Synthèse verte assistée par micro-ondes

Le changement climatique, les pénuries de ressources et les coupes budgétaires pour la recherche et le développement obligent les scientifiques à repenser les méthodes traditionnelles. Tout en développant de nouvelles approches axées sur l'écologie, les chimistes ont introduit le terme "chimie verte"^[1] pour saisir l'idée d'une conception respectueuse de l'environnement des processus chimiques. Le terme synthèse verte est maintenant largement utilisé pour indiquer des réactions chimiques qui sont réalisées en utilisant des processus/matériaux respectueux de l'environnement et durables. Afin de structurer les approches de cette idée durable, 12 principes ont été définis, chacun rapprochant les chimistes de la synthèse verte. Ces principes sont:^[2]

1. Prévention des déchets
2. Maximisation de l'économie atomique
3. Synthèses moins dangereuses
4. Conception de produits chimiques plus sécuritaires
5. Utilisation de solvants et d'auxiliaires plus sécuritaires
6. Efficacité énergétique
7. Utilisation de matières premières renouvelables
8. Réduction des dérivés chimiques
9. Catalyseurs
10. Conception pour la dégradation
11. Analyse en temps réel pour la prévention de la pollution
12. Chimie sécuritaire pour la prévention des accidents

Puisque les systèmes à micro-ondes modernes à récipient scellé soutiennent bon nombre des principes mentionnés ci-dessus, ils sont bien adaptés à la synthèse verte assistée par micro-ondes. 

La synthèse assistée par micro-ondes n'a de sens que dans des conditions de récipient scellé.^[3] Par conséquent, lors du scellement des récipients, le gaspillage d'eau pour le chauffage par reflux (ou en réalité le refroidissement) est réduit à zéro puisque les condensateurs de reflux ne sont d'aucune utilité. Réacteurs micro-ondes dédiés refroidissent les mélanges de réaction soit par air comprimé soit par ventilateur, ce qui les rend parfaitement adaptés à la synthèse verte assistée par micro-ondes.

L'effet bénéfique le plus important de la synthèse assistée par micro-ondes par rapport aux réactions chauffées de manière conventionnelle est que les temps de réaction sont raccourcis et que les rendements sont améliorés. Il existe des milliers d'exemples qui montrent cet effet bénéfique.^[4] Par conséquent, en ce qui concerne cette exigence spéciale, presque toute réaction assistée par micro-ondes est un pas vers la synthèse verte.

Apparemment, un simple chauffage à 160 °C permet à la réaction de fonctionner sans catalyseur acide. À température ambiante, cependant, l'acide sulfurique est nécessaire pour obtenir des résultats similaires. Ceci est une démonstration très efficace de la chimie verte assistée par micro-ondes.

Il y a quelque temps, le groupe de recherche Kappe a comparé la consommation d'énergie des plaques chauffantes conventionnelles avec des réacteurs à micro-ondes.^[12] Il a montré avec différents types de réactions (Diels-Alder, hydrolyse, couplage de Suzuki et cyclocondensation) que, par rapport aux expériences chauffées de manière conventionnelle, la synthèse assistée par micro-ondes consomme beaucoup moins d'énergie. Ces résultats sont basés sur le fait qu'en conditions micro-ondes, les réactions se déroulent simplement plus rapidement jusqu'à ce que la conversion complète soit atteinte. Les résultats sont très impressionnants et montrent que la synthèse assistée par micro-ondes rend effectivement la chimie "plus verte".

En plus de la synthèse parallèle, un criblage de catalyseurs réussi a également été réalisé dans un système automatisé assisté par micro-ondes. Un auto-échantillonneur à 24 positions, placé sur le réacteur de synthèse micro-ondes Monowave 400, a automatiquement géré 24 mélanges de réaction avec des catalyseurs individuels pour trouver le catalyseur optimal pour les réactions présentes.^[16-17]

Comme mentionné ci-dessus, il existe une approche de la chimie verte assistée par micro-ondes pour réaliser des réactions pures – sans aucun solvant.^[6] Cela réduit le risque d'explosions en raison de l'absence de solvants explosifs à faible point d'ébullition.

En plus de cela, les réacteurs de synthèse à micro-ondes modernes respectent les normes de sécurité les plus élevées. Parce qu'ils peuvent atteindre des températures allant jusqu'à 300 °C et des pressions allant jusqu'à 80 bar, les normes de sécurité sont très élevées afin de garder tout sous contrôle sécurisé. Conformément aux réglementations de sécurité, les instruments sont conçus afin de minimiser le risque de dangers potentiels pour garantir une sécurité maximale pour les chimistes et l'environnement. 

[1] Anastas, P. T., Warner, J. C. (2000). Chimie verte : théorie et pratique. Oxford University Press
[2] Société Chimique Américaine (2023). https://www.acs.org/greenchemistry/principles/12-principles-of-green-chemistry.html 
[3] Référez-vous au Chapitre 3.3.2. de Kremsner, J. M., Stadler, A. (2018). Un guide pour chimiste de la synthèse micro-ondes, 3e édition. Anton Paar Publishing, Graz, https://www.anton-paar.com/fr-fr/synthesis-guide/
[4] Kappe, C. O., Stadler, A., Dallinger, D. (2012). Micro-ondes en chimie organique et médicinale, 2ème édition. Wiley-VCH, Weinheim
[5] Baumgartner, B. et al. (2016). Macromol. Chem. Phys. 217, 485 
[6] Ganji, P. (2020). Conv. Biomasse Bioref. 10, 823
[7] Amaya-García, F. et al. (2021). ChemSusChem 14, 1853
[8] López-Lira, C. et al. (2021). Bioorg. Chim. 111, 104823
[9] Santos, A. F. M. et al. (2022). Liq. Cryst. 49, 1809
[10] Bijalwan, K. et al. (2022). ChemNanoMat 8, e202200044
[11] Glasnov, T. N. et al. (2009). ChemMedChem 4, 1816
[12] Razzaq, T., Kappe, C. O. (2008). ChemSusChem 1, 123
[13] Jacobsen, J. et al. (2019). Dalton Trans. 48, 8433
[14] Dreischarf, A. C.  et al. (2017). Inorg. Chim. 56, 2270
[15] Damm, M., Kappe, C. O. (2012). Mol. Divers. 16, 5
[16] Karmakar et al. (2019). New J. Chem. 43, 9843
[17] Frija, L. M. T. et al. (2020). J. Mol. Struct. 1222, 128831
[18] Hebert, O. et al. (2022). Synthesis 53, 5215
[19] Cantillo, D. et al. (2013). J. Org. Chem. 78, 4530
[20] Tang, H. et al. (2022). Surface colloïdale A, 651, 129564