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Chimie verte
La chimie verte, ou chimie durable, vise à concevoir des produits et des procédés chimiques qui réduisent ou éliminent l’usage et la production de substances dangereuses. Elle repose sur douze principes formulés en 1998.
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Pendant longtemps, la chimie industrielle a jugé un procédé sur son rendement et son coût, en traitant les déchets et la pollution après coup. La chimie verte inverse la logique : mieux vaut ne pas produire de déchet que de devoir le traiter. Le concept a été formalisé aux États-Unis dans les années 1990, notamment par l’Agence de protection de l’environnement, puis par Paul Anastas et John Warner dans leur ouvrage de 1998 Green Chemistry: Theory and Practice. Le prix Nobel de chimie 2005, décerné à Yves Chauvin, Robert Grubbs et Richard Schrock pour la métathèse des oléfines, a été présenté comme une avancée vers une chimie plus verte.
Les 12 principes d’Anastas et Warner
| N° | Principe | En pratique |
|---|---|---|
| 1 | Prévenir les déchets | concevoir des synthèses qui en produisent le moins possible |
| 2 | Économie d’atomes | incorporer dans le produit final un maximum des atomes des réactifs |
| 3 | Synthèses moins dangereuses | utiliser et produire des substances peu toxiques |
| 4 | Produits plus sûrs | concevoir des molécules efficaces mais peu toxiques |
| 5 | Solvants et auxiliaires plus sûrs | limiter les solvants ou choisir des solvants inoffensifs |
| 6 | Efficacité énergétique | travailler à température et pression ambiantes quand c’est possible |
| 7 | Matières premières renouvelables | préférer la biomasse aux ressources fossiles |
| 8 | Réduire les dérivations | éviter les étapes de protection et déprotection des fonctions |
| 9 | Catalyse | préférer les catalyseurs aux réactifs en quantité stœchiométrique |
| 10 | Dégradabilité | concevoir des produits qui se dégradent en substances inoffensives |
| 11 | Analyse en temps réel | surveiller les procédés pour éviter la formation de substances dangereuses |
| 12 | Sécurité intrinsèque | choisir des substances et des conditions qui limitent les risques d’accident |
Mesurer le caractère « vert » d’une réaction
L’économie d’atomes
Proposée par Barry Trost en 1991, elle compare la masse du produit voulu à la masse totale des réactifs, d’après l’équation équilibrée :
Économie d’atomes (%) = M(produit) / Σ M(réactifs) × 100
Une réaction d'addition (A + B → C) atteint 100 % ; une réaction de substitution ou d'élimination produit forcément des sous-produits. Cet indicateur complète le rendement, qui ne dit rien des déchets. Les calculs s’appuient sur la stœchiométrie.
Le facteur E
Défini par Roger Sheldon, le facteur E rapporte la masse de déchets à la masse de produit utile.
| Secteur | Facteur E typique (kg de déchets / kg de produit) |
|---|---|
| Raffinage du pétrole | < 0,1 |
| Chimie de base | < 1 à 5 |
| Chimie fine | 5 à 50 |
| Industrie pharmaceutique | 25 à plus de 100 |
Les médicaments, issus de synthèses longues et de purifications poussées, sont donc les plus générateurs de déchets par kilogramme, même si les volumes produits sont faibles.
Les leviers de la chimie verte
La catalyse
Un catalyseur accélère une réaction sans être consommé ; il permet de travailler à plus basse température et de remplacer des réactifs utilisés en grande quantité. Les enzymes, catalyseurs du vivant, opèrent dans l’eau à température ambiante et avec une grande sélectivité : la biocatalyse est utilisée pour fabriquer des médicaments, des lessives ou des sucres.
Les solvants
Les solvants représentent souvent la plus grande part de la masse des déchets d’un procédé. On cherche à les supprimer, à les recycler ou à les remplacer :
- eau ;
- CO₂ supercritique : au-delà de 31 °C et 74 bar, le dioxyde de carbone devient un fluide supercritique qui dissout de nombreux composés organiques. Il sert à décaféiner le café et à extraire des arômes, et s’élimine simplement en relâchant la pression ;
- solvants biosourcés, comme l’éthanol ou des esters d’origine végétale ;
- réactions sans solvant, par broyage (mécanochimie).
Les matières premières renouvelables
La biomasse (amidon, sucres, huiles, bois) remplace en partie le pétrole : plastique PLA tiré de l’acide lactique, bioéthanol, biodiesel, tensioactifs d’origine végétale. Le gain n’est réel que si l’on prend en compte tout le cycle de vie, y compris les surfaces agricoles et l’énergie consommée.
Des produits conçus pour se dégrader
Les détergents à base de tensioactifs ramifiés, peu biodégradables, faisaient mousser les rivières dans les années 1950-1960 ; ils ont été remplacés par des tensioactifs à chaîne linéaire, biodégradables. Les insecticides organochlorés comme le DDT, très persistants, ont été interdits dans la plupart des pays.
Exemples de réussites
- Ibuprofène : le procédé historique comptait six étapes avec une économie d’atomes d’environ 40 % ; le procédé BHC, introduit dans les années 1990, n’en compte que trois, catalytiques, avec environ 77 % d’économie d’atomes, et près de 100 % si l’on valorise le sous-produit, l’acide acétique.
- Eau oxygénée comme oxydant : son seul sous-produit est l’eau (voir le peroxyde d’hydrogène).
- Nettoyage à sec : le perchloroéthylène, solvant chloré nocif, est progressivement remplacé par le nettoyage à l’eau ou au CO₂ liquide.
Questions fréquentes
Chimie verte et chimie naturelle, est-ce pareil ?
Non. Une substance naturelle n’est pas forcément sans danger, et une molécule de synthèse peut être plus sûre et plus économe. La chimie verte juge un procédé sur ses déchets, sa toxicité, son énergie et ses matières premières, pas sur l’origine des molécules.
Quelle différence entre rendement et économie d’atomes ?
Le rendement compare la quantité de produit obtenue à la quantité théorique. L’économie d’atomes mesure la part des atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit, donc la quantité de sous-produits inévitables, même avec un rendement de 100 %.
La chimie verte est-elle plus chère ?
Pas nécessairement. Moins de déchets, moins de solvants et moins d’énergie signifient souvent des économies. La transition demande en revanche des investissements de recherche et de nouvelles installations.