Soutenance mémoire
L’Homme, sa (thermo)dynamique et son écosystème
La thermodynamique, la science des systèmes physiques et chimiques à l’équilibre, permet aujourd’hui de comprendre la matière et de prédire certaines de ses transformations. Les deux premiers principes de la thermodynamique introduisent les notions de conservation de la matière et de l’énergie, de l’irréversibilité d’une transformation ainsi que la notion d’entropie (S) qui peut être vue comme une mesure du désordre d’un système. Cette science nous indique également que tous systèmes isolés évoluent irrémédiablement et spontanément vers son équilibre thermodynamique, i.e. vers l’état le plus stable (∆G < 0) et le plus désordonné (∆S > 0). Cependant, ces principes ne s’appliquent en rien aux systèmes biologiques, et à l’Homme en particulier, car leurs structures font preuve d’une grande organisation micro- et macroscopique capable même de s’auto-organiser. Ilya Prigogine (prix Nobel de chimie, 1977) l’a formulé ainsi « La plus simple des cellules vivantes emploie pour son métabolisme plusieurs milliers de réactions chimiques conjointes, par conséquent exige un délicat mécanisme de coordination et de régulation […]; d’évidence, cette organisation ne résulte pas d’une tendance au désordre moléculaire. » C’est ainsi qu’il a introduit la notion de « structure dissipative ». Ces structures sont des systèmes qui évoluent en créant de l’ordre qu’on appelle néguentropie (entropie négative, ∆S système < 0).
Pour ce faire, l’organisme « dissipatif » doit être en système ouvert avec son environnement. Son organisation et sa faible entropie ne sont possibles qu’au prix de la consommation d’une grande quantité de matière et d’énergie. L’excédent d’entropie que la thermodynamique impose (∆S > 0) doit donc être transféré vers l’extérieur du système, i.e. dans son environnement, à travers ses déchets. (∆Sglobal = ∆Ssystème + ∆Senvironnement > 0)
Pour maintenir son écosystème en place, l’Homme doit donc consommer une énorme quantité d’énergie et de matières « organisées ». Ces ressources servent non seulement à la survie de chaque individu mais aussi à toutes les composantes de la société telles que les infrastructures et les moyens de transport ainsi que les productions agricoles et industrielles, mais aussi la production d’électricité, de chauffage. Cette consommation de matière et d’énergie fait partie d’un flux continu de ressources qui entraîne la production de déchets. Jusqu’à présent, l’Homme utilisait ces ressources aussi vite qu’il le pouvait pour se développer, améliorer ses conditions de vie et croître rapidement. Ce type d’écosystème est qualifié de reproducteur ou opportuniste.
Cependant, ce type de stratégie n’est pas soutenable (ou durable) : les écosystèmes de type I meurent par épuisement de leurs ressources ou par intoxication par leurs propres déchets. L’exemple marquant de la crise de l’oxygène des cyanobactéries dans l’ère précambrienne (≈ 2,4 milliards d’années) en est une illustration. Les cyanobactéries, qui sont des organismes anaérobies strictes (ne tolérant pas l’oxygène), se sont développées frénétiquement, ayant des matières premières en abondance dans leur environnement. Pouvant promouvoir la photosynthèse, elles ont absorbé le CO2, et libéré du dioxygène dans l’atmosphère jusqu’à ce que le taux d’oxygène terrestre les empoisonne et entraîne une extinction massive de leur espèce.
L’Homme prend conscience, petit à petit, des limites de ce type d’écosystème et des dégâts qu’il inflige à son environnement. En effet, son utilisation massive de ressources fossiles (pétrole, charbon et gaz) engendre de nombreux problèmes écologiques ; les pollutions telles que le relargage de gaz à effets de serre (très hautes entropies) ont des conséquences désastreuses pour le climat et notre planète. Outre l’aspect écologique, la raréfaction et la fluctuation des coûts de ces réserves épuisables entraînent des tensions économiques et politiques de plus en plus insoutenables.
Ces constatations amènent l’humanité à évoluer vers une modération de sa consommation des ressources fossiles et à diminuer sa production de déchets. Idéalement, l’anthroposphère doit effectuer une transition vers un écosystème de type III dans lequel les matières importées sont renouvelables et en quantité infime, et par conséquent, la production de déchets est presque inexistante et compatible avec la biosphère. Dans ce système, le recyclage des déchets joue un rôle fondamental instaurant un flux circulaire de la matière et de l’énergie. Les écosystèmes naturels de type III sont par exemple les forêts ou les récifs coralliens. En somme, il faudrait seulement prendre à la nature ce que nous sommes en mesure de lui rendre. Pour réaliser une telle transition (écologique et économique), l’Homme doit entreprendre un changement de fonctionnement se basant principalement sur l’utilisation de matières et d’énergie renouvelables et l’amélioration du recyclage de ses déchets. Cette transition est pour l’instant sporadique mais pour le moins existante. C’est ce qui définit un écosystème de type II, un écosystème fragile et instable de transition entre le type I et le type III qui ne dépend que de la volonté des organismes le constituant. En effet, des perturbations peuvent faire retourner au type I ou évoluer vers le type III de façon assez imprévisible.
Un exemple de transition : l’économie du plastique
L’évolution actuelle de l’économie du plastique illustre parfaitement la volonté de transition écologique de l’Homme présentée précédemment. Par leurs propriétés uniques combinant entre autres légèreté, flexibilité, étanchéité, résistance à l’humidité, durabilité et leurs faibles coûts, les matériaux plastiques offrent de nombreux avantages pour les activités humaines et favorisent le remplacement des matériaux classiques tels que le verre, le bois et les métaux. Obtenue à partir de ressources fossiles, la production de ces polymères organiques connait une croissance exponentielle depuis les années 50 (335 millions de tonnes par an en 2017) et consomme désormais (matière première et énergie comprises) près de 12% de la production mondiale de pétrole, de gaz et de charbon.
Le flux de plastiques dans notre société a longtemps été linéaire, à l’image des écosystèmes de type I, caractérisé par une utilisation démesurée de ressources épuisables et la génération d’une grande quantité de déchets. Jusqu’alors, les déchets plastiques étaient principalement mis en décharge ou enfouis. En plus des conséquences écologiques qu’implique l’utilisation des ressources fossiles, les plastiques « fuient » dans l’environnement ce qui a un effet désastreux sur les autres écosystèmes, sur le climat, la faune et la flore. Ces fuites sont tellement importantes que, selon une étude de Ocean Cleanup, il existe un « septième continent » constitué de plastique qui occupe 1,6 millions de km² dans l’océan Pacifique.
Dans une optique de transition écologique, certains pays et des industriels ont récemment proposé le développement d’une économie circulaire du plastique s’inspirant des écosystèmes de type III. Cette nouvelle économie repose sur i) la réduction des fuites dans l’environnement en optimisant la filière des collectes, ii) le découplage de la production de plastiques des matières premières fossiles en glissant vers des ressources bio-sourcées, et iii) le développement des méthodes de recyclage pour donner une seconde vie à ces déchets ou récupérer leur contenu chimique.
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Table des matières
Introduction générale
L’Homme, sa (thermo)dynamique et son écosystème
Un exemple de transition : l’économie du plastique
Objectif de la thèse
Références
Chap. I. Dépolymérisation de lignines de bois avec un catalyseur d’iridium(III)
I.1. Introduction : la biomasse et la pertinence de son utilisation comme source alternative de produits carbonés
I.1.i. Généralités sur la biomasse
I.1.ii. Structure de la lignine
I.1.iii. De l’importance des liaisons O-4’
I.1.iv. Les différentes méthodes d’extraction
I.2. Etat de l’art sur la dépolymérisation de la lignine
I.2.i. Les différentes stratégies de dépolymérisation de la lignine
I.2.ii. Intérêts de la dépolymérisation réductrice de la lignine
I.2.iii. Dépolymérisation réductrice avec des catalyseurs hétérogènes
I.2.iv. Réduction de la lignine en milieu homogène
I.2.v. Observations sur l’état de l’art
I.3. Résultats et discussions
I.3.i. Hydrosilylation de modèles de lignine avec Et3SiH et le catalyseur de Brookhart
I.3.ii. Bilan et comparaison avec B(C6F5)3
I.3.iii. Hydrosilylation de lignines de résineux en présence de Et3SiH et du catalyseur de Brookhart
I.3.iv. Hydrosilylation de lignines de feuillus en présence de Et3SiH et du catalyseur de Brookhart
I.3.v. Calcul de l’efficacité
I.3.vi. Synthèse de dérivés phénoliques
I.3.vii. Comparaison avec B(C6F5)3
I.4. Conclusions
I.5. Références
Chap. II. Dépolymérisation de plastiques oxygénés avec un catalyseur d’iridium(III)
II.1. Introduction
II.1.i. « Le plastique, c’est fantastique »
II.1.ii.Le plastique, un matériau pas si « magique »
II.1.iii. Les méthodes de recyclage et leurs limitations
II.2. Etat de l’art sur la dépolymérisation de plastiques oxygénés
II.2.i. Les différents polymères considérés dans ce chapitre
II.2.ii.Réactions de dépolymérisation avec une base de Lewis
II.2.iii. Hydrogénation catalytique de polymères oxygénés
II.2.iv. Hydrosilylation catalytique de polymères oxygénés
II.2.v. Observations sur l’état de l’art
II.3. Dépolymérisation de plastiques oxygénés avec le système 1/triéthylsilane en éthers silylés
II.3.i. Dépolymérisation du PEG avec le système 1/Et3SiH
II.3.ii.Dépolymérisation de polyesters avec le système 1/Et3SiH
II.3.iii. Comparaison avec B(C6F5)3
II.3.iv. Dépolymérisation de polycarbonates avec le système 1/Et3SiH
II.3.v. Dépolymérisation de plastiques oxygénés promue par le système 1/TMDS
II.3.vi. Réduction du polychlorure de vinyle avec le système 1/triéthylsilane
II.4. Conclusions
II.5. Références
Chap. III. Dépolymérisation catalytique de plastiques oxygénés avec des sources de fluorure
III.1. Introduction
III.2. Etat de l’art sur l’activation nucléophile d’hydrosilanes par des sources de fluorure
III.2.i.Généralités sur l’activation nucléophile des silanes
III.2.i.Hydrosilylation de dérivés carbonyles avec le système F-/Hydrosilane
III.2.ii. Observations et remarques sur l’état de l’art
III.3. Résultats et discussion
III.3.i.Optimisation de la réduction du PC-PBA avec le système TBAF/hydrosilanes
III.3.ii. Hydrosilylation de polycarbonates avec le système TBAF/TMDS
III.3.iii. Dépolymérisation de polyesters avec le système TBAF/hydrosilanes
III.3.iv. Comparaison avec le catalyseur d’iridium 1
III.3.v. Dépolymérisation du PDO et du PET avec le système TABF/(MeO)3SiH
III.4. Conclusion
III.5. Références
Chap. IV. Hydrosilylation de liaisons C=O catalysée par le triflate d’uranyle UO2(OTf)2
Conclusion générale
