Chimie analytique verte

Le terme solvant vert ne possédant pas de définition exacte, ils sont principalement appelés solvants alternatifs. Le solvant «vert» le plus connu est l’eau.

Beaucoup de solvants organiques polluants et dangereux pour la santé sont utilisés en chimie analytique pour extraire un produit. Pour améliorer ce processus d’extraction, la recherche de solvants moins toxiques ou ayant le moins d’impact possible est indispensable.

Une technique qui offre des possibilités très intéressantes, pour extraire des composés organiques à partir d’une matrice solide est l’extraction par fluide supercritique. Cela consiste à utiliser un solvant dans un état supercritique, c’est-à-dire dans un état intermédiaire entre l’état liquide et gazeux, en contrôlant la température et la pression. Elle est souvent utilisée dans le secteur agroalimentaire.

Un fluide supercritique est une substance maintenue à une température et à une pression supérieur à la valeur critique. Le plus connu et le plus utilisé est le CO₂ à une pression comprise entre 100-400 bars et une température entre 30−60 °C car il a un comportement apolaire, il est facile à manipuler, a un faible coût et il est non toxique.

Une alternative polaire au CO₂ supercritique est l’eau supercritique (Tc = 374 °C, Pc= 221 bars). L’eau supercritique reste non toxique et il est possible d’ajuster sa sélectivité d’extraction en jouant sur la température et la pression.

Il existe de nombreux autres solvants alternatifs^[3] :  

Dérives des glucides	Bioéthanol et biobutanol (dérivés des glucides et fabriqués par la fermentation des sucres et de l’amidon) Isobutanol et ter-butanol Lactate d’éthyle (fabriqué à partir d’acide lactique obtenu de l’amidon de maïs) L’alcool tétrahydrofurfurylique (obtenu à partir d'hémicellulose)	Transports, peintures…
Dérivés des lipides	Glycérol EMAG (ester d’acides gras fabriqué avec du méthanol)	Alimentaire Cosmétique Pharmaceutique
Lipides	Huile végétale utilisée comme solvant pour extraire différents composés naturels (huile de lin)	Chimie des polymères Cosmétiques Lubrifiants Produits bio-sourcés
Issus de la lignine	Phénol alkylé : 4-propyl-2,6-diméthoxyphénol et 1-propyl-3-méthoxy-4-hydroxybenzène (dépolymérisation)
Solvants eutectiques profonds	Mélange dont le point de fusion est inférieur à celui des constituants (ex :mélange d’urée et de chlorure de choline (rapport 2:1)	Électrochimie, procédés de séparation, catalyse, synthèse, préparation de matériaux et biotechnologie.
Terpène	d-limonène (obtenu par extraction de certaines parties de végétaux, ici dans la pelure des agrumes)
Solvants commutables	Bullage de CO2 dans l’eau ou solvant organique ( processus réversible permettant de modifier la polarité, la force ionique et le caractère hydrophile d’un composé).
Pétrochimiques	Solvants polymériques (PEG), carbonate de propylène, siloxanes

Pour caractériser un composé chimique, il est nécessaire de l’étudier en suivant le processus analytique qui repose sur 5 étapes. La première étape est la préparation de l'échantillon suivie du prétraitement de l’échantillon. Puis l’échantillon sera séparé en différents constituants (exemple : 2 phases hétérogènes). Chacun de ces constituants seront détectés et analysés par les machines spectroscopiques afin d’identifier les caractéristiques qui composent l’échantillon (quantités, concentration, conformation géométrique).

On distingue 2 types d’analyse:

• L’analyse quantitative qui repose sur les quantités ou volumes d’un échantillon à déterminer
• L’analyse qualitative qui repose sur la composition et la qualité de l’échantillon à retrouver

Le principe de la chimie verte repose aussi sur l’utilisation des instruments de laboratoires. En effet, ils contribuent au processus du système analytique et sont donc indispensables pour répondre aux objectifs de la chimie verte.

Le principe de la chromatographie en phase liquide est la migration de constituants d’un mélange à séparer dans une colonne grâce à une phase mobile (liquide) et à une phase stationnaire (solide). Elle est l’une des techniques qui utilise en abondance des solvants qui sont déchargés dans l’eau et affecte ainsi la vie des animaux marins. De nombreuses recherches ont été menées afin de limiter la quantité de solvants perdus ce qui induit la production de déchets^[4].

Une des stratégies découverte était la diminution de la taille des colonnes séparatives pour la chromatographie en phase liquide à haute performance. Cette astuce a pu réduire considérablement la consommation de solvants ainsi que les temps d’analyses. Le couplage de colonnes peut aussi répondre aux critères de la chimie verte en couplant deux types de chromatographie. C’est le cas de la chromatographie en phase inverse et la chromatographie par échange d’ions. La combinaison de deux méthodes d’analyse en une seule simplifiées grâce aux couplages de colonnes et à la diminution des colonnes HPLC^[2].

D’autres recherches ont été réalisées et ont permis de trouver une alternative à la chromatographie liquide à haute performance qui est la chromatographie liquide à ultra-haute pression (UPLC). Elle est souvent utilisée dans le domaine de la pharmaceutique comme par exemple pour l’analyse de qualité des médicaments. Cette méthode est plus respectueuse de l’environnement, possédant une meilleure résolution et sensibilité ainsi qu’une analyse de séparation plus courte.

Elle permet de réduire le temps de séparation et des volumes des solvants en remplaçant la phase stationnaire de la colonne par un solide avec des particules de diamètres inférieur à 2 micromètres^[5]. De plus, il nécessite de travailler dans des conditions de pression très élevées (1000 bars).

La chromatographie en phase gazeuse est la séparation de constituants d’un mélange gazeux dans une colonne avec une phase mobile et stationnaire gazeuse. Elle est exploitée dans divers domaines tels que l’astronomie, la pharmaceutique ou encore la cosmétique.  Cette méthode est considérée comme respectueuse de l'environnement car elle utilise des gaz inoffensifs qui sont principalement l'hélium et de l'hydrogène. Bien que l’hélium est un gaz couramment utilisé, il est aussi non renouvelable comparé à l’hydrogène qui a une abondance meilleure. L’élargissement de nouvelles méthodes ont montré que la chromatographie en phase gazeuse rapide est un moyen de répondre aux principes de la chimie verte. Comme pour la chromatographie en phase liquide, l’utilisation de colonnes plus petites et de diamètres plus courts favorisent des temps d’analyses plus courts. La chromatographie en phase gazeuse ultra-rapide est deux fois plus performante et nécessite un chauffage résistant pour améliorer la vitesse de chauffage de la colonne et donc facilite la rapidité des temps d'analyse. De plus, l’application des colonnes de silice fondue recouvertes de nickel chauffées par résistance peut abaisser la consommation d'énergie grâce au chauffage et au refroidissement rapide de la colonne^[2].

Une alternative de cette technique est la chromatographie en phase supercritique qui combine deux types de chromatographies (gazeuse et liquide). C’est une technique verte car elle utilise pour la phase mobile le dioxyde de carbone qui est un solvant vert à la différence d’autres composés organiques. De plus, le dioxyde de carbone est un solvant inoffensif, non toxique, réutilisé et recyclé dans l'atmosphère. Ce gaz permet de préserver l'impact de l’environnement et donc répond aux critères de la chimie verte^[6]. Les conditions de températures et de pressions du CO₂ sont de l'ordre de 60 °C et 160 bars ce qui facilitera les temps d’analyses grâce aux faibles viscosité des solutés au-delà de son point supercritique^[7].

Le principe de l’électrophorèse est la séparation des solutés chargés par migration dans un champ électrique. Une des techniques les plus vertes est l'électrophorèse capillaire qui correspond au même fonctionnement que l'électrophorèse avec l’ajout d'électrolyte dans un capillaire de diamètre compris entre 25 et 100 pm^[8]. Elle possède de nombreux avantages due au faite de:

• ses temps d’analyses courts
• son faible coût
• sa facilité de séparation
• ses volumes réduits d'échantillons et de tampons de séparation
• ses rendements efficaces

De plus, cette méthode peut s’appliquer à diverses variétés d'analytes et s’exercer dans de vastes domaines d’applications (médical, agro-alimentaire, ….). L’électrophorèse portatif est une nouvelle technologie permettant de réduire le système d’analyse afin de pouvoir l'utiliser en tout lieu^[8].

Il est possible de coupler des techniques séparatives avec des techniques de détection.

La spectrométrie de masse est souvent utilisée comme dispositif de détection pour un couplage de méthode de séparation. Son principe se base sur les rapports masses sur charges (m/z) de la molécule ionisée ou individuelle et permet de quantifier les constituants de l'échantillon. Cette technique peut être associée à des techniques de chromatographie ou encore à l’électrophorèse. La combinaison de ces deux méthodes permet la réduction conséquentes de volumes. En effet, en couplant un spectromètre de masse à la technique SPME (micro extraction en phase solide) en une seule opération, la sensibilité est meilleure et les temps d’analyses sont fortement diminués sans l'utilisation de chromatographe.

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est aussi considérée comme une technique verte. Son principe repose sur la détermination de la structure de la molécule (formule brute, étude dynamiques, ...) en appliquant un champ magnétique sur l’échantillon. Dans la chimie alimentaire, cette technique est respectueuse de l’environnement car elle utilise des solvants les moins toxiques pour extraire et séparer les constituants d’un aliment. Cependant, elle a certains inconvénients comme la faible résolution des spectres ou encore une faible limite de sensibilité^[9].

La chromatographie à échange d’ions permet l’identification des différents ions présents dans une solution en utilisant des résines échangeuses^[10].

Le principe est simple, elle permet de séparer des anions et des cations grâce à une colonne échangeuse chargée positivement pour séparer les anions et négativement pour les cations. Un éluant est utilisé pour guider l’échantillon à travers la colonne.

Les ions d’intérêt sont analysés par conductivité ou par absorbance UV-Visible.

Cette technique analytique possède l’avantage de ne pas nécessiter d’équipement de surpression, d’être rapide, d’offrir une plus grande sensibilité et permet d’analyser des composés chimiques possédant une faible solubilité ou volatilité^[11].

La chromatographie ionique est utilisée dans plusieurs domaines :

• L’environnement avec l’analyse de l’eau
• L’alimentaire
• La pharmaceutique
• L’industrie des semi conducteurs
• L’analyse chimique de divers matériaux

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