Projet ANR-10-CD2I-0007 – PREDIMOL : PREDIction des propriétés physico-chimiques des produits par modélisation MOLéculaire
Programme : Chimie Durable - Industries - Innovation (CD2I)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Patricia ROTUREAU (INSTITUT NATIONAL DE L'ENVIRONNEMENT INDUSTRIEL ET DES RISQUES)
Partenaires : ARKEMA; École nationale supérieure de chimie de Paris; Centre national de la recherche scientifique; Laboratoire de Chimie Physique; Institut français du pétrole Energies nouvelles; Institut national de l'environnement industriel et des risques; TPE
Montant : 952386.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 36 mois
Résumé : PREDIction des propriétés physico-chimiques des produits par modélisation MOLéculairePrédiction des propriétés physico-chimiques des produits par modélisation moléculaire
Peut-on utiliser les méthodes prédictives pour évaluer les propriétés physico-chimiques des produits dans le cadre de REACH ?Le Règlement européen REACH exige que les propriétés physico-chimiques, toxicologiques et écotoxicologiques des substances chimiques soient évaluées en préalable à leur mise sur le marché. Cela nécessite le déploiement massif de tests d’ici à 2018, en privilégiant le développement de méthodes alternatives à l’expérimentation, que le Règlement encourage.Dans ce contexte, le projet PREDIMOL, vise à montrer que la modélisation moléculaire (en particulier, les Relations Quantitatives Structure-Propriétés (QSPR) et les méthodes de simulation moléculaire) est utilisable comme alternative aux essais expérimentaux pour l’obtention des propriétés physico-chimiques des substances. La reconnaissance de ces outils par les instances réglementaires et les industriels, le développement d’outils automatisés et de calculs à haut débit sont d’autres objectifs du projet. Au-delà de l’aspect réglementaire, ces méthodes prédictives contribuent à l’identification précoce des propriétés et dangers physico-chimiques et ont un rôle à jouer dans le développement de nouveaux produits, en amont de l’étape expérimentale, dans le cadre d’approches R&D de type « safety by design » ou pour la substitution de produits dangereux. 
Différentes approches de modélisation et de simulation moléculaire utiliséesPREDIMOL, qui s’est plus particulièrement intéressé aux amines et aux peroxydes organiques, s’est concentré sur deux types de méthodes prédictives : les approches QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship) pour les propriétés dangereuses et la simulation moléculaire (Dynamique Moléculaire, méthodes de Monte-Carlo) pour les propriétés thermophysiques d’équilibre (pression de vapeur) et de transport (viscosité). A partir du recensement et d’une analyse critique des modèles prédictifs existants en physico-chimie, d’un inventaire des données disponibles sur les deux familles de substances étudiées, une nouvelle base de données expérimentale, fondée sur des essais réalisés par l’INERIS et Arkema a été constituée pour 38 peroxydes organiques et cinq propriétés. A partir de ces données et de descripteurs quantiques caractérisant la réactivité des peroxydes organiques, deux modèles QSPR pour la prédiction de leur stabilité thermique ont été développés et un champ de force destiné à la modélisation des propriétés thermophysiques des peroxydes organiques a été optimisé. La plate-forme logicielle MedeA® conçue par Materials Design a été étendue avec de nouvelles fonctionnalités. L’automatisation des calculs permet dorénavant de réaliser des milliers de prédictions dans un temps plus court que par la voie expérimentale.
Résumé de la soumission : La nouvelle réglementation européenne REACH (pour « Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals ») est entrée dans la phase pratique d’enregistrement en décembre 2008. Elle nécessite l’évaluation, d’ici à 2018 (en fonction des quantités), des propriétés physico-chimiques, toxicologiques et écotoxicologiques de plus de 143 000 substances d’ores et déjà pré-enregistrées par 65 000 compagnies afin de permettre leur utilisation. Plus précisément, la sécurité, l’utilisation plus économique et la réduction de l’impact environnemental des produits chimiques sont basées sur une connaissance systématique et fiable de leurs propriétés éco(toxicologiques) mais aussi physico-chimiques. Vu le vaste nombre de produits chimiques utilisé aujourd’hui dans toutes les activités industrielles, leurs modifications et l’introduction de nouveaux produits d’une part et le nombre réduit des laboratoires proprement équipés et expérimentés pour la détermination des propriétés physico-chimiques d’autre part, un manque de connaissance de ces propriétés est prévisible. L'effort de recherche publique et privée doit donc travailler sur des méthodes rapides et fiables de « criblage », qui tireraient profit des transferts de méthodes du secteur privé (automatisation et production de gros volumes de données). En outre, toute nouvelle substance nécessitera un examen précoce pour identifier les risques potentiels. Il est nécessaire d’anticiper les risques et de reconnaître les substances susceptibles de créer un danger le plus tôt possible dans leur développement. Dans ce contexte économique, social et règlementaire, il faut impérativement trouver des solutions efficaces.Compte-tenu du nombre de propriétés et du nombre de substances, il n'est pas réaliste d'envisager de mesurer l'ensemble des propriétés expérimentalement pour des raisons de temps, de coûts, de faisabilité au niveau R&D, d’éthique (essais sur animaux) voire de risques pour le manipulateur, en particulier pour la caractérisation des propriétés physico-chimiques dangereuses (explosibilité, inflammabilité). Ainsi, le développement de méthodes prédictives alternatives pour l’évaluation des propriétés des substances chimiques est recommandé dans le cadre de REACH et le système de classification associé, le CLP (pour « Classification, Labelling and Packaging of chemical substances and mixtures »). La modélisation moléculaire peut jouer un rôle important dans ce contexte. En effet, depuis plusieurs décennies, la modélisation et la simulation moléculaire dans toutes ses formes (notamment chimie quantique, méthodes de dynamique moléculaire et de Monte Carlo avec champs de force, et corrélations empiriques) ont progressé énormément. En fait, ce développement est alimenté par la révolution dans la puissance et la disponibilité des ordinateurs. Dans une période de 25 ans, chaque dimension des ordinateurs a augmenté par plusieurs ordres de grandeurs : la rapidité des opérations, la mémoire vive, le stockage sur disques, la connectivité et le parallélisme. Parallèlement, le prix pour la même fonctionnalité a diminué de plusieurs millions d’Euro à quelques centaines d’Euro, donc par un facteur de 10 000 ! Il est impératif de saisir cette opportunité unique dans le contexte des prédictions systématiques, efficaces, et fiables des propriétés physico-chimiques des produits chimiques. Tel est le contexte et l’enjeu du projet PREDIMOL où la modélisation moléculaire représente une voie de développement tout indiquée, non concurrente mais complémentaire à la caractérisation expérimentale, pour prédire de manière fiable et rapide, l’ensemble des propriétés physico-chimiques des substances requises par REACH (annexes VII et IX). Le projet PREDIMOL est donc un projet de recherche industrielle qui se propose de répondre à l’effort de recherche et d’innovation lié à la mise en œuvre du règlement REACH.
Résultats : Le projet a démontré que la modélisation moléculaire est une alternative pertinente à l’expérimentation pour caractériser de manière précise et rapide les propriétés physico-chimiques des substances, à partir de la connaissance de leur structure moléculaire. Après avoir effectué un recensement et une analyse critique des modèles existants pour les propriétés physico-chimiques et élaboré une nouvelle base de données expérimentales (pour les peroxydes organiques), des modèles prédictifs, utilisables pour REACH, ont été développés pour évaluer les propriétés des peroxydes organiques et des amines.
Perspectives : -
Publications et brevets : Plusieurs communications internationales concernant les modèles QSPR développés pour les propriétés dangereuses des peroxydes organiques ou l’automatisation des calculs à haut-débit ont été réalisées. 1 thèse a été soutenue, 3 articles ont été publiés, d’autres sont en cours de soumission. En particulier, l’évaluation des modèles existants pour le calcul des propriétés physico-chimiques demandées par REACH a été réalisée à partir de l’analyse de 700 références bibliographiques et est prévue pour une publication à Chemical Reviews.