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La chimie passe au vert


Par Marie-Claude Bourdon

«Produits chimiques»… L'expression dégage une odeur toxique. Il faut dire que depuis les travaux de Lavoisier, au XVIIIe siècle, le développement de la chimie, tout en accompagnant et en propulsant la révolution industrielle, ne s'est pas fait sans dommages collatéraux. Pratiquée de façon traditionnelle, la chimie marque l'environnement de son empreinte : sols contaminés, usines déversant leurs résidus dans les rivières, rejets dans l'atmosphère, engrais et produits pharmaceutiques qui se retrouvent dans les nappes phréatiques et les cours d'eau…

Depuis quelques années, des chercheurs s'attellent à changer la mauvaise image de marque de leur science, et de l'industrie qui y est associée. «La chimie a évolué, observe Sylvain Canesi, professeur au Département de chimie. Au départ, peu importe les moyens utilisés, le but était d'obtenir des produits. Avec la prise de conscience environnementale est apparue une volonté de changer nos méthodes, d'utiliser des réactifs moins polluants, de réaliser des réactions dans l'eau plutôt que dans des solvants toxiques, d'utiliser moins d'énergie.» Mais plus facile à dire qu'à faire. Car, pour cela, «les chimistes doivent accepter de revenir en arrière et de trouver de nouvelles méthodes pour faire des choses que la chimie classique sait faire depuis des décennies. La chimie verte consiste ni plus ni moins qu'à redécouvrir la chimie», affirme le chercheur.

C'est à partir des années 1990 que l'on a vu émerger une chimie plus soucieuse de son impact sur l'environne­ment et sur la santé humaine, précise son collègue Jérôme Claverie, également professeur au Département de chimie. En 1998, les chimistes américains Paul Anastas et John Warner ont établi les 12 principes de la chimie verte. Ceux-ci vont de la prévention de la pollution en évitant la production de résidus à la conception de produitspouvant se dégrader sans danger dans l'environnement, en passant par l'économie d'atomes de départ et d'étapes de synthèse, le remplacement des solvants toxiques, la limitation des dépenses énergétiques, l'utilisation de ressources renouvelables et de procédés catalytiques.

Catalyseurs recherchés

Les réactions catalytiques, nécessaires à la fabrication d'environ 80 % des produits manufacturés qui nous entourent, comme les plastiques, les carburants ou les médicaments, sont, en effet, considérées comme l'une des clés de la chimie verte. Plusieurs chercheurs de l'UQAM, dont Sylvain Canesi et Jérôme Claverie, tentent de découvrir de nouveaux catalyseurs. «On cherche des catalyseurs de plus en plus actifs, de plus en plus effi­caces, capables de transformer rapidement beaucoup de matière de départ, et de le faire dans l'eau — la majorité des catalyseurs ne supportent pas l'eau —, plutôt que dans des solvants toxiques», explique Jérôme Claverie.

Ce chercheur se spécialise dans la chimie des poly­mères, à la base, notamment, de tous les matériaux plastiques. Pour fabriquer des sacs en plastique, illustre-t-il, un milligramme de catalyseur suffit actuellement à produire 100 kilogrammes de polyéthylène. Mais impossible d'obtenir ce résultat sans avoir recours à des solvants toxiques. L'un des objectifs de son laboratoire, un précurseur dans ce domaine, est de trouver des cata­lyseurs ayant la même efficacité en milieu aqueux.

Le polyéthylène ne sert pas qu'à fabriquer des sacs en plastique. Très versatile, ce matériau se retrouve aussi dans les spatules de ski ou les gilets pare-balles. Plus léger que l'acier, il entre dans la composition des matériaux composites, de plus en plus utilisés dans la construction des avions, des trains et des voitures, ce qui permet de réduire leur coût énergétique. D'où l'intérêt de trouver de meilleurs catalyseurs pour produire de nouveaux polyéthylènes.

Malheureusement, il n'existe pas de règles permet­tant de prédire quel catalyseur sera le bon. Les chercheurs en sont réduits à procéder à tâtons. «On essaie un produit et on regarde ce qui se passe», dit Jérôme Claverie. Son laboratoire a obtenu des résultats prometteurs avec le palladium, mais le celui-ci est un métal rare. «Un sac vert produit dans l'eau grâce au palladium coûterait 100 fois plus cher qu'un sac vert ordinaire : d'un point de vue commercial, il n'aurait pas beaucoup d'avenir!», avoue le chercheur en riant.

Ce qui n'empêche pas ses travaux de susciter l'intérêt des industriels, notamment dans le domaine des adhésifs, des revêtements, des colles et des joints. «Ce sont des produits dont la fabrication n'est pas très verte, souligne le chercheur. Si on était capable de les produire de manière plus écologique, les débouchés seraient assurés.»

Son étudiante diplômée Laurence Piché (Ph.D. chimie, 12), première docteure de l'UQAM en chimie, vient de compléter un stage postdoctoral à la prestigieuse Université de Tokyo, l'équivalent au Japon de l'Université Harvard aux États-Unis. Son projet de recherche portait sur un procédé catalytique identifié comme l'un des 10 défis actuels de la catalyse industrielle. Ce défi consiste à transformer des alcènes, qui sont des sous-produits du pétrole, en alcools, utilisés dans d'innombrables produits chimiques. Actuellement, cette transformation néces­site deux étapes, car les alcènes doivent d'abord être transformés en aldéhydes, puis purifiés et débarrassés des sous-produits de réaction non désirés avant qu'on ne puisse obtenir des alcools. «L'équipe de recherche à laquelle je participais, comme d'autres ailleurs dans le monde, essaie de trouver des catalyseurs permettant de faire ces deux réactions en une seule étape, explique la chercheuse. C'est ici que cela devient de la chimie verte, car on économise du temps, de l'énergie et tout peut se faire dans une seule usine.»

Architecte moléculaire

Véritable architecte moléculaire, Sylvain Canesi cherche à mettre au point des méthodes pour synthétiser le plus efficacement possible — en moins d'étapes — des molé­cules naturelles ayant des propriétés antibiotiques ou anticancéreuses. «Dans mon laboratoire, on essaie de refaire la structure de molécules complexes présentes dans la nature, mais difficiles à extraire», mentionne le chercheur. Avec ses étudiants, il travaille notamment sur le squelette de la vindoline, une molécule qui se retrouve à l'état naturel dans une jolie plante, la pervenche de Madagascar. La vindoline constitue la partie la plus impor­tante de la vinblastine, une molécule reconnue comme étant un puissant agent anticancéreux. «Nos recherches sont de nature fondamentale, précise le chimiste, mais pourraient mener à des applications dans l'industrie pharmaceutique, où l'on cherche à diminuer le nombre d'étapes dans la production des médicaments, afin, entre autres, de réduire la quantité de déchets générés.»

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, l'indus­trie pharmaceutique est beaucoup plus polluante que l'industrie pétrochimique. On estime en effet que la fabri­cation d'un kilo de médicaments entraîne en moyenne la production de 25 kilos de déchets ! En comparaison, raffiner 10 kilos de pétrole produit moins d'un kilo de déchets. En 2009, Sylvain Canesi a obtenu une subvention de plus de 200 000 dollars de la Fondation canadienne pour l'innovation pour son laboratoire, ainsi que la bourse Boehringer Ingelheim, offerte par l'un des plus importants centres de recherche pharmaceutique au Canada. D'une valeur de 20 000 dollars par année pendant trois ans, cette bourse lui a été remise pour l'aider à pour­suivre ses recherches sur le développement de nouvelles méthodes de synthèse.

De précieux résidus

La valorisation des résidus organiques est une autre voie d'avenir de la chimie verte. De l'engrais issu de carapaces de crevettes au lubrifiant végétal, en passant par les agents antirides à base de fruits et le bioéthanol, les applications sont multiples. À l'UQAM, la profes­seure Isabelle Marcotte, qui a commencé sa carrière en étudiant les propriétés de la soie d'araignée — à la fois plus résistante que l'acier et plus élastique que les tendons du corps humain! —, cherche aujourd'hui à percer les secrets du byssus, ce faisceau de fils soyeux que les moules utilisent pour se fixer aux rochers. «En fait de résistance et d'extensibilité, le byssus est uniquement surpassé par la soie d'araignée», affirme la chimiste.

Pour l'instant, le byssus aboutit aux ordures, ce qui représente 200 tonnes de déchets par année au Canada. En utilisant des techniques de résonance magnétique nucléaire, Isabelle Marcotte étudie sa structure molécu­laire afin de mieux en comprendre les propriétés méca­niques. Un jour, croit-elle, on pourra peut-être fabriquer du fil de suture ou même des tendons artificiels à partir du byssus. Sa haute teneur en protéines diminuerait les risques de rejet par le corps humain. «Si on pouvait trouver une façon de valoriser ces résidus, cela représen­terait une source de revenus supplémentaires pour les mariculteurs», souligne la chercheuse.

Isabelle Marcotte travaille également sur des membranes artificielles imitant la paroi gastro-intestinale afin de mesurer la pénétration des médicaments. «C'est par intérêt pour le vivant que je me suis retrouvée à travailler sur des applications biologiques, dit-elle. En s'inspirant de la nature, il est certain qu'on fait de la chimie verte!»

Pour l'industrie, les avantages à tirer de la chimie verte sont nombreux : développer des produits inno­vateurs, gagner en efficacité, améliorer la productivité, réduire les coûts associés à la production de déchets, dépenser moins d'énergie. Le Centre québécois de valo­risation des biotechnologies s'est d'ailleurs donné pour mission d'appuyer les industriels qui désirent prendre ce virage.

Une entreprise comme Cascades, née d'efforts de récupération et de recyclage, mise déjà sur les avancées de la chimie verte. «Cascades se soucie constamment d'améliorer ses procédés en appliquant ses principes écologiques, notamment en matière de chimie verte, dit Mario Plourde (B.A.A., 85), chef de l'exploitation. Nous sommes devenus le premier manufacturier en Amérique du Nord à produire un papier hygiénique de qualité supérieure à partir de fibres recyclées, avec une consommation moins élevée d'énergie, d'eau et de produits chimiques.»

Tous les procédés chimiques utilisés dans l'industrie ne vont pas devenir verts du jour au lendemain. Même dans les conditions expérimentales du laboratoire universitaire, de nombreuses réactions ne répondent pas aux critères de la chimie verte. «Si on tente de synthétiser une molécule complexe, par exemple, on pourra utiliser un procédé de chimie verte pour une étape, mais pas pour toutes», dit Sylvain Canesi. Pour chaque produit ou procédé que l'on réinvente en utilisant les principes de la chimie verte, estime l'inventeur du concept, Paul Anastas, professeur à l'Université Yale, il peut y en avoir 100 ou 1 000 qui restent à repenser en ces termes!

Une chimie réparatrice

Daniel Bélanger, un autre professeur du Département de chimie, travaille depuis plusieurs années sur des projets basés sur la réduction électrochimique, une réaction complexe impliquant plusieurs transferts d'électrons. Entre autres, il a mis au point un procédé permettant de transformer les nitrates — des polluants issus de l'agriculture et de l'activité industrielle — en azote, un élément inoffensif dont l'air que nous respirons est composé à 78 %. «Des chercheurs de l'Institut national de la recherche scientifique avec lesquels j'ai collaboré ont maintenant pris la relève pour valider si le procédé que nous avons développé pourrait être utilisé à plus grande échelle dans l'industrie», mentionne le chercheur.

Plus récemment, Daniel Bélanger s'est attelé à la transformation électrochimique du CO2. Pour combattre l'effet de serre, des chercheurs ont développé des méthodes pour capter le CO2 qui s'échappe des chemi­nées d'usine et le concentrer. «Une fois capté, certains essaient de l'injecter dans des puits de pétrole parvenus à maturité pour récupérer les hydrocarbures restants ou de le piéger dans des sites géologiques, mais des fuites sont toujours à craindre, dit le chimiste. Mon projet consiste à trouver de nouveaux catalyseurs pour éliminer le CO2 et le transformer de façon efficace en composés utiles comme le méthanol ou l'acide formique, qui peut être utilisé dans des piles à combustible.»

Assainir plutôt que polluer? Régler les problèmes d'effet de serre grâce à la chimie? Pourquoi pas? «La chimie crée beaucoup de problèmes environnementaux, dit Jérôme Claverie, mais elle offre aussi des clés pour les régler. Rappelons-nous que sans produits chimiques, il n'y aurait pas d'eau potable dans les villes!»

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Source : Magazine Inter-, Automne 2012-- Volume 10-- Numéro 02

Catégories : Sciences, Santé, Développement durable, Recherche et création, Diplômés, Professeurs

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UQAM - Université du Québec à Montréal  ›  Mise à jour : 19 novembre 2012