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JACQUES AUGÉ ET MARIE-CHRISTINE SCHERRMANN CNRS ÉDITIONS CHIMIE VERTE A C T U E

JACQUES AUGÉ ET MARIE-CHRISTINE SCHERRMANN CNRS ÉDITIONS CHIMIE VERTE A C T U E L S S A V O I R S CONCEPTS ET APPLICATIONS Jacques Augé et Marie-Christine Scherrmann Chimie verte Concepts et applications S AV O I R S A C T U E L S EDP Sciences/CNRS É Image de couverture: Arête des Dômes de Miage, Massif du Mont Blanc, © Dean Moriarty/fotolia. Imprimé en France © 2016, EDP Sciences, 17 avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A et CNRS Éditions, 15, rue Malebranche, 75005 Paris. Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’oeuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35. ISBN EDP Sciences: 978-2-7598-0976-9 ISBN CNRS Éditions: 978-2-271-09167-3 Préface Depuis la prise de conscience des problèmes de santé humaine liés à la pollution, aux rejets toxiques, au dégagement dans l’atmosphère de gaz à effet de serre, mais aussi en raison des difficultés de plus en plus grandes rencontrées lors de l’extraction des matières premières du sous-sol, l’atti- tude scientifique la plus responsable est de complètement revoir les produits industriels et les procédés qui les produisent afin de concevoir de nouveaux composés utiles à l’Homme en englobant tous les paramètres d’un dévelop- pement durable, alliant les aspects économiques, environnementaux et socié- taux lors de leur production et de leur élimination. La chimie verte constitue alors un excellent moyen pour atteindre ces objectifs. Le but de cet ouvrage édité par le CNRS dans la très réputée collection Savoirs Actuels est de comprendre les concepts et les objectifs de la chimie verte, de connaître les indicateurs dont elle s’est dotée pour l’évaluation de la vertitude d’un produit ou d’un procédé, de prendre conscience des avancées récentes dans tous les domaines de la chimie, en insistant plus spécialement sur les procédés permettant de limiter les déchets, la toxicité des produits et la dangerosité des procédés de production et d’élimination. Formellement, la chimie verte est née à la fin du esiècle avec l’énoncé des douze principes qui constituent réellement la feuille de route des chimistes engagés dans cette voie. Ces douze principes de chimie verte ont ensuite été complétés par les douze principes d’ingénierie verte plus géné- raux. Le chapitre1 rappelle l’ensemble de ces principes en expliquant leur portée. Il propose des critères et des indicateurs de chimie verte, permettant de comparer rapidement différents procédés et de mettre en valeur ceux qui sont les plus vertueux. Compte tenu de l’urgence concernant les gaz à effet de serre, l’accent est mis sur le recyclage chimique du CO 2 permettant de nouvelles approches. Le chapitre2 est consacré à l’économie d’atomes qui constitue la pierre angulaire de toute transformation chimique, tant du point de vue matière que du point de vue énergie. En effet, toute perte d’atomes lors d’une transformation chimique est une perte de matière et corollairement un gâchis d’entropie, qui nuit à l’organisation de la matière que l’on désire habituellement créer en chimie. Outre les réactions à économie d’atomes de 100%, englobant les réactions multi-composants et les réactions domino, sont décrites également les réactions d’oxydation sur lesquelles des progrès IV Chimie verte, concepts et applications considérables ont été réalisés récemment, puisqu’on peut se limiter souvent à une simple perte d’eau. Le chapitre3 décrit un grand nombre de processus de catalyse, hétérogène et homogène, avec des catalyseurs enzymatiques, métalliques, acido-basiques ou organiques. S’il reprend parfois des réactions décrites au chapitre pré- cédent, il s’attache essentiellement à décrypter les mécanismes, permettant de comprendre comment on peut accéder aux produits énantiomériquement purs, qui sont d’une importance considérable dans l’industrie pharmaceu- tique. Ce chapitre est donc plus précisément axé sur la catalyse asymétrique. Partant des problèmes de toxicité, et donc de sécurité, liés à l’usage intensif des solvants en chimie, le chapitre4 est consacré aux solvants alter- natifs et aux procédés multiphasiques. Les propriétés uniques de l’eau sont bien décrites afin de comprendre les potentialités d’une nouvelle chimie dans et sur l’eau. Parmi les fluides supercritiques, mention particulière est faite au CO2 supercritique qui présente de multiples avantages. D’autres solvants alternatifs tels que les liquides ioniques, parfois à tâche spécifique, les sol- vants fluorés, les polyéthylène glycols sont étudiés et évalués en termes de chimie verte. Enfin, en lien avec le chapitre6 sur la biomasse, sont décrits de nouveaux solvants bio-sourcés. Le chapitre5 a trait aux méthodes alternatives d’activation en chimie, telles que la mécanochimie, la chimie sous micro-ondes, la sonochimie, la photochimie. Ces procédés sont évalués et comparés par rapport aux pro- cédés conventionnels. Mention toute particulière est faite aux procédés en flux continu qui commencent à être utilisés avec succès dans l’industrie pour réduire les coûts, les temps de réaction, les dangers intrinsèques liés aux effets d’échelle, pour améliorer la sélectivité des produits, réduire les quan- tités de catalyseurs nécessaires et pour suivre en temps réel le déroulement des réactions. Quant au chapitre6, il est entièrement consacré à la biomasse, essentiel- lement d’origine végétale encore aujourd’hui. La composition chimique de celle-ci est analysée de façon à comprendre comment elle peut être disséquée pour un usage en chimie. Si la biomasse est dégradée, notamment sous forme de déchets, il peut être avantageux de l’utiliser à des fins énergétiques. En revanche, pour la chimie fine, on a intérêt à utiliser la biomasse déjà élaborée, à la modifier éventuellement car elle est déjà polyfonctionnelle (par exemple, elle possède des groupements oxygénés, ou comprenant des atomes d’azote). Cette nouvelle approche que les auteurs appellent végé- talochimie peut permettre de s’affranchir de la pétrochimie qui nécessite des étapes d’oxydation toujours problématiques (car ne répondant souvent pas aux principes de la chimie verte) pour mettre sur le marché des produits de spécialité. Des exercices sont proposés dans tous les chapitres. Placés dans le corps du texte, ils permettent au lecteur de s’assurer de la bonne compréhen- sion des concepts au moment où ceux-ci sont abordés. Les solutions de ces Préface V 25exercices sont données dans les annexes qui regroupent aussi quelques rappels de chimie étudiés classiquement en master. Enfin, l’intérêt de l’ouvrage, qui s’attache à mentionner les publications originales parfois anciennes, réside dans le fait que toutes les affirmations, toutes les démonstrations, tous les exemples, s’appuient sur la littérature scientifique comprenant près de 1000 publications académiques et indus- trielles, ainsi que brevets et données Internet. Parmi celles-ci, la grande majorité est extrêmement récente et issue des journaux internationaux à fort indice d’impact, montrant par là les innovations fortes de la chimie, reconnues par l’ensemble de la communauté des chimistes. Le lecteur appréciera donc tout particulièrement la vue d’ensemble qu’aborde ce livre unique sur la chimie verte en ce début du esiècle. La prise en compte d’une approche chimie verte dans des procédés de produc- tion de composés retrouvés dans tous les aspects de la vie humaine (santé, numérique, matériaux, énergie,etc.) est devenue une obligation morale, au vu des accidents majeurs survenus au cours du e et au début du e siècle, mais surtout une obligation économique dès lors que l’on veut bien se placer à l’échelle du développement durable et du devenir de notre planète. À ce titre, les procédés en microréacteurs à flux continus sont parti- culièrement innovants et seront source d’inspiration sans aucun doute pour les chimistes, qu’ils soient jeunes ou confirmés, ainsi que pour nos hommes politiques et régulateurs. DrBruno Figadère Directeur de recherche au CNRS VI Chimie verte, concepts et applications Les auteurs remercient les experts nommés par le CNRS ainsi que DrFlorian Gallier et Dr Jacques Uziel de l’Université de Cergy Pontoise et Prof. Alberto Marra de l’Université de Montpellier pour leurs relectures attentives. Table des matières 1 Problématique du développement durable et chimie . . . . . . . . 1 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Aspects énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 Principes de chimie verte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Industriel/ chimie-verte-concepts-et-applications-by-jacques-auge-marie-christine-scherrmann.pdf