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Isoprène
Isoprene.svgIsoprene-3d.png
formule développée et modèle 3D de l'isoprène
Identification
Nom UICPA 2-méthylbut-1,3-diène
No CAS 78-79-5
No ECHA 100.001.040
No CE 201-143-3
PubChem 6557
SMILES
InChI
Apparence liquide incolore tres volatil, d'odeur caractéristique[1].
Propriétés chimiques
Formule brute C5H8  [Isomères]
Masse molaire[3] 68,117 ± 0,0046 g/mol
C 88,16 %, H 11,84 %,
Moment dipolaire 0,25 ± 0,01 D[2]
Propriétés physiques
fusion −146 °C[1]
ébullition 34,05 °C[4]
Solubilité dans l'eau : nulle[1]
Paramètre de solubilité δ 15,1 MPa1/2 (25 °C)[5]
Masse volumique 0,6806 g·cm-3[6]
d'auto-inflammation 220 °C[1]
Point d’éclair −54 °C (coupelle fermée)[1]
Limites d’explosivité dans l’air 1,58,9 %vol[1]
Pression de vapeur saturante à 20 °C : 53,2 kPa[1]
Point critique 206,05 °C[4], 38,5 bar[8]
Thermochimie
Cp
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 8,84 ± 0,01 eV (gaz)[9]
Propriétés optiques
Indice de réfraction  1,4194[6]
Précautions
SGH[12]
SGH02 : InflammableSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique
Danger
H224, H341, H350, H412,
SIMDUT[13]

Produit non classé
NFPA 704
Transport
-
   1218   
Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-être cancérogène pour l'homme[11]
Écotoxicologie
LogP 2,30[1]

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

L'isoprène, terme forgé en 1860 par le chimiste Charles Greville Williams (en) sans explication à partir du préfixe iso- (« égal ») et de la contraction de pr(opyl)ène[14], est un synonyme commun du composé chimique 2-méthylbuta-1,3-diène. C'est un des quatre isomères du pentadiène qui possède des doubles liaisons conjuguées. À température ordinaire, c’est un liquide incolore volatil et odorant, facilement inflammable susceptible de former des mélanges explosifs avec l'air. Il est soluble dans l'alcool, l'acétone et le benzène.

Ce monomère peut polymériser en caoutchouc. En raison de sa grande réactivité, cette polymérisation peut devenir explosive sous l'action de la température. L'isoprène est toxique au-delà de certains seuils, ce qui en fait un polluant s'il est perdu en quantité significative par un processus industriel.

Présence dans l'environnement naturelModifier

L'isoprène fait partie des gaz largement répandu, en faibles concentrations, dans la nature et dans certains de nos aliments. Il contribue à la production d'aérosols réactifs et en particulier de terpènes (qui sont des hydrocarbures résultant de la combinaison de plusieurs unités isoprène).

La biosphère émet plus de COV non méthaniques dans l'atmosphère que les activités humaines, et l'isoprène en constitue une part importante au-dessus des canopées, qui contribue aussi à la formation (inattendue jusqu'au début des années 2000) de molécules d'époxyde[15]

La connaissance et modélisation de son cycle (et donc de ses flux et rôles) sont des enjeux pour les modélisations et évaluations de la qualité de l'air et l'évolution des climats et microclimats passés, présents et futurs. Un modèle dénommé MEGAN (acronyme de « Emissions of Gases and Aerosols from Nature ») a été produit (2006) pour notamment évaluer les émissions nettes (régionales et globale) d'isoprène dans l'atmosphère par la biosphère terrestre, avec une résolution spatiale d'environ 1 km2 [17]. Il s'appuie sur les données théoriques et de terrain, issues de mesures in situ et d'expériences en laboratoire, sur les facteurs expliquant les taux et variations d'émissions d'isoprène par les écosystèmes (ces facteurs d'émissions sont complexes ; biologiques, physiques et chimiques, directs et indirects, immédiats et différés et interagissant entre eux). Ce modèle utilise les mêmes variables que d'autres modèles, des observations satellitaires et des mesures faites au sol[17]. Selon le modèle MEGAN :

  • environ 50% de l'isoprène d'origine biologique émis dans l'air dans le monde chaque année provient des forêts feuillues tropicales, ce qui s'explique facilement par leur situation (chaleur et forte exposition aux UV solaires)[17] ;
  • les 50% restant sont principalement émis par des zones arbustives et des buissons épars (une moindre quantité provenant des prairies, et très peu venant des cultures agricoles (céréales, oléagineux...)[17] ;
  • 500 à 750 Tg (440 à 660 Tg de carbone) d'isoprène sont ainsi émis par an[17] ;
  • Les flux et les quantité en sont localement fortement modulées par des variables telles que la température, le rayonnement solaire, l'indice de surface foliaire et le type de métabolisme de la plante (plante en C3, plante en C4...)[17] ;
  • en se basant sur les facteurs d'émissions reconnus comme les plus fiable et importants, environ 600 Tg d'isoprène seraient émis par an à échelle biosphérique, mais avec des variations temporelles et locales très significatives : Les moyennes annuelles mondiales ne doivent pas cacher que les estimations d'émissions diffèrent de plus d'un facteur trois selon les moments et/ou des lieux considérés. Ces différences sont liées à la saison, la météorologie (sécheresses, canicules, pollution...) et au contexte naturel (forêt sèche, forêt humide, primaire ou cultivée, tropicale, froide ou tempérée...). Les régions froides en émettent moins et selon les modèles, le désert du Sahara, les zones polaire, les glaciers et les calottes glaciaires n'en émettent pas (mais leur albédo et leurs conditions de température pourraient contribuer de manière spécifique à la chimie de l'isoprène dans l'atmosphère, ce qui reste à éclaircir)[17] ;
  • il est encore difficile de modéliser précisément le devenir des émissions locales d'isoprène (et de terpènes) via les modèles de chimie atmosphérique, de même pour leur intensité et leur transport à distance, en raison des marges d'erreurs et de sensibilité inhérentes à certains composants du modèle. Mais à l'échelle mondiale, les résultats de la modélisation semblent raisonnables et cohérents, y compris avec les observations satellitaires du formaldéhyde[17] ;
  • les bilans annuels globaux et locaux d'émissions d'isoprène se montrent sensibles aux modifications du système terrestre (en particulier changement climatique, sécheresses, et utilisation des terres), ce qui augure d'importantes modifications des émissions d'ici 2100 et plus tard. Si l'on se fie aux températures prévues par les modèles climatiques mondiaux pour 2100, MEGAN indique que les émissions d'isoprène devraient encore doubler de 2010 à 2100, soit un accroissement « considérablement supérieur aux estimations précédentes » alertent les scientifiques qui ont produit ce modèle, qui appellent à mieux prendre en compte l'isoprène dans les travaux de prospective climatique[17].

Rôles biologiques cellulairesModifier

Il intervient dans la structure de nombreux composés cellulaires, par exemple dans les terpènes comme le carotène (tétraterpène), qui sont dérivés de l'isoprène.

Autres dérivés de l'isoprène 

Rôle écologique aux échelles écopaysagèresModifier

Selon le UK Natural Environment Research Council (NERC), de l'isoprène est émis par les plantes vasculaires en cas de stresses biotique et abiotique, en particulier en cas de sécheresse et/ou de canicule car il améliore leur thermotolérance[18], non sans effets collatéraux car ce composé organique volatil (COV) interagit notamment avec l'ozone troposphérique toxique et écotoxique (en le détruisant), mais il réagit aussi avec les oxydes d'azote (réaction photochimique, c'est-à-dire catalysée par la lumière) pour redonner de l'ozone.

De nombreuses espèces d'arbres (le chêne en produit par exemple de grandes quantités) en relarguent dans l'air, principalement via les stomates de leurs feuilles. La végétation planétaire en émettrait environ 600 millions de tonnes par an, dont 50 % venant de la ceinture intertropicale [19].

Dans l'air, l'isoprène est converti en particules époxydes par des radicaux libres tels que le radical hydroxyle (OH). Il contribue ainsi à produire des aérosols qui eux-mêmes créent des microclimats. Ces aérosols contribuent en effet à nucléer les gouttelettes d'eau qui forment des brumes ou des nuages puis des smogs ou des gouttes de pluie[20],[21].

Ce mécanisme semble être un des mécanismes évolutifs développés par les forêts pour surmonter les effets négatifs de la surchauffe des feuilles et/ou une irradiation excessive par les UV. Il pourrait aussi aider les arbres à lutter contre les radicaux libres les plus agressifs pour les feuilles, (dont l'ozone troposphérique[22]).

Histoire de la ChimieModifier

L'isoprène a été découvert, et isolé, à partir de la décomposition thermique du caoutchouc naturel en 1860 [23].

UsagesModifier

L'isoprène est chimiquement plus actif que le butadiène. Obtenu par craquage de naphta, il est très utilisé par l'industrie chimique, essentiellement pour produire le cis-1,4-polyisoprène qui est le caoutchouc synthétique composant par exemple les pneumatiques de voiture ou des gants de chirurgie.

Les molécules de caoutchouc sont constituées de chaines de plusieurs milliers de maillons -CH2 – C(CH3) = CH – CH2… La masse moléculaire du polymère peut varier de 100 000 à 1 million. Le caoutchouc naturel est de bonne qualité, mais il contient des traces d'autres substances : protéines, acides gras, résines, etc. Dans d'autres caoutchoucs naturels, on peut trouver l'isomère de structure, le trans-1,4-polyisoprène, qui lui confère des propriétés légèrement différentes. Par exemple, une résine, la gutta-percha, est un polymère naturel « tout trans » de l'isoprène.

ObtentionModifier

 
Fabrication de l'isoprène

Des quatre méthodes de synthèse industrielle de l'isoprène, l'une, par addition de l'acétone à l'acétylène, mise au point par Georg Merling en 1911[24], a été en usage jusqu'en 1982, deux autres, par dimérisation du propène en isohexène ou par double addition de formaldéhyde à l'isobutène, étaient encore employées en 2000, et la dernière enfin, par métathèse de l'isobutène et du but-2-ène, suscitait un grand intérêt, mais n'était pas encore employée à cette date[25].

Il est le plus facilement disponible industriellement comme sous-produit du craquage du naphte ou pétrole, comme sous-produit de la production d'éthylène.

Environ 20 000 tonnes sont produites annuellement par l'industrie[16], dont 95 % servent à produire du cis-1,4-polyisoprène (caoutchouc synthétique).

ToxicitéModifier

En 2012, l'OMS ne considère toujours pas l'isoprène comme cancérigène[26]. Un an plus tôt cependant, en 2011, le département américain de la Santé écrit : « Il n'y a pas de raison de penser que les mécanismes par lesquels l'isoprène provoque des tumeurs chez l'animal de laboratoire n'opéreraient pas chez l'Homme », mais il précise : « On n'a relevé aucune étude épidémiologique consacrée à l'évaluation de la relation entre cancer humain et exposition caractérisée à l'isoprène[27]. »

Depuis 2008, selon le règlement européen (CE) no 1272/2008, l'isoprène est classé dans la catégorie 2B[28] des cancérigènes (effet cancérigène supposé chez l'humain), et dans la catégorie 2 des mutagènes (effet mutagène suspecté chez l'humain). Les informations disponibles à ce sujet restent insuffisantes en 2015.

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

BibliographieModifier

Notes et référencesModifier

  • (en) Maryadele J. O'Neil (éd.), Merck Index : An Encyclopedia of Chemicals, Drugs and Biologicals, Whitehouse Station/Rahway (New Jersey, É.-U.), Merck Inc., , 14e éd. (ISBN 978-0-911910-00-1).
  1. a b c d e f g et h ISOPRENE, fiche(s) de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée(s) le 9 mai 2009
  2. (en) David R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., 2736 p. (ISBN 978-1420066791), p. 9-50.
  3. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  4. a et b (en) Iwona Owczarek et Krystyna Blazej, « Recommended Critical Temperatures. 1re partie : Aliphatic Hydrocarbons », J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 32, no 4,‎ , p. 1411 (DOI 10.1063/1.1556431).
  5. (en) James E. Mark, Physical Properties of Polymer Handbook, Springer, , 2e éd., 1076 p. (ISBN 0387690026, lire en ligne), p. 294
  6. a et b (en) Norbert Adolph Lange et James G. Speight (éd.), Lange's Handbook of Chemistry, New York, McGraw-Hill, , 16e éd., 2.623 p. (ISBN 978-0-07-143220-7), p. 2.289.
  7. a b et c (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, USA, McGraw-Hill, , 7e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5), p. 2-50.
  8. « Properties of Various Gases », sur flexwareinc.com (consulté le 12 avril 2010).
  9. (en) David R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., 2736 p. (ISBN 978-1420066791), p. 10-205.
  10. « isoprène », sur ESIS, consulté le 15 février 2009
  11. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, « Evaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 2B : Peut-être cancérogènes pour l'homme », sur monographs.iarc.fr, CIRC, (consulté le 22 août 2009)
  12. Numéro index 601-014-00-5 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  13. « Isoprène » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  14. Jean-Paul Kurtz, Dictionnaire étymologique des anglicismes et des américanismes, BoD, , p. 681.
  15. Paulot, F., Crounse, J. D., Kjaergaard, H. G., Kürten, A., Clair, J. M. S., Seinfeld, J. H., & Wennberg, P.O. (2009). Unexpected epoxide formation in the gas-phase photooxidation of isoprene. Science, 325(5941), 730-733.
  16. a et b (en) Hans Martin Weitz et Eckhard Loser, « Isoprene », dans Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim, Wiley-VCH, (DOI 10.1002/14356007.a14_627).
  17. a b c d e f g h et i Article | langue=en |auteur1=Alex Guenther |auteur2=Thomas Karl |auteur3=Peter Harley |auteur4=Christine Wiedinmyer |auteur5=Paul I. Palmer |auteur6=Chris Geron |titre=Estimates of Global Terrestrial Isoprene Emissions Using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature) |année=2006 |périodique=Atmos. Chem. Phys |éditeur=European Geosciences Union (EGU) |volume=6 |passage=3181-3210 |URL=https://hal.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/295995/filename/acp-6-3181-2006.pdf%7Crésumé=http://www.atmos-chem-phys.net/6/3181/2006/acp-6-3181-2006.html
  18. Singsaas E.L, Lerdau M, Winter K & Sharkey T.D (1997) Isoprene increases thermotolerance of isoprene-emitting species. Plant physiology, 115(4), 1413-1420.
  19. (en) Alex Guenther, Thomas Karl, Peter Harley, Christine Wiedinmyer, Paul I. Palmer et Chris Geron, « Estimates of Global Terrestrial Isoprene Emissions Using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature) », Atmos. Chem. Phys, European Geosciences Union (EGU), vol. 6,‎ , p. 3181-3210 (résumé).
  20. (en) California Institute of Technology, « Organic Carbon Compounds Emitted By Trees Affect Air Quality », ScienceDaily,‎ (lire en ligne).
  21. (en) Sid Perkins, « A Source of Haze : Scientists Identify How a Hydrocarbon Commonly Emitted by Plants is Converted to Light-Scattering Aerosols », Science News, vol. 176,‎ , p. 15 (résumé).
  22. (en) Thomas D. Sharkey, Amy E. Wiberley et Autumn R. Donohue, « Isoprene Emission from Plants : Why and How », Annals of Botany, vol. 101, no 1,‎ , p. 5-18 (lire en ligne).
  23. (en) Charles Greville Williams, « On Isoprene and Caoutchine », Proceedings of the Royal Society, vol. 150,‎ , p. 241-255 (lire en ligne).
  24. (en) Georg Merling et Hugo Koehler, Process of Producing Isoprene, U.S. Patent no 1.026.691, (lire en ligne).
  25. Klaus Weissemel et Hans-Jürgen Arpe (trad. de la 3e édition anglaise par Philippe Kalck et Brigitte Zahner), Chimie organique industrielle [« Industrial Organic Chemistry »], De Boeck, coll. « Université », , XVIII-453 p. (ISBN 2-7445-0073-9, lire en ligne), p. 121-126.
  26. (en) IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, vol. 71 : Re-evaluation of Some Organic Chemicals, Hydrazine and Hydrogen Peroxide, OMS, (lire en ligne), partie 3. A : Compounds not Reviewed in Plenary Sessions : Extensive New Data Requiring New Summaries, « Isoprène », p. 1015-1025 : les données présentées datent de 1994, et le même organisme, se citant lui-même en 2012 dans son vol. 100 (Radiation : A Review of Human Carcinogens, p. 325), n'en propose pas de nouvelles.
  27. (en) Report on Carcinogens, US Department of Health and Human Services – Public Health Service National – Toxicology Program, , 12e éd., 499 p. (lire en ligne), « Isoprene CAS N° 78-79-5 », p. 247.
  28. « Classification du CIRC | Cancer et environnement », sur www.cancer-environnement.fr (consulté le 28 mars 2019)