Les solvants jouent un rôle fondamental dans la préparation de produits chimiques. Ils constituent la majorité des déchets générés. Leur élimination nécessite un nouvel apport d'énergie et de nouveaux rejets se retrouveront éventuellement dans l'environnement.

Conséquemment, l'évaluation de solution de rechange aux solvants traditionnels figure parmi les mandats du CCVC. Idéalement, un solvant vert devrait être non toxique, facilement disponible et peu coûteux. Par-dessus tout, il devrait posséder des attributs supplémentaires telles l'augmentation de la réactivité chimique, l'amélioration des séparations ou la facilité du recyclage des catalyseurs.

Dans ce contexte, des chercheurs évaluent l'usage de solvants verts tels que l'eau, le CO2supercritique et les liquides ioniques dans des réactions d'importance en synthèse. D'autres étudient les réactions obtenues lors de l'activation des liens C-H en utilisant le CO2 supercritique comme solvant. De nouvelles applications de la chromatographie liquide supercritique (SFC) seront aussi examinées dans le contexte de la séparation d'énantiomères. Ces travaux fourniront des méthodes parallèles ayant un faible impact environnemental dans la conversion des matières premières en produits utiles ou en intermédiaires synthétiques.

Traditionnellement, l'optimisation des rendements et la sélectivité ont toujours été les principes directeurs de la synthèse. Peu d'intérêt a été porté à l'usage en quantité stœchiométrique de réactifs ou d'auxiliaires chiraux, pour lesquels, parfois, peu d'atomes se retrouvent incorporés aux produits finaux. Cette approche génère des produits secondaires et des résidus qui doivent être éliminés.

Dans cette optique, il est de plus en plus reconnu que tous les atomes des matériaux de départ et des réactifs devraient se retrouver incorporés à la structure moléculaire du produit final. Ce concept, appelé " économie d'atome " (économie atomique), constitue l'un des principes fondateurs de la chimie verte. Il a influencé plusieurs chimistes dans leurs approches de conception et de planification de la synthèse.

La catalyse joue un rôle clé dans l'atteinte d'une bonne économie d'atome puisque, dans une réaction bien conçue, d'infimes quantités de catalyseurs sont nécessaires afin de réaliser la conversion de produits de départ simples en produits finaux plus complexes.

La catalyse hétérogène présente des avantages verts marqués par rapport à sa contrepartie homogène, puisque les métaux utilisés comme catalyseurs sont faciles à retirer du milieu réactionnel. Cette manière de procéder assure que le produit obtenu n'est pas contaminé par un métal.

Les chercheurs du CCVC explorent 2 types de systèmes hétérogènes :

• la catalyse homogène immobilisée sur un support solide;
• la catalyse par des nanoparticules à grande surface.

Les nouveaux supports servant à immobiliser un catalyseur normalement homogène fournissent à la communauté scientifique des outils permettant d'améliorer autant l'aspect vert que l'aspect économique de ces réactions. L'amalgame de ces 2 approches catalytiques promeut la collaboration entre les membres et permet à ces derniers de profiter de l'expertise en chimie des surfaces, bien présente au CCVC. Non seulement de nouveaux catalyseurs hétérogènes sont développés, mais l'aspect mécanistique des procédés qui l'accompagnent est aussi abordé.

L'étude des fondements de la catalyse hétérogène est souvent considérée comme étant trop difficile. Toutefois, eu égard aux besoins pressants en développement durable, l'étude de la catalyse hétérogène connaît un regain considérable. Le CCVC participe à l'effort mondial en catalyse en vue de percées importantes dans bon nombre de procédés catalytiques de chimie verte.

Une solution de rechange aux catalyseurs synthétiques réside dans les catalyseurs produits par la nature, extraordinairement efficaces pour les transformations biologiques et chimiques. De plus, ils opèrent presque tous à même un solvant vert : l'eau.

L'un des axes importants de la chimie verte fait appel à l'usage d'enzymes ou de catalyseurs synthétiques imitant l'action de ces catalyseurs biologiques dans les procédés de synthèse chimique.

Les aspects recherchés de la catalyse enzymatique incluent une grande spécificité vis-à-vis des substrats, une grande régio, stéréo et énantiosélectivité ainsi que des conditions réactionnelles " douces " en milieu aqueux. Certains groupes collaborent en utilisant des enzymes en milieu aqueux afin de catalyser la régio et la stéréosélectivité lors d'hydroxylations de liens C-H inactivés. Ces réactions sont essentielles à la synthèse de plusieurs produits chimiques et pharmaceutiques, mais elles sont généralement difficiles à réaliser. L'étude de l'aspect mécanistique des réactions enzymatiques est aussi poursuivie au CCVC.

Les méthodes de synthèse conventionnelles procèdent en plusieurs étapes pour atteindre le degré de complexité moléculaire visé. Du point de vue de la chimie verte, ces méthodes comportent de sérieuses limites :

• elles reposent sur des réactifs qui ne sont pas complètement incorporés aux produits;
• elles nécessitent un usage répétitif de solvants;
• elles subissent une dégradation du rendement avec le nombre de réactions;
• elles requièrent la répétition de séquences réactionnelles pour générer des variations structurelles, amenant des propriétés améliorées.

Une approche parallèle consiste à préparer les produits directement à partir de ressources disponibles. Les chercheurs du CCVC développent de nouvelles transformations vertes non catalytiques qui se conforment le plus possible au principe d'économie d'atomes. Ces travaux fournissent un ensemble de transformations faciles à exécuter (une étape), produisant un minimum de déchets et donnant accès à une diversité moléculaire pour la synthèse de nouveaux polymères (intermédiaires pharmaceutiques) et de nouveaux matériaux, le tout dans un contexte vert.

L'art de convertir la biomasse en matière première utile via des catalyseurs, ouvre de nouvelles perspectives pour le secteur forestier du Québec. Ce domaine de recherche important vise à transformer l'industrie chimique actuelle, laquelle est principalement basée sur les produits dérivés du pétrole, en une industrie qui exploiterait plutôt les matériaux renouvelables de la nature. Bien que la production de substances chimiques industrielles fabriquées à base de matières renouvelables, tels que les plantes et les algues, n'en soit encore qu'à ses premiers balbutiements, son potentiel est immense.

Le CCVC se concentre à développer de nouveaux systèmes catalytiques chimiques et biochimiques pour générer des biocarburants et autres produits de bases d'importance. Si l'industrie des biocarburants veut concurrencer avec les procédés actuels de fabrication de la pétrochimie, il se doit de convertir les déchets engendrés au cours de l'affinage des matières premières, en produits chimiques à valeur ajoutée. C'est pourquoi le CCVC étudie de nouvelles méthodes catalytiques visant à transformer les « déchets » issus du bioraffinage en produits chimiques de base.

Des efforts sont déployés pour mettre au point des complexes de nouveaux métaux de transition qui sont bien définis afin de produire des réactions de déshydratation et de désoxygénation chimio- et régiosélectives avec des substrats polyoxygénés. Cet axe majeur vient juste d'être ajouté aux activités de recherche du CCVC.

La création de méthodes parallèles et de nouveaux outils de synthèse dans le but de convertir des matières premières en produits utiles ou en intermédiaires synthétiques, en utilisant des méthodes vertes, doit être scrutée minutieusement.

Bien que ces procédés puissent être très efficaces par rapport aux méthodes usuelles, leur innocuité environnementale doit être examinée avec soin. Ultimement, dans chaque étude de chimie verte, il est crucial de déterminer si les procédés et les nouveaux composés obtenus sont vraiment verts. Des études sont menées dans le but d'établir les caractéristiques polluantes des nouvelles molécules vertes ou de leurs procédés. Ce potentiel est déterminé autant pour les nouveaux produits que pour leurs produits de dégradation et écométabolites.

Une autre caractéristique remarquable du CCVC est l'inclusion de gestionnaires et d'experts en règlementation en tant que membres. Ces chercheurs étudient les processus par lesquels les préoccupations du public naissent (ou ne naissent pas), et comment les changements de règlementation surviennent lorsque les agences de règlementation et autres intervenants font face à de nouveaux risques environnementaux ou de santé publique.

L'évolution de la technologie est aussi à l'étude, notamment l'intégration des nouvelles méthodes de synthèse ou des produits de remplacement par les industries chimique et pharmaceutique. Touchant ainsi à toutes les étapes menant à une chimie plus respectueuse de l'environnement, le Centre permet aux chercheurs d'aller au-delà des aspects strictement scientifiques de l'innovation.