Principle 1: It is better to prevent waste than to treat or clean up

Green Chemistry
M2 SO-IPA, 07-08, S. CHIERICI
Ouvrage: Mike Lancaster, University of York, Green Chemistry: an introduction
text, RSC 2002.
Communication: Mary Kirchhoff, Colleges of the Chicago Area, September 2003.
Green Chemistry
“ Green Chemistry is the design of chemical products and
processes that reduce or eliminate the use and/or
generation of hazardous substances”, U.S. Environmental
Protection Agency, 1991.
Green Chemistry - Définition
dans cette définition, le terme « dangereuses » est pris au
sens le plus large : le danger peut être physique (substance
inflammable, explosive...), toxicologique (cancérigène,
mutagène...) ou global (destruction de la couche d'ozone,
changement climatique...)
Origine du concept
Essor de l’industrie chimique
Pollution / Accidents / Toxicité
Thalidomide 1961
Usine AZF
(Toulouse 2001)
Prise de conscience de l’Impact des
activités humaines sur l’environnement
Green Chemistry - Origine
1972 : Sommet des NU
l’Environnement, Stockholm
sur
l’Homme
et
1987 : Commission mondiale sur l’Environnement et le
Développement publie son rapport "our common future" et
définit et popularise le concept de développement durable
"sustainable development "
Développement durable
Green Chemistry - Origine
1990 : "Pollution Prevention Act “ adoptée par les EU : plutôt
que de traiter les déchets produits, il s'agit d'opérer une
réduction à la source pour prévenir la pollution. De
nombreuses disciplines doivent être impliquées dans cet
effort de réduction, dont la chimie
Green Chemistry
Du concept aux Principes
Douze principes ont été développés par les chimistes
américains Anastas et Warner, qui ont contribué à faire
naître et à populariser le concept de Green Chemistry
Anastas P.T., Warner J.C., Green Chemistry: Theory and Practice,
Oxford University Press, 1998.
Green Chemistry - Principes
Green Chemistry – Principe 1
Principle 1
It is better to prevent waste than to treat or clean up
waste after it is formed.
Prévention
Il vaut mieux produire moins de déchets
qu'investir dans l'assainissement ou l'élimination
des déchets.
Green Chemistry – Principe 1, Exemple
Redesign of the Sertraline Process
Sertraline (ZOLOFT, Pfizer) :
antidépresseur, inhibiteur sélective de la recapture de la
sérotonine dans le SNC
Nouvelle synthèse :
Rdt doublé
Ethanol / CH2Cl2, THF, toluene, and hexane
Elimination de l’utilisation de TiCl4
Purifications limitées ….
Redesign of the Sertraline Process
Pd/C, H2
TiCl4/ MeNH2
(D)-mandelic acid
EtOH
toluene/hexanes
THF
Cl
"imine"
isolated
+ TiO2
+ MeNH4Cl
EtOAc
HCl
Cl
Cl
Cl
Cl
O
NMe
NMe
NMe
NMe
Cl
Cl
racemis mixture
cis and trans isomers
Sertraline Mandelate
isolated
Cl
Sertraline
isolated
final product
Cl
Cl
NMe
MeNH2
EtOH
NMe
+ H2O
PdC/CaCO3
H2/EtOH
Cl
Cl
"imine"
not isolated
NMe
Cl
(D)-mandelic
acid
EtOH
MeOH rex
NMe
EtOAc
HCl
Cl
Cl
Cl
racemic mixture
not isolated
Sertraline Mandelate
isolated
Cl
Cl
Sertraline
isolated
final product
Green Chemistry – Principe 2
Principle 2
Synthetic methods should be designed to maximize the
incorporation of all materials used into the final product.
Economie d’atomes
Les synthèses doivent être conçues dans le but de
maximiser l'incorporation des réactifs dans le produit final.
Green Chemistry – Principe 2
Notion d’économie d’atomes
Toute la matière introduite doit se retrouver dans le produit final
Réduire voire supprimer, la quantité de sous-produits
Chimie Verte / Prise en compte de la réduction des déchets
Indicateurs de l'efficacité des procédés:
Utilisation atomique et Facteur E
Classement des réactions / Optimiser les schémas de synthèses
Green Chemistry – Principe 2
Utilisation atomique ou Economie atomique
B. M. TROST. The atom economy, a search for synthetic efficiency, Science, 254
(1991) 1471; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 34 (1995) 258.
UA = 27% soit 73 % de déchets
Green Chemistry – Principe 2
E-factor
R. A. SHELDON. Atom utilisation, E factors and the catalytic solution, C. R. Acad. Sci.
Paris, Série IIc (2000) 541.
E-factor = 2,7
soit 2,7 fois plus de déchets, en masse, que de produit désiré
Green Chemistry – Principe 2
E-factor / Domaines de la Chimie
Secteur
Tonnage annuel
Facteur E
< 104-106
<1→5
Chimie fine
102-104
5 → > 50
Industrie pharmaceutique
102-103
25 → > 100
Chimie lourde
Le facteur E augmente avec la complexité des produits synthétisés.
La chimie fine et l'industrie pharmaceutique génèrent des quantités de
déchets comparables à celle générée par la chimie lourde pour des
tonnages de produits inférieurs de plusieurs ordres de grandeur.
Green Chemistry – Principe 2
Classement des réactions / E-Factor
Beckmann
Diels-Alder, Aldolisation
Wittig
Métathèse
Green Chemistry – Principe 2
Green Chemistry – Principe 2
Réactions catalytiques / E-Factor
réactions stœchiométriques généralement beaucoup
moins efficaces / catalytiques.
Green Chemistry – Principe 2
Q-Factor / E-Factor
Facteur environnemental Q : toxicité des sous-produits, de la
facilité de séparation, de leur caractère recyclable, ……
Produit E.Q plus pertinent
environnemental du procédé.
pour
quantifier
l'impact
Green Chemistry – Principe 2, exemple
Synthèse de l’Ibuprofène
Anti-inflammatoire : principe actif de plusieurs anti-douleurs
commerciaux.
Production annuelle : 13000 tonnes / + 20000 tonnes de déchets.
Début 1990 : développement par BHC d’un procédé catalytique en
trois étapes qui génère une quantité beaucoup plus faible de
produits secondaires. Ces sous-produits (AcOH) sont par ailleurs
récupérés et valorisés, ce processus ne génère finalement pas de
déchets !
Green Chemistry – Principe 2, exemple
Traditional synthesis of ibuprofen, 1960 Boots
6 stoichiometric steps / <40% atom utilization
O
(CH3CO)2O
O CHCO2C2H5
ClCH2CO2C2H5
AlCl3
NaOC2H5
CHO
H+
H2O
HC NOH
H2NOH
CN
CO2H
Ibuprofen
Green Chemistry – Principe 2, exemple
Catalytic synthesis of ibuprofen, 1990 BHC
3 catalytic steps
80% atom utilization (99% with recovered acetic acid)
O
(CH3CO)2O
HF
OH
H2
catalyst
CO2H
CO, Pd
Ibuprofen
Green Chemistry – Principe 2
Green Chemistry – Principe 2
Green Chemistry – Principe 2
Green Chemistry – Principe 2
Green Chemistry – Principe 3
Principle 3
Wherever practicable, synthetic methodologies should
be designed to use and generate substances that
possess little or no toxicity to human health and the
environment.
Synthèses chimiques moins nocives
Les méthodes de synthèse doivent être conçues pour
utiliser et créer des substances faiblement ou non toxiques
pour les humains et sans conséquences sur
l'environnement.
Green Chemistry – Principe 3, exemple
Non toxic substances
Polycarbonate Synthesis: Phosgene Process
O
O
HO
OH
+
Cl
NaOH
Cl
*
O
Disadvantages:
phosgene is toxic, corrosive
requires large amount of CH2Cl2
polycarbonate contaminated with Cl impurities
O
n*
Green Chemistry – Principe 3, exemple
Polycarbonate Synthesis : Solid-State Process
OH
HO
O
+
*
O
O
O
O
O
Advantages
diphenylcarbonate synthesized without phosgene
no use of CH2Cl2
higher-quality polycarbonates
Komiya et al., Asahi Chemical Industry Co.
n
*
Green Chemistry – Principe 3, exemple
Non toxic substances
Synthèse de l'isocyanate
composé de base de l'industrie des polyuréthanes
CO2 / phosgène
Green Chemistry – Principe 4
Principle 4
Chemical products should be designed to preserve
efficacy of function while reducing toxicity.
Conception de produits chimiques plus sécuritaires
Les produits chimiques doivent être conçus de manière à
remplir leur fonction primaire tout en minimisant leur
toxicité.
Green Chemistry – Principe 4, exemple
Spinosad, a natural product for insect control
produced by Saccharopolyspora spinosa
isolated from Caribbean soil sample
demonstrates high selectivity, low toxicity
Dow AgroSciences
Me2N
OMe
O
O
OMe
OMe
O
H H
O
O
O
H H
O
H
R
Spinosyn A: R = H
Spinosyn D: R = CH3
Green Chemistry – Principe 5
Principle 5
The use of auxiliary substances (e.g. solvents, separation
agents, etc.) should be made unnecessary wherever
possible and, innocuous when used.
Solvants et auxiliaires plus sécuritaires
Si possible supprimer l’utilisation d’agents auxiliaires
(solvants, agent de séparation) ou utiliser des solvants
inoffensifs
Green Chemistry – Principe 5
Chimie sans solvant, dans l’eau
Liquides ioniques
Phase fluorée, CO2 supercritique
Substituts
aux solvants toxiques et volatils
Solvants verts
Synthèse supportée
et
Réactifs supportés
Limiter les agents de séparation
Green Chemistry – Principe 6
Principle 6
Energy requirements should be recognized for their
environmental and economic impacts and should be minimized.
Synthetic methods should be conducted at ambient temperature
and pressure.
Amélioration du rendement énergétique
Les besoins énergétiques des procédés chimiques ont des
répercussions sur l'économie et l'environnement. Il faut
mettre au point des méthodes de synthèse dans les
conditions de température et de pression ambiantes.
Green Chemistry – Principe 6
Photochimie
Catalyse
Ultrasons
Micro-ondes
Green Chemistry – Principe 7
Principle 7
A raw material of feedstock should be renewable rather than
depleting wherever technically and economically practicable.
Utilisation de matières premières renouvelables
Lorsque la technologie et les moyens financiers le
permettent, les matières premières utilisées doivent être
renouvelables.
Green Chemistry – Principe 7, exemple
Adipic Acid Synthesis
petroleum-based feedstock
Contributes 2% anthropogenic N2O/year
Ni-Al2O3
Co / O2
370-800 psi
120-140 psi
Cu / NH4VO3
HO2C
HNO3
OH
O
+
CO2H
+
N2O
Green Chemistry – Principe 7, exemple
Adipic Acid Synthesis
Renewable feedstock replaces petroleum-based feedstock
No nitrous oxide generated
OH
CO2H
HO2C
OH
O
E. coli
OH
OH
OH
O
OH
OH
D-glucose
Pt / H2
50 psi
E. coli
3-dehydroshikimate
HO2C
CO2H
CO2H
cis, cis-muconic acid
Green Chemistry – Principe 8
Principle 8
Unnecessary derivatization (blocking group,
protection/deprotection, temporary modification of
physical/chemical processes) should be avoided whenever
possible.
Réduction de la quantité de produits dérivés
Lorsque c'est possible, toute déviation inutile du schéma de
synthèse (utilisation d'agents bloquants,
protection/déprotection, modification temporaire du procédé
physique/chimique) doit être réduite ou éliminée.
Green Chemistry – Principe 8, exemple
Boric Acid-Mediated Amidation
Direct amidation of carboxylic acids with amines
Boric acid: nontoxic, safe, inexpensive
Eliminates use of SOCl2, PCl3, phosgene
Widely applicable
Emisphere Technologies, Inc
O
+
R
O
R'
OH
H
N
R''
cat B(OH)3
toluene
reflux
R'
R
N
R''
+
H2O
Green Chemistry – Principe 8, exemple
Enzymatic synthesis of cephalexin
eliminates protection/deprotection of functional groups
H2N
OMe
H
N
O
COOR
H NH2H
H H
N
S
O
Penicillin Acylase
H2N
semicarbazide-HCl
H H
H
COOH
OMe
+
O
O
O
NH2
S
N
pH 6.5
N
Et3N
Zn/HCl
Et3N
-40 0C
-40 0C
CH3CO2Cl
O
S
N
Me2NCH2C6H5
DMF
O
ONa
H H
COOH
Cephalexin
Altus Biologics
Green Chemistry – Principe 9
Principle 9
Catalytic reagents (as selective as possible) are superior to
stoichiometric reagents.
Catalyse
Les réactifs catalytiques sont plus efficaces
que les réactifs stœchiométriques. Il faut
favoriser l'utilisation de réactifs catalytiques les
plus sélectifs possibles.
Green Chemistry – Principe 9, exemple
Synthesis of disodium iminodiacetate (DSIDA)
filter catalyst from waste stream, no additional purification required
Monsanto Company
H
HO
N
O
OH
+
2 NaOH
Cu catalyst
H2O /
NaO
H
N
O
ONa
DSIDA
Intermédiaire d’agents chelatants, herbicides
et surfactants
+
4 H2
Green Chemistry – Principe 10
Principle 10
Chemical products should be designed so that at the end of
their function they do not persist in the environment and
break down into innocuous degradation products.
Conception de substances non persistantes
Les produits chimiques doivent être conçus de façon à
pouvoir se dissocier en produits de dégradation non
nocifs à la fin de leur durée d'utilisation, cela dans le but
d'éviter leur persistance dans l'environnement.
Green Chemistry – Principe 10, exemple
Polylactic Acid or Polylactide (PLA)
PLA is a biodegradable, thermoplastic aliphatic derived from renewable
resources.
PLA is currently used in a number of biomedical applications, such as
sutures, stents, dialysis media and drug delivery devices. Being
biodegradable it can also be employed in the preparation of bioplastic,
useful for producing loose-fill packaging, compost bags
Green Chemistry – Principe 10, exemple
Polylactic Acid or Polylactide (PLA)
PLA is a sustainable alternative to petrochemical-derived products,
since the lactate from which it is ultimately produced can be derived
from the fermentation of agricultural by-products such as starch-rich
substances like maize, sugar or wheat. PLA is more expensive than
many petroleum-derived commodity plastics, but its price has been
falling as more production comes online.
tin-catalyzed ring opening polymerization
Green Chemistry – Principe 10, exemple
Alternative products
Eastman Biodegradable Copolyester 14766
- copolyester of adipic acid, terephthalic acid, and 1,4butanediol
- totally biodegrades to H2O, CO2, biomass
- reduces waste sent to landfills and incinerators
Eastman Chemical Company
Green Chemistry – Principe 11
Principle 11
Analytical methodologies need to be further developed to
allow for real-time, in-process monitoring and control prior to
the formation of hazardous substances.
Analyse en temps réel de la lutte contre la pollution
Des méthodologies analytiques doivent être élaborées
afin de permettre une surveillance et un contrôle en
temps réel et en cours de production avant qu'il y ait
apparition de substances dangereuses.
Green Chemistry – Principe 12
Principle 12
Substances and the form of a substance used in a chemical
process should be chosen so as to minimize the potential for
chemical accidents, including releases, explosions, and fires.
Chimie sécuritaire pour prévenir les accidents
Les substances et la forme des substances utilisées
dans un procédé chimique devraient être choisies de
façon à minimiser les risques d'accidents chimiques,
incluant les rejets, les explosions et les incendies.
Green Chemistry – Principe 12, exemple
Minimize hazard
Synthesis of Acrylamide
Conventional Synthesis : utilizes Corrosive Acid and Ammonia
CN
+
H2O
1. H2SO4
NH2 + (NH +) SO 24 2
4
2. NH3
O
Simmons, in Green Chemistry: Designing Chemistry for the Environment
Biocalysis
nitril
CN
hydratase
N
O
Green Chemistry – Principe 12, exemple
Minimize hazard
Catalytically synthesize methylisocyanate
to reduce risk of exposure and to eliminate use of phosgene
Manzer, DuPont
Old synthesis of Methylisocyanate
CH3NH2
+
COCl2
CH3NCO
New synthesis of Methylisocyanate
CH3NH2
+
CH3NHCHO
CO
+
O2
catalyst
catalyst
CH3NHCHO
CH3NCO
+
HCl
Green Chemistry – Conclusion
Conclusion
Not a solution to all environmental problems.
The most fundamental approach to preventing pollution.
Green Chemistry – Conclusion
En une quinzaine d’années, la chimie verte a connu
un dévelopement considérale au niveau mondial et
dans la plupart des domaines de recherche, aussi
bien en méthodologie de synthèse qu’en procédés.
Green Chemistry – Conclusion
Aujourd'hui, dans de nombreux pays, sont financés
des programmes de recherche qui visent à
incorporer un ou plusieurs de ces 12 principes lors de
la mise en oeuvre d'une synthèse ou d'un procédé
chimique.
Green Chemistry – Conclusion
"La chimie verte est une approche radicalement nouvelle des problèmes posés par
les activités chimiques industrielles. Jusqu'à présent, encadrés par la législation,
les industriels cherchaient à minimiser l'exposition aux dangers en contrôlant les
substances toxiques à tous les stades des procédés : manutention, utilisation,
traitement et élimination. La chimie verte propose de traiter les problèmes à la
source en développant des processus sans dangers ! Il existe bien sûr des
barrières à son développement à une échelle globale : l'activité commerciale
impose la rentabilité et un procédé vert ne remplacera un procédé traditionnel
polluant que si son retour sur investissement est suffisamment rapide pour attirer
les dirigeants et les investisseurs. Il faut pour cela compenser les coûts de
démantèlement de l'ancien procédé et de mise en place du nouveau. Le principal
défi de la chimie verte est sans doute maintenant de développer des procédés qui
présentent également un avantage économique sur les procédés traditionnels
pour être adoptés par l'industrie“ Hagop Demirdjian (professeur agrégé à l'ENS).
Bibliographie
Ouvrages:
Anastas, P. T. ; Warner, J. C., Green chemistry theory and practice, Oxford,
Oxford university press, 1998,135p.
Lancaster, M., Green chemistry, an introductory text, Cambridge, Royal
Society of Chemistry, 2002, 310 p.
La revue Green Chemistry publiée par la Royal Society of Chemistry.
On peut également consulter les sites :
U.S.
Environmental
Protection
Agency
:
agence
gouvernementale américaine de protection de l'environnement.
Green Chemistry Network : réseau de chimie verte de la société
royale de chimie (Royaume Uni).
Green Chemistry Institute : institut de chimie verte (États-Unis).
Green Chemistry – Biblio
2007