Article de référence | Réf : J8080 v1

Dispositifs d'élimination de toxiques chimiques
Usines chimiques miniaturisées en flux - Produire mieux avec moins

Auteur(s) : Jean-Christophe MONBALIU, Julien LEGROS

Date de publication : 10 déc. 2024

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RÉSUMÉ

Les caractéristiques des réacteurs miniaturisés à flux continu leur permettent de s’affranchir de certaines limites des réacteurs batch macroscopiques classiques pour la synthèse chimique, avec des résultats impressionnants en chimie fondamentale comme en production. Après avoir présenté les propriétés des réacteurs fluidiques, cet article décrit leur apport en sécurité et leur application en maîtrise de composés toxiques d’une part et en synthèse d’actifs pharmaceutiques d’autre part, en mettant l’accent sur l’aspect « usine miniature autonome ».

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Auteur(s)

  • Jean-Christophe MONBALIU : Professeur - Center for Integrated Technology and Organic Synthesis (CiTOS), MolSys Research Unit, University of Liège, Allée du Six Août 13, B-4000 Liège (Sart Tilman), Belgique - Chercheur Principal - WEL Research Institute, Avenue Pasteur, 6, 1300 Wavre, Belgique

  • Julien LEGROS : Directeur de recherche au CNRS - Laboratoire COBRA, Université de Rouen Normandie, Mont-Saint-Aignan, France

INTRODUCTION

Les événements mondiaux des années 2020 conduisent le monde à repenser certains modèles qui, jusqu'à peu, semblaient irremplaçables. La pandémie de COVID a pulvérisé les schémas économiques de certains produits manufacturés, parmi lesquels la limite sévère de l'approvisionnement en chimie fine, et donc en ingrédients pharmaceutiques actifs (API), a été mise en évidence. D'importantes pénuries de médicaments stratégiques se sont ainsi cruellement fait sentir, mettant en péril la capacité des systèmes de santé nationaux à soigner leurs concitoyens. La plupart des pays dits « industrialisés » ont montré les limites de leur appareil industriel dans cette situation d'urgence. De plus, le conflit russo-ukrainien a encore aggravé cette situation avec un besoin urgent de changement rapide et radical dans la réorganisation de l'industrie manufacturière.

Depuis le début des années 2000, la production de produits chimiques fins, tels que les API et leurs intermédiaires (dont la plupart sont tombés dans le domaine public), a été presque entièrement délocalisée dans des pays lointains, à la fois pour des raisons de coût et de moindres contraintes environnementales et de sécurité, ce qui est intrinsèquement lié à la méthode de production de ces composés : les réacteurs batch macroscopiques. En effet, l'utilisation de réacteurs discontinus signifie que, pour produire plus, il faut augmenter leur capacité, ce qui entraîne des investissements élevés et une main-d'œuvre importante, ainsi que des contraintes importantes en matière de sécurité. Cette logique a conduit au démantèlement des installations de production chimique dans de nombreux pays.

Contrairement à d'autres sciences qui ont révolutionné leurs concepts au cours des dernières décennies, la synthèse organique (pièce maîtresse de la fabrication des médicaments) utilise à peu près les mêmes outils depuis les années 1950 et repose encore sur des connaissances souvent empiriques. Or, il existe en 2024 une technologie autre que cette synthèse en réacteurs macrobatch : les réacteurs miniaturisés à flux continu. Là où la production conventionnelle nécessite de très grandes installations, la synthèse en flux continu utilise un outil de production de la taille d'un appareil ménager         . Cette « usine miniature » est à la fois modulaire et mobile ; elle pourrait être utilisée pour préparer différentes molécules d'intérêt sur différents sites en fonction des besoins locaux.

Cet article propose ainsi d’aborder les avantages des réacteurs en flux continu pour : réaliser des réactions impossibles en réacteur conventionnel (dépasser la frontière spatiotemporelle réactionnelle la plus basse), améliorer la sécurité des procédés chimiques (réduire l’exposition de l’opérateur, générer transitoirement des espèces toxiques/explosives), implémenter des usines 5.0 (par association avec des outils d’analyse en ligne et des algorithmes de rétrocontrôle).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j8080

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3. Dispositifs d'élimination de toxiques chimiques

Comme indiqué ci-dessus, la grande diversité des processus chimiques peut être qualifiée de « processus constructifs » et vise à accroître la diversité moléculaire et la valeur ajoutée des composés, à partir d'éléments de base largement disponibles et abordables. Par exemple, la fabrication d'API correspond clairement à cette définition, où des séquences de réaction complexes ou des catalyseurs et réactifs coûteux sont acceptables, tant que la valeur ajoutée de la cible finale laisse la place à des marges confortables . Les « processus destructifs » sont, quant à eux, différents par essence. Indépendamment de l'application finale, ces derniers procédés visent littéralement à la destruction d'entités moléculaires afin d'annihiler les problèmes de sécurité/toxicité par une modification chimique . Dans le contexte de l'élimination chimique des agents chimiques de guerre (CWA), les entités moléculaires à...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HARTMAN (R.L.), MCMULLEN (J.P.), JENSEN (K.F.) -   Deciding Whether To Go with the Flow : Evaluating the Merits of Flow Reactors for Synthesis.  -  In : Angewandte Chemie International Edition, p. 7502-7519 – 10.1002/anie.201004637 (2011).

  • (2) - RODRIGUES (T.), SCHNEIDER (P.), SCHNEIDER (G.) -   Accessing New Chemical Entities through Microfluidic Systems.  -  In : Angewandte Chemie International Edition, p. 5750-5758 – 10.1002/anie.201400988 (2014).

  • (3) - WEBB (D.), JAMISON (T.F.) -   Continuous flow multi-step organic synthesis.  -  In : Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, p. 675-680 – 10.1039/C0SC00381F (2010).

  • (4) - PLUTSCHACK (M.B.), PIEBER (B.), GILMORE (K.), SEEBERGER (P.H.) -   The Hitchhiker’s Guide to Flow Chemistry.  -  In : Chemical Reviews, p. 11796-11893 – 10.1021/acs.chemrev.7b00183 (2017).

  • (5) - GÉRARDY (R.), EMMANUEL (N.), TOUPY (T.), KASSIN (V.-E.), TSHIBALONZA (N.N.), SCHMITZ (M.), MONBALIU (J.-C.M.) -   Continuous Flow Organic Chemistry : Successes and Pitfalls at the Interface with Current Societal Challenges.  -  In :...

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