La chimie passe au vert

 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 coûteuses et conduisent à de nombreux sous-produits non utilisés, est là aussi dans le collimateur.

 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 alors on 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.
  

 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 liée aux 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 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.

L’observation des systèmes vivants peut être source d’inspiration pour favoriser les innovations en science des matériaux.

Cette nouvelle approche biomimétique (ou bio-inspirée) est révolutionnaire car " elle ne repose pas sur ce que nous pouvons prendre dans la nature, mais sur ce que nous pouvons en apprendre " (C.Sanchez).

Il s'agit donc d’identifier des modèles biologiques pertinents et de repérer ce qui fonctionne dans la nature... après 3,8 milliards d’années de recherche, de développement...!

La conversion de l’énergie solaire en carburant est un exemple de ce que  le monde vivant peut nous suggérer.

 Certains organismes vivants sont capables d'utiliser l’énergie solaire pour transformer l’eau en oxygène et en hydrogène. Pour ce faire, ces microorganismes ont élaboré des systèmes enzymatiques incroyablement sophistiqués et efficaces en n’utilisant que des métaux très abondants alors que les réactions mises au point par les chimistes  nécessitent des métaux nobles comme le platine ou le palladium.

S'inspirant de ce modèle, le groupe de M. Fontecave et V. Artero a pu élaborer, pour la première fois, un matériau capable de catalyser, comme le fait le platine, aussi bien la production d’hydrogène à partir de l’eau (pour une utilisation dans les électrolyseurs), que son oxydation (pour une utilisation dans les piles à combustible).

Ce matériau original est constitué d’un complexe de nickel, qui reproduit certaines caractéristiques des hydrogénases, greffé sur des nanotubes de carbone choisis pour leur importante surface potentielle de liaison du catalyseur et pour leur grande conductivité électrique.

Le process est en cours de développement.

L'exploitation du modèle vivant peut s'étendre à de nombreux domaines. 

On sait par exemple utiliser des piles microbiennes pour transformer l’énergie chimique de déchets organiques en énergie électrique tout en dépolluant. 

 La médaille CNRS de l'innovation 2014 a ainsi récompensé le groupe montpelliérain de Claude Grison, qui a su tirer partie de la capacité adaptative remarquable de certains végétaux à accumuler certains sels métalliques (Zn, Ni, Mn, Cu, Pd, Al) dans des conditions de sols très concentrées, faisant d'une pierre deux coups : réhabiliter de sites miniers tout en produisant des biocatalyseurs.