Terminale S - Chimie Chap. 12

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CHAPITRE 12 : DEVELOPPEMENT DURABLE ET CHIMIE VERTE

II.. VVAALLOORRIISSAATTIIOONN DDUU DDIIOOXXYYDDEE DDEE CCAARRBBOONNEE..

11.. CChhiimmiiee dduurraabbllee eett vvaalloorriissaattiioonn dduu CCOO22 ((aaccttiivviittéé 33 pp 225500))..

1. La production en masse d’objets de la vie courante fait appel à l’industrie chimique, qui tire ses matières premières essentiellement du pétrole (doc. 6). Or les réserves en pétrole s’épuisent (doc. 5). Dans une perspective de développement durable, l’industrie chimique doit donc trouver de nouvelles matières premières disponibles et renouvelables. Par exemple, elle revalorise le CO2 (doc. 8), ou encore utilise des ressources végétales comme l’huile de ricin (doc. 10).

2. Le pétrole est une ressource non renouvelable dont les réserves s’épuisent. Il est donc primordial de trouver d’autres ressources pour les activités qui en sont dépendantes aujourd’hui. En outre, l’utilisation du pétrole à travers les carburants (notamment dans les transports) ou comme source d’énergie (dans le bâtiment et l’industrie) libère du dioxyde de carbone dans l’atmosphère (doc. 7). Or le CO2 est un gaz à effet de serre : les rejets anthropiques de CO2 doivent être limités.

3. Il s’agit de trouver des matières premières alternatives au pétrole pour la production de masse

ou comme source d’énergie. Par exemple, le Rilsan est un polymère qui est produit à partir de l’huile de ricin, issue de la biomasse, et non de pétrole comme le Nylon (doc. 10). De même, des espèces produites par des micro-algues sont à l’origine d’un carburant qui pourrait remplacer ceux issus du pétrole (doc. 9). Il faut cependant veiller à ce que ces nouvelles ressources n’utilisent pas les terres cultivables initialement allouées à l’alimentation. En effet, la population mondiale augmente constamment (plus de 6 milliards aujourd’hui et 9 milliards en 2030 ou 2050) et la pression sur les écosystèmes s’accroît. Le développement des biocarburants de 2e ou 3e génération (utilisation des déchets ou d’algues qui poussent dans la mer) apparaît donc comme une excellente piste dans une perspective de développement durable.

4. Le CO2 peut être utilisé à l’état supercritique comme solvant : il est non toxique, chimiquement

inerte, non inflammable. En outre, la solubilité des espèces peut être modulée en jouant sur la pression et la température. Il est facilement recyclable puisqu’il retourne à son état gazeux dès que la pression diminue. Ces propriétés sont mises à profit pour extraire la caféine et produire du café décaféiné ; cette opération était réalisée auparavant avec des solvants organiques toxiques (doc. 8). Le CO2 peut aussi être utilisé pour l’alimentation de microalgues, destinées aux biocarburants de 3e génération (doc. 9), ou encore « stocké » dans de nouveaux matériaux pour éviter sa libération dans l’atmosphère et être transformé, à terme, en carburant (doc. 11).

5. La chimie apporte des solutions réalistes en terme de matières premières. Par exemple, les agroressources, ou les microalgues sont des ressources disponibles, en quantités abondantes, et renouvelables. Ces solutions sont réalisables : l’exploitation de ces ressources est déjà mise en place à plus ou moins grande échelle (par exemple pour la production de carburants de 3e génération à partir de micro-algues (doc. 9) ou la fabrication de polymères (doc. 10)). La chimie offre en outre des solutions pour le stockage et la revalorisation du CO2 : des pistes sont actuellement à l’étude pour piéger le CO2 grâce à des nanomatériaux, en vue de le réutiliser ensuite pour former du méthanol (doc. 11).

Tout corps pur possède un point critique correspondant à une pression et une température donnée. Lorsque

le corps pur est soumis à une pression et température supérieure à celle de son point critique, ce corps pur

est en état dit "supercritique".

Il présente alors un comportement intermédiaire entre l’état liquide et l’état gazeux, avec des propriétés

particulières: une masse volumique élevée comme celle des liquides, un coefficient de diffusivité intermédiaire

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entre celui des liquides et des gaz, et une faible viscosité (comme celles des gaz).

Le dioxyde de carbone est le fluide supercritique le plus utilisé : Il présente l’avantage d’être un solvant

« VERT », non toxique, non polluant, non inflammable ; de plus, il est largement disponible à haute pureté et

à bas prix. L’eau, qui présente des coordonnées critiques très élevées, est néanmoins beaucoup étudiée pour

des applications particulières (principalement comme milieu réactionnel).

Fluide Température critique

(°C) Pression

critique (bar)

CO2 31,1 73,8

H2O 374 220

22.. LLeess bbiiooccaarrbbuurraannttss ddee 33èèmmee

ggéénnéérraattiioonn..

Passionné par la chimie verte un lycéen en Terminale S à

Poitiers, a découvert le site du Vigeant lors d’une sortie cycliste avec ses amis et y a découvert un gigantesque site de stockage de déchets… Inquiété, il s’est renseigné tout de suite sur le site et a découvert que le groupe Séché Environnement, responsable du site, qui entrepose, ici, jusqu’à 150 000 tonnes par an de déchets industriels et ordures, a reçu le trophée de la croissance verte « Procédé innovant » lors du Salon de la croissance verte, en 2010, dont un des membres du jury est l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie !

DDooccuummeenntt 11 :: «« OORRDDUURREESS,, MMIICCRROO--AALLGGUUEESS eett

BBIIOOEETTHHAANNOOLL »»

« Le site de stockage de déchets du Vigeant appartient au groupe Séché Environnement. Y sont entreposées 150 000 tonnes par an de déchets industriels banals et ordures ménagères issus de ramassages dans la Vienne et ses départements limitrophes. En 2008, le site commence à valoriser le méthane issu de la fermentation des déchets en le transformant en électricité. « Le biogaz est aspiré pour alimenter deux moteurs de 1,4 MW chacun dont la production – de quoi alimenter une ville de 11 000 habitants – est dirigée vers le réseau Sorégies » explique David Farreaux, ingénieur environnement et sécurité du site.

Souhaitant encore améliorer le bilan écologique de ce site, le groupe Séché Environnement se tourne alors vers la société Valagro (1) pour envisager d’autres pistes de valorisation. La production de micro-algues sera retenue. En effet, la production d’électricité grâce au méthane génère du CO2 et de la chaleur, deux sous-produits qui serviront à nourrir les algues et à chauffer les bassins. Les algues, elles, serviront à produire de l’éthanol. En effet, elles font leur photosynthèse 100 à 10 000 fois plus rapidement que les plus véloces des

végétaux terrestres. Aussi font-elles l’objet de toutes les attentions des chercheurs notamment pour la production de biocarburants, biodiesel comme bioéthanol. « Près de 90% des recherches se focalisent sur la filière biodiesel, précise Antoine Piccirilli, directeur opérationnel de Valagro. Ici, une des originalités est que Séché cultive des algues à éthanol. » Notons que la canne à sucre permet de produire 4,5 tonnes d’éthanol par hectare et par an tandis que les micro-championnes produisent presque le double, soit 7,2 t/ha/an.

La première année, 2009, fut une année test «pour vérifier si effectivement le CO2, les calories, les bassins ouverts permettaient de faire se développer la Chlorella Vulgaris, algue choisie au départ (2)». Et ça marche. Seul imprévu qui s’avère une opportunité : la chorelle s’est fait supplanter naturellement par une algue locale

L’un des bassins du pilote de production de micro-algues, sur le site de stockage de déchets du Vigeant, dans la Vienne.

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riche en amidon et cellulose (3). Or Valagro est le spécialiste de la transformation des composés ligno-cellulosiques.

La culture des algues dans les 6 bassins du site est un travail d’agronome: sélectionner les semences, optimiser la croissance et récolter efficacement. L’eau verdie par les algues est ensuite floculée (elles s’agrègent en flocons dans un décanteur grâce à un complexant naturel en cours de brevet) puis le concentré obtenu est filtré pour aboutir à une galette transformée en éthanol. La transformation de la galette algale en éthanol se fait d’abord par hydrolyse (3) pour obtenir du jus de glucose qui est ensuite fermenté pour ensuite obtenir de l’éthanol ensuite distillé pour devenir pur à 98%. Ainsi, avec 12 kg de galettes algales (contenant 80 % d’eau), on produit 1 kg d’éthanol.

Le choix entre la filière diesel et l’éthanol s’est effectué aisément. « On ne peut pas faire de diesel sans sécher totalement la galette d’algue, ce qui consomme une énergie folle, explique Antoine Piccirilli. En outre, pour le diesel, il faut des lipides, pas n’importe lesquels, qu’il faut ensuite extraire sans pouvoir les presser, ce qui oblige à recourir à des solvants toxiques ou à des

algues génétiquement modifiées (OGM). Valagro ne souhaite s’appuyer ni sur l’un ni sur l’autre. »

Aujourd’hui, le procédé est encore expérimental, il y a 6 bassins (avec des conditions différentes de température, de pH, etc.) totalisant 180 m². La production des galettes est effectuée sur le site tandis que la transformation en éthanol est faite à Valagro, à Poitiers. Mais l’année 2011 va voir une deuxième étape se mettre en œuvre : passage de

180 m² à un hectare de bassins, installation sur le site du Vigeant de tout le procédé de fabrication de l’éthanol, purification du CO2 pour optimiser les débuts de croissance des algues, utilisation des jus d’ordures, les lixiviats, riches en azote pour nourrir les algues, analyse du cycle de vie et bilan carbone sur l’ensemble de la fabrication et étude de l’impact sur la ressource en eau. Le projet, notamment la première année, a été soutenu financièrement par Oséo et la Région Poitou-Charentes.

« C’est une technologie plutôt rustique mais très astucieuse par rapport aux photo-bioréacteurs (4) et énormément moins onéreuse dont le processus va donner lieu à plusieurs brevets. Elle a vocation à se déployer au stade industriel sur le site du Vigeant puis à voyager dans le groupe Séché mais aussi sans doute à l’extérieur » se réjouit Antoine Piccirilli.

La phase industrielle n’est pas encore planifiée mais les débouchés sont nombreux. Il y a d’abord la voiture : avec la production annuelle de 0,3 ha d’algues, on peut faire 10 000 km. «On est vraiment dans la troisième génération de biocarburants (5).» […] ».

Ahn Gaëlle Truong L’actualité Poitou-Charentes N°91 http://www.scribd.com/doc/59338269/actu091janv2011-06-07

(1) Valagro est une Société Anonyme d’Economie Mixte Locale à laquelle participe la Région Poitou-Charentes. A la fois laboratoire de recherche et de développement, plate-forme de transfert technologique et centre d’expertise technique, Valagro travaille à substituer le carbone fossile par le carbone renouvelable dans les procédés industriels.

(2) L’algue choisie au départ par Valagro, la Chlorella Vulgaris, très connue pour sa richesse en lipides, était

prévu pour du biodiesel et non du bioéthanol (désormais choisi) produit à partir de sucres.

(3) L’amidon et la cellulose sont transformés en sucres tels que le glucose par hydrolyse acide selon la

réaction d’équation (C6H10O5)n + n H2O n C6H12O6, lequel glucose est fermenté en éthanol.

(4) On sait actuellement produire de façon industrielle les micro-algues de trois façons distinctes : en

bassins naturelles : des populations multi-algues s’installent : le coût est faible et la qualité médiocre ; en bassins artificielles : des productions mono-algues sont privilégiées : c’est le cas du site du Vigeant ; en

photo-bioréacteurs fermés et contrôlés : la productivité est bonne mais les coûts du contrôle élevés.

Les micro-algues sont lyophilisées avant

d’être transformées en éthanol.

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(5) Les recherches scientifiques et études de faisabilité industrielle ont conduit à trois générations : les biocarburants de 1

ère génération issus de produits alimentaires de bilan environnemental moyen ; les

biocarburants de 2ème

génération issus de sources ligno-cellulosiques de meilleur bilan énergétique ; les biocarburants de 3

ème génération issus de micro-organismes s’affranchissant de l’occupation des sols.

DDooccuummeenntt 33 :: «« EECCOO--CCAARRBBUURRAANNTTSS ddee 33èèmmee

GGEENNEERRAATTIIOONN»»

DDooccuummeenntt 22 ::

Les biocarburants (ou agrocarburants) au sens strict sont des carburants liquides produits à partir de plantes cultivées. Suivant les filières, on cherche à produire de l'huile ou de l'alcool par fermentation alcoolique de sucres ou d'amidon hydrolysé. On y inclut aussi parfois (biocarburants au sens large) les carburants gazeux obtenus à partir de biomasse végétale ou animale (dihydrogène ou méthane) et les carburants solides comme le charbon de bois.

Le biodiesel, biogazole ou B100 (B20, B5, B2, etc) est un carburant obtenu à partir d'huile végétale ou

animale transformée par un procédé chimique appelé transestérification, afin d'obtenir du EMHV ou du

EEHV. Le biodiesel tente de concurrencer les huiles végétales utilisées à l'état brut et le pétrodiesel, c'est-à-

dire le diesel classique. Le biodiesel peut être utilisé seul dans les moteurs ou mélangé avec du pétrodiesel.

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5

Diaporama présenté par Antoine Piccirilli lors des 5

ème Rencontres des Eco-Industries à

Niort en 2009 http://salon.croissanceverte.poitou-charentes.fr/upload/103/piecejointeyqQEVK.pdf

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Le procédé utilisé pour l’obtention de l’éthanol est une filtration par osmose inverse qui sert à purifier l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que les molécules d'eau. L'osmose inverse concentre alors les sucres dont la production de sirop utilise moins d'énergie pour évaporer l'eau mais les coûts engendrés restent élevés : cette technique reste donc encore coûteuse.

Questions :

1. Pourquoi les micro-algues font-elle l’objet de toutes les attentions des chercheurs pour le biocarburant ?

Certaines espèces de microalgues ont un fort potentiel de production de lipides, les rendant particulièrement attractives comme source de biocarburants liquides de type biodiesel ou bioéthanol. Elles font leur photosynthèse beaucoup plus rapidement (100 à 100 000 fois plus) que les végétaux terrestre. Elles ont un excellent rendement. De plus la mise en production industrielle de ces carburants dits de 3ème génération sont des ressources non agricole ne nécessitant pas de terres arables contrairement à la canne à sucre, la betterave sucrière, le maïs ou encore le blé.

2. Pourquoi, d’après vous, près de 90% des recherches se focalisent sur la filière biodiesel en Europe ?

Le biodiésel marche avec toutes les voitures diésels actuelles même les plus récentes. De plus le biodiésel ne se fige pas à basse température contrairement aux Huiles Végétales Brutes. Le biodiésel répond à une composition stricte qui est plus facile à gérer pour les constructeurs auto pour créer des véhicules les plus performants : apparemment il fait réfléchir à la corrosion du système de distribution. Les huiles Végétale Brutes en théorie marche directement dans les voitures diésels, mais comme leur composition n’est pas stable (cela va de l’huile de colza à l’huile usagée d’une friteuse) cela demande des adaptations au niveau de l’injecteur. Il faudrait de l’électronique qui analyse l’huile et adapte l’injection en permanence : trop sophistiquer. De plus les huiles se figent à basse température

DDooccuummeenntt 44 :: TTrrooiiss ggéénnéérraattiioonnss ssuucccceessssiivveess,, ddeess aaggrroo--ccaarrbbuurraannttss aauuxx bbiiootteecchhnnoollooggiieess..

La première génération de biocarburants a émergé il y a vingt ans. Son principe : utiliser des plantes

riches en sucre (comme la betterave) ou en amidon (comme la pomme de terre) pour produire de l’éthanol.

Celui-ci est ensuite mélangé à l’essence dans des proportions variables. Les plantes riches en

huile (comme le colza ou le tournesol) peuvent, quant à elles, être transformées en un biodiesel qui est

mélangé au diesel classique, actuellement à hauteur de 5% du volume. Cette première génération pose

problème car elle concurrence des usages comme l’alimentation et la papeterie.

Les chercheurs travaillent actuellement au développement de biocarburants, dits de deuxième génération,

issus des parties non alimentaires des plantes. On utilise des rémanents forestiers (les parties des arbres

non utilisés par l’industrie du bois), des résidus agricoles (comme les tiges de maïs), des cultures à

croissance rapide (comme le peuplier et l'eucalyptus), ou des déchets organiques (par exemple les boues de

stations d’épuration). Cette biomasse est ensuite convertie en éthanol ou biodiesel. La filière n'est pas encore

prête pour une utilisation industrielle, mais des démonstrateurs existent ou sont en projet.

Une troisième génération de biocarburants est encore à l'état de recherche, notamment à cause de son fort

coût de production, de sa consommation énergétique élevée et de son faible rendement. Elle utiliserait non

pas des plantes, mais des microorganismes photosynthétiques, capables de produire naturellement des

molécules à forte valeur énergétique.

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Donc le biodiésel semble plus viable comme alternative au pétrodiésel , c’est pour cela que la recherche se focalise sur le biodiesel.

3. Comment la filière éthanol s’est imposée à la société Valagro plutôt que la filière diesel? Quelles raisons ont poussé la société Valagro à s’orienter vers la filière éthanol plutôt que vers la filière biodiesel?

La société Séché cultive des algues à éthanol. Pour fabriquer du diesel il faut faire sécher les galettes d’algue obtenue ce qui consomme beaucoup d’énergie. Il faut également utiliser des solvants toxiques pour extraire les lipides nécessaires pour la fabrication du biodiesel ou des algues génétiquement modifiés ce que refuse la société Valagro.

4. Rappeler la formule du méthane issu de la fermentation et aspiré pour alimenter les moteurs. Rappeler l’équation de la combustion du méthane à l’origine du dioxyde de carbone dégagé.

5. Comment est valorisé, ici, le dioxyde de carbone ou plus précisément quelle est son utilité ? Quel est l’autre «sous-produit » exploité sur le site du Vigeant et à quoi sert-il ?

Le dioxyde de carbone, produit par la combustion du méthane, est consommé par les algues lors de la photosynthèse. La combustion du méthane produit également de la chaleur qui permet de chauffer les bassins.

6. Comment est appelé le cycle de photosynthèse qui permet de réduire le CO2 en glucose C6H12O6 ? Ecrire l’équation sachant que les réactifs de la réaction sont CO2 et H2O et les produits C6H12O6 et O2.

C’est le Cycle Calvin-Benson.

7. Rappeler les 3 étapes de la transformation de la galette algale en éthanol cités dans le document n°1. Donner les 4 étapes citées dans le document n°2. Trois sont communes. Laquelle est manquante?

Document 1 : Etape 1 : Hydrolyse de la galette pour obtenir du jus de glucose. Etape 2 : Fermentation du glucose en éthanol. Etape 3 : Distillation de l’éthanol pour qu’il soit pur à 98%. Document 2 : Etape 1 : Hydrolyse acide des microalgues. Etape 2 : Filtration pour récupérer les sucres. Etape 3 : Fermentation. Etape 4 : Déshydratation Dans le document 1, il manque l’étape de la filtration.

8. Ecrire l’équation de fermentation du glucose en éthanol sachant qu’il se forme du CO2.

9. Quel type de distillation, appelée ici déshydratation, vue en classe de première pourrait-on réaliser sachant que la température d’ébullition de l’éthanol est de 79 °C et que celle de l’eau est de 100°C ?

On pourrait faire une distillation fractionnée.

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8

IIII.. SSTTRRAATTEEGGIIEE DDEE SSYYNNTTHHEESSEE :: LL’’IIBBUUPPRROOFFEENNEE..

Un élève en terminale a commencé à étudier la synthèse des médicaments en cours de chimie, notamment la molécule de paracétamol. Il découvre dans son armoire à pharmacie une boîte de médicaments dont le principe actif est l’ibuprofène, et décide d’entreprendre des recherches sur la synthèse de cette molécule.

DDooccuummeenntt 11 :: LLaa cchhiimmiiee ppaassssee aauu vveerrtt

Accidents d'usines chimiques, épuisement des ressources énergétiques, nombreuses pollutions nuisibles pour l'homme et l'environnement… Autant de maux qui ont obligé l'industrie chimique à réagir. Face à l'urgence de sa mutation exigée par la société, les chercheurs doivent trouver des solutions nouvelles pour créer une chimie plus propre et plus sûre mais qui reste compétitive. Alors dans les laboratoires, la tendance se généralise et nombreux sont ceux qui ont déjà pris part à cette mutation quasi inévitable de leur filière. Mais comment concevoir une chimie verte et durable ?

Paul Anastas, directeur du Green Chemistry Institute Washington DC, a été l'un des premiers à proposer à la fin des années quatre-vingt-dix les principes de base pour développer une chimie qui utilise et produise moins de substances dangereuses et soit, de fait, plus respectueuse de l'environnement.

LES 12 PRINCIPES DE LA CHIMIE VERTE

Paul T. Anastas et John C. Warner ont publié, à la fin des années quatre-vingt-dix, douze principes nécessaires à l'établissement d'une chimie durable 1.

1. Prévention : limiter la pollution à la source plutôt que devoir éliminer les déchets ; 2. Économie d'atomes : optimiser l'incorporation des réactifs dans le produit final ; 3. Conception de synthèses chimiques moins dangereuses qui utilisent et conduisent à des

produits peu ou pas toxiques ; 4. Conception de produits chimiques plus sûrs : efficaces et moins toxiques ; 5. Réduction de l'utilisation de solvants et d'auxiliaires ; 6. Réduction de la dépense énergétique ; 7. Utilisation de matières premières renouvelables au lieu de matières fossiles ; 8. Réduction des produits dérivés qui peuvent notamment générer des déchets ; 9. Utilisation de la catalyse ; 10. Conception des substances en intégrant leur mode de dégradation finale ; 11. Mise au point de méthodes d'analyse en temps réel pour prévenir la pollution ; 12. Développement d'une chimie sécuritaire pour prévenir les accidents, les explosions, les

incendies et les rejets. 1. Paul T. Anastas et John C. Warner, Green chemistry : Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998, p. 30.

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DDooccuummeenntt 22:: LLeess pprrooccééddééss ddee ssyynntthhèèssee ddee ll’’iibbuupprrooffèènnee..

L'ibuprofène est un analgésique[1] (anti-douleur) et un anti-inflammatoire au même titre que l'aspirine. C'est le constituant actif de nombreux produits commerciaux et il fait partie des anti-douleurs en vente libre les plus répandus[2]. La molécule a été découverte par la société Boots dans les années 1960 et cette société a breveté une synthèse qui a longtemps été la méthode de choix pour la production industrielle. Cette synthèse a permis de produire annuellement des milliers de tonnes d'ibuprofène mais elle s'est accompagnée de la formation d'une quantité encore plus importante de sous-produits non utilisés et non recyclés qu'il a fallu détruire ou retraiter. Dans les années 1990, la société BHC a mis au point un procédé « vert », c'est à dire reposant sur les principes de la chimie verte : une chimie qui réduit la pollution à la source et qui est plus respectueuse de l'environnement. La nouvelle voie de synthèse est beaucoup plus efficace que la voie traditionnelle : la quantité de sous-produit est considérablement réduite, de plus l'unique sous-produit formé est valorisé. Cet article présente les deux procédés et compare leur efficacité.

Synthèse de l'ibuprofène : procédé Boots Cette synthèse fait appel à 6 réactions stœchiométriques. Dans le schéma de synthèse ci-dessous, on a représenté en vert les atomes qui se retrouvent dans la molécule cible et en rouge ceux qui forment des sous-produits à retraiter.

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Synthèse de l'ibuprofène : procédé BHC Cette synthèse est effectuée en 3 étapes et fait appel à des réactions catalysées. Le schéma de synthèse reprend les conventions précédentes : les atomes qui se retrouvent dans la molécule cible sont en vert et ceux qui forment des sous-produits en rouge. On remarque immédiatement que l'utilisation atomique de ce procédé est plus élevée, donc meilleure, que celle du précédent.

Le gain offert par le procédé vert sur le procédé Boots est considérable. Il faut de plus noter que le

sous-produit obtenu au cours de l'étape 1, qui est le seul sous-produit, est l'acide éthanoïque. Il est

séparé du mélange réactionnel et purifié : l'unité de production d'ibuprofène est dans la pratique

couplée à une unité de production d'acide éthanoïque[3]. L'utilisation atomique peut donc être

considérée comme égale à 100 %.

[1] L'action analgésique et anti-inflammatoire de l'ibuprofène repose sur l'inhibition de la synthèse des médiateurs chimiques de la douleur et de l'inflammation.

[2] L'ibuprofène présente à ce jour une contre-indication chez l'enfant de moins de 15 ans : il ne doit pas être utilisé en cas de varicelle ou de suspicion de varicelle.

[3] L'acide éthanoïque, CH3COOH, est un composé de base de l'industrie chimique. C'est en particulier un précurseur de l'acétate de vinyle CH3COOCH=CH2 dont le polymère est utilisé pour fabriquer des peintures et des adhésifs.

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DDoonnnnééeess MO = 16,0 g.mol-1 MH = 1,00 g.mol-1 MC = 12,0 g.mol-1

MN = 14,0 g.mol-1 MNa = 23,0 g.mol-1 MCl = 35,5 g.mol-1 QQuueessttiioonnss ::

1. Définir les termes suivants : principe actif, excipients, analgésique et antipyrétique.

Principe actif : molécule qui dans un médicament possède un effet thérapeutique

Excipients : toutes les molécules dans un médicament autre que le principe actif ; ils ont pour rôle de rendre le principe actif plus efficace (mise en forme adaptée au mode administration, modifie le goût, module la vitesse de libération du principe actif, conservation...). Ils doivent avoir une innocuité parfaite.

Analgésique : des médicaments utilisés en médecine dans le but d'éliminer la douleur d'un patient (les antalgiques ne faisant qu'atténuer la douleur)

Antipyrétique : médicament pour combattre la fièvre

2. Indiquer quel est le 2ème principe de la chimie verte.

Le deuxième principe de la chimie verte est « Économie d'atomes : optimiser l'incorporation des réactifs dans le produit final ».

3. Ecrire la formule semi-développée de la molécule d’ibuprofène puis donner sa formule brute. En déduire sa masse molaire moléculaire.

Formule semi-développée :

CH

CH3

CH3

CH2 C

CH

C

CH

CHCH

*C

CH3

C

OH

O

H

Remarque : présence d’un carbone asymétrique

Formule brute :

Masse molaire moléculaire : 4. Etude du procédé Boots : ce procédé met en jeu 6 étapes.

Document 3 : L’utilisation atomique

L'efficacité d'un procédé est traditionnellement mesurée par le rendement chimique, sans tenir compte de la quantité de sous-produits formés. Dans une optique de réduction de la pollution à la source, la chimie verte propose une évolution du concept d'efficacité qui prend en compte la minimisation de la quantité de déchets. On utilise comme indicateur de l'efficacité d'un procédé son utilisation atomique (UA).

L'utilisation atomique est définie comme le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l'équation stoechiométrique. Si les sous-produits de la réaction ne sont pas tous identifiés, alors la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs.

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On peut établir une équation traduisant la somme de toutes les étapes dans laquelle on remplace les sous produits (produits secondaires qu’il faut recycler) par les lettres P, Q, R, S, et T C10H14 + C4H6O3 + C2H5ONa + C4H7ClO2 + H3O

+ + NH2OH + 2H2O = C13H8O2 + P + Q + R + S +T A partir de la définition donnée, calculer en pourcentage l’utilisation atomique (UA) de ce procédé.

Comme dans notre cas tout les produits ne sont pas identifiés, on calcule la somme des masses molaires de tous les réactifs C : 10+4+2+4 =20 H : 14+6+5+7+3+3+4 = 42 O : 3+1+2+1+1+2 = 10 Na : 1 Cl : 1 N : 1

5. Etude du procédé BHC

Ce procédé met en jeu 3 étapes (en faisant appel à des réactions catalysées). La première étape est strictement la même que celle mise en jeu dans le procédé Boots. Etape 1: C10H14 + C4H6O3 = C12H16O + CH3OOH Etape 2: C12H16O + H2 = C12H18O Etape 3: C12H18O + CO = ibuprofène En procédant comme précédemment établir une équation traduisant la somme de toutes les étapes et évaluer le pourcentage d’utilisation atomique de ce procédé. Etape 1: C10H14 + C4H6O3 = C12H16O + CH3OOH Etape 2: C12H16O + H2 = C12H18O Etape 3: C12H18O + CO = ibuprofène C10H14 + C4H6O3+ H2 + CO = CH3OOH + ibuprofène

C : 10+4+1 = 15 H : 14+6+2 = 22 O : 3+1 = 4

6. Indiquer quel est le procédé qui permet une minimisation des déchets (justifier la réponse). Expliquer pourquoi on parle « d’économies d’atomes ».

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Afin de prendre en compte la minimisation des déchets on a calculé comme indicateur de l’efficacité de chaque procédé son Utilisation Atomique : le procédé Boots à un UA de 40 % alors qu’il est pratiquement le double pour le procédé BHC (77,4 %). 77,4 % des atomes utilisés par le procédé BHC servent à synthétiser de l’ibuprofène contre seulement 40 %dans le cas du procédé Boots : on peut donc parler d’économies d’atomes dans le procédé BHC. Donc le procédé BHC optimise l’utilisation des atomes lors de la synthèse de l’ibuprofène, ce qui minimise les déchets produits.

7. Lister les différents principes de la chimie verte que respecte le procédé BHC de la synthèse

de l’ibuprofène par rapport au procédé Boots à partir des documents diponibles.

1. Prévention : limiter la pollution à la source plutôt que devoir éliminer les déchets ; 2. Économie d'atomes : optimiser l'incorporation des réactifs dans le produit final ; 3. Conception de synthèses chimiques moins dangereuses qui utilisent et conduisent à des

produits peu ou pas toxiques ; 4. Conception de produits chimiques plus sûrs : efficaces et moins toxiques ; 5. Réduction de l'utilisation de solvants et d'auxiliaires ; 6. Réduction de la dépense énergétique ; 7. Utilisation de matières premières renouvelables au lieu de matières fossiles ; 8. Réduction des produits dérivés qui peuvent notamment générer des déchets ; 9. Utilisation de la catalyse ; 10. Conception des substances en intégrant leur mode de dégradation finale ; 11. Mise au point de méthodes d'analyse en temps réel pour prévenir la pollution ; 12. Développement d'une chimie sécuritaire pour prévenir les accidents, les explosions, les

incendies et les rejets.

8. Pourquoi peut-on parler de chimie verte pour le procédé BHC de l’ibuprofène

Le procédé BHC respecte plusieurs principes nécessaires à l'établissement d'une chimie durable énoncés par Paul T. Anastas et John C. Warner. De plus ce procédé intègre la gestion du sous produit. En effet on nous informe que le sous-produit obtenu au cours de l'étape 1, qui est le seul sous-produit du procédé BHC, est l'acide éthanoïque. Il est séparé du mélange réactionnel et purifié : il est utilisé comme composé de base de l'industrie chimique (synthèse de polymères). L’unité de production d'ibuprofène est dans la pratique couplée à une unité de production d'acide éthanoïque. La valorisation immédiate du sous produit permet de dire que l'Utilisation Atomique du procédé BHC peut être considérée comme égale à 100 %.

Aucun atome dans le procédé BHC n’est perdu, ce procédé s’inscrit bien dans la chimie verte.

Terminale S - Chimie Chap. 12

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CCoommppéétteenncceess eexxiiggiibblleess ::

Apport de la chimie au respect de l’environnement :

Extraire et exploiter des informations en lien avec la chimie durable et la valorisation du CO2 pour comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l’environnement.

Stratégie de la synthèse organique :

- Effectuer une analyse critique de protocoles expérimentaux pour identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux.

- Justifier le choix des techniques de synthèse et d’analyse utilisées.

- Comparer les avantages et les inconvénients de deux procédés. Sélectivité en chimie organique :

- Extraire et exploiter des informations sur l’utilisation des réactifs chimiosélectifs et sur la protection d’une fonction dans le cas de la synthèse peptidique pour mettre en évidence le caractère sélectif ou non d’une réaction.

- Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique d’intérêt biologique à partir d’un protocole.

- Identifier des réactifs et des produits à l’aide de spectres et de tables fournis.

Correction Synthèse de l’Ibuprofène du livre p

QQuueessttiioonnss ::

1. Définir les termes suivants : principe actif, excipients, analgésique et antipyrétique. 2. Indiquer quel est le 2ème principe de la chimie verte. 3. Ecrire la formule semi-développée de la molécule d’ibuprofène puis donner sa formule brute.

En déduire sa masse molaire moléculaire.

4. Etude du procédé Boots : ce procédé met en jeu 6 étapes. On peut établir une équation traduisant la somme de toutes les étapes dans laquelle on remplace les sous produits (produits secondaires qu’il faut recycler) par les lettres P, Q, R, S, et T C10H14 + C4H6O3 + C2H5ONa + C4H7ClO2 + H3O

+ + NH2OH + 2H2O = C13H8O2 + P + Q + R + S +T A partir de la définition donnée, calculer en pourcentage l’utilisation atomique (UA) de ce procédé.

5. Etude du procédé BHC Ce procédé met en jeu 3 étapes (en faisant appel à des réactions catalysées). La première étape est strictement la même que celle mise en jeu dans le procédé Boots. Etape 1: C10H14 + C4H6O3 = C12H16O + CH3OOH Etape 2: C12H16O + H2 = C12H18O Etape 3: C12H18O + CO = ibuprofène En procédant comme précédemment établir une équation traduisant la somme de toutes les étapes et évaluer le pourcentage d’utilisation atomique de ce procédé.

6. Indiquer quel est le procédé qui permet une minimisation des déchets (justifier la réponse). Expliquer pourquoi on parle « d’économies d’atomes ».