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CultureSciences Chimie Chimie organique  Les concepts de la chimie verte : uti

CultureSciences Chimie Chimie organique  Les concepts de la chimie verte : utilisation atomique et facteur E  Science Photo Library / IKON IMAGES / Gary Waters, Science Photo Library ARTICLE Les concepts de la chimie verte : Les concepts de la chimie verte : utilisation atomique et facteur E utilisation atomique et facteur E Publié le 15.09.05 Publié le 15.09.05 Par Par Hagop Demirdjian Hagop Demirdjian L a chimie verte, apparue au début des années 1990 a pour but de « concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de ré- duire ou d'éliminer l'utilisation et la synthèse de substances dangereuses ». Cette déȋinition a été développée en douze principes qui donnent les lignes directrices pour la conception de nouveaux procédés ou l'amélioration de ceux existants. Le deuxième principe introduit la notion d'économie d'atome : les synthèses doivent être conçues dans le but de maxi- miser l'incorporation des matériaux utilisés au cours du procédé dans le pro- duit ȋinal. La chimie verte, apparue au début des années 1990 a pour but de « concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de réduire ou d'éliminer l'utilisa- tion et la synthèse de substances dangereuses ». Cette définition a été développée en douze principes qui donnent les lignes directrices pour la conception de nou- veaux procédés ou l'amélioration de ceux existants. Le deuxième principe introduit la notion d'économie d'atome : les synthèses doivent être conçues dans le but de maximiser l'incorporation des matériaux utilisés au cours du procédé dans le pro- duit final. La mise en œuvre de ce principe permet de minimiser la quantité de sous-produits de réaction et donc de réduire la pollution à la source plutôt que de produire des déchets qu'il faudra traiter ou éliminer. Or l'efficacité d'un procédé est traditionnel- lement mesurée par le rendement chimique, sans tenir compte de la quantité de sous-produits formés. La chimie verte propose une évolution de ce concept qui prend en compte la réduction des déchets à la source. À cette fin, de nouveaux in- dicateurs de l'efficacité des procédés ont été introduits : l'utilisation atomique et le facteur E. 1. Déﬁnition 1.1. Utilisation atomique ou économie atomique L'utilisation atomique, introduite par Trost [1], également appelée l'économie atomique, est définie comme le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l'équation stœchiométrique. Si les sous-produits de la réaction ne sont pas tous identifiés, alors la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs. Considérons par exemple la réaction de déhydrohalogénation du 2-bromo-2-mé- thylpropane par l'éthanolate de sodium qui conduit au méthylpropène : Le produit recherché est ici le méthylpropène (en vert). On classe les atomes des réactifs en deux catégories : ceux qui sont incorporés dans le produit désiré (en vert) et ceux qui se retrouvent dans des sous-produits indésirables (en rouge). L'uti- lisation atomique est dans ce cas : Cela signifie que même si le rendement de la réaction est de 100%, seuls 27% en masse des atomes de réactifs sont incorporés dans le produit. Les 73% qui restent constituent des déchets qu'il faudra séparer puis traiter pour les recycler ou les détruire, avec un impact environnemental et financier important. Un procédé sera donc d'autant plus efficace, que son utilisation atomique sera proche de 100%. 1.2. Facteur E Le facteur E, introduit par Sheldon [2], est défini comme le rapport massique déchet/produit désiré : Le facteur E (E) est relié à l'utilisation atomique (UA) par la relation : Le facteur E de la réaction précédente est de 2,7. Il y a 2,7 fois plus de déchet, en masse, que de produit désiré. Un procédé sera donc d'autant plus efficace, que son facteur E sera proche de 0. Le tableau suivant donne l'ordre de grandeur des facteurs E dans les grands do- maines de l'industrie chimique [2]. On constate que le facteur E augmente avec la complexité des produits synthétisés, si bien que la chimie fine et l'industrie pharmaceutique génèrent en fin de compte des quantités de déchets comparables à celle générée par la chimie lourde pour des tonnages de produits inférieurs de plusieurs ordres de grandeur. Ces données montrent que l'optimisation des procédés en vue de réduire le facteur E est profitable dans tous les domaines de l'industrie chimique. 2. Application : réaction stœchiométrique / réaction catalytique 2.1. Oxydation des alcools Les réactions stœchiométriques sont généralement beaucoup moins efficaces que les réactions catalytiques. Considérons par exemple les réactions suivantes d'oxy- dation de l'alcool par l'oxyde de chrome (réaction stœchiométrique) ou le dioxy- gène (réaction catalytique) : L'utilisation d'un catalyseur permet d'optimiser l'efficacité du procédé. Dans ce cas particulier, il faut noter que les sels de chrome, sous-produits très toxiques de la ré- Secteur Tonnage annuel Facteur E Secteur Tonnage annuel Facteur E Chimie lourde 10 -10 1 → 5 Chimie fine 10 -10 5 → > 50 Industrie pharmaceutique 10 -10 25 → > 100 4 6 2 4 2 3 action stœchiométrique, n'apparaissent plus dans la réaction catalysée. Pour quan- tifier cet avantage supplémentaire, il est possible d'introduire un facteur environne- mental Q qui tient compte de la toxicité des sous-produits, de la facilité de séparation, de leur caractère recyclable, etc. C'est alors le produit E.Q qui est le plus pertinent pour quantifier l'impact environnemental du procédé. Pour les réac- tions précédentes, on attribuera un facteur Q = 1 à l'eau et Q très supérieur à 1 pour les sels de chrome. 2.2. Allylation du phénol L'allylation du phénol par la synthèse de Williamson est un autre exemple de réac- tion stœchiométrique qui peut être remplacée par un processus catalytique plus efficace. Un mode opératoire permettant la comparaison des deux réactions a fait l'objet d'une publication [3]. 2.3. Synthèse de l'ibuprofène L'ibuprofène est un anti-douleur qui constitue le principe actif de nombreux pro- duits commerciaux. Le procédé industriel traditionnel, développé par la société Boots dans les années 1960, se compose de six réactions stœchiométriques et son utilisation atomique est de 40%. La production annuelle de 13000 tonnes d'ibupro- fène génère plus de 20000 tonnes de déchets à détruire. Dans les années 1990, la société BHC à mis au point un procédé vert basé sur trois réactions catalysées qui porte l'utilisation atomique à 77% et dont le seul produit secondaire est l'acide acétique. Comme ce dernier est valorisé, on peut le considérer comme un produit recherché. Cela porte l'utilisation atomique à plus de 99%. La comparaison de ces deux procédés fait l'objet d'un autre article: « Un exemple de chimie verte : la syn- thèse industrielle de l'ibuprofène ». 3. Conclusion La notion traditionnelle de rendement ne suffit plus pour évaluer l'efficacité des procédés chimiques. Essayer de mettre en œuvre une chimie verte impose d'intro- duire des concepts nouveaux : l'utilisation atomique et le facteur E. Ils permettent Auteur(s) Hagop Demirdjian Docteur en chimie théorique, ancien élève de l'École Normale Supérieure Lyon, responsable éditorial du site CultureSciences-Chimie de 2004 à 2008. Relecteur(s) Frédéric Grün CRÉDITS  une meilleure évaluation de l'efficacité des procédés et servent de cadre concep- tuel pour optimiser les procédés existants et développer de nouvelles stratégies de synthèse : - en remplaçant les réactions stœchiométriques par des réactions catalytiques plus efficaces (si elles existent), - en privilégiant les réactions intrinsèquement les plus efficaces. Par exemple les réarrangements, au cours desquels les atomes du réactif se réarrangent pour for- mer le produit et dont l'utilisation atomique est de 100%. 4. Références [1] B. M. Trost, « The atom economy, a search for synthetic efficiency » Science, 254 (1991) 1471. [2] R. A. Sheldon, « Atom utilisation, E factors and the catalytic solution » C. R. Acad. Sci. Paris, Série IIc (2000) 541. [3] C. C. Santini, E. Kuntz, A. Amgoume, « Utilisation atomique, facteur E. Applica- tion à la réaction d'allylation du phénol. Solution catalytique. » BUP, 858 (2003) 15. Professeur en CPGE au lycée Pothier, Orléans Éditeur(s) Hagop Demirdjian Docteur en chimie théorique, ancien élève de l'École Normale Supérieure Lyon, responsable éditorial du site CultureSciences-Chimie de 2004 à 2008. PARTAGER CET ARTICLE    uploads/Industriel/ les-concepts-de-la-chimie-verte-utilisation-atomique-et-facteur-e-culturesciences-chimie.pdf