Écoconception de composés hétérocycliques azotés pour l'industrie et la santé
Une équipe de l'Université de Bourgogne a développé un procédé écotechnologique permettant la synthèse de composés azotés. Ce procédé innovant pourrait être employé notamment dans l'industrie de la chimie, de la chimie fine et du traitement de l'eau.
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Dr Jacques Andrieu, Guillaume de Robillard, Dr Charles H. Devillers Université de Bourgogne Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (ICMUB), Unité Mixte de Recherche du CNRS 6302, Faculté des Sciences Mirande, 9 avenue Alain Savary 21078 Dijon Tél : 03 80 39 60 73, Courriel : Jacques.Andrieu@u-bourgogne.fr, Charles.devillers@u-bourgogne.fr
La production de composés chimiques hétérocycliques azotés est toujours d'actualité en raison de leur apport essentiel dans l'industrie pharmaceutique (médicaments) et agrochimique (produits phytosanitaires, engrais). Cependant, les recherches en chimie moléculaire qui visent des applications industrielles ne peuvent plus se limiter aujourd'hui à la synthèse d'une molécule à forte valeur ajoutée ou à un procédé de transformation chimique sans tenir compte de l'impact de sa production sur l'environnement.
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En effet, la production industrielle de produits chimiques entraîne :
a) un coût énergétique important, par exemple en raison de la pression et température élevées pour accélérer la vitesse de production, la distillation des solvants ou les étapes de purification ;
b) un impact potentiellement néfaste sur l'environnement par :
- l'utilisation de solvants organiques difficilement recyclables, dont la destruction conduit à l'émission d'importants rejets aqueux et de polluants atmosphériques (le CO2, les GES*, les COV*, etc.) qu'il faudra ensuite gérer ;
- l'utilisation et l'élimination de réactifs dangereux comme les hydrures métalliques, les catalyseurs organométalliques (indispensables à la réaction mais classés CMR*), ou les solvants inflammables.
Ainsi, un enjeu des recherches en chimie moléculaire pour un développement durable est de réduire au maximum ses effets sur l'environnement. Cette problématique s'inscrit pour l'industrie dans une démarche responsable du management environnemental dans le cadre normatif ISO 14001 (pour le site de production) et FD X30-310 de 1998, standardisée internationalement ISO 14062 (pour la conception du produit). Concrètement, il faut limiter les matières premières nécessaires à la production, recycler le milieu, éviter la formation de sous-produits, réduire le coût énergétique pour sa fabrication et sa purification, comme illustré dans le schéma 1.
Une écotechnologie à quatre innovations !
Face à un tel défi, des écotechnologies innovantes doivent donc être élaborées, en particulier pour des produits chimiques présentant de nombreuses applications industrielles. Ainsi, nos efforts se sont concentrés sur une production originale de composés imidazolium-carboxylates, appartenant à la famille des bétaïnes. Ces derniers sont des composés hétérocycliques azotés naturels (présents dans les éponges marines) importants dans le domaine de la santé et de l'industrie chimique, comme en témoignent les 18 brevets mondiaux recensés à ce jour sur ces composés depuis 2008.
Ainsi, nous avons mis au point en 2012, dans notre Institut de chimie moléculaire, la première écoconception de ces composés avec un très faible impact environnemental [1]. Cette méthode innovante a été soutenue par un investissement de 200 k€ provenant du ministère de l'Enseignement supérieur et de la recherche, du Conseil régional de Bourgogne (Projet Pari SMT08), de l'Université de Bourgogne et du CNRS pour financer deux thèses de doctorat en chimie moléculaire sur ce projet.
Cette écotechnologie repose sur une quadruple innovation :
- L'électron, le réactif le plus économique et maîtrisable : dans notre procédé, les réactifs pyrophoriques ou dangereux très classiquement utilisés (NaH, organolithiens, organomagnésiens, etc.) [2] sont remplacés par des électrons. Ces derniers transforment le sel d'imidazolium en une espèce radicalaire très réactive (voir schéma 2) qui évolue spontanément en carbène.
- Une ressource naturelle surabondante, le CO2, qui est utilisé comme réactif : une fois le carbène formé par réduction électrochimique, il est transformé en imidazolium-carboxylate par simple barbotage de CO2.
Le CO2 est à la fois une ressource naturelle et un important déchet industriel et urbain qui impacte la température de l'atmosphère par effet de serre. Dans notre procédé, il est consommé en intégralité et donc valorisé comme source de carbone en l'utilisant à la place d'un réactif chimique toxique ou dangereux.
- le milieu est totalement recyclable : les sels azotés formés sont isolés par filtration et le milieu est réutilisé sans aucune perte des performances.
- Une énergie réduite à quelques volts et milli-ampères : un apport énergétique extrêmement réduit est requis contrairement aux méthodes connues, qui nécessitent un apport thermique important pour effectuer la réaction à plus de 130 °C, ou au contraire à -80 °C à l'aide d'un appareil cryogénique à la fois coûteux et énergivore [3].
Une écotechnologie très performante !
Ainsi, les produits formés sont identiques à ceux obtenus par les méthodes classiques et les innovations de cette technologie se déclinent ainsi :
a) une synthèse plus rapide que les méthodes conventionnelles ;
b) une efficacité énergétique supérieure car il n'est pas nécessaire de chauffer ou de refroidir ;
c) un risque chimique efficacement réduit car elle n'utilise ni de réactif réagissant violemment avec l'eau ni de conditions extrêmes de température et de pression ;
d) une économie de matière et d'atomes significative par le milieu réactionnel recyclable et la maîtrise des flux entrants ;
e) une propreté de procédé sans rejet organique car les réactifs utilisés sont des électrons et du dioxyde de carbone qui sont consommés pendant la transformation, conduisant à la maîtrise des flux sortants.
La maîtrise spectaculaire des flux entrants et sortants permet de réduire considérablement l'impact sur l'environnement de la fabrication de ce produit ainsi que le risque chimique inhérent à sa synthèse dans les procédés industriels classiques.
L'étape ultime que nous visons sera d'identifier, avec l'appui d'un partenaire industriel, une cible commerciale pour tester le procédé fondamental élaboré par nos études.
Perspectives et retombées attendues
Des travaux sont en cours pour explorer le potentiel et les limitations de cette écotechnologie. La connaissance de la gamme de composés azotés pouvant être obtenus est fondamentale pour mieux cibler les applications, en particulier leurs propriétés biologiques et pharmacologiques qui dépendent de la nature et du nombre d'hétéroatomes présents dans l'hétérocycle. Cette écoconception devrait susciter des partenariats avec les acteurs :
a) de l'industrie chimique : en effet, les sels d'imidazolium sont les motifs de choix dans des liquides ioniques, plus connus sous le nom de solvants ioniques organiques « verts », en raison de leur volatilité faible. Cette propriété, combinée à son fort pouvoir conducteur et solubilisant, a conduit à une production accrue de ces solvants ioniques qui sont largement utilisés en catalyse comme milieu recyclable. Plusieurs sociétés et start-up sont déjà spécialisées uniquement dans la préparation de ces « solvants verts » pour la recherche et l'industrie. Aucune des méthodes conventionnelles ne permet de les obtenir ultrapurs sans un apport important en énergie et en eau pour les purifier. Ainsi, notre méthode est la première à les obtenir totalement exempts d'eau et d'halogénures, ce qui devrait attirer l'attention d'industriels impliqués dans le domaine de l'électronique (les cristaux liquides) et des matériaux (fabrication de piles à combustibles ou de batteries).
b) de la chimie fine : ces nouveaux imidazolium-carboxylates très purs peuvent être employés comme organocatalyseurs, source de carbènes ou d'agents efficaces contre le relargage de métaux de transition en catalyse éco-compatible [4].
c) du traitement des eaux : ces imidazolium-carboxylates sont des agents potentiels de décontamination des métaux lourds.
d) dans le domaine de la santé : ces composés sont aussi prometteurs en tant que nouveaux agents antibactériens, antifongiques, ou qui pourraient permettre de lutter contre l'épilepsie, la malaria, l'asthme, les pneumonies ou le développement de certaines levures pathogènes. Dans ce contexte, nous explorons les propriétés biologiques de ces molécules issues de nos recherches en partenariat avec l'INRA et le CHU de Dijon et une start-up locale spécialisée dans les thérapies anti-infectieuses.n
Remerciements
Les travaux ont été conduits avec le soutien de l'Institut de chimie moléculaire de l'Université de Bourgogne au sein du groupe EMMD (Électrochimie, matériaux moléculaires, et dispositifs), et OMBC3 (Organométallique et catalyse pour une chimie bio- et écocompatible), animé par Jean-Cyrille Hierso que nous remercions pour son soutien à nos recherches dans le domaine de la chimie et des procédés durables.
*GES : Gaz à effet de serre, COV : Composés Organiques Volatils, CMR : Cancérigènes Mutagènes Reprotoxiques.
[1] G. de Robillard, C. H. Devillers, D. Kunz, H. Cattey, E. Digard, J. Andrieu, Org. Letters, 2013, sous presse. DOI : 10.1021/ol401949f.
[2] M. Nonnenmacher, D. Kunz, F. Rominger, T. Oeser, Chem. Commun. 2006, 1378-1380.
[3] J. D. Holbrey, W. M. Reichert, I. Tkatchenko, E. Bouajila, O. Walter, I. Tommasi, R. D. Rogers, Chem. Commun. 2003, 1, 28.
[4] (a) M. Azouri, J. Andrieu, M. Picquet, P. Richard, B. Hanquet, I. Tkatchenko, Eur. J. Inorg. Chem. 2007, 2007, 4877. (b) M. Azouri, J. Andrieu, M. Picquet, H. Cattey, Inorg. Chem. 2009, 48, 1236. (c) S. Saleh, E. Fayad, M. Azouri, J.-C. Hierso, J. Andrieu, M. Picquet, Adv. Synth. Catal. 2009, 351, 1621.
