La chimie verte, Sophie Bezzenine Jeudi 3 décembre 2009, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay

Jeudi 03 Décembre, les participants au jeudi de la recherche ont pu rencontrer Sophie Bezzenine et toute l’équipe de Catalyse Moléculaire de l’ICMMO. Lorsque la chimie se remet en question…

L’équipe de catalyse moléculaire

Une réaction chimique est une modification de la matière consistant en la transformation de réactifs en produits. L’équipe de Catalyse Moléculaire s’est fait une spécialité de l’étude des réactions chimiques dites catalysées, qui font intervenir un catalyseur en plus des réactifs afin d’accélérer, voire de rendre possible la réaction. C’est en 1971 qu’ Henri Kagan, aujourd’hui professeur émérite au laboratoire, découvrit un type de catalyse particulier, la catalyse asymétrique, recherches que l’équipe continue de mener aujourd’hui.

Les travaux actuels s’inscrivent dans le cadre de la chimie verte, comme nous l’expliquera Sophie Bezzenine, enseignante chercheuse et hôte de ce jeudi de la recherche. Composante de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay qui regroupe plus de 250 personnes réparties en 9 équipes de recherche, l’équipe de catalyse Moléculaire est composée d’ enseignants chercheurs à l’Université Paris-Sud, de chercheurs au CNRS et de techniciens et ingénieurs.

Pourquoi verte ?

On se souvient tous de l’accident de l’usine d’AZF à Toulouse, provoqué par l’explosion d’un stock de nitrate d’ammonium. À une époque de prise de conscience des risques écologiques liés à l’activité de l’Homme sur Terre, l’industrie chimique est ainsi pointée du doigt par la société. Tout en conservant l’obligation d’être compétitive, la chimie se doit aujourd’hui d’être plus sûre et plus propre. Ce constat a poussé les chercheurs à remettre en question leurs procédés de fabrication.

Introduit par l’agence américaine pour la protection de l’environnement, le concept de « chimie verte » a été défini par deux chimistes américains, Anastas et Warner. Il repose sur 12 principes permettant d’encadrer la réalisation de réactions chimiques. Ces principes demandent ainsi un choix plus avisé des matières premières utilisées (en adoptant par exemple des produits issus de la biomasse), des substances favorisant la réaction (comme les solvants). Les chimistes doivent mettre en oeuvre tout leur savoir-faire pour concevoir des réactions qui « économisent les atomes », c’est-à-dire qui ne produisent pas de molécules secondaires inutiles, voire nocives et qui « économisent l’énergie », c’est-à-dire qui ne nécessitent pas par exemple des températures élevées.

© Culture sciences chimie, ENS

Dans ce cadre, l’équipe de Catalyse Moléculaire concentre ses efforts vers la mise en place de procédés chimiques dits « éco-compatibles », permettant la synthèse de molécules (carbonées) intéressantes pour l’industrie, tout en réduisant l’émission de polluants et l’énergie consommée. Pour cela, la technique de catalyse présente de nombreux intérêts.

La catalyse

Un catalyseur a pour but de permettre ou d’accélérer une transformation chimique. C’est une espèce introduite en très faible quantité et qui est régénérée au cours de la réaction. Un exemple très visuel, la réduction de l’eau oxygénée : 2I- +H2O2 + 2H+-> 2H2O + I2) nous a été présenté au laboratoire : en ajoutant à de l’eau oxygénée un catalyseur inorganique (iodure de potassium : K++I-), la diffusion de l’oxygène devient instantanée, provoquant la formation d’une mousse constituée de bulles d’oxygène qui s’échappe du récipient.

La catalyse constitue l’un des principes de la chimie verte. En effet, l’emploi d’un catalyseur présente plusieurs avantages sur le plan écologique et économique : il diminue l’énergie nécessaire à la réaction, tout en accélérant celle-ci.

© Wikimedia commons

Une difficulté s’ajoute à la production de nouvelles molécules lorsque celles-ci sont dites « chirales », tout comme notre main droite image par rapport à un miroir de notre main gauche, sans lui être superposable. De nombreuses molécules présentent deux formes chirales (ou « énantiomériques »), images l’une de l’autre dans un miroir. La chiralité est très présente dans le monde vivant, et chacune des formes chirales possède le plus souvent une activité biologique bien différente. Un exemple tristement célèbre est celui de la thalidomide, donné comme sédatif et anti-nauséeux aux femmes enceintes à la fin des années 50, mais dont l’une des formes a induit de graves malformations chez les nouveau-nés. Il apparait donc nécessaire de savoir comment synthétiser une forme spécifique d’une molécule d’intérêt à l’exclusion de l’autre, afin de s’inscrire dans le cadre de la chimie verte.

activité biologique d’un énantiomère pur
© Plein-Sud Spécial Recherche 2009

Pour cela, l’équipe s’est fait une spécialité d’un type particulier de catalyse, dite asymétrique, pour laquelle le catalyseur, lui-même asymétrique, transfère sa chiralité au produit final de la réaction. Depuis sa découverte par Henri Kagan, la catalyse asymétrique reste à la pointe de la recherche (elle a notamment donné lieu à un prix Nobel en 2001). Elle permet ainsi d’obtenir en grande majorité une forme spécifique du produit final : on parle d’excès énantiomérique. Le développement de nouvelles méthodes de catalyse asymétrique répond aux demandes de la chimie verte, et est aujourd’hui au cœur des préoccupations du laboratoire et de la communauté des chimistes organiciens. Les différentes familles de catalyseurs développées au Laboratoire de Catalyse Moléculaire combinent un métal et des ligands (des molécules organiques sous la forme d’un énantiomère pur) qui contrôlent la chiralité vers les molécules visées La visite du laboratoire nous offre un aperçu du matériel nécessaire à l’étude de certaines réactions. Les chercheurs distillent ainsi les réactifs sous atmosphère de gaz rare (argon) afin de les purifier. D’autre part, certaines molécules utilisées sont sensibles à l’oxygène de l’air. Elles sont alors manipulées au sein d’une « boite à gants », enceinte close disposant de gants en caoutchouc permettant de manipuler les substances dans une atmosphère particulièrement inerte ne contenant ni eau ni oxygène. Enfin, les produits de réaction doivent être caractérisés : les visiteurs ont pu voir différents appareillages de spectroscopie et de chromatographie.

Recyclage des catalyseurs.

L’atout de la catalyse est que le catalyseur est non seulement employé en très petite quantité (5 à 10 % en nombre de mole par rapport aux réactifs) mais qu’il est de plus retrouvé en fin de réaction ! Les préoccupations économiques et écologiques ont ainsi conduit les chercheurs à développer des techniques afin de récupérer ces catalyseurs pour les réutiliser en fin de réaction.

Pour cela, la méthode de choix utilisée par l’équipe est l’emploi de catalyseurs dits hétérogènes. On peut par exemple utiliser un catalyseur à l’état solide tandis que les réactifs sont liquides. De même, après interaction avec une molécule partenaire, un catalyseur peut devenir complètement insoluble dans le milieu réactionnel. Après réaction, une simple filtration permettra de récupérer le catalyseur, prêt pour une nouvelle réaction !Répondant au défi du développement durable, ces méthodes de recyclage ont permis à l’équipe de récupérer et de réutiliser un catalyseur jusqu’à 20 fois, sans perte d’activité et d’énantiosélectivité !

Les lanthanides

Dans l’optique du développement de procédés éco-compatibles, un autre système catalytique est étudié et développé au laboratoire. Celui-ci fait intervenir des lanthanides. Pour être un bon catalyseur, celui-ci doit être actif en très faible quantité, être efficace et peu onéreux. Les lanthanides répondent à ce cahier des charges. Ce sont différents métaux aux propriétés voisines, retrouvés naturellement sous forme de minerais. Malgré leur dénomination plus connue de « terres rares », ils sont relativement abondants dans l’écorce terrestre. Utilisés depuis longtemps dans les pierres à briquet, ils présentent une forte réactivité tout en étant non toxique : une avancée importante dans la mise en place de réactions répondant aux principes de la chimie verte. Utilisés à l’état divalent en tant que réducteur et à l’état trivalent comme acide de Lewis, ils présentent une réactivité variée permettant de façon efficace une large gamme de transformations chimiques.

Les solvants ioniques

Lors d’une réaction chimique, les réactifs sont le plus souvent dissous dans un solvant. Ces solvants majoritairement organiques sont fréquemment dangereux pour l’environnement (étant volatils et inflammables) et pour l’Homme (toxiques, cancérigènes). Afin de permettre des réactions plus éco-compatibles, les chercheurs de l’équipe Catalyse Moléculaire développent l’utilisation des solvants ioniques.

On appelle liquides ioniques des sels organiques sous forme liquide à température ambiante ou avec une température de fusion inférieure à 100°C. A titre de comparaison, le sel de cuisine (chlorure de sodium : Na+ + Cl-) est solide à ces températures). Ils sont non-volatils, non-inflammables et peu coûteux. Ils peuvent ainsi avantageusement remplacer les solvants organiques, tout en étant recyclés pour être réutilisés. Tout à fait « chimie verte » !

© Plein-Sud Spécial Recherche 2009

Tous ces axes de recherche développés au laboratoire dans le cadre de la chimie verte permettent sans aucun doute de rendre plus propre et plus sûr la synthèse de molécules organiques et ne manquent pas d’intéresser les industriels pour une mise en œuvre à grande échelle.

Pour en savoir plus : article d’E. Schulz, S. Bezzenine, M. Mellah et G. Vo Thanh dans PleinSud Spécial Recherche 2009 : Qu’elle est verte ma chimie !