Chimie verte II

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

4

18/05/2011

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

8

18/05/2011

3

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

12

18/05/2011

4

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

16

18/05/2011

5

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

20

18/05/2011

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


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

+

24

18/05/2011

7


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)

26




Suppression

Pas d'impact sur



et sûrs

Non volatils

Alternatives

27

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

28

18/05/2011

8

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., 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., Maitra U., Tetrahedron, Lett. , 1984, 25, p. 1239.32

18/05/2011

9

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




Suppression

Pas d'impact sur



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

36

18/05/2011

10

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

40

18/05/2011

11

�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

18/05/2011

12

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




Suppression

Pas d'impact sur



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)

48

18/05/2011

13

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]+

52

18/05/2011

14

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

56

18/05/2011

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

Documents

Chimie verte II