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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. 

Prévention des déchets dans 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.

Maximisation de l'économie atomique dans 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.

Utilisation de solvants et d'auxiliaires plus sécuritaires dans la synthèse verte assistée par micro-ondes

Il y avait autrefois une tendance vers la synthèse verte pour effectuer de plus en plus de réactions dans l'eau au lieu de solvants organiques, si possible.[5-7] Maintenant, cependant, les chimistes en micro-ondes se concentrent également sur les réactions "pures" – des réactions qui se font sans aucun solvant.[8-10]

Une autre amélioration intéressante vers la synthèse verte assistée par micro-ondes a été montrée par Glasnov et al. Ils ont démontré que la synthèse par micro-ondes – bien au-dessus du point d'ébullition du solvant utilisé – peut aider à éviter les catalyseurs acides, qui sont nécessaires dans des conditions de reflux chauffé conventionnelles.[11]

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.

Synthèse verte assistée par micro-ondes économe en énergie

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".

La catalyse dans la synthèse verte assistée par micro-ondes

Accessoire unique pour les réacteurs à micro-ondes aide à réaliser un dépistage efficace des catalyseurs (voir image ci-dessous). Avec un équipement à micro-ondes spécialisé, jusqu'à 96 réactions peuvent être effectuées en parallèle. De cette façon, vous pouvez trouver le catalyseur optimal, les conditions de réaction ou les équivalents de réactifs pour votre réaction, vous faisant gagner du temps et de l'énergie pour vos 95 prochaines courses.[13-15]

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]

Analyse en temps réel pour la prévention de la pollution dans la synthèse verte assistée par micro-ondes

Une étape intéressante vers la synthèse verte est l'analyse des progrès de la synthèse chimique en temps réel. Cela signifie que le progrès de la réaction peut être suivi avec une sorte de détection, et il devient immédiatement clair quand une réaction est terminée. Cela permet d'économiser du temps et de l'énergie et d'autres produits chimiques. 

Idéalement, la détection se fait de manière spectroscopique. Monowave 400R – jusqu'à présent, le seul réacteur à micro-ondes avec un spectromètre intégré – fournit une synthèse verte assistée par micro-ondes non seulement grâce aux avantages de la chimie en vase scellé, mais grâce à son spectromètre Raman intégré, il peut vous donner un retour immédiat sur le déroulement de la réaction.[18]

En plus de l'analyse spectroscopique en temps réel, les réacteurs à micro-ondes disposent d'autres accessoires pour l'analyse en temps réel afin de soutenir les approches de synthèse verte assistée par micro-ondes : Même l'utilisation d'une caméra intégrée peut vous donner des informations importantes sur l'avancement de la réaction, comme le montre l'image.
 

La formation médiée par l'hydrazine de Fe3O4 nanoparticules à partir de nitrobenzène et de Fe(acac)3 dans le méthanol est montrée.[19] Une fois les particules formées, la couleur jaunâtre du mélange disparaît tandis que les nanomatériaux Fe3O4 précipitent. 

Un autre exemple a été montré par Tang et al. qui ont réalisé une synthèse verte assistée par micro-ondes en suivant la formation de points de carbone fluorescents capsulés par des amines avec la caméra intégrée.[20]
 

Prévention des accidents dans la synthèse verte assistée par micro-ondes par la chimie sécuritaire

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. 

Références

[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