Grande chimie : de l’essence à la gaulthérie

La plupart d’entre nous ont probablement des souvenirs vifs d’un laboratoire de chimie au lycée ou à l’université, où les principes de la science ont été démontrés et où nous avons tous acquis au moins un peu de pratique dans les méthodes expérimentales. Mesurer, diluer, précipiter, titrer, tout cela généralement effectué dans des conditions sûres en utilisant des substances qui ne risquaient pas d’exploser ou de brûler.

Mais les ajouts goutte à goutte et les volumes de réaction mesurés en millilitres ne sont pas les éléments sur lesquels bâtir une économie mondiale qui nourrit, habille et nourrit huit milliards de personnes. Pour que la chimie aille au-delà du laboratoire, elle doit être mise à l’échelle, souvent à un point difficile à conceptualiser. La grande chimie et la grande ingénierie vont de pair, offrant des processus qui transforment les substances les plus simples et les plus abondantes en choses qui, pour le meilleur ou pour le pire, rendent la vie possible.

Pour avoir une meilleure idée de l’ampleur de la chimie, nous allons jeter un œil à une molécule simple que nous avons probablement tous utilisée à un moment ou à un autre : l’arôme artificiel commun de gaulthérie. C’est un ingrédient inoffensif dans une large gamme d’aliments et de médicaments, mais l’infrastructure nécessaire pour le fabriquer et tous ses précurseurs est un instantané de l’importance réelle de la grande chimie.

Naturel ou Artificiel ?

Mon intérêt pour la gaulthérie est venu d’une vidéo récente qui décrivait ce qui est arrivé à un enfant qui a accidentellement fait une overdose d’huile essentielle de gaulthérie ; alerte spoiler, ce n’était pas bon. L’histoire médicale elle-même était fascinante, mais elle m’a rendu curieux de savoir d’où vient l’huile de gaulthérie. Alors que l’huile de gaulthérie peut être récoltée à partir d’un certain nombre d’arbustes de la Gaulthérie genre et de certaines espèces de bouleau, la principale substance aromatique de l’huile de gaulthérie, le salicylate de méthyle, est beaucoup plus couramment produite par synthèse. La gaulthérie artificielle n’a pas les composés supplémentaires trouvés dans l’huile de gaulthérie naturelle, et donc certaines de ses complexités, mais le salicylate de méthyle a encore assez de l’arôme et de la saveur familiers de la vraie affaire pour servir de substitut approprié.

réaction de salicylate de méthyle
Le salicylate de méthyle (à droite) est formé par l’estérification de l’acide salicylique avec du méthanol (à gauche). Cela se fait en présence d’acide sulfurique, qui sert de catalyseur et d’agent déshydratant. Ceci est communément appelé une estérification de Fischer.

L’arôme agréable du salicylate de méthyle est une caractéristique des liaisons chimiques qu’il contient, en particulier la liaison ester. Une liaison ester est une liaison qui relie deux espèces par l’intermédiaire d’un groupe carboxyle ; dans le cas du salicylate de méthyle, c’est le groupe méthyle (-CH3) qui est un ester lié à l’acide salicylique. La réaction qui accomplit cela est connue sous le nom d’estérification de Fischer, et bien qu’il y ait beaucoup de complexité impliquant exactement comment les électrons sont mélangés, pour nos besoins, tout ce qu’il est important de savoir est que le mélange de l’acide salicylique avec l’alcool méthanol (CH3OH) en présence d’acide sulfurique transfère le groupe méthyle de l’alcool à l’acide salicylique.

Cela semble simple, et c’est assez simple pour qu’il existe de nombreux exemples de fabrication d’huile de gaulthérie artificielle sur YouTube. À l’échelle industrielle, les choses se compliquent un peu, car la réaction doit être nettoyée des impuretés, mais la partie intéressante ici est d’où proviennent les deux principaux composés nécessaires à cette réaction – le méthanol et l’acide salicylique – en premier lieu. Il s’avère que, comme l’huile naturelle de gaulthérie, ces deux substances peuvent être trouvées dans la nature, mais les deux proviennent maintenant plus souvent du même endroit d’où presque tout le reste semble provenir – la pétrochimie.

Méthanol

Prenons d’abord le méthanol. Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique ou d’alcool de bois, est un alcool à un seul carbone qui est produit comme déchet par certaines bactéries anaérobies. Le méthanol était traditionnellement produit en brûlant du bois dans des conditions réductrices (faible teneur en oxygène) et en condensant la vapeur qui en sort. Industriellement, le processus est très différent et repose sur le gaz de synthèse, ou gaz de synthèse, comme matière première.

Le gaz de synthèse est un mélange principalement de monoxyde de carbone et d’hydrogène, avec un peu de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau mélangés. Bien que la plupart des gaz de synthèse produits soient utilisés pour fabriquer du méthanol, à hauteur de 157 millions de tonnes dans le monde en 2020, c’est aussi une matière première pour une myriade de produits chimiques. processus, y compris la méthode Haber-Bosch de fabrication d’ammoniac. Bien que le gaz de synthèse puisse être fabriqué à partir de pratiquement n’importe quelle source de carbone – le gaz dégagé par le feu de bois à faible teneur en oxygène susmentionné est à peu près du gaz de synthèse – et via plusieurs méthodes, la plupart des gaz de synthèse sont aujourd’hui fabriqués par reformage à la vapeur de gaz naturel, ou méthane, dans la présence d’un catalyseur comme le nickel ou le cuivre :

bf CH_{4} + H_{2}O rightarrow CO + 3H_{2}

Le reformage à la vapeur est un processus qui nécessite d’énormes installations industrielles pour gérer les températures et les pressions élevées nécessaires – jusqu’à 850 ° C à 25 à 40 atmosphères. Étant donné qu’une grande partie du gaz de synthèse est consacrée à la production de méthanol, la sortie des reformeurs à la vapeur est souvent acheminée directement dans les réacteurs, qui contiennent des lits de catalyseur d’oxyde de zinc sur des supports en céramique. Le réacteur est chauffé et sous pression, mais à une température relativement douce de 250 ° C à 50 à 100 atmosphères :

bf CO + 2H_{2} rightarrow CH_{3}OH

La sortie brute du réacteur est un mélange de méthanol, d’éther et d’autres produits tels que des cétones, des aldéhydes et des alcools plus lourds. Ces sous-produits sont isolés par une combinaison de distillation et de séparation de phases pour laisser du méthanol prêt à l’emploi.

Acide salicylique

Malgré le fait que la nature semble fabriquer de l’acide salicylique en abondance — on le trouve naturellement dans l’écorce et les feuilles de certaines espèces de saule, dont des extraits sont utilisés en médecine depuis l’Antiquité — il s’avère plus facile à fabriquer qu’à obtenir à partir de nature. Et encore une fois, la matière première principale pour sa synthèse est la pétrochimie.

L’acide salicylique est le plus souvent fabriqué avec la réaction de Kolbe-Schmitt, qui combine un sel de sodium de phénol, appelé phénolate de sodium, avec du dioxyde de carbone et de l’acide sulfurique. La réaction est effectuée à température et pression modérées (125 ° C, 100 atmosphères) et entraîne la carboxylation du phénol, l’acide salicylique étant le produit principal.

Réaction de Kolbe-Schmitt. Un sel de sodium de phénol est traité sous haute pression avec du dioxyde de carbone, puis le produit intermédiaire est acidifié avec de l’acide sulfurique pour créer de l’acide salicylique.

La réaction de Kolbe-Schmitt est réalisée à grande échelle chaque jour, car l’acide salicylique qu’elle produit est le précurseur de l’un des médicaments les plus couramment utilisés : l’aspirine ou l’acide acétylsalicylique. Environ 40 000 tonnes d’aspirine sont produites chaque année.

Phénol

La grande chimie en effet. Une usine en Belgique qui produit du phénol selon la méthode au cumène. Source : par Alf van Beem, CC0, via Wikimedia Commons

Alors, d’où vient la matière première de la réaction de Kolbe-Schmitt ? Le phénolate de sodium est dérivé du phénol, également connu sous le nom d’acide carbolique. Le phénol est un acide organique courant qui a toutes sortes d’utilisations dans la fabrication de tout, des plastiques, y compris la bakélite en plastique rétro préférée de tous, aux produits pharmaceutiques. Les sprays analgésiques oraux comme Chloraseptic sont essentiellement une solution de phénol faible mélangée à un arôme pour masquer son arôme médicinal caractéristique.

Il ne faut pas s’étonner maintenant que le phénol provienne principalement, roulement de tambour s’il vous plaît, de la pétrochimie. Un simple coup d’œil à sa structure chimique montre que le phénol est basé sur le benzène, un cycle à six carbones avec des doubles liaisons alternées. Chacun des atomes de carbone du benzène a deux atomes d’hydrogène qui lui sont attachés, ce qui lui donne de nombreuses places pour que d’autres espèces puissent s’y attacher; dans le cas du phénol, un groupe hydroxyle (-OH) est attaché à l’un des carbones.

Alors que le phénol était autrefois extrait des goudrons de houille, il existe aujourd’hui des moyens plus efficaces de le fabriquer. Il existe plusieurs procédés commerciaux, mais le procédé au cumène est l’une des méthodes les plus courantes de production de phénol. Il utilise du benzène et du propylène, un alcène à trois carbones, qui réagissent avec l’oxygène en présence d’un catalyseur pour créer du phénol et de l’acétone. La réaction globale est illustrée ci-dessous, mais il s’agit d’une image simplifiée de la réaction complète, qui passe par l’isopropylbenzène intermédiaire, ou cumène, d’où le nom du procédé. Environ 11 millions de tonnes de phénol ont été produites en 2020 dans le monde.

Le procédé au cumène prend du benzène et du propylène et les convertit en phénol et en acétone. Les deux sont des produits chimiques industriels extrêmement utiles.

Benzène et Propylène

Nous sommes maintenant presque au bout du chemin pour la gaulthérie artificielle — vous vous souvenez de la gaulthérie? Les deux dernières matières premières à considérer sont le benzène et le propylène, tous deux issus plus ou moins directement du traitement du pétrole brut. Le propylène, qui est également une matière première pour la fabrication de plastiques en polypropylène, est fabriqué par un procédé appelé vapocraquage. Le craquage à la vapeur utilise des températures et des pressions élevées pour briser les hydrocarbures saturés, où chaque carbone a un complément complet d’hydrogènes, en molécules plus petites et insaturées. Pour le propylène, l’hydrocarbure saturé de départ est le propane, un hydrocarbure gazeux à trois carbones.

Le vapocraquage transforme le propane en propylène et en hydrogène gazeux (non illustré).

Ce qui nous amène finalement au benzène. Bien que l’anneau à six carbones soit naturellement présent dans le pétrole brut, c’est généralement à des concentrations suffisamment faibles que d’autres méthodes sont nécessaires pour obtenir des quantités industrielles. Le benzène est le « B » dans les hydrocarbures dits BTX, qui, avec le toluène et le xylène, sont fabriqués à partir d’un mélange d’hydrocarbures dérivés du pétrole brut ayant entre six et douze carbones. La matière première subit un processus appelé reformage catalytique, où elle est mélangée à de l’hydrogène gazeux, souvent issu de notre vieil ami gaz de synthèse, en présence d’un catalyseur comme le platine. La réaction a lieu à haute température et pression, 500 °C et jusqu’à 50 atmosphères, et convertit les hydrocarbures à longue chaîne en structures cycliques. Les étapes de distillation et d’extraction séparent les produits BTX en flux séparés, qui produisent ensuite des centaines de produits différents.

Bien que rien de tout cela ne signifie que ce sont toutes les réactions exactes utilisées dans la synthèse de la gaulthérie artificielle, ou que commencer le processus avec du benzène et du propylène serait commercialement viable – il serait beaucoup plus facile de commencer avec l’acide salicylique, qui est un ingrédient utilisé dans la synthèse de l’aspirine et traitez-le avec du méthanol – la série de réactions discutées ici retrace un agent aromatisant commun jusqu’à ses racines inattendues et montre à quel point nous dépendons toujours de la pétrochimie, même lorsque nous ne le sommes pas les brûler.