Vers une chimie plus éco-compatible

Vers une chimie plus éco-compatible

Marie-Christine Scherrmann ICMMO, équipe CP3A

Université Paris-Sud

marie-christine.scherrmann@u-psud.fr Centre d'Alembert, 23 mars 2017

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Matières premières

Energie

Produit

Sous-produits Emissions

Matières premières

Energie

Emissions

Produits

Sous-produits

Impact environnemental ?

La prise de conscience de l'impact des activités humaines sur l'environnement.

1962 : Printemps silencieux

Rachel Carson (1907-1964) : zoologiste et biologiste américaine

Reçut à titre posthume la médaille présidentielle de la Liberté (une des plus hautes décorations civile des États- Unis.).

Rachel Carson Printemps silencieux Loi nationale sur l'environnement (EU)

Nixon : Agence de protection de l’environnement

Sommet des Nations Unies sur l'Homme et l'Environnement (Stockholm)

Commission Mondiale sur l'Environnement et le Développement (« commission Bruntland »)

1969 1970 1972 1987

1962

Remédiation environnementale

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“Capacité des générations présentes à satisfaire leurs besoins sans compromettre l'aptitude des générations futures à couvrir leurs propres besoins"

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Rachel Carson Printemps silencieux Loi nationale sur l'environnement (EU)

Nixon : Agence de protection de l’environnement

Sommet des Nations Unies sur l'Homme et l'Environnement (Stockholm)

Commission Mondiale sur l'Environnement et le Développement (« commission Bruntland »)

1969 1970 1972 1987

1962

Remédiation environnementale

Rachel Carson Printemps silencieux Loi nationale sur l'environnement (EU)

Nixon : Agence de protection de l’environnement

Sommet des Nations Unies sur l'Homme et l'Environnement (Stockholm)

Commission Mondiale sur l'Environnement et le Développement (« commission Bruntland ») 1990 loi de prévention de la pollution (EU)

European Communities Chemistry Council (ECCC)

"Chemistry for a Clean World"

1993

1998

1969 1970 1972 1987

1962

12 Principes de la chimie verte (Anastas et Warner) 1999 Premier journal scientifique dédié Remédiation

environnementale Prévention

1994 Agence européenne pour l'environnement (AEE)

Prévention Economie d'atomes Synthèses chimiques moins nocives Conception de produits chimiques plus sûrs

Réduction des solvants et auxiliaires Amélioration du rendement énergétique

Utiliser des matières premières renouvelables

Réduction de la quantité de produits dérivés

#

Utiliser des catalyseurs plutôt que des réactifs stoechiométriques Concevoir des produits dégradables

Analyser en temps réel pour éviter la pollution

Minimiser les risques d'accidents /0$1"2,321(4$56,&4.&4$(.$7&",("8$

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Matières premières

NON RENOUVELABLES ENERGÉTIQUES

Source : Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Charbon, pétrole, gaz, uranium…

MÉTALLIQUE

Aluminium, fer, or, argent, platine…

MINÉRALES

Sable, gravier, argiles, ardoise...

CHIMIQUES

Pétrole, calcaire, sels…

Utilisation de matières premières renouvelables

BIOMASSE

« La fraction biodégradable des produits, des déchets et des résidus d’origine biologique provenant de l’agriculture (y compris les substances végétales et animales), de la sylviculture et des industries connexes, y compris la pêche et l’aquaculture, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et municipaux ».

[directive 2009/28/CE]

RENOUVELABLES VÉGÉTALES

Céréales, bois, caoutchouc, coton, algues…

ANIMALES

Lait, viande, laine, peaux, crustacés, poissons…

exemple : acide adipique précurseur du nylon 66

HO₂C CO₂H

C₆H₁₀O₄

demande mondiale : 2,3 millions de tonnes (2012); croissance à 3-5% par an

6 C 6 C

C₆H₆ C₆H₁₂

HO₂C CO₂H

C₆H₁₀O₄ 3 H₂370-800 psi

Ni-Al₂O₃

O

C₆H₁₀O 120-140 psi

O₂ Co

2 HNO₃

+ 4 H + 4 O benzène

+ 6 H + 1 O

- 2 H + 3 O

résidus lignocellulosiques (résidus agricoles)

O OH HOHO

OH

OH D-glucose

C₆H₁₂O₆

HO₂C CO₂H

C₆H₁₀O₄

- 2 H - 2 O - 2 H

+ 2 O - 4 O

C₆H₁₀O₈

CO₂H OH

OH OH HO₂C

OH

acide adipique

1,5 O₂ 4 H₂

cat. cat.

Approche structurale

Produit Fonction application exemple : polymère emballage

procédé chimique

nouveau procédé chimique

Approche fonctionnelle

Produit Fonction application exemple : polymère

Polytéréphtalate d'éthylène PET

bouteilles

procédé chimique

autre procédé chimique

Produit exemple : polymère

Acide polylactique PLA

C₆H₆ C₆H₁₂

HO₂C CO₂H

C₆H₁₀O₄ 3 H₂370-800 psi

Ni-Al₂O₃

O

C₆H₁₀O 120-140 psi

O₂ Co

2 HNO₃

+ 4 H + 4 O benzène

+ 6 H + 1 O

- 2 H + 3 O

acide adipique

C₆H₆

3 H₂ O₂ 2 HNO₃

C₆H₁₀O₄ N₂O H₂O

H₂O₂

78,11 3*2,02 32,00 2*63,01

242,18 g/mol 242,18 g/mol

146,14 18,02 34,01 44,01

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Mesure le pourcentage théorique

dincorporation en masse des atomes des substrats et réactifs dans le produit final.

= 146,14/242,18 = 60,3%

L’économie d’atomes

MI= masse totale utilisée dans le procédé masse du produit

MI = MI

+ MI

+ MI

+ auxiliaire(s) solvant

Réaction

Traitement

Neutralisation, extraction…

Purification

Distillation, cristallisation, chromatographie…

Substrat + Réactif(s) Produit + Sous-produit(s)

Augé J., Scherrmann M.-C. New J. Chem. 2012, 36, 1091-1098.

F. Pessel, J. Augé, I. Billault, M.-C. Scherrmann, Beilstein J. Org. Chem. 2016, 12, 2351-2357.

Pour une chromatographie 300 < MI < 1000

E=masse de déchets masse du produit

E = MI ! 1

Le facteur environnemental /intensité de masse

R.K. Henderson, et al Green Chem. 2011, 13, 854-862.

Composition en masse des matières utilisés pour la production d’un principe actif dans l’industrie pharmaceutique

MI= masse totale utilisée dans le procédé masse du produit

+ auxiliaire(s) solvant

Réaction

Traitement

Neutralisation, extraction, …

Purification

Distillation, cristallisation, chromatographie…

Substrat + Réactif(s) Produit + Sous-produit(s)

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Mesure le pourcentage théorique dincorporation des atomes des substrats et réactifs dans le produit final.

Augé J., Scherrmann M.-C. New J. Chem. 2012, 36, 1091-1098.

F. Pessel, J. Augé, I. Billault, M.-C. Scherrmann, Beilstein J. Org. Chem. 2016, 12, 2351-2357.

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MI = MI

+ MI

+ MI

Objectif zéro déchets

Economie d’atome =

100%

Solvants Excès

traitement

Purifications

Exemple

O HO

O R

OH

OH

O

O R

OH

OH O

OH OH HO HO

O

O OH OH HO HO

OH

O AcO OAc AcO AcO

OAc

O AcO OAc AcO AcO

Br

O HO

O

OH

OH OH

O HO

O O

OH O

Ph Ph

O HO

O

O

OBn O

Ph Ph O O

O O

OBn O

Ph Ph

O AcO OAc AcOAcO

O O

O

O

OBn O

Ph Ph

O OH OH HO HO

O O

O

OH

OH OH

O OH OH HO HO

Ph Ph

ClCl

180 °C

HBr Ac₂O

AcONa

K2CO3 aq. sat.

TDA, CH2Cl2

MeONa MeOH

EtOH/THF H2 Pd(OH)2 30%/C

protection activation

protection protection

BnBr, K₂CO₃

DMF déprotection

déprotection

Exemple

O HO

O R

OH

OH

O

O R

OH

OH O

OH OH HOHO

O

O OH OH HO HO

OH

O HO

O

OH

OH OH

O O

O

O

OBn O

Ph Ph

O OH OH HOHO

O O

O

OH

OH OH

O OH OH HO HO

Ph Ph

ClCl

180 °C Ac2O HBr AcONa

K₂CO₃ aq. sat.

TDA, CH₂Cl₂

MeONa MeOH

EtOH/THF H2 Pd(OH)2 30%/C

protection activation

protection protection

BnBr, K₂CO₃

DMF déprotection

déprotection

O OAc OAc AcO AcO

OAc

O AcO OAc AcO AcO

Br

O HO

O

O

OH O

Ph Ph

O HO

O

O

OBn O

Ph Ph O O

O O

OBn O

Ph Ph

O AcO OAc AcOAcO

Utilisation de groupes protecteurs

DMF

Inflammable toxique Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique

CH₂Cl₂

Pour une

chromatographie 300 < MI < 1000 Au moins 3 purifications par chromatographie

Solvants :

Exemple

O HO

O R

OH

OH

O

O R

OH

OH O

OH OH HO HO

O

O HO

O R

OH

OH

O OH OH HO HO

O

O R

OH

OH

Chimie « click »

Barry Sharpless

Prix Nobel 2001 Réactions thermodynamiquement

favorisées, à haut rendement, stéréospécifiques.

Kolb, H. C.; Finn, M. G.; Sharpless, K. B. Angew. Chem. Int. Ed., 2001 , 40 , 2004

Exemple

O HO

O R

OH

OH

O

O R

OH

OH O

OH OH HOHO

O

O HO

O R

OH

OH

O OH OH HOHO

O

O R

OH

OH

R N₃ + R'

R N N

N R'

Cu(I)

C. W. Tornøe, C. Christensen, M. Meldal, J. Org. Chem., 2002, 67, 3057-3064

V. V. Rostovtsev, L. G. Green, V. V. Fokin, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 2596-2599.

Economie d’atome ^{AE= M du produit}

!M des produits =100%

Compatible avec pratiquement tous les solvants Haut rendement

Un problème : contamination des produits par le cuivre

Isabelle Billault

Freddy Pessel

Soluble dans CH₂Cl₂ , MeOH, Acétone,… H₂O Insoluble dans Et₂O, i-PrOH, …

•  Polyethylene glycol (PEG)

•  Polyethylene oxide (PEO)

•  Polyoxyethylene (POE)

•  Carbowax

300 < Mw < 20 000

M < 1000 liquides visqueux incolores M > 1000 : solide (60°C < Pf < 80°C)

HO

O

OH n PEG 400 n = 8 +/- 1 PEG 2000 n = 47 +/- 10 PEG 6000 n = 140 +/- 24

Raphael Turgis

R. Turgis, I. Billault, S. Acherar, J. Augé, M.-C. Scherrmann, Green Chem. 2013, 15, 1016-1029

T. Hauet, M. Eugene Kidney International (2008) 74, 998–1003

PEG solvant éco-compatible ?

I. Billault, F. Pessel, A. Petit, R. Turgis, M.-C. Scherrmann, New J. Chem., 2015, 393, 1986-1995.

RO N₃ + RO

N N N Cat.

PEG₂₀₀₀, 70°C R = H

R = Ac

HO O HO

OH OH

O N N

N HO O

HO

OH OH

O

Br + NaN₃ +

Cat.

PEG₂₀₀₀ : H₂O (3/1)

Ultrafiltration

recyclage

recyclage

Pas de groupes protecteurs Solvants bénins et/ou biosourcés Une (seule) chromatographie

Chromatographie

F. Pessel, I. Billault, M.-C. Scherrmann, Green Chem., 2016, 18, 5558-5568.

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Objectif ressources

Biomasse

Autres ressources

Nouveaux solvants

Objectif énergie

microondes

lumière

électron

Nouveaux

procédés Objectif

sécurité

Transfert de chaleur

Transfert de chaleur

Le transfert de chaleur est proportionnel au rapport surface/volume

ballon de 250 mL réacteur serpentin de 10 mL (id 1 mm, L = 12,7 m) 40 cm²/mL

0,7 cm²/mL 1 cm

1 cm

V = 0,78 mL S = 6,28 cm²

0,1 mm L = 100 m

V = 0,78 mL S = 628 cm²

S X 100

Procédés traditionnels

100 - 21 000 L 15 - 250 L

0,005 - 2 L

Laboratoire

(recherche) Pilote

(développement) Production

Echelle = volume

microréacteurs & flux continu

Echelle = volume

Echelle = temps

Echelle = temps*nombre

Losartan

NH N N N N

N Cl

OH

R CN + NaN₃

NH N N N R promoteur chauffage

NaN₃

DANGERS CHIMIQUES : Peut exploser après échauffement au-dessus du point de fusion, spécialement lors de chauffage rapide , en provoquant des risques d'incendie et d'explosion. La solution dans l'eau est une base faible.

Réagit avec le cuivre, le plomb, l'argent, le mercure et le disulfure de carbone pour former des composés particulièrement sensibles aux chocs. Réagit avec les acides, en formant l'acide azothydrique toxique et explosif.

(hypertension) tétrazole

OH

O O PEG

CN

O O R

OH

N N N HN

d = 1 mm réacteur serpentin

!_R 166 min ZnBr₂

NaN₃

150 °C

10 mL

OH

O O PEG

CN H₂O, 170 °C NaN₃ ZnBr₂

O O R

OH

N N N HN

N. Prosa, R. Turgis, R. Piccardi, M-C. Scherrmann, Eur. J. Org. Chem, 2012, 2188-2200.

N. Prosa, M-C. Scherrmann, D. Merlet , J. Farjon, J. Magn. Reson., 237, 2013, 63–72

Nicolo Prosa 12 h

pompes mélangeur

O O PEG

OH

CN 2

NHR

O O PEG

NC 2

N O

R

10 mL

10 mL

Excess reagents RNH₂

HCHO 8a-e

10a-e a

b c d

e

9a-e CH₂

R :

CH₃(CH₂)₃ CH₂

CH₂

N CH₂ CN

OH O

O PEG

2 CN 1a, DABCO

1a, solution A:

solution B:

Excess reagents

O O

O

n O

O

OHC CHO

1a n = 46 + 14

N. Prosa, R. Turgis, R. Piccardi, M-C. Scherrmann, Eur. J. Org. Chem, 2012, 2188-2200.

N. Prosa, M-C. Scherrmann, D. Merlet , J. Farjon, J. Magn. Reson., 237, 2013, 63–72

Réactifs en excès

Réactifs en excès Synthèses multiétapes : 1,3-oxazines

NO₂

+ O O

O O

NO₂ O

O

O O 22 - 25°C S

Si-CPN NO₂

+ O O

O O

NO₂ O

O

O O 22 - 25°C S

Si-CPN

NO₂

+ O O

O O

NO₂ O

O

O O 22 - 25°C S

Si-CPN

Conversion : 90-97%

ee% : 85%

I. Billault, R. Launez and M.-C. Scherrmann, RSC Adv., 2015, 5, 29386–29390.

SiO₂O O EtOSi

S N

OH N OH

alkaloïde issu de l’espèce végétale Cinchona

réacteur colonne

Solvant = 2-MeTHF Résidus de maïs et canne à sucre

TON = 70 TOF = 0.36h^-1 TON = 14 TOF = 0,175 h^-1

Organocatalyse en flux

TON : Turn Over Number

(nombre de moles de substrat transformées/mole de catalyseur)

TOF : Turn Over Frequency (productivité) X 5 X 2

Remy Launez

Procédés intensifiés

réacteur intensif optimisé au laboratoire micro - milli-Litre

réacteurs identiques en parallèle pour

assurer la production

Laboratoire

(recherche) Pilote

(développement) Production

Flux continu

Echelle = temps*nombre

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

Equipe Chimie Peptidomimétique, Photochimie, et

Procédés Alternatifs