L'industrie chimique a été à l'origine de nombreuses avancées technologiques, mais aussi de nombreux problèmes environnementaux et catastrophes. Les principes appliqués à travers ce qu'on appelle la chimie verte cherchent à réduire ou à éliminer les substances dangereuses dans la conception, fabrication et utilisation de produits chimiques.

Ces principes sont désormais largement vantés comme la solution pour faire de la chimie un domaine qui se développe plus durablement. Les étudiants en chimie d'aujourd'hui s'attendent à être éduqués en tenant compte de l'impact environnemental. La chercheuse en enseignement de la chimie Julie Haack à l'Université de l'Oregon note que les méthodes de laboratoire menant à des résultats plus écologiques sont essentielles pour la façon dont les enseignants en chimie équipent les chimistes d'aujourd'hui et de demain.

En tant que membre de la faculté de chimie et chercheur en enseignement de la chimie verte à l'Université de Winnipeg, avec mon collègue Michael Weibe, j'ai découvert qu'il y a de multiples avantages à développer de nouvelles expériences qui intègrent les principes et les mesures de la chimie verte.

Quand les élèves pratiquent la chimie verte, ils apprennent à penser de manière critique à l'impact global de leur domaine - et fortuitement, ils se passionnent également pour l'étude approfondie des principes et des techniques impliqués dans la transformation chimique.

En introduisant comparativement les principes et les métriques de la chimie verte aux étudiants de premier cycle, les instructeurs peuvent intégrer la considération des principes et des mesures de la chimie verte dans les routines quotidiennes des futurs chimistes. Ils peuvent mettre les chimistes en formation au défi de toujours rechercher des voies alternatives, et inspirer une curiosité significative et déterminée.

Produits chimiques dangereux

Par exemple, dans la leçon suivante, les étudiants peuvent apprendre qu'un développement apparemment mineur dans la façon dont les chimistes choisissent de synthétiser des produits chimiques pourrait signifier garder des volumes massifs de produits chimiques dangereux hors du flux de déchets au niveau industriel.

Une réaction appelée substitution aromatique nucléophile est un exemple d'expérience de laboratoire que les étudiants de premier cycle en chimie organique peuvent généralement accomplir en une heure environ.

La photo ci-dessous est une représentation schématique de cette réaction. Les chimistes travaillant dans l'industrie pourraient faire cette synthèse comme l'une des nombreuses étapes de la production de produits pharmaceutiques, plastiques ou textiles.

Dans cette étape, le brome (Br) est simplement substitué par un composé organique azoté (N).

Maintenant, l'impact environnemental résultant d'une telle réaction n'est généralement pas le composé cible lui-même (2, 4-dinitro-N, N-diéthylaniline). Plutôt, les dangers associés sont plus susceptibles d'être les réactifs, les solvants et l'énergie nécessaires à la réussite de la transformation. Cette expérience utilise traditionnellement le toluène comme solvant, qui est toxique, et nécessite un catalyseur appelé bromure de tétrabutylammonium (TBAB). Il y a aussi l'énergie nécessaire pour faire bouillir le toluène pendant une heure à un point d'ébullition élevé.

Considérez les alternatives

Dans les laboratoires de chimie de premier cycle, les étudiants apprennent rapidement que le développement de nouveaux processus nécessite une éthique de travail méthodique et engagée. Les étudiants en viennent à comprendre qu'il pourrait falloir au chimiste en exercice des mois ou des années pour développer des voies moins dangereuses vers les mêmes molécules cibles.

Développer de nouveaux, moins dangereux, les itinéraires peuvent ne pas sembler pratiques ou possibles, en particulier lorsque les étudiants prennent en compte les attentes de facteurs externes tels que les superviseurs universitaires ou les employeurs qui peuvent ne pas être engagés dans la chimie verte.

Plutôt que de se contenter des succès des méthodes dangereuses traditionnelles, tous les chimistes doivent être formés pour inspecter de près les cibles et les expériences et se poser les questions suivantes :

• Le rendement (la quantité de produit obtenu) pourrait-il être augmenté ?
• Pourquoi des réactifs ou solvants particuliers ont-ils été utilisés ? Dans l'exemple ci-dessus, le toluène toxique a été utilisé car il s'agit d'un solvant organique à point d'ébullition élevé approprié à la température élevée nécessaire à cette transformation thermique. Le TBAB utilisé est un catalyseur de transfert de phase qui permet à la réaction de se produire plus rapidement et avec des rendements plus élevés. Mais pourrait-on utiliser un système de solvant plus inoffensif, ou d'autres mesures prises pour influer sur le rythme et le rendement de l'expérience ?
• Combien de matériaux sont nécessaires pour former le produit final - et par association, combien finissent dans les déchets? Par exemple, les chimistes peuvent déterminer l'économie atomique (AE) de cette réaction. Un AE élevé signifie un processus chimique plus durable, alors qu'un faible AE signifie un processus avec plus de déchets. Cette étape est appelée détermination des métriques de la chimie verte.

Dans l'exemple ci-dessus, l'atome de Br et le TBAB ne sont pas dans le produit final. Ils se retrouvent dans le flux de déchets, ce qui diminue l'AE expérimentale de cette réaction. Conclusion :c'est moins durable.

Un itinéraire plus vert

Avec mes collègues, Je développe des techniques expérimentales qui intègrent les principes et les métriques de la chimie verte et conduisent également à un intérêt accru des étudiants à regarder de manière critique leur travail de laboratoire et les résultats.

Un exemple est une expérience qui apprend aux étudiants à comparer la synthèse assistée par micro-ondes à la technique traditionnelle d'ébullition (décrite ci-dessus).

Les élèves constatent que cette voie réussit toujours à produire la même molécule cible que dans l'expérience plus traditionnelle :elle conduit à la même synthèse et est plus verte et plus facile.

Parmi les autres avantages, cette méthode a un temps de réaction de cinq minutes, contre une heure d'ébullition, avec un travail de réaction beaucoup plus rapide. Il utilise le mélange solvant plus bénin d'éthanol/eau (le toluène est une neurotoxine et une embryotoxine); il a un rendement plus élevé et un AE plus élevé, ce qui signifie que moins de réactifs sont nécessaires pour la synthèse souhaitée.

Économie de l'atome

Quand j'ai enseigné cette expérience alternative, J'ai constaté que les étudiants comprennent immédiatement les avantages du rendement accru et du mélange de solvants inoffensifs. Et, l'AE accrue de la route assistée par micro-ondes suscite d'importantes discussions.

Cette expérience illustre l'opportunité de guider les élèves à explorer l'impact environnemental de la faible augmentation de cette métrique de la chimie verte. Les instructeurs peuvent discuter de la façon dont un tel ajustement pourrait jouer en chimie industrielle appliquée :par exemple, aux États-Unis seulement, les entreprises chimiques produisent actuellement entre 100, 000 à 500, 000 livres de TBAB comme intermédiaire pour faciliter la production d'autres composés.

La suppression de ce composé d'une voie de synthèse supprime automatiquement tous les réactifs, solvants et énergie dans la production, et l'élimination, ce même composé.

L'apprenti chimiste apprend qu'un développement de la recherche conduisant à une augmentation de l'économie atomique pourrait avoir un impact environnemental profond en milieu industriel.

Pour changer l'état d'esprit de l'industrie chimique d'être axée sur l'économie à être axée sur la durabilité, les scientifiques doivent développer de nouveaux processus scientifiques qui donnent la priorité aux considérations environnementales.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.