Les solvants occupent une place prépondérante dans l’industrie chimique et se retrouvent au cœur de nombreuses applications telles que la formulation de produits phytosanitaires, d’encres ou de peintures, le nettoyage industriel ou les procédés d’extraction, de synthèse ou de séparation. L’épuisement des ressources pétrolières, le durcissement de la réglementation, et une prise de conscience collective motivent le développement d’alternatives à l’utilisation de solvants pétrochimiques. En effet, environ 45% des émissions de composés organiques volatils (COVs) en France proviennent de l’utilisation des solvants, qui, pour la plupart, présentent une empreinte environnementale et sanitaire peu favorable. Le panorama des solvants industriels amorce inévitablement une mutation, qui nécessite la recherche de solvants plus respectueux de l’environnement et des utilisateurs, au regard de leurs propriétés et de leur mode de production. Outre les liquides ioniques, les fluides supercritiques et les solvants fluorés qualifiés de solvants verts, les biosolvants sont apparus comme une solution alternative capable de répondre à un grand nombre de spécifications requises dans diverses applications. L’élaboration de biosolvants s’accompagne d’un changement de matière première, au profit de ressources renouvelables issues de la biomasse. Parmi les molécules plateforme biosourcées utilisées pour la synthèse de bioproduits, le furfural, obtenu par déshydratation des sucres contenus dans les rafles de maïs, a été sélectionné dans le cadre de cette étude visant à développer de nouveaux biosolvants, en collaboration avec la société Rhodia-Solvay (projet InBioSynSolv). Ainsi, afin de substituer des solvants conventionnels utilisés pour formuler des actifs phytosanitaires ou pour le nettoyage industriel, deux méthodologies, différentes de l’approche essais et erreurs, ont été étudiées. La première méthodologie, prédictive, se base sur la prédiction des propriétés avant la synthèse des molécules. La formulation inverse est, quant à elle, une méthodologie innovante qui permet de concevoir des molécules de biosolvants grâce à un laboratoire virtuel; les étapes de génération de structures moléculaires et de prédiction des propriétés, sont intégrées à un outil informatique d’aide au design moléculaire (CAMD) qui propose des solutions répondant aux spécifications visées. Dans un premier temps, ces méthodologies ont conduit à identifier un pool de molécules candidates dérivées du furfural et susceptibles de jouer le rôle de solvant pour les applications envisagées. Dans un deuxième temps, la faisabilité des filières de leur production a été étudiée, depuis la molécule plateforme jusqu’à l’utilisation du biosolvant au sein d’une formulation. Pour cela, les molécules candidates ont été obtenues selon différentes voies de synthèse, que l’on a caractérisées à l’aide de la détermination d’indicateurs verts. Une démarche d’éco conception a également contribué à la mise en place d’une approche multi critère intégrant les aspects techniques, environnementaux et socio- économiques. Enfin, la production d’échantillons a permis de vérifier expérimentalement les propriétés recherchées, et de valider l’intérêt des méthodologies de substitution de solvants utilisées, en termes de gain de temps et d’efficacité. Celles-ci pourront être généralisées au développement de différents bioproduits pour accompagner les évolutions des marchés auxquelles doit faire face l’industrie chimique. / The solvents play a significant role in the chemical industry and are at the heart of many applications such as the formulation of pesticides, inks or paints, industrial cleaning or extraction processes, synthesis and separation. The depletion of fossil resources, stricter regulations and collective awareness incite the development of alternatives to the use of petrochemical solvents. In fact, about 45% of emissions of volatile organic compounds (VOCs) come from the use of solvents, most of which have a very unfavorable environmental and health impact. The panorama of industrial solvents inevitably initiates a change, which requires the search for more eco friendly solvents in terms of their properties and their mode of production. In addition to the ionic liquids, supercritical fluids and fluorinated solvents, called green solvents, biosolvents emerged as an alternative capable of meeting a large number of specifications required in various applications. Developing biosolvents is accompanied by a change in raw material, from petroleum to renewable resources from biomass. Among the biobased platform molecules used for the synthesis of bioproducts, furfural, obtained by dehydration of sugars in corn cobs, was selected as part of this study to develop new biosolvents in collaboration with Rhodia-Solvay (InBioSynSolv project). Thus, to replace conventional solvents used in phytosanitary formulations or for industrial cleaning, two methodologies different from the tests and error approach, were studied. The first methodology, predictive, is based on the properties prediction before the synthesis of the molecules. The inverse formulation is, in turn, an innovative methodology to design molecules of biosolvents through a virtual laboratory. Stages of generation of molecular structures and properties prediction are integrated in a computer-aided molecular design tool (CAMD) providing solutions that meet the outlined specifications. First, these methodologies have led to identify a pool of candidate molecules derived from furfural that may act as a solvent for the intended applications. In a second step, the feasibility of their production chains has been studied from the molecule platform to the use of the biosolvent in a formulation. For this, the candidate molecules were obtained by different synthetic routes, which were characterized using the determination of green indicators. An eco-design approach has also contributed to take into account different criteria including technical, environmental and socio-economic aspects. Finally, with the production of samples, properties were experimentally verified, to validate the interest of solvents substitution methodologies in terms of time savings and efficiency. These could be generalized to the development of various bioproducts to make possible innovation in the chemical industry.

La production mondiale de solvants représente environ 28 millions de tonnes, dont 5 millions en Europe. L’industrie des peintures et des revêtements en est la principale consommatrice (46 % des solvants produits). Dans ce domaine, les solvants les plus utilisés sont l'acétate d'éthyle, l'acétate de butyle et la méthyl éthyl cétone. Ces molécules sont actuellement synthétisées industriellement à partir de substrats d’origine pétrochimique en présence de catalyseurs homogènes et dans des conditions énergivores. Afin de réduire l’impact environnemental des peintures et revêtements, la substitution de ces solvants issus du pétrole par leurs équivalents bio sourcés a été étudiée dans le cadre du projet européen ECOBIOFOR (FP7/2007-2013/Grant Agreement no 605215), dans lequel se sont inscrits ces travaux de thèse. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer, à partir de synthons renouvelables, des procédés de production de ces trois solvants simples à mettre en oeuvre, peu coûteux et respectueux des principes de la chimie verte. Pour la production des acétates d’éthyle et de butyle, deux voies de synthèse ont été étudiées en présence d’une résine échangeuse d'ions comme catalyseur hétérogène. La première voie utilise de l'acide acétique et l’alcool biosourcé correspondant (éthanol ou le butan-1-ol); la seconde met en jeu l’anhydride acétique à la place de l’acide acétique. Dans ces synthèses, quatre résines ont été testées. Des études cinétiques et thermodynamiques ont permis de choisir la résine la plus performante et les conditions de réaction les plus adaptées. Cette étude a finalement permis de proposer un procédé de coproduction des deux acétates efficace et innovant dans lequel la purification des acétates est facilitée, la production de déchets et coproduits est réduite et le recyclage de la résine est possible. L'évaluation des performances des acétates synthétisés dans des formulations de laques nitrocellulosiques et de vernis polyuréthanes a permis de montrer que ces molécules répondent au cahier des charges en terme de séchage, viscosité, formation de film, brillance et adhérence. Enfin, le bénéfice environnemental du processus de coproduction a été mis en évidence par le calcul des métriques de la chimie verte et l'analyse du cycle de vie des esters produits. De plus, l'influence de l'origine des alcools, biosourcés ou pétrochimiques, sur l’impact environnemental a été évaluée. L’impact sur le changement climatique est réduit avec l’utilisation des synthons bio-sourcés. Pour la synthèse de la méthyl éthyl cétone, nous avons décidé d’étudier la réaction de décarboxylation de l’acide lévulinique, molécule plateforme biosourcée disponible et peu coûteuse. Contrairement au principal procédé industriel qui repose sur la déshydrogénation du butan-2-ol d'origine fossile, la méthode développée dans ces travaux utilise des conditions plus respectueuses de l’environnement puisqu’elle est réalisée dans l’eau en présence de persulfate de potassium et d’un sel d'argent à une température raisonnable (100°C). L'évaluation du rôle de chacun des réactifs a permis de proposer un mécanisme réactionnel complexe de cette synthèse. L'étude de l’évolution des espèces en phase solide réalisés par diverses analyses spectroscopiques (RMN du solide, DRX, XPS, AES et MEB) a permis de mettre en évidence les espèces impliquées dans la décarboxylation et finalement de proposer une méthode permettant d’obtenir des conversions et des rendements élevés. / Global solvent production accounts for about 28 million tonnes, including 5 million tonnes in Europe. The paint and coating industry is the main consumer (46% of the solvents produced). In this sector, the most used solvents are ethyl acetate, butyl acetate and methyl ethyl ketone. These molecules are currently synthesized industrially from petrochemical substrates in the presence of homogeneous catalysts and under energy-consuming conditions. In order to reduce the environmental impact of paints and coatings, the substitution of these fossil-based solvents by their bio-based equivalents has been studied in the framework of the European project ECOBIOFOR (FP7/2007-2013/Grant Agreement no 605215), in which this thesis work was inscribed. Thus, the objective of this thesis was to develop production processes for these three solvents that would start from renewable synthons and would be simple to implement, inexpensive and respectful of the principles of green chemistry. For the production of ethyl and butyl acetates, two synthetic routes have been studied in the presence of an ion exchange resin as a heterogeneous catalyst. The first route uses acetic acid and the corresponding bio-based alcohol (ethanol or butan-1-ol); the second involves acetic anhydride instead of acetic acid. Kinetic and thermodynamic studies have led to select the most efficient resin and the most suitable reaction conditions. This study has finally allowed to propose an efficient and innovative coproduction process for the two targeted acetates in which their purification is facilitated, the production of waste and co-products is reduced and the recycling of the resin is possible. The evaluation of the performance of the synthesized acetates in nitrocellulose lacquer and polyurethane varnish formulations has shown that these molecules meet the specifications in terms of drying, viscosity, film formation, gloss and adhesion. Finally, the environmental benefit of the co-production process was highlighted by the calculation of green metrics and the life cycle assessment (LCA) of the produced esters. Furthermore, the influence of the origin of alcohols (bio-based or petrochemical) on the environmental impact was evaluated. The impact on climate change is reduced through the use of bio-sourced synthons. For the synthesis of methyl ethyl ketone, we decided to study the decarboxylation reaction of levulinic acid, which is a bio-based platform molecule available and inexpensive. Unlike the main industrial process, which relies on the dehydrogenation of butan-2-ol from fossil origin, the method developed in this work uses conditions that are more respectful of the environment since the reaction is carried out in water in the presence of potassium persulfate and a silver salt at a moderate temperature (100°C). The evaluation of the role of each of the reagents allowed us to propose a complex reaction mechanism for this reaction. The study of the evolution of the solid phase species carried out through various spectroscopic analyzes (SSNMR, XRD, XPS, AES and SEM) made it possible to highlight the species involved in the decarboxylation and finally to propose a method to obtain high conversions and yields.