Les chimistes font, depuis une vingtaine d'années, des efforts considérables pour redresser l'image de leur science, pour l'accorder avec l'air du temps.  
 
Le concept de chimie verte (" Green Chemistry ") nait au début des années 1990, au moment où les États-Unis adoptent la loi de prévention de la pollution (« Pollution Prevention Act »).
 
Désormais, pour lutter contre la pollution, il s'agit de privilégier la réduction des déchets industriels à la source. La chimie, qui utilise et rejette des substances toxiques qui polluent terre, air et eau, est concernée à plus d'un titre.
 
La crise économique, qui accompagne cette prise de conscience écologique, incite aussi aux économies. La chimie dont les process impliquent souvent des matières premières couteuses et conduisent à de nombreux sous-produits non utilisés, est là aussi dans le collimateur.
 
C'est Paul T. Anastas et John C. Warner qui énoncent, en 1998, les douze principes nécessaires à l'établissement d'une chimie durable :

•    Prévention : limiter la pollution à la source plutôt que devoir éliminer les déchets ;
•    Économie d'atomes : optimiser l'incorporation des réactifs dans le produit final ;
•    Conception de synthèses chimiques moins dangereuses qui utilisent et conduisent à des produits peu ou pas toxiques ;
•    Conception de produits chimiques plus sûrs : efficaces et moins toxiques ;
•    Réduction de l'utilisation de solvants et d'auxiliaires ;
•    Réduction de la dépense énergétique ;
•    Utilisation de matières premières renouvelables au lieu de matières fossiles ;
•    Réduction des produits dérivés qui peuvent notamment générer des déchets ;
•    Utilisation de la catalyse ;
•    Conception des substances en intégrant leur mode de dégradation finale ;
•    Mise au point de méthodes d'analyse en temps réel pour prévenir la pollution ;
•    Développement d'une chimie sécuritaire pour prévenir les accidents, les explosions, les incendies et les rejets.

 Green chemistry : Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998,


Le challenge est donc considérable, mais on peut d'ores et déjà  noter, sur chacun de ces points des avancées très significatives.
 
Je ne vais pas reprendre tous les items (voir les quelques références bibliographiques à la fin du document et le podcast vidéo du CNRS qui suit) mais évoquer quelques exemples qui illustrent ces progrès.

PODCAST VIDEO CNRS : UNE CHIMIE PENSEE AUTREMENT

ICI

La chimie dans l'eau  
 
L'obligation d'utiliser des solvants, souvent très toxiques et qui donc posent des problèmes de manipulation et d'élimination, est l'une des plaies de la synthèse organique. Trop longtemps le chimiste a fait fi des règles de sécurité élémentaires. Le benzène et autres hydrocarbures éminemment dangereux, furent par exemple longtemps utilisés " à ciel ouvert " dans des laboratoires universitaires (certains collègues et amis l'ont payé très cher 30 ans plus tard).
 
Pourquoi donc ne pas travailler dans l'eau !

La synthèse en phase aqueuse a beaucoup d'avantages. L'eau est un solvant bon marché, non toxique et ininflammable. Dans ce milieu, les réactions peuvent généralement être menées dans des conditions douces et l'on sait maintenant que les rendements et sélectivités peuvent être excellents.
 
Malgré tout, l'eau restait un solvant marginal en synthèse pour deux raisons majeures : la faible solubilité des composés organiques, généralement hydrophobes, en milieu aqueux et la difficulté d'isolement des produits à l'issue de la réaction.
 
Le premier point a été résolu par l'utilisation de cosolvants miscibles à l'eau, de milieux biphasiques et/ou l'utilisation de surfactants et le second par l'utilisation de solvants d'extraction lorsque cela est possible... mais alorson s'écarte alors du concept de chimie verte...
 
C'est pour cette raison que l'utilisation de supports hydrosolubles, sur lesquels les réactants sont temporairement fixés, se généralise pour la chimie en phase aqueuse. Cette approche permet d'isoler facilement le produit de la réaction et de recycler le support.  
 
De nombreuses autres méthodes ont été mises au point pour améliorer l'hydrophilie des réactifs :

-  l'introduction de groupes fonctionnels polaires permettant une solubilité au moins partielle dans l'eau,
- l'utilisation de  la catalyse micellaire en présence de tensioactifs non ioniques,
- ...   
 
Des améliorations significatives sont régulièrement publiées à propos de la chimie dans l'eau avec par exemple l'utilisation des microondes, la biocatalyse, les réactions en temps quasi-critique de l'eau...
 
Les rendements obtenus dans de telles réactions peuvent être bien supérieurs à ceux observés avec des solvants organiques, la formation de produits insolubles dans l'eau permet souvent une récupération facile des produits de réaction.          
 
Économie d'atomes : les réactions de métathèse
 
Les réactions de réarrangement du squelette carboné sont par principe économes d'atomes (tous les atomes utilisés dans les réactifs se retrouvent dans les produits désirés).


Parmi elles, les différentes réactions de métathèse ont connu ces 10 dernières années un essor fulgurant du fait de leur utilisation en chimie fine (synthèse totale, pharmacochimie...).


Il s'agit d'une vieille réaction découverte par le français Yves Chauvin, chercheur à l'IFP, à propos du réarrangement d'oléfines qui a dû son succès tardif à la mise au point de catalyseurs très performants (des complexes de métaux de transition : molybdène, ruthénium) par les américains Richard Schrock (qui a utilisé plusieurs dérivés du molybdène) et Robert Grubbs (qui utilise la formation d'un alkylidène-ruthénium aussi appelé catalyseur de Grubbs).
Ces trois chercheurs ont obtenu le prix Nobel de chimie en 2005.
 
Le potentiel des réactions de métathèse en chimie fine est énorme (voir ci-dessous quelques types de métathèse des oléfines), de très nombreuses synthèses totales y ont recours aujourd'hui.
 

Économie d'énergie
 
Les chimistes se sont évidemment penchés sur l'amélioration des rendements et des vitesses de réaction. Deux techniques expérimentales ont été en particulier développées depuis une vingtaine d'années.
 
La synthèse sous micro onde
 
Elle a permis dès le début des années 90 d'augmenter très sensiblement les vitesses de réactions pour un grand nombre de synthèses. Réalisée sur support solide, elle se généralise.

L’activation micro-onde résulte de deux contributions :

 • une d’origine purement thermique résulte de l’agitation moléculaire causée  par l’inversion des  dipôles avec les alternances du champ électrique,  
 
• une contribution spécifique,  d’origine électrostatique résultant d’interactions de type dipôles-dipôles entre les molécules polaires et le champ électrique qui a un effet direct sur la cinétique en diminuant l’énergie d’activation.   
 
La synthèse sous ultrasons
 
Le terme sonochimie est utilisé pour décrire les processus chimiques et physiques qui se produisent en solution grâce à l'énergie apportée par les ultrasons.  

Ces effets sont reliés au phénomène de cavitation qui correspond à la formation et à l'implosion de microbulles de gaz dans les liquides sous l'effet des ultrasons. En implosant, ces microbulles de cavitation libèrent d'importantes quantités d'énergie sous forme d'une intense chaleur locale, d'ondes de choc et de microcourants acoustiques.

Chaque bulle de cavitation se comporte comme un microréacteur.
 
Des améliorations spectaculaires des rendements, des vitesses de réaction et parfois de la sélectivité, ont été observés dans de nombreux domaines de la synthèse organique (chimie hétérocyclique, chimie radicalaire...) et des biotechnologies.
 
 
Le concept de chimie douce
 
Le concept de chimie douce a été énoncé par Jacques Livage qui souhaitait synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant. La chimie douce consiste donc à préparer des composés sans apport énergétique notable, à température quasi ambiante. Réactifs et solvants toxiques sont bien entendu exclus.

Ces synthèses s'apparentent aux réactions mises en jeu dans les polymérisations organiques.  Celles conduites en utilisant le procédé sol-gel connaissent un grand succès.
 
Le procédé sol-gel

Les techniques « sol-gel » permettent, par polymérisation de précurseurs moléculaires en solution, d’obtenir des matériaux vitreux sans passer par la fusion.

On peut ainsi réaliser des matériaux purement inorganiques, ou synthétiser des verres hybrides organo-minéraux.  La synthèse sol-gel a donc ouvert de vastes perspectives dans le domaine des matériaux vitreux.

La chimie douce est donc au carrefour de la chimie minérale, de la biochimie et de la chimie organique. Elle peut conduire à des structures mixtes combinant le minéral et les molécules organiques, dans lesquelles une partie minérale encapsule des molécules complexes qui préservent ainsi leurs propriétés.

Voir ci-dessous la conférence de Jacques Livage intitulée :  

Chimie douce et matériaux bio-inspirés

A LIRE :

- résumé, références chimie verte

- Cours (master) chimie verte