombre de substances organiques ou minérales répertoriées 25’672’111
(2005 CAS RN)
Nombre de réactions simple et à étapes 9’221’442 (2005 CASREACT)
Nombre de produits chimiques commerciaux 8’621’971 (2005 CHEMCAT)

39

3.1


Complexité = (Multiplicité)(Interaction)(Intégration)

(Multiplicité)

Multiplicité d’un système organisé ou nombre d’états

(Interaction)

Interactions entre les composants du système

(Intégration)

Couplage, rétroaction et corrélation à grande distance

40

3.1


temps

La cascade des niveaux de complexité
biosphere

a

économie

m

entreprise

j

usine

h

unités de production

min

phases

s

membranes

ms

particules

ns
ps

molécules
taille
nm

µm

mm

m

km

41

3.2


La biotechnologie est divisée en secteurs d’activité auxquels on attribue une
couleur :
Rouge
Jaune
Vert
Blanc
Gris

santé et médecine
technologie alimentaire
biocarburant, biofertiliseurs, géomicrobiologie
bioindustries basées principalement sur les manipulations
génétiques
fermentation, biotechnologie classique

Une comparaison très détaillée a été réalisée par F. Hoffmann-La Roche Ltd
entre la synthèse chimique classique et son homologue biotechnologique.
42

3.2


Pour aller plus loin : http://www.suschem.org/
Source : Info chimie Magazine N° 475 - Novembre 2006
44

3.3


Irradiation micro-onde (Fast and Furious)
H
NH2

CO 2Et
CO 2Et

+

O

NH2

EtOH
650 W 2 min 72 %
7 h reflux 72 %

O
H

N
N

O
CH2

O
Acide barbiturique

O

O
Cl

Cl
talc 320°C 3 min
Cl

CO2 H

S

92 %
chauffage classique 41 %

S

Cl
O

quinone hétérocyclique
matériaux conducteurs

Réaction métathèse (fruit de la chimie organométallique)
Cl

Changement de place des fragments / Mécanisme de Chauvin

Ru
Cl

45

3.3


Réactions multicomposants (clustering des synthons + rétrosynthèse)
Chimie des biopolymères (produits naturels d’origine
animale ou végétale)
Infochimie
Microchimie

Les ultrasons

Liquide ionique non-aqueux (solvant alternatif)
Méthodes combinatoires

Réactions sans solvants

Fluide supercritique (ou proche du point critique)
Eau et les systèmes aqueux (eau supercritique)
46

3.3

Remplacement du pétrole : chimie fine du bois

47

Conclusion
a)  La chimie verte est un nouveau mode de pensée
b) Ce concept peut être appliqué à toutes les industries
c) Le développement durable est son catalyseur

La chimie verte peut et doit être considérée comme un catalyseur
d’une chimie industrielle respectueuse de l’Homme et de son
Environnement naturel

AVANT

Chimie verte

APRES
48

Bibliographie (1)
1. 

http://www.epa.gov/greenchemistry/

2. 

Anastas, P.T., Kirchhoff, M.M., Origins, Current Status and Future Challenges of
Green Chemistry, Acc. Chem. Res. 2002, 35, 686-694

3. 

http://www.chemistry.org/portal/resources/ACS/ACSContent/education/greenchem/
case.pdf

4. 

Green Chemistry - Sustainability in Chemistry, Wiley-VCH (2003)

5. 

La chimie verte, Paul Colonna, Ed. TEC & DOC (2006)

6. 

Little green molecules Scientific American (2006) , 294 (3) 83-88, 90

49

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51

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