La chimie sans solvant

Qu'elle soit « propre » ou « verte », la chimie d'aujourd'hui vise à limiter la production de polluants et de déchets, économiser la quantité de matière première et d'énergie, tout en réduisant les risques pour la santé. La synthèse organique sans solvant répond à ces critères.

CNRS Photothèque - Didier Cot

Amas de cristaux de zéolithes (de type sodalite) lors d'une étape de synthèse. Les zéolithes sont des alumino-silicates microporeuses.

Largement utilisées comme catalyseurs dans l'industrie,

elles interviennent de plus en plus dans les procédés de séparation.

Fabrication de plastiques, de composites, synthèse de nouvelles molécules thérapeutiques..., la synthèse organique est utilisée dans de nombreux secteurs industriels. Effectuer une synthèse organique, c'est obtenir un composé en faisant réagir entre eux des composés organiques plus simples.

Besoin de liberté

Pour que les "molécules de départ" (les réactifs) réagissent entre elles, il faut qu'elles puissent se mouvoir avec suffisamment de liberté pour pouvoir adopter, à un moment donné, une conformation propice à la réaction. Le moyen le plus simple pour obtenir ce résultat et, en fait, le seul connu pendant longtemps est de mettre les réactifs en solution. Or les molécules organiques ne sont solubles que dans des solvants organiques qui, hormis le fait qu'ils soient souvent coûteux, sont généralement toxiques et potentiellement générateurs de pollution.

Remplacer les solvants

CNRS Photothèque - R

Deux chercheurs au tableau noir essayant

de définir les différentes étapes pour la synthèse

d'une nouvelle molécule organique





La dilution des réactifs a pour conséquence de baisser leur réactivité(1)  et  d'augmenter le temps de réaction.

Aussi depuis les années 90, il existe plusieurs procédés qui permettent d'effectuer des synthèses organiques sans solvant.

-La solubilisation du (des) réactif(s) solide(s) dans le(s) réactif(s) liquide(s) ou l'adsorption du liquide à la surface du solide sont utilisées si au moins un des réactifs est liquide et que les autres, solides, sont solubles dans ce liquide.

-La catalyse par transfert de phase (CTP) est un procédé qui peut s'appliquer aux réactions mettant en jeu des sels, qui, en présence de sels d'ammonium quaternaire, deviennent solubles dans une phase organique liquide.

-Une autre technique consiste à utiliser des supports solides minéraux, tels que l'alumine, les gels de silice, l'argile, ou les zéolites, qui comportent de multiples cavités à leur surface(2). Les réactifs pénètrent dans ces cavités et leur réactivité est nettement augmentée : la réaction s'amorce à l'interface réactifs/cavité. Ces supports minéraux sont, de plus, non toxiques et recyclables.

Amorçage avant réaction

Le plus souvent, les réactions ont besoin d'être amorcées... par un peu de chauffage ! Mais le chauffage traditionnel est lent. De plus les éventuelles surchauffes du récipient peuvent dégrader réactifs comme produits de la réaction. Depuis 1986, l'adoption du chauffage par micro-ondes en synthèse organique pallie ces inconvénients. Utilisé dans les laboratoires de recherche comme en milieu industriel, il permet un chauffage rapide et homogène du milieu réactionnel et seulement de celui-ci (le récipient n'est pas chauffé), des temps de réaction plus courts, des produits de réaction plus purs et de meilleurs rendements.

98% de rendement

Ainsi, par exemple, la synthèse de certains composés d'intérêt biologique, qui s'effectuait "classiquement" en solution dans le toluène (un solvant toxique), demandait vingt-quatre heures et atteignait un rendement de 65%. Sans solvant et avec chauffage par micro-ondes, elle s'effectue en trois minutes, avec un rendement de 98% ! Les améliorations (rapidité de réaction, rendement) sont tout aussi impressionnantes pour les deux autres types de réaction sans solvant.

Si les premiers essais de synthèse organique sans solvant et sous micro-ondes ont été effectués avec des fours semblables à ceux de nos cuisines, les techniques ont considérablement évolué pour permettre, d'une part, une meilleure efficacité et un contrôle de la réaction (mesure de la température intérieure, de la pression...) et, d'autre part, de produire les composés en plus grande quantité.



Sylvie Furois, CNRS et Centre de Vulgarisation de la Connaissance, Université Paris-Sud 11, http://www.cvc.u-psud.fr

(1) Abaissement du rendement de la réaction -fraction de réactifs ayant réagi par rapport aux réactifs mis en jeu.

(2) Ces solides, aussi lisses et polis qu'ils paraissent, possèdent en fait de nombreux »trous » à leur surface, à l'échelle moléculaire.



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Article publié en Avril 2006

dans Sciences Ouest n°231