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18/05/2011
1
II-3) Les solvants
+solvant
Substrat + Réactif(s) ProduitAuxiliaireénergie
+ Sous-produits
Pas d’excèsautre voie et/ou
recyclage
Minimumcatalyse Minimum
Activation alternative
Non volatilsSuppression ou
sans danger et recyclage
Purification facileautre voie de synthèse
Suppressionautre voie et/ou
recyclage
BiomasseSans groupementsprotecteurs
1
�Dissoudre les solutés
Présent en large excès, doit être facile à éliminer en fin de réactionn’intervient pas dans le mécanisme de la réaction mais n’est pas inactif
�Stabiliser les états de transition
Influence sur la vitesse de la réaction
�Permettre le transport de masse et de chaleur
Favoriser les collisions entre réactifsContrôle des échanges thermiques (� ou � de température)
�Purification
ExtractionRecristallisationChromatographie
�Analyses spectroscopiques
II-3-a) Rôles du solvants en synthèse
2
Les solvants usuels � 3 grandes familles
� Solvants polaires et apolaires selon leur moment dipolaire µ et leur constante diélectrique ε
�Solvants aprotiques et protiques (aptitude ou non à donner des liaisons hydrogène)
�solvants donneurs et accepteurs selon leur aptitude à donner ou accepter des électrons.
Rappels
3
Le moment dipolaire : µµµµ (Debaye)
Le moment dipolaire caractérise le dipôledu solvant : vecteur orienté de la chargenégative vers la charge positive.
Plus le moment dipolaire µ du solvant est élevée, plus celui-ci est polaire etfavorise la formation et le maintien des charges. Pouvoir ionisant ���� .
Quand le barycentre des charges (–)est ≠ du barycentre des charges (+)=> il en résulte un moment dipolaire
le barycentre des charges (–) correspond au barycentre des charges (+)=> Pas de moment dipolaire
Rappels
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2
La constante diélectrique : εεεεr
La constante diélectrique notée εr, est le rapport entre la permittivité du
solvant ε et la permittivité du vide ε0.εr= ε/ε0
La constante diélectrique est un nombre sans dimension, caractéristique d’unmilieu qui permet d'estimer les forces électrostatiques entre deux espèceschargées.
Loi de Coulomb, dans un milieu de constante diélectrique ε :
=> Quand εεεε ���� alors F entre les deux charges ����
Plus la constante diélectrique du solvant est élevée, plus le solvant est polaireet favorise la séparation de charges opposées. Pouvoir dissociant ����.
F = q1 x q2
(4 x ππππ x εεεε x r2)
Rappels
5
= > H2O, ROH, RCOOH
- Solvants polaires protiques (εεεε elevé) => formation de liaisons H
Liaison hydrogène
Donneurs et accepteurs de liaisons hydrogène = pouvoir ionisant
Rappels
6
- Solvants polaires aprotiques => pas de liaison hydrogène
CH3NO2, CH3CN, DMSO, DMF, acétone
Pouvoir dissociant :- Très donneurs: cations très solvatés, - Peu accepteurs : anions peu solvatés donc plus réactifs.
SO
amphotère
DMSO
Rappels
7
-Solvants aprotiques apolaires (ε <15 et µ faible)
- Hexane, cyclohexane, toluène, CCl4 => (µ = 0) - Ethers (Dioxanne, nBu2O, Et2O, tBuOMe, THF);
� Pas ou peu ionisants � Non dissociants : les espèces existeront sous forme de paire d'ions� Peu donneurs et peu accepteurs : cations et anions peu solvatés
Rappels
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Quelques données :
Solvant DMSO DMF propanone Eau MeOH CH2Cl2 THF Et2O Cyclohexane
Moment dipolaire µ (Debye)
4,3 3,8 2,8 1,8 1,7 1,6 1,6 1,1 0
Constante diélectriqueRelative εr
48,9 36,7 20,5 78,5 32,6 9,1 7,5 4, 3 2,1
protique non non non oui oui non non non non
doublet libre oui oui oui oui oui non oui oui non
9
Effets de la polarité du solvant
EtOH
H2O
∆H≠
∆H≠
Cl
Clδ-δ+
OR
+ HCl
enthalpie
keau
kEtOH
= 3.4x105
∆H≠
∆H≠
enthalpie
X + RY
Y + RX
X R Yδ− δ−δ+
SN1 SN2
SOLVANT POLAIRE : STABILISATION DE LA CHARGE- apparition de charge dans l’ET : la vitesse �- charge dispersée dans l’ET : la vitesse � Quand la polarité �
polarité
polarité
10
Directive européenne (1999) définit les COV comme :
« tout composé organique ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K (20°C) ou ayant une volatilité correspondante dans les conditions d'utilisation particulières. […] »
et précise que le terme composé organique désigne :
« tout composé contenant au moins l'élément carbone et un ou plusieurs des éléments suivants : hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, siliciumou azote, […] »
directive n° 1999/13/CE du Conseil européen du 11 mars 1999 relative à la réduction des émissions de composés organiques volatils dues à
l’utilisation de solvants organiques dans certaines activités et installations.
II-3-b) Les composés organiques volatils (COV)
11
La pression de vapeur est la pression à laquelle un liquide et sa vapeur sont en équilibre à une température donnée.=> Un liquide est d’autant plus volatil que sa pression de vapeur est grande à 20°C.
Vaporisation d'un liquide à différentes températures. La pression de vapeur augmente avec la température.
Exemple de l’eau
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Différentes familles de Composés Organiques Volatils
Hydrocarbures légers (C10): alcanes, alcènes, alcynes, aromatiques...
Composés oxygénés légers (C6):alcools, aldéhydes, éthers...
Hydrocarbures halogénés légers (C3)
Composés multifonctionnels (C2 - C3...)
13
SolvantPression de
vapeur à 20°C (kPa)
Et2O 59
CH2Cl2 46
Acétone 24,7
MeOH 13
AcOEt 9,7
EtOH 5,9
Toluène3
eau 2
Pression de vapeur de certains solvants:
« tout composé organique ayant une pression de vapeur > 0,01 kPa à 20°C ou ayant une volatilité correspondante dans les conditions d'utilisation particulières. […] »
14
Emissions
�Anthropogéniques:combustion : moteurs essence, diesel / cheminées / feux de végétation
solvants : évaporation de carburant / stockages industriels de solvants, peintures / industrie chimique/ nettoyage / industrie pharmaceutique
�Biogéniques: végétation, océans, animaux, volcans
Origine des COV
15
~1000 kt en 2010
En France
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Solvants organiques volatils
Pas de solvant Fluides supercritiques
EAU Liquides ioniques
Suppression
Pas d'impact sur
l'environnement et sûr
Facilement séparables
et sûrs
Non volatils
Alternatives
II-3-c) Les solvants alternatifs
17
Réactions sans solvant
Avantages� Économique� � les déchets� �sécurité� � la concentration des réactifs
Inconvénients� Problème si solvant stab. l’état de transition� Broyeur spécifique (disponibilité, coût)� Distrib. chaleur non homogène� Récupération du produit sans solvant
18
Réactions d’aldolisation
Belen Rodriguez, Angelika Bruckmann, and Carsten Bolm, Chem. Eur. J. 2007, 13, 4710 – 4722
Conditions réaction : Cétone 1 (2,2 mmol) Aldéhyde 2 (2,0 mmol) proline (0,2 mmol)
[c] Rdt total (aldéhyde récup) [d] Det. par RMN-1H sur mélange brut[e] Det. par HPLC sur colonne chirale (anti aldol)
Récupération :CH2Cl2 ou Et2O (4 x 40 mL) puis évaporation
Purification : chromatographie gel de silice (pentane/AcOEt)
19Benjamin List, Richard A. Lerner, and Carlos F. Barbas III; JACS, 2000, 122, 2395-2396
Réaction d’aldolisation
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6
Formation d’imine
Gerd Kaupp, Jens Schmeyers and Juergen Boy; Tetrahedron 56 (2000) 6899-6911
Conditions réaction : Aldéhyde 1 (1,0 mmol) Amine (pression 1 bar)1 nuit, TARécupération / purification :Condensation de l’amine (gaz) à froid (77 K)Elimination de l’eau formée à 80°C sous vide (0,01 bar)
21
Formation d’imine
22
Réaction de Wittig
Viktor P. Balema,Jerzy W. Wiench, Marek Pruski, and Vitalij K. Pecharsky; JACS, 2002, 124, 6244-624523
Réaction de Wittig
Viktor P. Balema,Jerzy W. Wiench, Marek Pruski, and Vitalij K. Pecharsky; JACS, 2002, 124, 6244-6245
K2CO3 1 heure
3 h
référenceproduits commerciaux
10 h
K2CO3
CHO
RMN du solide à l’angle magique 31P- νo = 161,9 MHz (1H 400 MHz)- Rotation à AM = 20 kHz- 1H découplé
+
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Viktor P. Balema,Jerzy W. Wiench, Marek Pruski, and Vitalij K. Pecharsky; JACS, 2002, 124, 6244-624525
Réaction d’estérification enzymatique
Synthesis, 1990, 112-115
Conditions de réaction :1) Préparation de l’éthyl D-glucopyranoside 1 :Glucose (8Kg, 44 mol); éthanol (25 L, 428 mol); résine échangeuse de cation (H+, 15 Kg)Agitation mécanique, 18 h à reflux. Filtration et distillation de l’EtOH sous pression réduite.Mélange d’éthyl D-glucopyranoside α/β ~1/1 (+ 4% de glucose).
2) Préparation du monoester l’ester 3 :Addition des acides gras fondus isolés de noix de coco (12,7 Kg, 57 mol). Addition de la lipase immobilisée, thermostable (Candida antartica, 400g),Agitation à 70°C, sous vide (0,01 bar), pendant 28h.
Purification :Filtration à 70°C, sous pressionDistillation à 130°C et sous vide (0,004 mbar)
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Solvants organiques volatils
Pas de solvant Fluides supercritiques
EAU Liquides ioniques
Suppression
Pas d'impact sur
l'environnement et sûr
Facilement séparables
et sûrs
Non volatils
Alternatives
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Réaction dans l’eau
Avantages� Abondant� Bon marché� Non toxique, ininflammable� �sécurité� Récupération des composés par décantation si insolubles
Inconvénients� Réactivité de certains réactifs (Na, LiAlH4…)� Solubilité de certains composés organiques� Recyclage
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Effet hydrophobe : deux molécules hydrophobes placées dans l’eau ont tendanceà s’agréger pour � les interactions défavorable avec l’eau.
Marie-Christine Scherrmann, Techniques de l’ingénieur, « Chimie dans l’eau »29
Solvant Vitesse
105k (M-1s-1)
MeOH 75.5
Formamide 318
H2O 4400
O
COMe
COMe+
endo exo
+
Breslow R., Rideout D., J. Am. Chem. Soc., 1980, 102, p. 7816; Breslow R., Guo T., J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, p. 5613;
Breslow R., Maitra U., Tetrahedron, Lett. , 1984, 25, p. 1239.
Réaction de Diels-Alder
30
O
COMe
COMe+
endo exo
+
COMe
MeOC
Etat de transition + compact
Breslow R., Rideout D., J. Am. Chem. Soc., 1980, 102, p. 7816; Breslow R., Guo T., J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, p. 5613;
Breslow R., Maitra U., Tetrahedron, Lett. , 1984, 25, p. 1239.
Composé endo > exo
31
Solvant Vitesse
105k (M
-1s
-1)
Selectivité
Endo/exo
MeOH 75.5
8,5
Formamide 318 8.9
H2O 4400 28
O
COMe
COMe+
endo exo
+
Breslow R., Rideout D., J. Am. Chem. Soc., 1980, 102, p. 7816; Breslow R., Guo T., J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, p. 5613;
Breslow R., Maitra U., Tetrahedron, Lett. , 1984, 25, p. 1239.32
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Transposition de Claisen
� Mécanisme identique dans différents solvants et par catalyse enzymatique
Matthew P. Repasky, Cristiano Ruch Werneck Guimara˜es, Jayaraman Chandrasekhar,‡ Julian Tirado-Rives, and William L. Jorgensen; JACS, 2003, 125, 6663-6672
Réaction 100 x plus rapide dans l’eau que dans le MeOH � Stabilisation de l’état de transition plus importante dans l’eau
Etape clé de la biosynthèse de acides aminés aromatiques catalysée par la chorismate mutase (plantes, champignons et bactéries).
33
Autres réactions dans l’eau…
�Réaction d’allylation de dérivés carbonylés (indium (In), BrCH2CH=CH2)
�Catalyse organométallique avec ligands hydrosolubles en présence de palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthénium (Ru)
�Oxydation : KMnO4, H2O2
….
Marie-Christine Scherrmann, Techniques de l’ingénieur, « Chimie dans l’eau »34
Solvants organiques volatils
Pas de solvant Fluides supercritiques
EAU Liquides ioniques
Suppression
Pas d'impact sur
l'environnement et sûr
Facilement séparables
et sûrs
Non volatils
Alternatives
35
Les fluides supercritiques
Un fluide est dit supercritique lorsqu'il est placé dans des conditions detempérature et de pression au-delà de son point critique.
⇒ viscosité proche de celle des gaz⇒ densité proche de celle des liquides
Solide Liquide Fluide supercritique Gaz
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SubstanceTc
(°C)
Pc
(bars)ρc (g.mL-1)
CH4 -82,5 46,4 0,16
CHF3 26,2 48,5 0,62
CH2F2 78,1 57,8 0,42
NH3 132,5 112,8 0,24
CO2 31,1 73,8 0,47
H2O 374,2 220,5 0,32
C2H6 32,4 48,8 0,20
Les changements d'état gaz/fluide supercritique et liquide/fluide supercritique sefont d'une manière continue.
Varie avec la T°C et la PParamètres qui peuvent être optimisés
37
Avantages� Pas cher, abondant� Disponible très pur (>99.9%) � Non inflammable, non toxique� Grand pouvoir d'extraction� Inerte� Facilement éliminé des produits en fin de réaction et recyclable
Inconvénients- La compression du CO2 nécessite de l’énergie- Nécessité de travailler sous pression => Réacteur (coût)- Faibles propriétés de solvatation (Relativement non-polaire).
=> Utilisation de co-solvants (MeOH, MeCN, THF, toluène)- Réagit avec de bons nucléophiles => peut être exploité en synthèse
Le scCO2
38
ScCO2
Alkylation de Friedel-Craft (flux continu)
Catalyseur supporté
Martin G. Hitzler, Fiona R. Smail, Martyn Poliakoff, Martin G. Hitzler and Stephen K. Ross, Chem. Commun., 1998, 359-360.
�Les propriétés d’extraction du ScCO2, � la durée de vie du catalyseur
200 bars200°C
OH
H2O
39
Oxydation diastéréosélective
R. Scott Oakes, Anthony A. Clifford, Keith D. Bartle, Mark Thornton Pett and Christopher M. Rayner, Chem.
Commun., 1999, 247-248
Pas de diastéréoselectivité dans les solvants conventionnels
TBHP : tBuOOH
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�Diastéréoselectivité maximum à 175 bars : Diminution de la sélectivité à plus haute ou plus faible pression.� Hypothèse : lien avec la densité du milieu qui ∆ avec la pression en milieu Sc
R. Scott Oakes, Anthony A. Clifford, Keith D. Bartle, Mark Thornton Pett and Christopher M. Rayner, Chem.
Commun., 1999, 247-248
Diastéréosélectivité en fonction de la pression
41
�Système bi-phasique ScCO2/H2O� Quantité catalytique de ruthénium tétra-oxyde (soluble dans les deux phases)� Oxydant NaIO4 soluble dans l’eau, régénère RuO4
� désactivation rapide du catalyseur!
Coupure oxydante de double liaison (système bi-phasique)
Ac. adipique
Handbook of green chemistry & Technology, Ed. James Clark & Duncan Macquarrie, Blackwell Publishing, 2002, p 487-488.
42
�Hydrogénation du ScCO2 en présence de complexe de ruthénium qui peut-être supporté
sur silice et être recyclé.
�Système catalytique efficace (Turn over elevé) :
ScCO2 : 1400 h-1
THF : 80 h-1
Sc CO2 comme solvant et réactif
� 4,2.105 mol de DMF / mole de catalyseur
Handbook of green chemistry & Technology, Ed. James Clark & Duncan Macquarrie, Blackwell Publishing, 2002, p 198.
43
Rdt 48%
ee 100%
Résolution cinétique enzymatique dans le ScCO2
Elena C. Celia, Enrico Cernia, Ilaria D'Acquarica, Cleofe Palocci, Simonetta Soro, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 1999, 6, 495-503
� Pas d’eau sinon hydrolyse du produit possible � Lipase de Candida rugosa immobilisée sur gel de silice� Réaction de trans-estérification� Réaction non réversible car utilisation d’acétate de vinyle
acétate de vinyle
44
TransRacémique
2-phenyl-1-cyclohexanol
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45Elena C. Celia, Enrico Cernia, Ilaria D'Acquarica, Cleofe Palocci, Simonetta Soro, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 1999, 6, 495-503
Propriétés du milieu Sc : �Faible viscosité du ScCO2 et bonne diffusion des substrats
Solvants organiques volatils
Pas de solvant Fluides supercritiques
EAU Liquides ioniques
Suppression
Pas d'impact sur
l'environnement et sûr
Facilement séparables
et sûrs
Non volatils
Alternatives
46
Hiroyuki Ohno, Bull. Chem. Soc. Jpn., 2006, Vol. 79, No. 11
Les liquides ioniques (LI)
- Sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C
- Ions (généralement gros) faiblement associés
47
Avantages� Pas de tension de vapeur (ne s'évaporent pas)� La plupart sont stables au delà de 200°C� Non miscibles avec certains solvants organiques� Commercialisés ou facile à préparer� Ininflammable� Peuvent être utilisés comme solvant et/ou catalyseur
Inconvénients� Toxicité mal connue� Certains sont explosifs� Recyclage� Doivent-être synthétisés
Les liquides ioniques (LI)
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Exemples de cations
N
R3P
R2
R1
R4
R2
SR3R1
N
N NN S N O N
N
N N
N N
R1 R2
R
R
R1 R2R4
R3
R2R1 R1 R2
R3
R4
R1 R2
R3
R4 R4
R3
R2R1
R5
R3N
R2
R1
R4
Imidazolium pyridinium ammonium pyrrolidinium thiazolium oxazolium
phosphonium sulfonium isoquinolium triazolium pyrazolium
49
Sensibles à l’eau
AlCl4-
FeCl4-
NO3-
Stables à l’eau et à l’air
PF6-
SbF6-
BF4-
CF3SO3-
CF3CO2-
(CF3SO2)2N-
(CF3SO2)3C-
Stables à l’eau et à l’air et sans halogènes
CH3CO2-
C6H5SO3-
(RO)2PO2-
PO43-
Exemples d’anions
50
Hiroyuki Ohno, Bull. Chem. Soc. Jpn., 2006, Vol. 79, No. 11
Préparation des liquides ioniques
51
Point de Fusion des imidazoliums en fonction de R1, R2 et de l'anion
N NBF4
103°C
N NBF4
15°C
N NBF4
-81°C
N NBF4
-82°C
N NBF4
-78°C
N NBF4
-4°C
N NCl
65°C
N NI
-72°C
N NCF3SO3
16°C
[bmim]+
[emim]+
[mmim]+
[hmim]+
[omim]+
[dmim]+
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N NR
BF4
Température de fusion en fonction de la longueur de la chaine alkyl
53Michel armand, Frank Endres, Douglas R. MacFarlane, Hiroyuki Ohno and Bruno Scrosati, Nature materials, 8, 2009, 621-629
Utilisation des liquides ioniques
54
Glycosylation
Tae-Joon Park, Michel Weı¨wer, Xuejun Yuan, Sultan N. Baytas, Eva M. Munoz, Saravanababu Murugesana and Robert J. Linhardt, Carbohydrate Research 342 (2007) 614–620
1-ethyl-3-methylimidazolium benzoate
�Pas de groupement protecteur, pas d’activation du sucre� � T°C = � viscosité => � le rendement �Purification du produit par chromatographie!�Pas de recyclage du LI!
55
R.M. Lau, F. van Rantwijk, K.R. Seddon and R.A. Sheldon, Org. Lett., 2000, 4189
Production de peracide in situ
Candida antartica Lipase B
Condition de réaction :- 0,5 mL de liquide ionique- Cyclohexene (conc = 3 M)- Acide octanoique (conc = 0.4 M)- 10 mg Novozyme 435 (Cal B adsorbée sur résine macroporeuse-Solution aqueuse de H2O2 (1,1 eq.)- 24 h, TA� 93% dans l’acétonitrile
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15
94%
0.1kg/litre de réacteur/heure
Manfred T. Reetz, Wolfgang Wiesenhöfer, Giancarlo Franciòa and Walter Leitner, chem. commun., 2002, 992–993
Système biphasique LI et ScCO2 (flux continu)
♦ Enzyme suspendue dans la phase LI♦ Substrats injectés avec scCO2
♦ Produit bien soluble dans scCO2 et facilement extrait du LI♦ LI et enzyme réutilisés♦ LI ne se dissous pas dans scCO2
57
1+2
3 + ald
10 mL
Liquide ionique = 4 mLCaL B = 40 mg
T = 45°C et P = 105 bars
58
59
1- La prévention de la pollution à la source en évitant la production de résidus.
2- L’économie d'atomes et d’étapes qui permet de réaliser, à moindre coût,l’incorporation de fonctionnalités dans les produits recherchés tout en limitant lesproblèmes de séparation et de purification.
3- La conception de synthèses moins dangereuses grâce à l’utilisation de conditionsdouces et la préparation de produits peu ou pas toxiques pour l’homme etl'environnement.
4- La conception de produits chimiques moins toxiques avec la mise au point demolécules plus sélectives et non toxiques.
5- La recherche d’alternatives aux solvants polluants et aux auxiliaires de synthèse.
6- La limitation des dépenses énergétiques avec la mise au point de nouveauxmatériaux pour le stockage de l’énergie et la recherche de nouvelles sourcesd’énergie à faible teneur en carbone.
Paul Anastas and John Warner, ont été les premiers à proposer en 1998 les 12
principes pour développer une chimie verte
Anastas Paul T., and Warner John C. , Green Chemistry theory and practice, Oxford University Press, New York, 1998.
http://www.cnrs.fr/inc/recherche/programmes/devptdurable/devptdurable.htm
III) Les 12 principes
60
7- L'utilisation de ressources renouvelables à la place des produits fossiles.
8- La réduction du nombre de dérivés en minimisant l'utilisation de groupesprotecteurs ou auxiliaires.
9- L’utilisation des procédés catalytiques de préférence aux procédésstœchiométriques.
10- La conception des produits en vue de leur dégradation finale dans desconditions naturelles ou forcées de manière à minimiser l’incidence surl’environnement.
11- La mise au point des méthodologies d'analyses en temps réel pour prévenir lapollution, en contrôlant le suivi des réactions chimiques.
12- Le développement d’une chimie fondamentalement plus sûre pour prévenir lesaccidents, explosions, incendies et émissions de composés dangereux.
Anastas Paul T., and Warner John C. , Green Chemistry theory and practice, Oxford University Press, New York, 1998.
http://www.cnrs.fr/inc/recherche/programmes/devptdurable/devptdurable.htm
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