Par Mark Shainblum
Des chercheurs de McGill aux avant-postes d’une nouvelle chimie écologique. En remplaçant les solvants toxiques par l’eau et en transformant le CO2 en plastique biodégradable – ils sauvent la planète molécule par molécule.
Le terme biologique est désormais synonyme d’écologique et traduit dans notre esprit un souci aigu pour la santé et la protection de l’environnement. Mais s’il affuble à peu près tous les produits que nous consommons ou utilisons, du coton au café, il n’a cependant rien à voir avec la chimie organique. Cette branche de la chimie s’intéresse à la description et à l’étude des composés organiques, formés essentiellement de carbone et d’hydrogène. Bien avant qu’il soit associé au langage du consommateur, le terme biologique est apparu pour la première fois au XIXe siècle, alors que les chimistes croyaient à tort que les composés organiques ne pouvaient être synthétisés dans des organismes vivants que par le biais de la force vitale (vis vitalis). Bien que la chimie organique n’ait en réalité rien à voir avec cette force vitale, elle intervient néanmoins dans pratiquement tous les aspects de notre existence. Des produits pharmaceutiques aux micropuces, en passant par les aromatisants alimentaires, rares sont les procédés industriels et les produits qui ne découlent pas d’une réaction de chimie organique. Malheureusement, les procédés utilisés dans la fabrication des ordinateurs dont nous ne pouvons plus nous passer, du carburant qui permet à nos véhicules de circuler et des antibiotiques qui nous soignent empoisonnent la planète par l’émission de polluants organiques persistants comme les diphényles polychlorés (BPC). Mais tout cela va bientôt changer.
« La chimie est la seule discipline dont la principale mission est de produire de nouvelles formes de matière », indique Bruce Lennox, directeur du Département de chimie de McGill. « Pour inventer des molécules, il faut pouvoir mettre en œuvre une réaction chimique. » En chimie organique, cela consiste à dissoudre les matières premières sous forme solide, liquide ou gazeuse dans des solvants, lesquels sont malheureusement souvent très toxiques. C’est pourquoi les chercheurs de McGill espèrent véritablement révolutionner la chimie. Dans leurs laboratoires de recherche et leurs ateliers, ces pionniers de la chimie verte à émission zéro s’efforcent de remplacer les procédés chimiques traditionnels par des procédés dotés des mêmes fonctions, mais plus propres, de manière à réduire, voire à empêcher, la pollution à la source.
Tak-Hang « Bill » Chan, aujourd’hui professeur émérite de chimie, est largement reconnu à titre de père de la chimie verte au Canada. Le Pr Chan a entrevu la disparition programmée de la chimie organique à base de solvant en 1989, date à laquelle près de 200 pays ont ratifié le Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche d’ozone, une charte appuyée par les Nations Unies. « Il s’agissait en vérité du premier accord international qui contrôlait l’émission dans l’environnement de substances chimiques, quelles qu’elles soient », souligne-t-il. « Pour moi, il était évident que les produits chimiques organiques volatils étaient condamnés à plus ou moins long terme. »
Le Pr Chan a donc eu l’idée de remplacer les solvants toxiques par un produit sans danger présent en abondance : l’eau. Cette substance omniprésente est l’un des tout premiers solvants chimiques, mais elle a été détrônée par les molécules organiques (comme l’acétone) réputées insolubles dans l’eau. En fait, il y a à peine 15 ans, les chercheurs n’auraient jamais pu imaginer remplacer les solvants par l’eau, mais cela n’a pas empêché le Pr Chan de confier à son nouveau candidat au doctorat, Chao-Jun (C. J.) Li, le soin de mener un projet de recherche d’une scandaleuse ambition : produire des réactions organiques dans l’eau.
« Rares sont ceux qui se sont penchés sur l’utilité de l’eau en chimie organique », souligne C. J. Li, aujourd’hui titulaire de la Chaire de recherche du Canada en chimie verte, et l’un des chefs de file de cette discipline.
« Certaines industries utilisent encore les réactions chimiques découvertes il y a plus d’un siècle. » Le Pr Li a mis un terme à cette tradition en élaborant des moyens d’utiliser des catalyseurs métalliques immergés dans l’eau pour obtenir les mêmes résultats chimiques que les réactions faisant normalement appel à des solvants organiques et qui possèdent plusieurs applications industrielles. Les procédés mis au point par le Pr Li « maximisent l’économie d’atomes » (autrement dit, ils génèrent peu de déchets) et ils sont plus efficaces sur le plan énergétique, donc plus écologiques, mais aussi plus rentables.
Le Pr Marcus Lindström, récemment rattaché à l’Université de Lund en Suède, cherche également à remplacer les solvants organiques par l’eau. Avec son équipe, il a découvert ce qu’il pense être l’un des catalyseurs parmi les plus stables et les plus efficaces pour la catalyse biphasique aqueuse, qui supprime totalement le recours aux solvants organiques. Les résultats d’expériences récentes réalisées en collaboration avec la société suédoise DuPont Chemoswed pourraient fort bien révolutionner la production chimique industrielle.
« Ce domaine de recherche a la particularité exceptionnelle de permettre la création de stratégies et de concepts innovants qui exerceront une influence durable sur notre aptitude à fabriquer efficacement des produits chimiques, sans déchets », souligne-t-il.
Cette efficacité renforcée est l’un des principes de base de la philosophie de la chimie verte. À l’aide des techniques actuelles, la fabrication de produits chimiques fins (tels que ceux utilisés dans la fabrication de parfums) et de produits pharmaceutiques fait intervenir de nombreuses étapes. Puisque les solvants organiques ne dissolvent pas les molécules organiques comme les acides aminés et le glucose, d’autres substances doivent être ajoutées au mélange, puis séparées pour obtenir le produit final. Il s’agit d’un procédé extrêmement complexe. « C’est un peu comme si l’on essayait de bâtir une ville moderne en utilisant les techniques de l’Antiquité égyptienne », explique le Pr Chan. « Lorsque les Égyptiens ont construit les pyramides, ils ont d’abord construit une rampe, qu’ils ont enlevée une fois leur ouvrage terminé. On ne peut construire une ville moderne de cette manière. C’est impossible. Et pourtant, c’est précisément ce que nous faisons lorsque nous fabriquons des substances chimiques fines ou des produits pharmaceutiques. »
« La chimie verte est synonyme d’innovation », affirme le Pr Lindström. « Il ne s’agit pas uniquement de remplacer un solvant par un produit moins dangereux ou un catalyseur par un procédé de catalyse moins toxique, encore qu’il ne faille négliger cet aspect. Notre génération doit redécouvrir la chimie en s’affranchissant des outils que nous ont légués les chimistes du siècle dernier, à une époque où les préoccupations écologiques n’étaient pas toujours prioritaires».
La Pre Audrey Moores fait partie de cette nouvelle génération. Cette recrue de l’équipe verte de McGill est à la recherche de catalyseurs plus efficaces pour les réactions chimiques. « Nous tentons d’élaborer de nouvelles réactions permettant d’obtenir les mêmes résultats dans un plus court laps de temps », précise-t-elle, « ou avec moins de chaleur, moins de déchets ou moins de réactifs toxiques ». Audrey Moores s’intéresse tout particulièrement au potentiel vert de la catalyse hétérogène, dans laquelle le réactif (substance de départ) et le catalyseur sont de formes différentes. L’un peut être solide et l’autre gazeux. Cela signifie que contrairement à la catalyse homogène, il n’est pas nécessaire de séparer le catalyseur du produit fini. La capacité de se soustraire à cette étape additionnelle, notamment par évaporation ou distillation, permet de réaliser des économies.
« En soi, cela est très vert », souligne Audrey Moores, qui a intégré McGill en janvier 2007 après avoir terminé ses études postdoctorales à Yale, « parce le procédé est moins énergivore. La fragmentation du procédé en différentes étapes mobilise une quantité considérable d’énergie et entraine le déplacement du lot pour procéder à la distillation. Avec la catalyse hétérogène, plusieurs étapes peuvent être réalisées à la fois, ce qui est un excellent moyen de réduire les coûts et les déchets. Sans compter que l’on ne risque pas non plus d’endommager le catalyseur. Autrement dit, ce dernier est réutilisable, ce qui est souvent impossible avec la catalyse homogène. »
La chimie verte ne cherche pas seulement à rationaliser la naissance chimique d’un produit, elle s’attache également à trouver des moyens d’élimination plus propres en créant des produits qui se dégradent sans danger après usage. Le Pr Li s’emploie actuellement à mettre au point un procédé permettant de recycler le CO2 existant en polymère plastique. « Ce nouveau plastique possède d’excellentes propriétés de durabilité et de force », explique-t-il, « et il est biodégradable. Bien sûr, il est préférable de le recycler. Mais si on le jette, il se décompose et redevient du dioxyde de carbone. De plus, il est neutre sur le plan du CO2, ce qui signifie qu’il n’en ajoute pas dans l’environnement. »
Les travaux du Pr Li n’améliorent pas seulement la fin de vie des produits. Son innovation permettra également d’éliminer les produits pétrochimiques et les solvants toxiques des procédés de fabrication du plastique. La production de déchets moins nocifs constitue une avancée considérable en ce qui a trait à la réduction des problèmes de décontamination, ce qui est précisément l’objectif de la chimie verte.
« Empêcher qu’un problème ne survienne », fait remarquer le Pr Lennox, « est de loin beaucoup plus satisfaisant que d’essayer de le résoudre. »
Cette recherche est financée en partie par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, la Fondation canadienne pour l’innovation et le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies.