Centre en chimie verte et catalyse (CCVC)

Créé en 2009 grâce au soutien financier du FRQNT, le CCVC regroupe 53 chercheurs issus de 7 universités québécoises. Outre l'Université de Montréal, on note la présence de chercheurs de l'Université McGill, de l'Université Laval, de l'Université de Sherbrooke, de l'Université Concordia, de l'UQAM et de l'École Polytechnique Montréal.

Le CCVC vise à réaliser des progrès scientifiques d'ordre conceptuel dans des domaines où le Québec se démarque déjà à l'international. Plus spécifiquement, son mandat prévoit :

  • de rassembler des chercheurs de talent afin de développer une nouvelle chimie verte;
  • d'améliorer la qualité de la formation en offrant aux étudiants une infrastructure de pointe et un soutien professionnel de qualité, tout en favorisant les interactions avec des chercheurs de domaines connexes;
  • d'accroître le partage des infrastructures de calibre mondial entre ses membres;
  • de réaliser des progrès dans les domaines de la chimie verte et de la catalyse;
  • de stimuler la création d'entreprises dérivées;
  • de sensibiliser le grand public aux bienfaits de la chimie verte.

Multidisciplinaire, le CCVC est majoritairement composé de chimistes. Il compte aussi parmi ses membres des professeurs issus de facultés de gestion et de droit. Le CCVC se préoccupe non seulement de l'optimisation et de l'efficacité des transformations chimiques, mais il analyse également les aspects économiques et juridiques liés au développement d'une chimie plus respectueuse de l'environnement.

EN SAVOIR PLUS

Qu'est-ce que la chimie verte?

La chimie verte est la conception (design) de produits chimiques et de procédés qui réduisent ou éliminent l'usage et la production de matières dangereuses.

Cette définition devient plus claire lorsque l'on considère les 12 principes de base de la chimie verte (limiter la pollution, économie d'atomes, matières premières moins toxiques, etc.), édictés par Paul Anastas et John Warner dans un ouvrage publié en 1998.

Traditionnellement, la préoccupation principale des chimistes - plus particulièrement les chimistes de synthèse - consistait à préparer une molécule cible et à viser un rendement optimal de chacune des étapes pour l'obtenir. Peu d'attention était accordée à la quantité de déchets générés ou aux aspects énergétiques des réactions chimiques utilisées. La pratique de la synthèse dans ces conditions entraîne des séquences de réactions énergivores qui produisent souvent des masses de déchets à détruire, plus importantes que les masses de produits désirés.

En chimie verte, l'une des approches reconnues consiste à réaliser des transformations chimiques d'une manière plus efficace en utilisant moins d'énergie, en remplaçant les réactifs stœchiométriques par des catalyseurs, en utilisant peu ou pas de solvants ou, lorsque la réaction le permet, en utilisant des solvants moins nocifs.

Il faut distinguer la chimie verte de la chimie environnementale. La chimie verte prévient les dommages potentiels à l'environnement tandis que la chimie environnementale observe et quantifie les composés chimiques libérés dans l'environnement.

...et que vient faire la catalyse?

La catalyse est l'une des approches utilisées pour rendre les transformations chimiques plus efficaces et moins énergivores. Elle permet de réduire la quantité de déchets produits par rapport aux transformations stœchiométriques. Dans ce sens, la catalyse constitue un pilier de la chimie verte, soit l'une des approches affichant des gains importants en matière d'efficacité globale des réactions chimiques.

Axes de recherche du Centre

Axe 1 : Développement de solvants écologiques en synthèse

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 CO2 supercritique 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.

Axe 2 : Invention de nouvelles réactions catalytiques homogènes

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.

Axe 3 : Développement de réactions catalytiques hétérogènes

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.

Axe 4 : Développement de méthodes de synthèse à l'aide de catalyseurs et d'enzymes naturels

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.

Axe 5 : Outils pour la synthèse moléculaire verte et ses applications

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.

Axe 6 : Transformation catalytique de la biomasse

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.

Axe 7 : Évaluation, commercialisation et règlementation

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.

Infrastructure de l’UdeM

Les établissements membres du CCVC offrent plusieurs services analytiques à la communauté scientifique du Québec grâce à des équipements parmi les plus récents. Les techniques utilisées sont uniques et à la fine pointe :

Personnes-ressources

Marie Laferrière, Ph.D., coordonnatrice du CCVC à McGill : 514-398-1788
Professeur André Charette, co-directeur du CCVC à UdeM : 514-343-6283

Les professeurs du CCVC

Le CCVC regroupe 44 professeurs, dont 14 sont affiliés à l'Université de Montréal.