Les réactions enzymatiques se déroulant dans des conditions douces sont particulièrement intéressantes car elles favorisent l'efficacité énergétique tout en réduisant le besoin de protection et déprotection des groupes fonctionnels. Par exemple, l'hydrolyse enzymatique de la pénicilline G pour obtenir de l'acide 6-aminopénicillanique est un processus biocatalytique bien connu. En utilisant de l'eau à 37 °C avec de l'ammoniac pour ajuster le pH, cette approche s'avère plus sûre et plus durable comparée aux méthodes chimiques traditionnelles qui nécessitent des réactifs nocifs et des conditions extrêmes. Cette biocatalyse permet également d'accélérer les réactions « one-pot » où plusieurs étapes se déroulent successivement sous les mêmes conditions, augmentant ainsi l'efficacité et la durabilité du processus.

Les recherches actuelles se concentrent sur la fabrication de catalyseurs par des méthodes efficaces, telles que la synthèse verte, visant à minimiser les déchets et l'utilisation de solvants nocifs. Un exemple remarquable dans ce domaine est la synthèse sans solvant de nanomatériaux poreux tels que SBA-15, MCM-41 et MOFs. Ces matériaux possèdent des surfaces spécifiques élevées, une acidité ajustable et une stabilité qui les rendent idéaux pour la catalyse. Les nanomatériaux Fe2O3/SBA-15 fabriqués par méthode de broyage planétaire offrent des catalyseurs facilement séparables magnétiquement avec des surfaces spécifiques élevées. De même, la synthèse verte de matériaux bidimensionnels comme le GO et les MXenes montre un grand potentiel en électrocatalyse et en récupération d’énergie.

Une autre approche durable consiste à utiliser des extraits végétaux pour la synthèse verte de nanoparticules métalliques et d'oxydes métalliques. Ces extraits, riches en phytochimiques, agissent comme agents réducteurs naturels et stabilisants, permettant de contrôler la taille et la forme des nanoparticules. Les nanoparticules d'argent et d'or ainsi synthétisées possèdent d'excellentes propriétés catalytiques et antibactériennes. Les nanocomposites organiques à base de matériaux renouvelables comme l'amidon, la chitosane, la lignine et la cellulose ont également été utilisés pour leur potentiel catalytique. Ces catalyseurs à base de biopolymères offrent de grandes surfaces spécifiques et des sites actifs qui les rendent appropriés pour diverses applications.

Les nanoparticules de palladium immobilisées sur un système hybride halloysite-amidon ont montré une grande efficacité catalytique dans les réactions de couplage. La catalyse joue également un rôle crucial dans l'utilisation de matières premières renouvelables, transformant des produits intermédiaires dérivés de la biomasse en produits de valeur. Par exemple, des nanoparticules d’oxyde de cobalt encapsulées dans des matériaux mésoporeux ont été utilisées pour oxyder le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) avec une grande sélectivité et de bons rendements.

Ces avancées illustrent comment les processus catalytiques peuvent contribuer à une économie circulaire, où les déchets sont minimisés et les ressources utilisées de manière plus efficiente. La nanocatalyse améliore encore le domaine de la chimie verte en exploitant la grande surface spécifique et les propriétés uniques des nanoparticules pour améliorer les vitesses de réaction et la sélectivité. Les catalyseurs à base de nanoparticules permettent de combiner l'activité élevée de la catalyse homogène avec la facilité de récupération et de réutilisation propre à la catalyse hétérogène.

La synthèse sans solvant de nanomatériaux comme le SBA-15 et les MOFs accroît encore leurs applications catalytiques, tandis que la synthèse basée sur des extraits végétaux réduit la nécessité d'utiliser des réactifs toxiques. Lorsqu'elles sont couplées à un chauffage assisté par micro-ondes, la nanocatalyse permet d’atteindre une efficacité énergétique encore plus grande et des vitesses de réaction plus rapides. Les catalyseurs nano-hydroxydes de ruthénium pour l’hydratation des nitriles et les nano-organocatalyseurs à base de glutathione pour la synthèse de cycles hétérocycliques présentent tous deux une grande activité et sont faciles à récupérer.

Les catalyseurs métalliques soutenus jouent également un rôle important dans la chimie verte. Ces catalyseurs, souvent fixés sur des matériaux mésoporeux, offrent une activité et une sélectivité plus élevées grâce à leur grande surface spécifique et à leur structure de pores bien ordonnée. Une application clé est l'oxydation sélective du monoxyde de carbone (CO) dans l'hydrogène pour la purification des piles à combustible. Les nanoparticules de platine soutenues sur des silices mésoporeuses comme le FSM-16 présentent une grande activité et sélectivité pour l'oxydation du CO, même à basse température, grâce à l'interaction forte entre les nanoparticules de plati

Quels sont les avantages des liquides ioniques et des fluides supercritiques dans les processus industriels durables ?

Les liquides ioniques (ILs), composés de cations organiques et d'anions inorganiques, représentent une classe de substances aux propriétés distinctes par rapport aux liquides moléculaires traditionnels. Que ce soit pour des applications industrielles ou des recherches en laboratoire, ces liquides offrent un éventail d'avantages indéniables, qui vont au-delà des caractéristiques classiques des solvants. Bien que ces liquides soient utilisés depuis plusieurs décennies, leur potentiel reste encore sous-exploité dans certaines industries, principalement en raison de défis liés à la séparation des produits, à la toxicité et à l'accessibilité économique. Toutefois, leur capacité à remplir diverses fonctions, telles que celles de solvants et de catalyseurs, leur confère un rôle central dans le développement de processus industriels plus écologiques et durables.

Les ILs sont des sels qui restent liquides à température ambiante et possèdent un large éventail de propriétés. En raison de leur point de fusion relativement bas, ils peuvent rester liquides dans une large gamme de températures allant de -96 °C à 200 °C, ce qui leur permet de fonctionner dans des conditions extrêmes de température. De plus, leur viscosité, généralement inférieure à 100 cP, et leur stabilité thermique élevée (jusqu’à 200 °C) les rendent adaptés aux environnements de travail sévères. Ils sont également caractérisés par une faible pression de vapeur, ce qui les rend non inflammables et respectueux de l'environnement sous température ambiante. Ces liquides possèdent aussi des propriétés électrochimiques et une conductivité électrique exceptionnelles, qui les rendent efficaces dans de nombreuses applications de recherche et industrielles, en particulier dans des environnements où des solvants traditionnels échouent.

Outre leurs avantages en termes de solubilité et de conductivité, les ILs se distinguent par leur nature acide, qui peut atteindre des pKa de -20, leur conférant des capacités catalytiques puissantes, idéales pour les réactions chimiques complexes. De plus, certains ILs sont hydrophobes et stables à l'air, tandis que d'autres nécessitent des conditions sèches, ce qui permet une flexibilité dans leur utilisation selon les besoins spécifiques des processus industriels. Il est également important de noter que ces liquides sont souvent plus sûrs et moins toxiques que les solvants organiques classiques, ce qui en fait un choix de plus en plus privilégié dans le cadre de l'initiative de chimie verte.

Les fluides supercritiques (SCFs), notamment le dioxyde de carbone supercritique (SC-CO2), complètent les ILs dans un éventail d'applications durables. Ces fluides, qui se trouvent à des températures et pressions supérieures à leurs points critiques, combinent la densité des liquides et la viscosité des gaz, ce qui les rend remarquablement efficaces pour des processus tels que l'extraction de substances bioactives, le nettoyage industriel, ou la polymérisation. Le SC-CO2 est utilisé comme substitut des solvants organiques et de l'eau dans des industries comme l'aérospatiale, l'automobile et l'électronique, grâce à ses propriétés non toxiques et non inflammables. Il permet également de minimiser la quantité d'eau nécessaire dans de nombreux procédés industriels, tout en améliorant l'efficacité de la production de matériaux comme les peintures et les adhésifs.

Un autre avantage majeur du SC-CO2 est sa capacité à être utilisé dans des applications de dépollution et de remédiation environnementale. Par exemple, il peut être employé pour éliminer les contaminants des sols et de l'eau, contribuant ainsi à la restauration écologique sans recourir à de grandes quantités d'eau ou de produits chimiques toxiques. Sa versatilité en fait également un outil précieux dans l'industrie pharmaceutique, où il est utilisé pour améliorer la formulation des médicaments et optimiser la taille des ingrédients pharmaceutiques actifs (API). Le SC-CO2 facilite également le séchage et la préservation des aliments, réduisant le besoin en techniques de traitement à base d'eau, souvent moins efficaces.

Ainsi, tant les liquides ioniques que les fluides supercritiques apportent des solutions innovantes pour des procédés industriels plus durables, moins polluants, et plus efficaces. Leur utilisation permet de réduire la dépendance à l'égard des solvants conventionnels et de l'eau, en offrant des alternatives écologiques et plus sûres. Ces substances sont en train de redéfinir le paysage de la chimie industrielle durable, en ouvrant la voie à des méthodes de production plus respectueuses de l'environnement et économiquement viables à long terme.

Comment la biocatalyse et la chimie verte transforment-elles les industries pharmaceutique, textile et chimique ?

L’intégration de la biocatalyse dans les procédés industriels s’appuie sur des motivations commerciales fortes, en permettant d’augmenter les rendements tout en réduisant le développement de déchets, les temps de production et la consommation énergétique. Cette alternative aux procédés traditionnels de catalyse chimique gagne en popularité, car la plupart des enzymes sont biodégradables et produites par fermentation à partir de matières premières renouvelables, offrant ainsi une solution catalytique de plus en plus durable. Le coût de ces biocatalyseurs diminue parallèlement à la croissance du nombre d’enzymes commerciales et de leurs capacités associées.

D’un point de vue à la fois environnemental et économique, les entreprises tirent profit de cette méthode grâce à une production à haut rendement d’ingrédients pharmaceutiques actifs (API) chiraux ou d’intermédiaires. Des exemples industriels notables incluent la production d’intermédiaires biocatalysés dans des médicaments tels que le paclitaxel, l’aliskiren et la sitagliptine. Chez Merck, l’utilisation d’une ω-transaminase recombinante a permis de supprimer un procédé d’hydrogénation au rhodium sous haute pression, d’augmenter le rendement de 10 à 13 % et de réduire les déchets totaux de 19 %, un progrès reconnu par le prix « Greener Reaction Conditions » du Presidential Green Chemistry Challenge en 2010.

Cependant, comme pour les catalyseurs métalliques, une extraction complète des enzymes ou une surveillance rigoureuse du procédé sont nécessaires pour éviter toute contamination par lessivage dans le flux réactionnel. Ces procédés doivent obtenir l’approbation du Conseil International d’Harmonisation (ICH) et respecter les normes réglementaires via une évaluation rigoureuse des risques et la mise en place de mécanismes de contrôle appropriés.

L’étape suivante dans l’innovation réside dans l’intégration des procédés biocatalytiques dans des synthèses continues en flux, où plusieurs catalyseurs sont immobilisés dans des compartiments distincts. Cette approche hybride, récemment démontrée, nécessite le développement de séparations en ligne efficaces, d’échanges de solvants compatibles, et d’une adaptation des solvants aux réactions pour une utilisation industrielle généralisée. L’application de stratégies catalytiques, qu’elles soient autonomes ou intégrées dans une chaîne de production complète, s’intensifiera à mesure que les industries chercheront à garantir leur pérennité écologique et économique.

L’industrie pharmaceutique, historiquement associée à une production importante de déchets, une consommation élevée d’énergie et de solvants, illustre parfaitement cette transition. Des entreprises comme Amgen et Bachem ont adopté les principes de la chimie verte pour optimiser la synthèse en phase solide des peptides, réduisant

Comment contrôler la morphologie et la porosité des nanoparticules de silice issues de déchets agricoles ?

La précipitation de la silice à partir d'une solution de silicate de sodium neutralisée par un acide reste une méthode répandue pour la production de nanoparticules. Cependant, bien que cette voie soit simple et économique, elle ne permet qu’un contrôle limité sur la morphologie finale des particules formées. Les particules obtenues tendent à s’agglomérer en structures irrégulières, nuisant à leur performance dans des applications exigeant une surface spécifique élevée et une distribution granulométrique étroite.

L'utilisation de co-solvants organiques, d’additifs polymériques ou de systèmes en émulsion eau-dans-huile a permis d’améliorer ce contrôle morphologique. L’adjonction d’éthanol à la solution de silicate dérivée de la balle de riz, suivie d’une titration avec de l’acide phosphorique, a mené à la formation de particules sphériques dispersées, en contraste net avec les agrégats irréguliers obtenus en l’absence d’éthanol. Le ratio optimal silicate : eau : éthanol de 1:1:0,25 à pH 7 permet la formation de nanoparticules de silice de 75 à 252 nm avec une surface spécifique d’environ 364 m²/g, soulignant l’importance des paramètres de formulation sur les caractéristiques du matériau final.

De manière similaire, une concentration accrue de silicate de sodium combinée à une température de précipitation contrôlée (par exemple, 65 °C) peut réduire la taille des particules. À température ambiante, une concentration croissante de balle de riz blanche dans la solution de NaOH a mené à une distribution trimodale de tailles de particules. Ces résultats révèlent une relation directe entre la concentration des précurseurs et la taille des particules obtenues, ainsi que l’apparition de populations multiples de tailles lorsque le système devient trop concentré.

Les polymères hydrosolubles, notamment le polyéthylène glycol (PEG), se sont également révélés efficaces pour stabiliser les particules sphériques. Le PEG interagit avec les espèces silicatées par ses chaînes oxyéthylène, influençant la formation des pores et leur organisation. Une augmentation de la quantité de PEG (de 100 à 176 mg) a permis d’accroître la surface spécifique de la silice obtenue de 709 à 936 m²/g tout en augmentant la proportion de mésopores au détriment des micropores, conférant ainsi au matériau des propriétés texturales plus favorables à certaines applications catalytiques ou d’adsorption.

Dans une autre approche, l’utilisation d’un système d’émulsion inverse, impliquant de l’eau, du toluène, du CTAB et du n-butanol, a permis l’obtention de particules sphériques de silice d’une surface spécifique de 227 m²/g et d’un volume poreux de 1,24 cm³/g. La précipitation est initiée à l’interface micellaire par hydrolyse de l’urée, ce qui confère au processus une dimension interfaciale favorisant une morphologie uniforme.

Plus encore, les matériaux mésoporeux ordonnés tels que les silices de type MCM-41, SBA, KIT, FDU et MSU ont été synthétisés avec succès à partir de silicate extrait de déchets agricoles. Ces matériaux, initialement développés par Mobil Oil Corporation, se distinguent par leur structure hexagonale ordonnée et leur surface spécifique extrêmement élevée. L’extraction du silicate à partir de la balle de riz, suivie d’un traitement avec le tensioactif CTAB à pH contrôlé (ajusté à 10 avec de l’acide nitrique) et une calcination à 600 °C, permet d’obtenir une silice mésoporeuse MCM-41 avec des pores monomodaux de 2,3 nm et une surface spécifique atteignant 1115 m²/g. Ce processus, bien que plus complexe, démontre la possibilité de transformer des déchets végétaux à faible valeur en matériaux avancés aux propriétés texturales contrôlées.

L’acidité de précipitation influence également les propriétés texturales des particules. Le recours à différents acides (chlorhydrique, sulfurique, oxalique, citrique) entraîne des variations notables de la surface spécifique (entre 285 et 350 m²/g) et du volume mésoporeux, tout en maintenant des rendements élevés (près de 99 % dans chaque cas). Cela souligne l’impact du choix de l’acide sur les propriétés texturales et la porosité finale de la silice, éléments critiques selon les applications envisagées.

Enfin, les conditions de calcination influencent fortement la qualité du silicate extrait des cendres de déchets agricoles. Une température de 700 °C augmente la réactivité de la silice extraite mais diminue son pH, sa conductivité électrique et sa densité apparente. Le type de biomasse est également déterminant : la paille de riz donne un meilleur rendement en silice et une réactivité plus élevée que d’autres sources comme la bagasse de canne à sucre ou les épis de maïs.

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