La chimie verte, ou chimie durable, est l’impulsion stratégique vers des pratiques vertes et durables dans l’industrie chimique qui vise à atteindre un double objectif d’une plus grande efficacité et d’une réduction des déchets.
Consultez notre liste complète de ressources sur la chimie verte et durable, y compris des études de cas et des exemples de l’industrie. Ce livre blanc démontre comment les données en temps réel fournies par la technologie de pointe de METTLER TOLEDO soutiennent la chimie verte et durable dans la recherche, le développement et la production de molécules et de produits pharmaceutiques, chimiques et polymères.
Les 12 principes de la chimie verte ont été développés à la fin des années 1990 par des chimistes qui souhaitaient rendre les processus chimiques plus sûrs et plus durables. Le respect de ces directives dans votre laboratoire peut vous aider à minimiser votre empreinte environnementale. L’avantage de ces principes est qu’ils peuvent être mis en œuvre n’importe où, des petits laboratoires aux grandes opérations industrielles.
Prévenir le gaspillage : Concevoir des synthèses chimiques pour éviter le gaspillage, car il vaut mieux prévenir que traiter ou nettoyer. Il s’agit d’un principe fondamental de la chimie durable.
Maximiser l’économie atomique : Maximiser la proportion de matières premières qui sont incorporées dans le produit final. Cela minimise les déchets en s’assurant que peu ou pas d’atomes sont gaspillés.
Concevoir des synthèses chimiques moins dangereuses : Utiliser et générer des substances peu ou pas toxiques pour les humains ou l’environnement. Cela réduit le risque à la source.
Concevoir des produits chimiques et des produits plus sûrs : Développer des produits chimiques qui sont pleinement efficaces et remplissent la fonction souhaitée tout en ayant une toxicité minimale.
Utiliser des solvants et des conditions de réaction plus sûrs : Évitez d’utiliser des substances auxiliaires comme les solvants ou utilisez des alternatives plus sûres. Le fonctionnement des réactions à température et à la pression ambiantes augmente également l’efficacité énergétique.
Augmenter l’efficacité énergétique : Minimiser les besoins énergétiques des procédés chimiques afin de réduire l’impact environnemental et économique. Utilisez la température et la pression ambiantes lorsque cela est possible.
Utiliser des matières premières renouvelables : Utiliser des matières premières renouvelables plutôt qu’épuisables. Les produits agricoles et les flux de déchets sont souvent des sources de matières premières renouvelables.
Éviter les dérivés chimiques : Minimiser l’utilisation de modifications temporaires telles que le blocage ou la protection de groupes. Ces étapes nécessitent des réactifs supplémentaires et génèrent des déchets inutiles.
Utiliser des catalyseurs, pas des réactifs stœchiométriques : Utiliser des réactifs catalytiques sélectifs et efficaces en petites quantités, car ils sont supérieurs aux réactifs stœchiométriques, qui sont utilisés en excès et produisent plus de déchets.
Concevoir des produits chimiques et des produits pour qu’ils se dégradent après utilisation : Créer des produits chimiques qui se décomposent en substances inoffensives à la fin de leur fonction, les empêchant de persister dans l’environnement.
Analyser en temps réel pour prévenir la pollution : Développer des méthodologies analytiques pour la surveillance et le contrôle en temps réel pendant les synthèses afin de prévenir la formation de sous-produits dangereux. Les solutions de technologie d’analyse de processus (PAT) sont la clé de ce principe.
Minimiser le risque d’accident : Choisisser des produits chimiques et leurs formes physiques pour minimiser le risque d’accidents chimiques, y compris les explosions, les incendies et les rejets dans l’environnement.
« La chimie verte est la conception de produits et de procédés chimiques qui réduisent ou éliminent l’utilisation ou la production de substances dangereuses. La chimie verte s’applique tout au long du cycle de vie d’un produit chimique, y compris sa conception, sa fabrication, son utilisation et son élimination finale.
Environmental Protection Agency (EPA)
Le développement de produits et de processus efficaces, durables et souvent nouveaux nécessite des connaissances approfondies et un contrôle précis. À bien des égards, pour atteindre le double objectif de la chimie verte, à savoir l’efficacité et la réduction des déchets, il faut effectuer une chimie plus intelligente. L’accès à des données détaillées sur l’évolution du temps et un contrôle précis des paramètres nécessitent les bons outils.
L’une des tendances les plus actives dans la production de produits chimiques verts est la qualité dès la conception (QbD), et l’un des principaux principes de la QbD est la nécessité d’acquérir une compréhension approfondie des réactions et des processus grâce à la technologie d’analyse des processus (PAT) en ligne et en temps réel. Ainsi, la QbD est un moteur pour le développement de la technologie d’analyse de réaction en temps réel. De plus, l’information et la compréhension du processus qui peuvent être glanées à partir des données complètes fournies par l’analyse des réactions en temps réel sont considérablement améliorées par l’application de méthodes de modélisation et d’analyse de données qui exploitent pleinement les expériences riches en données (DRE).
Une autre tendance de la chimie verte est l’évolution rapide du développement de nouvelles synthèses (et la conversion de la chimie plus ancienne) à l’aide de méthodes à flux continu, qui offrent plusieurs avantages en termes de productivité et de durabilité. La chimie en flux est mieux servie par la technologie d’analyse réactionnelle qui fournit des mesures ininterrompues et continues. Les technologies d’analyse en temps réel, y compris FTIR en ligne, Raman, Ultraviolet-visible (UV/Vis), NIR, NMR, HPLC et MS, sont toutes couramment utilisées pour analyser la chimie de l’écoulement et pour garantir la stabilité et les performances des systèmes d’écoulement. De plus, l’analyse en temps réel permet de développer des systèmes d’auto-optimisation des réactions et des processus.
« La chimie durable est un concept scientifique qui vise à améliorer l’efficacité avec laquelle les ressources naturelles sont utilisées pour répondre aux besoins humains en produits et services chimiques. La chimie durable englobe la conception, la fabrication et l’utilisation de produits et de procédés chimiques efficients, efficaces, sûrs et plus respectueux de l’environnement.
OECD, 2022 (Organisation for Economic Co-operation and Development)
La technologie d’analyse des procédés (PAT), telle que la FTIR in situ et la FBRM, a été un moteur clé de la recherche en chimie verte, permettant aux scientifiques et aux ingénieurs de surveiller et de contrôler les réactions et les processus en temps réel. Les riches données analytiques obtenues fournissent des informations précieuses sur la cinétique des réactions, les transformations physiques et l’effet des variables sur les performances, permettant aux scientifiques et aux ingénieurs de prendre des décisions fondées sur des données qui soutiennent les principes de la chimie verte.
Bien sûr, rien de tout cela n’est possible sans un contrôle précis. Les chercheurs ont utilisé des postes de synthèse automatisés pour contrôler et enregistrer avec précision toutes les tâches majeures effectuées autour d’un réacteur (température, agitation, dosage et échantillonnage) sans aucune intervention manuelle. La réalisation de réactions in silico offre un autre moyen d’atteindre les objectifs de durabilité, en permettant aux scientifiques d’examiner les solvants, de déterminer les conditions optimales et de tester de nouvelles idées à l’aide de l’intelligence artificielle et des statistiques.
Depuis plus de trois décennies, METTLER TOLEDO a développé de puissants outils d’analyse PAT et réactionnelle pour soutenir la R&D et la mise à l’échelle de synthèses chimiques vertes et de procédés robustes. La capacité de surveiller, d’échantillonner et de contrôler automatiquement les réactions en temps réel 24 heures sur 24 et de transformer rapidement les données expérimentales en informations exploitables a révolutionné la recherche scientifique. Le besoin pressant d’en faire plus avec nos ressources existantes et de réduire les déchets nécessite maintenant de tirer parti de ces mêmes outils pour stimuler la recherche, le développement et la production écologiques et durables dans l’industrie chimique.
Compréhension en temps réel de la cinétique de réaction, des transitions de polymorphisme et des mécanismes d’optimisation des variables de processus.
Compréhension en temps réel de la cinétique, des mécanismes et du chemin de réaction pour optimiser les variables de réaction.
Capturez des images haute résolution de particules in situ pour obtenir une compréhension approfondie des processus pour les systèmes complexes.
Inséré directement dans les réacteurs de laboratoire pour suivre l’évolution de la taille et du comptage des particules en temps réel à pleine concentration du processus.
Augmentez la productivité de votre laboratoire grâce à des réacteurs de synthèse écologiques dotés d’outils d’automatisation intégrés.
Solution d’échantillonnage automatisée et sans surveillance qui fournit des échantillons de haute qualité jour et nuit pour l’analyse hors ligne standard, telle que l’HPLC.
Estimer les paramètres cinétiques, modéliser in silico, développer des conditions de réaction optimales.
Une approche unifiée prend en charge les applications du laboratoire à l’usine pour la spectroscopie, la caractérisation des systèmes de particules, le contrôle précis du réacteur et la calorimétrie.
Défi : Étudier et développer un procédé plus écologique pour la formation de particules sphériques et la granulation de l’éthylvanilline.
L’arôme synthétique éthylvanilline est largement utilisé dans une variété de produits de consommation, mais les défis pratiques liés au stockage et à l’agglomération entravent son application à grande échelle. La formation préférentielle de particules sphériques peut atténuer ces problèmes, ce qui rend le traitement en aval plus efficace et améliore la qualité du produit. Cependant, les méthodes standard de cristallisation sphérique impliquent souvent des solvants organiques dangereux et coûteux. Ce travail décrit le développement d’une technologie d’agglomération sphérique par huilage qui élimine le besoin de solvants organiques, offrant ainsi un processus plus écologique et plus rentable. Les chercheurs ont utilisé des technologies d’analyse de processus pour étudier le phénomène d’huilage de l’éthylvanilline en solution aqueuse. Les connaissances mécanistes obtenues grâce à la surveillance de l’évolution de la concentration de soluté via FTIR (ReactIR), ainsi que du comptage et de la morphologie des particules via EasyViewer et ParticleTrack G400 (sonde basée sur FBRM) ont permis la formation préférentielle de particules sphériques dans une solution aqueuse de chlorure de sodium à l’aide d’un processus simple de chauffage et de trempe. Le produit sphérique d’éthylvanilline qui en résulte possède d’excellentes propriétés de poudre, une grande fluidité et un rendement élevé, ce qui le rend non seulement plus respectueux de l’environnement à produire, mais également un produit de meilleure qualité.
"Compte tenu des problèmes actuels de taux de libération d’arômes trop rapide et de mauvaises propriétés de poudre de l’éthylvanilline, ce travail étudie systématiquement le phénomène de lubrification et le mécanisme de formation de particules sphériques d’éthylvanilline dans une solution aqueuse. À l’aide des technologies d’analyse des procédés (ATR-FTIR, FBRM et EasyViewer), deux types de phénomènes de lubrification de l’éthylvanilline dans l’eau se produisent avec les changements de température. De plus, les résultats des spectres IR ont montré que la raison intrinsèque de l’apparition de deux phénomènes d’huilage de l’éthylvanilline dans l’eau est la commutation de différents types de liaisons hydrogène intermoléculaires induites par la solvatation... Des particules sphériques d’éthylvanilline sont préparées avec succès dans la solution aqueuse de chlorure de sodium par la technologie d’agglomération sphérique par huilage. Cette technologie verte élimine l’utilisation de solvants dangereux et combine les deux opérations unitaires de cristallisation et de granulation, ce qui est particulièrement adapté à l’industrie alimentaire.
Liu, Y., Wang, S., Li, J., Guo, S., Yan, H., Li, K., Tong, L., Gao, Y., Li, T., Chen, M, Gao, Z. et Gong, J. (2023). Préparation de particules sphériques d’éthylvanilline avec des fonctions de libération prolongée et d’anti-agglomération par un procédé sans solvant organique. Food Chemistry, 402, 134518. https ://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134518
Défi : Mettre au point une réaction d’oxydation des cétones plus efficace et plus sûre à l’aide d’oxygène , un réactif écologique et peu coûteux.
L’utilisation de l’oxygène comme oxydant est attrayante pour l’environnement, mais présente des risques pour la sécurité lorsqu’elle est effectuée en lot en raison de la combustion potentielle des vapeurs de solvant dans l’espace libre du réacteur. Fava et. al. a conceptualisé et développé une approche en flux continu pour l’oxydation aérobie d’un intermédiaire cétonique dans la synthèse de l’API antitumorale, AZD4635, atténuant efficacement ce risque. L’oxydation de la cétone a été favorisée par un catalyseur à base d’acétate de cuivre dans un solvant DMSO, et l’effet de la température du réacteur, de la charge du catalyseur et du débit de gaz a été étudié. Les données obtenues via ReactIR ont fourni des informations clés sur la relation entre la température et la conversion, ce qui a permis d’optimiser facilement la température de réaction. La mise en œuvre du flux continu optimisé a réduit la synthèse globale de l’API à trois étapes (au lieu de cinq par lot), ce qui a permis d’obtenir un processus plus sûr, plus écologique et plus économique.
« Après avoir modifié la concentration, nous avons réoptimisé la température de réaction. Pour obtenir des données analytiques en temps réel, nous avons mis en œuvre un instrument Mettler Toledo ReactIR 15 équipé d’une cellule d’écoulement qui a été incorporée à la sortie de la configuration à flux continu. Pour réduire le bruit de fond dû aux bulles d’oxygène dans la cellule, un séparateur à membrane a été introduit entre la sortie du réacteur et la cellule d’écoulement. Les spectres IR pour 3 [cétone] et 4 [produit oxydé] ont montré des bandes d’absorption différentes à 1689 cm−1 et 1675, 1693 cm−1, respectivement. La conversion relative a donc pu être suivie en temps réel, et en faisant varier la température, nous avons constaté que l’oxydation procédait à une excellente conversion à 120 °C, tandis que des températures plus basses conduisaient à une conversion incomplète.
Fava, E., Karlsson, S. et Jones, M. D. (2022). Utilisation de l’oxygène comme oxydant primaire dans un processus continu : application au développement d’une voie efficace pour AZD4635. Organic Process Research & Development, 26(4), 1048-1053. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00279
Défi : Mettre au point une méthode chimique plus durable pour synthétiser les composés fluorés en utilisant des complexes de rhodium et d’iridium comme catalyseurs. Mesurez les temps de réaction et déterminez les effets de la substitution aryle sur les taux de fluoration.
L’industrie pharmaceutique a accru son intérêt stratégique pour le développement de méthodologies catalytiques propres pour synthétiser des composés fluorés. En 2020, 37 % de tous les produits pharmaceutiques à petites molécules approuvés par la FDA contenaient au moins une fraction fluor, soit une augmentation marquée par rapport aux 26 % observés entre 2011 et 2020. Cependant, les méthodes de synthèse courantes nécessitent souvent l’utilisation de réactifs fluorés hautement réactifs. Les chercheurs ont évalué l’activité de complexes organométalliques récemment découverts vers la fluoration catalytique et ont développé un protocole efficace pour utiliser [(η5,κ 2C-C5Me4CH2 C 6F5CH2NC3H2NMe)-RhCl] pour catalyser la fluoration d’une gamme de chlorures d’acyle, en tant que donneur de fluorure. Le protocole développé a permis d’obtenir un excellent rendement (94 %) en seulement une heure et a permis la récupération du catalyseur, augmentant ainsi l’économie atomique de la synthèse. Les mesures FTIR in situ (ReactIR) ont vérifié la conversion propre des substrats en produits, et ont fourni les riches données temporelles nécessaires à l’investigation informatique, ce qui a conduit à la proposition d’un mécanisme impliquant la formation d’une nouvelle liaison Rh-F.
Morgan, P.J., Saunders, G.C., Macgregor, S.A., Marr, A.C. et Licence, P. (2022). Fluoration nucléophile catalysée par un complexe de rhodium cyclométallisé. Organométalliques, 41, 883−891. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.2c00052
Défi : Développer une voie de synthèse plus écologique pour une molécule antagoniste des opioïdes à l’aide d’une synthèse électrochimique. Obtenez un aperçu du mécanisme de l’oxydation d’un groupe N-CH3 en un iminium.
La demande accrue de médicaments vitaux capables d’inverser la surdose d’opioïdes a entraîné une augmentation significative de leur prix. Des recherches récentes visant à réduire les coûts de production par des voies de synthèse plus efficaces se sont concentrées sur les étapes les plus difficiles de la préparation de nombreux antagonistes des opioïdes : la N-déméthylation sélective d’un précurseur de 14-hydroxymorphinane. À grande échelle, la N-déméthylation est effectuée avec des quantités stœchiométriques de produits chimiques dangereux tels que le bromure de cyanogène ou les chloroformiates. Les chercheurs ont mis au point une méthode électrochimique sans catalyseur ni réactif pour l’étape de N-déméthylation basée sur l’oxydation anodique à deux électrons de l’amine tertiaire, offrant ainsi une approche beaucoup plus durable et peu coûteuse. Le dépistage des conditions réactionnelles initiales à l’aide de l’électrolyse de l’oxycodone dans une cellule non divisée à température ambiante comme modèle a été effectué. L’utilisation d’une anode en graphite et d’une cathode en acier inoxydable dans de l’acétonitrile avec LiClO4 comme électrolyte de support a permis d’obtenir une conversion de 29 % en oxazolidine avec une très bonne sélectivité. La FTIR in situ a fourni une surveillance en temps réel de l’ion iminium, ce qui a conduit à la proposition d’un mécanisme pour l’oxazolidination électrochimique et le déméthylatif O,N-Transfert d’acyle de plusieurs précurseurs importants d’opioïdes. Le protocole développé a été transféré dans une cellule d’électrolyse en flux, ce qui permet une mise à l’échelle.
“… L’observation directe de l’ion iminium par spectroscopie infrarouge a également été tentée, toujours en utilisant la méthodologie du « pool de cations ». Dans ce cas, une sonde FTIR a été immergée dans la chambre anodique de la cellule divisée. Le dérivé de l’oxycodone 6-oxyodol, avec le groupe cétone réduit à l’état d’alcool, a été utilisé comme substrat pour éliminer l’interférence du signal carbonyle de l’IR. Il est gratifiant de constater que, lors de l’électrolyse, un faible pic est apparu à environ 1657 cm-1 qui pourrait être attribué à l’étirement C-N de l’intermédiaire. Le faible signal observé a soutenu l’hypothèse selon laquelle le cation iminium n’est pas suffisamment stable à −45 °C.
Glotz, G., Kappe, C. O. et Cantillo, D. (2020). N-déméthylation électrochimique des 14-hydroxymorphinanes : accès durable aux antagonistes des opioïdes. Organic Letters, 22(17), 6891-6896. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02424
Défi : Mettre au point un procédé écologique, robuste et très efficace pour synthétiser des hexénoates énantiomériquement purs.
Les (3R)-3-hydroxyl-5-hexénoates (1) énantiomériquement purs sont des intermédiaires chiraux importants dans la synthèse d’une variété de composés pharmaceutiques. Les stratégies d’accès synthétiques (1) basées sur des méthodes chimiques présentent des inconvénients importants liés à la productivité et à la durabilité. La biocatalyse offre une alternative durable. Le système à double enzyme composé d’un KRED mutant (c’est-à-dire KRED-06) et d’une alcool déshydrogénase de kéfir de Lactobacillus (LkADH) couplé au recyclage in situ des cofacteurs offre un excellent rendement et une énantiosélectivité de (1), mais des problèmes pratiques pour l’application industrielle demeurent.
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont mis au point un procédé vert à flux continu pour produire (1) en co-immobilisant KRED/LkADH dans un transporteur d’alcool polyvinyal (PVA) par piégeage et en le chargeant dans un réacteur tubulaire avec des unités d’extraction microfluidique liquide-liquide en ligne et de séparation membranaire. Les tests de différents transporteurs ont révélé que le PVA produisait l’activité catalytique la plus élevée ainsi qu’une stabilité mécanique et physique. L’optimisation rapide subséquente a tiré parti de l’analyse FTIR et GC-MS en ligne. ReactIR a été utilisé pour établir que l’état d’équilibre a été atteint après que le flux de réaction est sorti du réacteur à flux et que l’écoulement piston idéal s’est formé à l’intérieur du réacteur à flux, confirmant que la solution réactionnelle était bien répartie tout en s’écoulant dans le KRED/LkADH@PVA rempli.
« L’optimisation de la réaction d’écoulement rapide a été réalisée en exploitant la surveillance FTIR en ligne et l’analyse GC−MS. La synthèse en flux continu avec le substrat modèle peut permettre une intensification marquée du processus par rapport à la réaction par lots correspondante... Les résultats de ce travail soulignent non seulement la robustesse et l’utilité de KRED/LkADH@PVA mais fournissent également un processus à flux continu plus vert et plus durable pour une production très efficace de (3R)-hydroxyl-5-hexénoates énantiomériquement purs qui peuvent être facilement réalisés à grande échelle.
Hu, C., Huang, Z., Jiang, M., Tao, Y., Li, Z., Wu, X., Cheng, D., & Chen, F. (2021). Synthèse asymétrique en flux continu de (3R)-3-hydroxyl-5-hexénoates avec la kétoreductase co-immobilisée et la kéfir déshydrogénase de Lactobacillus intégrant des extracteurs microfluidiques liquide-liquide en ligne plus écologiques et des séparateurs à membrane. ACS Chimie et ingénierie durables, 9(27), 8990-9000. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01419
Défi : Pour éliminer les conditions de réaction difficiles et les réactifs agressifs utilisés pour la méthylation des organohalogénures, une nouvelle approche a été mise au point qui utilise le triméthyl orthoformiate comme source de méthyle dans une catalyse nickel/photoredox.
Cette nouvelle approche de la méthylation des organohalogénures peut être réalisée dans des conditions relativement douces, sans produits chimiques agressifs ou hautement toxiques, en utilisant le réactif organique commun triméthyl orthoformiate comme source du groupe méthyle et est conforme aux objectifs de la chimie verte. ReactIR et NMR soutiennent le mécanisme de ß-scission pour la réaction.
Une fois que la portée de la réaction a été explorée en profondeur, le mécanisme de la réaction a été étudié via FTIR in situ. Le suivi de la réaction a indiqué que le carbonate de diméthyle et la 4'-méthylacétophénone sont générés dans un rapport de 1:1, à partir de la matière première de la 4'-chloroacétophénone. La RMN quantitative 13C a également montré que la formation des produits était dans un rapport de 1:1. Les expériences IR et RMN ont été considérées comme indicatives d’une cinétique globale d’ordre non zéro. La formation de quantités stœchiométriques de sous-produit du carbonate de diméthyle est compatible avec un mécanisme de scission ß.
Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle‐Smith, M. A., Zacuto, M. J. et Doyle, A. G. (2020). Méthylation catalysée par le nickel/photoredox des chlorures (hétéro)aryles à l’aide de triméthyl orthoformiate comme source de radicaux méthyles. Journal de l’American Chemical Society, 142(16), 7683-7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
L’analyse en temps réel est un principe fondamental de la chimie verte qui favorise l’utilisation de méthodes analytiques pour identifier et suivre les polluants dans le processus de production. En collectant des données en temps réel, des mesures immédiates peuvent être prises pour éviter une pollution supplémentaire et protéger l’environnement.
L’analyse en temps réel utilise une technologie moderne basée sur des sondes qui peut être placée directement dans les flux de processus pour permettre le profilage analytique du matériau pendant la réaction. Voici quelques exemples de technologie d’analyse en temps réel :