Modélisation à l’échelle moléculaire pour la maîtrise des risques industriels
Résumé
L’INERIS est un expert de l’évaluation et de la maîtrise des risques associés aux substances chimiques et aux procédés industriels. En complément des outils expérimentaux traditionnels pour la caractérisation des substances et réactions chimiques dangereuses, des approches numériques originales ont été développées depuis une dizaine d’années à la Direction des Risques Accidentels sur la base d’outils de chimie théorique pour prédire les propriétés physico-chimiques dangereuses des substances et pour clarifier les mécanismes mis en jeu dans les réactions chimiques dangereuses telles que les décompositions explosives ou les incompatibilités chimiques. Des relations quantitatives structure-propriété (QSPR) sont ainsi développées pour prédire les dangers physiques de substances sur la base de la connaissance de leur seule structure moléculaire caractérisée par des descripteurs moléculaires notamment issus de chimie quantique. Ils peuvent être utilisés dans un contexte règlementaire tel que REACH s’ils satisfont aux principes de validation proposés par l’OCDE. Ils sont également employés comme outil de criblage pour aider au choix des substances à mettre en oeuvre dans des procédés ou dans les premières étapes de développement de nouveaux produits. En effet, ils permettent d’identifier des composés présentant à la fois des propriétés applicatives ciblées et des dangers limités, avant même leur synthèse. Leur utilisation est ainsi très intéressante pour aider à la substitution de produits. Des modèles QSPR sont développés pour une diversité de propriétés (notamment l’inflammabilité, la stabilité thermique et l’explosivité) et différentes familles de composés purs (ex : composés nitrés, peroxydes organiques, solvants organiques). Ils sont également aujourd’hui développés pour des mélanges, en particulier pour évaluer leur inflammabilité qui peut être, dans certains cas, plus importante que pour les produits purs qui les constituent. Pour caractériser les mécanismes moléculaires mis en jeu dans les réactions chimiques dangereuses, la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) est utilisée afin d’identifier les mécanismes élémentaires intervenant dans les processus de réactivité complexes mis en jeu dans les scénarios accidentels tels que les décompositions dangereuses ou les incompatibilités chimiques. Par exemple, la peroxydation subie par certains produits chimiques au cours du temps a été étudiée à l’aide de cette approche pour caractériser les mécanismes de décomposition amenant à la formation d’espèce instables (des peroxydes organiques) au cours de leur vieillissement et pour identifier les meilleurs inhibiteurs ainsi que leurs modes d’action. Cette approche permet également d’accéder aux mécanismes mis en jeu dans les incompatibilités chimiques, telles que celles du nitrate d’ammonium (que l’on retrouve à la fois dans les engrais et dans des explosifs), en particulier avec des produits chlorés tels que le DCCNa, potentiellement impliqué dans l’accident de Toulouse en septembre 2001.