Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet CHEMLIVAL qui vise à valoriser la lignine en composés aromatiques fonctionnalisés (fonction : aldéhydes, acides carboxyliques, phénols) pour des applications en chimie fine ou polymères. Pour ce faire, nous avons étudié la valorisation de la lignine par voie d'oxydation catalytique hétérogène en milieu alcalin, une méthodologie respectueuse de l'environnement, pour la production de composés aromatiques telle que la vanilline ou la syringaldéhyde. Précédés par une caractérisation poussée des lignines utilisées dans cette étude, une optimisation des paramètres de la réaction (température, pression, catalyseurs…) ainsi que des suivis cinétique ont été réalisés. Ainsi des résultats comparables, voire supérieurs, à ceux décrits dans la littérature ont été obtenus. Ces travaux ont montré que la nature de la lignine ainsi que le procédé d'extraction lié à celle-ci avaient une grande influence sur les rendements en composés aromatiques. De plus, les résultats obtenus ont permis de proposer un schéma réactionnel d'oxydation de la lignine. L'utilisation d'un catalyseur (Pt/TiO2) a montré un effet bénéfique sur les rendements en composés aromatiques, probablement via un nouveau mécanisme d'oxydation de la lignine métallo-initié qui reste encore à élucider / This work is part of the CHEMLIVAL project aiming at the lignin valorization into functionalized aromatics compounds (functions : aldehydes, carboxylic acids, phenols) for fine chemistry or polymer applications. With this in mind, we studied lignin valorization through heterogeneous catalytic oxidation in alkaline media, an environmental friendly approach, for the production of aromatic compounds such as vanillin or syringaldehyde. After an extensive characterization of the different lignin samples used, we proceeded to an optimization of the conditions parameters (temperature, pressure, catalysts…) and kinetics study. As a results, yields similar or even higher than those reported in the literature were obtained. This work demonstrated that the lignin source as well as its extraction process has a great influence over the aromatic yields. Furthermore, the results acquired allowed us to propose a reaction scheme for lignin oxidation. The use of a catalyst (Pt/TiO2) was found to be beneficial for the production of aromatic compounds probably due to metallo-initiated mechanism that still needs to be identified

Cette thèse en partenariat avec Total Petrochemicals, porte sur deux grands axes: la préparation de nouveaux catalyseurs pour la polymérisation d'éthylène et l'analyse des propriétés des polyéthylènes obtenus. Face au grand nombre de combinaisons à tester et à la diversité de polymères produits, des méthodes de travail haut-débit sont indispensables pour la comparaison et la distinction de produits d'intérêt. Ainsi, le développement d'une nouvelle méthode de préparation de catalyseurs et de polymérisation en parallèle a permis de comparer directement et visuellement plusieurs complexes catalytiques suivant leur activité. Des méthodes d'analyse en parallèle ont également conduit à la comparaison de polyéthylènes produits suivant leur densité, leur température de fusion et leurs masses moléculaires. La détermination des masses moléculaires en parallèle a nécessité la conception d'un prototype de chromatographie planaire et le développement d'une nouvelle méthode d'analyse. L'ensemble de ces travaux en haut-débit a fourni un grand nombre d'informations. Le traitement statistique de cette banque de données permet d'apporter un outil de comparaison multi-paramètres et d'aide à la compréhension des relations catalyseur/propriétés de polymères. / This thesis in partnership with Petrochemicals Total, is composed of two main axis: preparation of new catalysts for ethylene polymerization and analysis of the properties of polyethylenes obtained. Face to a large number of combinations being tested and the diversity of produced polymer, high-throughput methods are essential for the comparison and the distinction of products of interest. Thus, the development of a new method for the preparation of catalysts and for polymerization in parallel leads to compare directly and visually several catalytic complexes according to their activity. Methods of analysis in parallel also led to the polyethylene comparison produced according to their density, melting point and molecular masses. The determination of the molecular masses in parallel required the design of a planar prototype of chromatography and the development of a new method of analysis. The whole of this work in highthroughput provided a large number of information. The statistical processing of this data bank brings a tool of multivariate comparison and helps to the comprehension of the relations catalyst/polymer properties.

Le sujet de cette thèse concerne l'étude de complexes du molybdène de formule [MoO2L]n (L étant un ligand base de Schiff tridente ayant une coordination ONO ou ONS autour du molybdène) en tant que catalyseurs d'époxydation d'oléfines sans solvant organique ajouté. Le travail s'est concentré sur quatre des douze principes de la chimie verte: l'utilisation de la catalyse plutôt que des transformations stœchiométriques, l'utilisation de procédures sans solvant organique ajouté plutôt que des procédures opérant dans des solvants organiques, l'utilisation de substrats renouvelables et le greffage de catalyseurs pour leur récupération. La première partie du manuscrit présente un état de l'art concis de la chimie des complexes du molybdène à ligands similaires de ceux utilisés dans cette thèse. Des aspects spécifiques comme l'effet des substituants sur les ligands et les différentes activités - essentiellement catalytiques - observées en milieu organique ont été recensées. Un partie de ce chapitre est aussi dédiée aux différentes stratégies employées pour le greffage de complexes du molybdène sur des supports solides ainsi que l'utilisation des complexes supportés résultants en catalyse homogène hétérogénéisée. Cette partie bibliographique est suivie d'un chapitre détaillant la synthèse et la caractérisation de tous les complexes moléculaires utilisés comme catalyseurs. Ce chapitre montre les différentes substitutions opérées sur les ligands, c.-à-d. remplaçant la sphère de coordination ONO par ONS et ajoutant différents substituants sur les ligands, telles des fonctions OH libres ou des substituants donneurs (diéthylamino) et/ou attracteurs (nitro) à différentes positions sur le ligand tridente afin de modifier l'activité catalytique. Six des complexes ont pu être caractérisés par diffraction des rayons X. Le troisième chapitre reporte les résultats obtenus pour l'époxydation catalysée sans solvant organique ajouté du cyclooctène (substrat modèle) utilisant tous les complexes du molybdène présentés dans le chapitre précédent. Il est montré que la nature de la sphère de coordination autour le molybdène (ONO vs ONS) est en faveur de la deuxième en terme d'activité catalytique en faveur de l'époxyde désiré. Les réactions catalysées par les complexes contenant des OH libres ont montré des effets plus significatifs dans le cas de la sphère de coordination ONO que dans le cas des ONS correspondants. L'époxydation en présence de substituants diéthylamino et/ou nitro sur le ligand ONO ont révélé que l'activité catalytique était améliorée par le groupement attracteur d'électrons. Les recherches catalytiques ont été poursuivies par l'époxydation du cyclohexène et d'un substrat naturel, le limonène. Cette étude a montré que des oxydes de limonène et/ou des limonènes diols étaient générés, en fonction de la nature du catalyseur. Les complexes ONS sont très réactifs et conduisent rapidement aux limonènes diols. L'effet de différents paramètres a été étudié avec une attention particulière à la température de réaction. Enfin, un complexe stable ONO du molybdène a été greffé sur une résine de Merrifield commerciale. De différentes stratégies de greffage sont présentées. Les objets isolés ont été testés comme catalyseurs en condition sans solvant organique ajouté pour l'époxydation du cyclooctène. Les résultats catalytiques sont prometteurs en termes d'activité et des tests de récupération/recyclage ont montré que les catalyseurs pouvaient être utilisés trois fois sans perte significative de conversion et de sélectivité. Toutefois, un peu de relargage du métal a été observé. / The work of this PhD thesis deals with the study of molybdenum complexes of general formula [MoO2L]n (L being a tridentate Schiff base ligand with an ONO or ONS coordination sphere around the molybdenum) as catalysts for the organic solvent-free epoxidation of olefins. Within the spirit of Green Chemistry, the work has focused on four of the twelve Green Chemistry principles: the use of catalysis rather than stoichiometric transformations, the use of organic solvent-free procedures rather than operating in solution of organic solvents, the use of renewable substrates and the grafting of catalysts for their recovery. The first part of the manuscript presents a concise state of the art on the chemistry of molybdenum complexes with ligands similar to those used within the thesis. Specific aspects such as the effect of ligand substituents and the different activities - mainly catalytic - observed in organic media are reviewed. A section of this chapter is dedicated to the different strategies employed for the grafting of molybdenum complexes to solid supports as well as to the use of the resulting supported complexes in heterogenized homogeneous catalysis. The next chapter details the synthesis and characterization of all the molecular complexes used as catalysts. This chapter shows the different substitutions operated on the ligands, i.e. changing the ONO coordination sphere to ONS and adding different substituents on the ligands, i.e. OH free functions or additional donor (diethylamino) and/or withdrawing (nitro) substituents at different positions on the tridentate ligand in order to modify the catalytic activity. Six of the synthesized complexes could be characterized by X-ray crystallography. The third chapter reports the results obtained for the catalyzed organic solvent-free epoxidation of cyclooctene as a model substrate using all the molybdenum complexes presented in the previous chapter. It is shown that the nature of the coordination sphere around the molybdenum (ONO vs ONS) is in favour of the latter in terms of catalytic activity towards the formation of the desired epoxide. The catalyzed reactions with complexes containing an OH substituent at different positions on the aromatic ring have shown more significant effects in the case of the ONO coordination sphere than in the corresponding ONS case. The epoxidation performed in the presence of a dimethylamino and/or a nitro substituent on the ONO ligand revealed that the catalytic activity is enhanced by the electron withdrawing group. The catalytic investigations were pursued by the epoxidation of cyclohexene and of one natural substrate, limonene. This study has shown that limonene oxides and/or limonene diols are generated, depending on the nature of the catalyst. The ONS complexes are very reactive and quickly lead to the limonene diols. The effect of different parameters has been studied with particular attention to the reaction temperature. Finally, one stable molybdenum complex with an ONO coordination sphere has been grafted onto a commercial Merrifield resin. Different grafting strategies are presented. The isolated objects have been tested as catalysts under organic solvent-free conditions for the epoxidation of cyclooctene. The catalytic results are promising in terms of activity and the recovery/recycling tests have shown that the catalysts could be used three times without significant decrease of conversion and selectivity, but some metal leaching was observed.

Ces travaux de thèse ont été développés dans un contexte de motivation générale de développement de modes de transport plus électrifiés et plus respectueux de l'environnement, dans le but de réduire considérablement les émissions de gaz à l'effet de serre. Plus particulièrement l'objectif de ce projet de thèse a été d'étudier la faisabilité d'un concept de génération d'hydrogène à bord, par déshydrogénation catalytique partielle (PDh) du carburant, permettent d'obtenir de l'hydrogène pour alimenter une pile à combustibles embarquée en replacement des unités de puissance auxiliaires. Dans un même temps le combustible qui n'est que partiellement déshydrogéné conserve ses propriétés et peut être réinjecté dans le pool de carburant. Cette thèse est divisée en deux grandes parties. Une première partie décrit les travaux de recherche sur la déshydrogénation partielle du kérosène pour la production d'hydrogène à bord d'un avion. Le choix du catalyseur est crucial, il doit permettre de produire de l'hydrogène de haute pureté sans compromettre les propriétés d'origine du kérosène. Des matériaux avancés, composés de métaux imprégnés sur des nouveaux supports ont été développés, caractérisés et évalués en tant que catalyseur dans la réaction de PDh. L'influence de la composition du catalyseur sur son activité, sélectivité et durée de vie ainsi que les mécanismes de désactivation ont été étudiés. Un matériau catalytique optimisé composé d'une phase active de 1% Pt - 1 % Sn (m/m) supporté sur une γ-alumine à porosité contrôlée, a permis une production d'hydrogène de 3500 NL•h-1•kgcat-1, avec une pureté de 97,6% vol. et un temps de vie de 79 h, ce qui correspond à une puissance électrique fournie par une pile à combustible de 3,5 kW.La deuxième partie du manuscrit décrit une étude sur le diesel et l'essence et sur la faisabilité de la génération d'hydrogène par PDh des carburants autres que le kérosène. Les résultats obtenus avec le même matériau sont encourageants et montre une application possible dans des domaines de transports autres que l'aviation. Les résultats les plus significatifs obtenus avec des substituts de gasoil et d'essence sont respectivement des valeurs de productivité d'hydrogène de 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 avec des temps de vie de 29 et 376 h et une pureté supérieur à 99 % vol. pour le deux. / This thesis work have been developed in the general context of the development of more electrified and environmentally friendly means of transport, in order to significantly reduce greenhouse gases emissions. More specifically, the objective of this thesis project was to study the feasibility of the concept of on-board hydrogen generation by catalytic partial dehydrogenation (PDh) of fuel. The hydrogen produced serves to power a fuel cell system that replaces vehicles auxiliary power units. At the same time the fuel, that is only partially dehydrogenated, maintains its properties and can be re-injected into the fuel pool.This thesis is divided into two main parts. The first part describes the research on the PDh of kerosene to produce hydrogen on-board an aircraft. The choice of the catalyst is crucial: it should allow to produce high purity hydrogen without compromising the original properties of kerosene. Advanced materials, composed by metals impregnated on different supports, have been developed, characterized and evaluated as a catalysts in the reaction of PDh. The influence of catalyst composition on the activity, selectivity and stability as well as the deactivation mechanisms were studied. One of the optimized catalytic materials, composed of a 1% Pt - Sn 1% (w/w) active phase supported on a γ-alumina with controlled porosity, allowed a hydrogen production of 3500 NL•h-1•kgcat-1, with a purity of 97.6% vol. and a lifetime of 79 h, which corresponds to 3.5 kW of electric power supplied by fuel cells.The second part of the manuscript describes a study on diesel and gasoline and asses the feasibility of hydrogen generation by PDh of fuels different from kerosene. The results obtained with the previously mentioned catalyst are encouraging and show the possibility of applying this concept to other fields of transportation beside the aviation. The most significant results obtained with gasoline and diesel surrogates are respectively a hydrogen productivity value of 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 with lifetimes of 29 and 376 h and a purity that exceeds 99% vol. in both cases.

La conversion du méthanol par les zéolithes est l'une des applications les plus prometteuses pour l'obtention d'hydrocarbures (oléfines, essences, gasoils) à partir de sources alternatives au pétrole (gaz naturel, charbon, biomasse). Dans cette thèse, un procédé catalytique multi-étapes permettant la conversion du méthanol en hydrocarbures à longue chaîne a été imaginé.Le méthanol est converti en oléfines légères par différents catalyseurs zéolithiques dans un réacteur à lit fixe sous flux continu et en phase gazeuse. L'utilisation de la ferrierite dessilicatée, de la chabazite désaluminée, de la MCM-22 et de la MCM-36 est détaillée. Les oléfines inférieures sont ensuite oligomérisées. L'oligomérisation de l'éthylène catalysée par des solides mésoporeux de type MCM-41 échangés au nickel et la co-oligomérisation des oléfines inférieures par catalyse acide sur H-MCM-41 ont été étudiées. Ces réactions ont été mises en oeuvre dans un autoclave semi-continu de type slurry. / Methanol conversion into hydrocarbons (olefins, gasoline and diesel fuel) over zeolites is one of the most promising applications involving non-oil based sources (natural gas, coal, and biomass). In this thesis, a multi-step catalytic process for converting methanol into long-chain hydrocarbons has been designed.Methanol was converted into light olefins by different zeolitic catalysts in a fixed bed reactor under continuous flow in gas phase. The use of dessilicated ferrierite, dealuminated chabazite, MCM-22 and MCM-36 has been investigated. Then, the lower olefins were oligomerized. The oligomerization of ethylene catalyzed by nickel exchanged mesoporous MCM-41 and co-oligomerization of lower olefins by H-MCM-41 acid catalyst were studied. These reactions were performed in a gas-slurry reactor operating in semi-batch mode.

Grâce à ses propriétés optiques originales, une NanoParticule d’Or (NPO) excitée peut se comporter comme une nano-source de lumière, de chaleur et d’électrons chauds. Ces propriétés plasmoniques remarquables sont exploitées dans de nombreuses transformations chimiques. Dans ce contexte, la photocatalyse plasmonique basée sur le transfert d’électrons entre une NPO et un semi-conducteur a été proposée. Cependant, peu d’études sont centrées sur l’influence du plasmon et la contribution respective de ses effets locaux (thermiques et électroniques) sur ce transfert utilisé en photocatalyse. Ici, nous abordons ces problématiques à travers 3 réactions catalytiques. Premièrement, nous montrons la faisabilité de l'oxydation efficace et sélective de glycérol sans aucune source externe de chaleur grâce à l’effet thermoplasmonique local de la NPO. Nous étudions ensuite la dégradation de bisphénol-A sur différents supports catalytiques. Nos résultats montrent que la NPO joue un rôle primordial à travers le transfert d’électrons mais aussi en tant que nano-source de chaleur permettant d’accélérer la cinétique et d’éliminer ainsi totalement et rapidement ce perturbateur endocrinien. Enfin, nous avons développé un montage optique pour étudier la dégradation de polluants à l'échelle nanométrique. Pour cela, nous avons réalisé un système hybride à base de NPOs couplées à un nanofilm de TiO2 par structuration laser. Nos travaux montrent que l’activité catalytique est corrélée aux dimensions structurales des NPOs. Ces résultats ouvrent la voie vers l'exploitation de nombreux processus industriels sous lumière solaire / The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) of Gold NanoParticles (GNPs) can give many physical effects such as near-field enhancement, heat generation and hot electron injection, which have been investigated in many chemical transformations. In that context, the plasmonic photocatalysis based on electron transfer from GNP to a semi-conductor has been proposed. However, few studies are focused on the influence of LSPR features and the respective contribution of its local effects (thermal and electronic) on the photocatalytic activity. These issues are addressed herein through 3 catalytic reactions. First, the efficient and selective oxidation of glycerol in the presence of supported GNPs is demonstrated under laser irradiation and without any external source of heat, thanks to the local heat generation and hot electron transfer. The respective contributions of these effects is further investigated in plasmonic photocatalysis by following the degradation of Bisphenol-A. Our results show that GNP plays a major role through hot electron transfer but also as a nano-source of heat that accelerates the reaction and leads to a fast and total elimination of this endocrine disruptor. Finally, an optical set-up is developed for studying the plasmonic photocatalysis at the nanoscale. For this, a hybrid system of GNPs coupled to a TiO2 nanofilm is realized by laser nanostructuring. Our investigations show that photocatalytic activity is correlated to the LSPR (size and shape of GNPs, hot spots). These results open the way for exploiting valuable and industrial reactions under solar light

Dans le contexte de la recherche de catalyseurs actifs et sélectifs pour des réactions d’oxydation, l’or nanoporeux s’avère être un bon candidat. Sa synthèse se fait à partir d’alliages or-argent et la question de l’influence des résidus d’argent se pose lorsque que l’on cherche à expliquer la réactivité du catalyseur étant donné que l’or pur, même sous une forme nanoporeuse, reste un piètre catalyseur. La composition superficielle d’un alliage or-argent et son rôle en catalyse étant un sujet de controverse, l’objet de ce travail est d’identifier les paramètres physico-chimiques affectant la mobilité des atomes d’or et d’argent à la surface et au sein d’une matrice à priori solide. Pour ce faire, nous avons étudié les processus de ségrégation ayant lieu à la surface de catalyseurs nanoporeux d’Au-Ag lorsque ceux-ci sont soumis à différentes contraintes physico-chimiques. Les études ont été menées sur des pointes nanométriques d’Au-Ag dont la surface hémisphérique modélise parfaitement la surface courbe des ligaments de l’or nanoporeux.La première partie de ce projet consiste en la caractérisation de l’alliage étudié par microscopie. Nous y avons démontré que le matériau est formé de nombreux microcristaux empilés les uns sur les autres qui, bien que l’alliage soit habituellement considéré comme une solution solide homogène, sont chacun composés d’une quantité d’or et d’argent variable oscillante en gaussienne autour des 8 ± 2 %at. en argent. Les mesures LEAP (de Local Electrode Atom Probe) ont aussi mis en évidence que ces microcristaux individuellement sont cristallins, et s’ordonnent comme attendu selon le réseau cubique à faces centrées. Toutes les observations et analyses nous ont permis de mettre au point le protocole optimal à suivre lors des évaporations de l’Au-Ag afin d’en maximiser son bon déroulement.Durant la seconde partie du projet, les échantillons sous la forme de pointes nanométriques ont été soumis à différents traitements physiques et chimiques afin de faire écho aux différentes étapes de préparation et de prétraitement que subissent les catalyseurs. Notre étude comporte donc des recuits sous ultra haut vide, des traitements sous des atmosphères oxydantes (O2 et N2O) qui font partie des étapes de prétraitement de l’or nanoporeux et des traitements sous des atmosphères réductrices, en particulier en présence de CO.Nos résultats montrent une tendance univoque de l’argent à se concentrer en surface après des longs (17 h) recuits sous ultra haut vide; induite d’une part par de l’O(ads) procuré par les précurseurs gazeux O2 et N2O. Nous avons identifié deux modes de diffusion différents des atomes d’argent vers la surface de l’alliage. Il s’agit d’une diffusion latérale majoritaire, en surface, couplée à une diffusion perpendiculaire occasionnelle impliquant la mobilité d’atomes du coeur de phase. Enfin en comparant nos résultats avec la littérature, nous sommes arrivés à la conclusion que la force motrice la plus importante lors de la ségrégation de l’argent était la minimisation de la tension de surface élevée sur nos échantillons en forme de pointe nanométrique.iiCette tendance générale résulte en l’observation de ségrégations plus marquées que celles préalablement évoquées dans la littérature sur des échantillons de surfaces moins courbées. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La réaction d'Orito est une réaction catalytique impliquant l'hydrogénation énantiosélective des α-céto-esters et des cétones activées. Cette réaction est généralement effectuée avec un catalyseur hétérogène sur lequel est adsorbée une molécule chirale que l'on appelle dans ce contexte modificateur. D'autres réactions énantiosélective sont possibles par cette technique, mais l'hydrogénation est celle qui est la plus largement étudiée. La présente étude est axée sur la compréhension du mécanisme à l'origine de l'énantiosélectivité de la réaction d'Orito. Près de 30 ans après sa découverte par Orito, cette réaction est encore mal comprise. La compréhension des mécanismes à l'origine des réactions présentement utilisées est pourtant la première étape avant l'exportation de ces connaissances à d'autres procédés. La perception générale des principes de la catalyse hétérogène asymétrique comme trop compliquée ou comme propre à une mince gamme de réactions nuit beaucoup au développement d'autres réactions s'appuyant sur les mêmes fondations. La catalyse hétérogène asymétrique possède pourtant plusieurs avantages, notamment en ce qui a trait à la séparation du produit et à la réduction des coûts et des rejets. Les outils et techniques modernes offrent aujourd'hui des moyens qui n'étaient pas disponibles il y a seulement quelques années. Ils permettent d'aller sonder au coeur de la réaction les mécanismes à l'origine de l'énantiosélectivité d'un système. Le 2,2,2-trifluoroacétophénone (TFAP) une cétone activée, possède plusieurs atouts qui en font un excellent sujet d'étude. Le produit de l'hydrogénation chirale de composée fluorée démontre un grand potentiel comme agent antiinflammatoire, anticancer ou médicament cardiovasculaire. Une publication de Bartok et al. [3] présente ses travaux sur l'hydrogénation du TFAP par du Pt/A1O₃ modifié avec systématiquement plusieurs molécules de la famille cinchonas La cinchonidine (CD) est un produit naturel peu coûteux qui reste encore aujourd'hui le modificateur le plus utilisé et étudié. Il est généralement reconnu dans la littérature que l'induction de l'asymétrie implique la formation de complexes un pour un (1 :1) entre la CD et V a-céto-esters à la surface du catalyseur. Dans son étude des performances énantiosélectives de cette réaction dans différentes conditions avec différend modificateur, Bartok note plusieurs effets de solvants et additifs et présentent les résultats de taux de conversion et les pourcentages d'énantiosélectivité pour chacun. Ils découvrent notamment que l'ajout de petites quantités d'acide trifluoroacétique (TFA) au solvant ralentit la réaction, mais augmentent considérablement l'énantiosélectivité. Les auteurs spéculent sur la formation d'un complexe de trois molécules entre le TFAP, la cinchonidine et le TFA. Les travaux présentés dans ce mémoire porteront en partie sur la co-adsorption sur un cristal de platine (111) du TFAP et du TFA dans le but d'explorer par microscopie à effet tunnel de possibles interactions entre le TFA et le TFAP, qui pourrait expliquer l'augmentation de l'énantiosélectivité et le ralentissement de la réaction. La deuxième partie des travaux présentés portera sur l'étude préliminaire de l'adsorption de la cinchonidine sur le platine. La théorie essentielle à la compréhension du projet sera tout d'abord présentée. Les systèmes et appareils nécessaires pour l'étude par microscopie à effet tunnel (STM) d'adsorption de molécules sur un cristal de platine ainsi que la modification de la chambre de traitement de l'échantillon du montage seront ensuite décrits en détail dans la partie expérimentale. Une description détaillée de la marche à suivre pour opérer le système est également fournie en annexe sous la forme d'une procédure d'opération. La partie résultats couvrira plus spécifiquement l'étude de l'effet d'un additif, le TFA, sur la formation de dimères du réactif TFAP. Ces résultats font l'objet d'une publication [19]. Les résultats d'études de la co-adsorption du TFAP et TFA seront présentés et discutés en tenant compte des résultats de Bartok et al. [3] sur l'effet de l'ajout de TFA sur l'hydrogénation énantiosélective du TFAP par du platine modifié à la CD. Nos résultats STM montrent que la présence de faibles quantités de TFA sur la face (111) du platine inhiberait la formation de dimères de TFAP. Une revue des données disponibles sur l'hydrogénation énantiosélective du TFAP suggère que ce phénomène pourrait expliquer, en partie au moins, le ralentissement de la réaction qui accompagne l'augmentation de l'énantiosélectivité observé par Bartok et al. [3] lors de ces expériences avec le TFA [3]. Il sera par la suite présenté des résultats préliminaires sur l'adsorption de la CD sur Pt (111) qui seront comparés aux résultats DFTs disponibles dans la littérature. / Réaction d'Orito

De nos jours, plus de 80% de l'industrie chimique est basée sur des processus catalytiques hétérogènes nous fournissant ainsi de l'énergie, des aliments, des médicaments, la protection des cultures et de nouveaux produits. Bien que la catalyse soit un domaine stratégique de la chimie, le niveau de compréhension de la catalyse hétérogène est quant à lui assez limité, surtout lorsqu'il est comparé à celui de la catalyse homogène. Dans le travail présenté, nous essayons d'élargir la connaissance des systèmes catalytiques hétérogènes basés sur la silice mésoporeuse hybride fonctionnalisée et de les analyser dans différents processus de chimie verte, spécialement ceux en rapport avec la capture et la transformation du CO2. Pour la capture du CO2, le concept bien connu des paires de Lewis frustrées a été appliqué à la silice mésoporeuse, avec pour résultat la première synthèse de paires d'acides et de bases de Lewis hétérogènes stables. Tout d'abord, la synthèse de la silice mésoporeuse Al-, Ti-, Zr-SBA-15 portant un caractère acide de Lewis très fort grâce à la réaction de silanols de surface avec des complexes métalliques homogènes est présentée. La capacité des matériaux à catalyser l'amidation directe d'amines pauvres en électrons et stériquement encombrées soutient la présence de centres métalliques acides de Lewis hautement actifs et de leur tolérance à l'eau. De plus, le développement de paires de Lewis frustrées solides à l’aide des silices mésoporeuses Al-, Ti- et Zr-SBA-15 est discuté. Une série de bases de Lewis classiques, tels que la diéthylènetriamine, les dérivés de la diphénylphosphine, la triéthylamine et le tétraméthylpipéridine sont greffées ou imprégnées sur la surface de Ti-, Al-, Zr-SBA-15 pour générer des paires acide-base de Lewis solides et stables à l’air. La préservation des deux propriétés acides et basiques est examinée après la formation des paires d’acide-base de Lewis solides. Une étude de leurs interactions avec le CO2 est effectuée à l’aide de la spectroscopie RMN à l’état solide et d’expériences d’adsorption de CO2, ce qui donne une nouvelle vision de leur applicabilité comme adsorbants solides du CO2. Une corrélation entre la force des couples acide-base de Lewis et l’affinité au CO2 est proposée sur la base du calcul de la chaleur isostérique d’adsorption. Pour la transformation du CO2, l'étude de l'effet de confinement dans les nanopores de silice et son application dans la cycloaddition catalytique du dioxyde de carbone aux époxydes est présentée. La synthèse d’adsorbants mésoporeux hybrides de CO2 avec les silices MCM-41 et SBA-15 est réalisée et les critères d'un système catalytique efficace sont définis et optimisés. Cela a pour résultat un nouveau catalyseur hétérogène très efficace, capable d'effectuer la transformation du dioxyde de carbone à température ambiante et à pression atmosphérique sans pré-activation chimique des matières de départ. / Nowadays over 80% of the chemical industry is based on heterogeneous catalytic processes supplying us with energy, aliments, medicines, crop protection, and new commodities. Even though catalysis remains a strategic field of chemistry, the level of understanding of heterogeneous catalysis is still quite limited, especially when compared to that of homogeneous catalysis. In the present work, we try to expand the knowledge of heterogeneous catalytic systems based on functionalized hybrid mesoporous silica and probe them in different green chemistry processes, especially in relation to the capture and transformation of CO2. For CO2 capture, the well-known concept of frustrated Lewis pairs is translated on the surface of mesoporous silica, resulting in the synthesis of stable heterogenized Lewis acid-base pairs. Firstly, the synthesis of Al-, Ti-, Zr-SBA-15 mesoporous silica carrying very strong Lewis acidic character through the reaction of surface silanol groups with homogeneous metallic complexes is presented. The ability of these materials to catalyse the direct amidation of electron-poor and bulky amines supports the presence of highly active Lewis acidic metallic centers and their water-tolerance. Furthermore, the development of solid supported frustrated Lewis pairs (sFLPs) using Al-, Ti-, Zr-SBA-15 mesoporous silica is discussed. A series of conventional Lewis bases, such as diethylenetriamine, diphenylphosphine derivatives, triethylamine, and tetramethylpiperidine are grafted or impregnated on the surface of Ti-, Al-, Zr-SBA-15 to generate air-stable solid-supported Lewis acid-base pairs. The preservation of both Lewis acidic and basic properties after the solid Lewis acid-base pairs are formed is examined. Study of their interactions with CO2 is performed using solid state NMR spectroscopy and CO2 adsorption experiments, which provides a new insight in their applicability as solid CO2 adsorbents. A correlation between the solid supported Lewis acid-base pair strength and the affinity to CO2 is proposed based on the calculation of isosteric heat of adsorption. For CO2 transformation, the study of confinement effect in silica nanopores and its application in catalytic cycloaddition of carbon dioxide to epoxides is presented. The synthesis of hybrid mesoporous adsorbents of CO2 on the base of MCM-41 and SBA-15 silica is performed and the criteria for an efficient catalytic system are defined and optimised, providing a novel and very efficient heterogeneous catalyst, capable of performing the transformation of carbon dioxide at room temperature under an atmospheric pressure without any chemical pre-activation of starting materials.

Les catalyseurs à base de palladium/platine (Pd/Pt) étudiés font partie d'une nouvelle gamme de catalyseurs hétérogènes développée chez SiliCycle pour la chimie fine et la chimie pharmaceutique. Ces catalyseurs sont des nanoparticules (NPs) de Pd/Pt séquestrées dans les cages mésoporeuses d’un support organosilicique MeSiO₁, ₅. Le caractère hydrophobe des catalyseurs est généré par la présence des groupes méthyle du silane méthyltriétoxysilane (MTES) utilisé comme monomère dans la synthèse du support. Ces catalyseurs hétérogènes, stables à l’air et à l’humidité, se sont révélés hautement réactifs dans de nombreuses réactions chimiques, notamment dans des conditions douces de température et de pression, comme par exemple dans des réactions de couplages carbone-carbone, d’hydrogénation ou d’hydrosilylation. La problématique est que ces catalyseurs se sont révélés réactifs seulement pour des faibles teneurs en métal (0,5 % massique de Pd et 2,0 % massique de Pt) et que leur activité catalytique diminue considérablement lors des essais de réutilisation à température et pression éllevées. Dans ces conditions, les catalyseurs ne sont plus réutilisables. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des améliorations à cette classe de catalyseurs hydrophobes afin d’augmenter d’avantage leur activité catalytique et leur sélectivité. Ainsi, des nouveaux matériaux catalytiques hétérogènes, caractérisés par une meilleure résistance mécanique et une meilleure stabilité de NPs métalliques de Pd/Pt au frittage avec une capacité de réutilisation élevée dans des conditions douces, mais également à des températures et des pressions élevées, ont été développés. Leur activité catalytique a été évaluée dans des applications vertes à fort impact industriel. L’activité catalytique des catalyseurs au Pd a été évaluée dans l’hydrogénation du squalène en squalane, un hydrocarbure entièrement saturé, facilement adopté par les formulateurs en cosmétique pour ses excellentes propriétés, comme par exemple sa grande stabilité à l’oxydation, au rancissement et à la chaleur. L’activité catalytique des catalyseurs au Pt a été évaluée dans la réaction d’hydrosilylation, l’une des méthodes les plus importantes pour la synthèse des composés organosiliciés et en particulier, pour la production des organosilanes par l’addition des liaisons Si-H aux doubles liaisons à l’échelle industrielle. / Tout d’abord, le support organosilicique a été dopé avec des unités Al₂O₃. Les nouveaux catalyseurs à base de NPs de Pd/Pt sur un support organosilicique dopé avec des unités Al₂O₃, Pd⁰/MeSiO₁, ₅- Al₂O₃ et Pt⁰/MeSiO₁, ₅- Al₂O₃, se sont démarqués par une stabilité élevée à l'air et à l'humidité. L’ajout de 2 % massique d’Al₂O₃ a permis d’augmenter la teneur en Pd de 0,5 à 2,0 % massique et la teneur en Pt de 2,0 à 5,0 % massique tout en maintenant une très grande dispersion du métal (NPs de Pd/Pt d’environ 2-4 nm). L’ajout d’Al₂O₃ a également augmenté leur activité catalytique autant dans des conditions douces qu’à température et pression élevées, en raison de la présence des sites acides. Cependant, les deux catalyseurs de morphologie irrégulière, synthétisés par une méthode sol-gel in-situ, ont échoué dans les essais de réutilisation. Cela est expliqué par la faible résistance mécanique du support en favorisant le frittage des NPs métalliques Afin d’augmenter la résistance mécanique du support et d’améliorer l’activité catalytique des catalyseurs hétérogènes au Pd/Pt, le procédé de synthèse sol-gel in-situ générant des matériaux de morphologie incontrôlable a été remplacé par un procédé de précipitation dans lequel des NPs métalliques ont été séquestrées dans les cages mésoporeuses d’une matrice 100 % organosilicique de morphologie sphérique. La synthèse des particules sphériques a été réalisée par un procédé d’émulsion huile-dans-eau en utilisant seulement du MTES comme précurseur de silice. Ce type de synthèse a permis de faire une condensation à une température de 90 °C pendant 24 h, ce qui a fortement augmenté la robustesse du support. L’activité catalytique du catalyseur de morphologie sphérique Pd⁰/MeSiO₁, ₅ avec une teneur en Pd de 2,5 % massique (NPs de Pd de 2-3 nm), a été évaluée dans l’hydrogénation catalytique du squalène végétal en l’absence de solvant, dans des conditions douces mais également dans des conditions plus sévères de température et de pression. Le catalyseur s’est avéré actif à des températures supérieures à 70 °C et à des pressions d’H₂ de 3 à 20 atm, pour des pourcentages molaires de Pd par rapport au squalène de 0,50 à 0,05 mol %. Le catalyseur a été facilement récupéré et réutilisé dans huit réactions consécutives avec de très petites quantités de Pd lessivé dans le produit brut de réaction (inférieure à 1 mg kg⁻¹), ouvrant ainsi la voie à une hydrogénation écologique et moins coûteuse du squalène végétale. L’activité catalytique du catalyseur de morphologie sphérique Pt⁰/MeSiO₁, ₅ avec une teneur en Pt de 5 % massique (NPs de Pt de 4-7 nm) a été évaluée dans l’hydrosilylation des oléfines en l’absence de solvant et à l’air. / Le catalyseur s’est avéré actif pour des pourcentages molaires de Pt par rapport à l’oléfine de 0,100 à 0,005 mol %. Le catalyseur a été facilement récupéré et réutilisé dans trois réactions consécutives avec de très faibles quantités de Pt lessivé dans le produit brut de réaction (inférieures à 5 mg kg⁻¹). Ce type de synthèse a permis de développer des catalyseurs plus actifs (conversion et sélectivité supérieures à 90 %), stables et réutilisables, ouvrant la voie à des applications vertes et moins coûteuses, d’une importance primordiale pour la chimie fine et pour l’industrie pharmaceutique. Ce projet se démarque par son originalité dans le type unique des supports développés pour séquestrer les NPs de Pd/Pt. Le caractère hydrophobe des supports synthétisés exclusivement à partir du silane hybride protège les NPs métalliques de l'oxydation. Nous avons montré que le xérogel de silice modifiée organiquement (100 % MTES) de morphologie sphérique et fonctionnalisée avec des NPs de Pd ou de Pt, Pd⁰/MeSiO₁, ₅ et Pt⁰/MeSiO₁, ₅ , conduit à des catalyseurs robustes, stables à l’air et à l’humidité, hautement actifs et sélectifs. Des essais catalytiques réalisés sur une période de deux ans avec les deux catalyseurs, conservés dans des conditions innertes ou à l’air, à 4 °C et à 22 °C, ont montré une activité catalytique inchangée. Les analyses d’adsorption d’N₂ et les analyses de difusion de la lumière ont montré des caractéristiques physiques similaires, même après deux ans. Comparés à d’autres catalyseurs commerciaux utilisés dans l’industrie, les catalyseurs hydrophobes de morphologie sphérique Pd⁰/MeSiO₁, ₅ et Pt⁰/MeSiO₁, ₅, commercialisés par SiliCycle Inc comme SiliaCat Pd⁰ et SiliaCat Pt⁰, ont montré les meilleures performances catalytiques. Ils peuvent facilement être manipulés à l'air, ne montrant aucune tendance à s'enflammer. Les catalyseurs développés sont disponibles pour effectuer des réactions en présence ou en l’absence de solvant, dans des conditions douces, mais également à des températures et à des pressions élevées. Ceci permert d’offrir des méthodes économiques appropriées pour fabriquer des produits à moindre coût, en utilisant des procédés totalement écologiques. / The addition to 2 wt% of Al₂O₃ made it possible to increase the Pd content from 0.5 to 2.0 wt% and the Pt content from 2.0 to 5.0 wt% while keeping a very high metal dispersion (Pd/Pt NPs of size 2-4 nm). The addition of Al₂O₃ also made it possible to increase their catalytic activity under mild conditions as well as at high temperature and pressure, due to the presence of acidic sites. However, both catalysts, synthesized by an in-situ sol-gel method, failed in the reuse tests. This is explained by the low mechanical resistance of the support favoring the sintering of metal NPs. To increase the mechanical resistance of the support and to improve the catalytic activity of Pd/Pt heterogeneous catalysts, the in-situ sol-gel synthesis process was replaced by a precipitation process where the metal NPs were sequestered in the mesoporous cages of a 100% hydrophobic organosilica support of spherical morphology. The synthesis of the spherical particles was carried out by an oil-in-water emulsion process using only MTES as a source of silica. This type of synthesis allowed extensive condensation at 90 °C for 24 h, which greatly increased the robustness of the support. The catalytic activity of the Pd⁰/MeSiO₁, ₅ spherical morphology catalyst, with a Pd content of 2.5 wt% (Pd NPs of size 2-3 nm) was evaluated in the catalytic hydrogenation of vegetable squalene in the absence of solvent, in mild conditions but also under more severe conditions of temperature and pressure. The catalyst was found to be active at temperatures above 70 °C and at H₂ pressures of 3 to 20 atm, for molar percentage of Pd relative to squalene of 0.50 to 0.05 mol %. The catalyst was easily recovered and reused in eight consecutive reactions with very small amounts of leached Pd in the reaction crude product (less than 1 mg kg⁻¹) paving the way for environmentally friendly and less expensive vegetable squalene hydrogenation. The catalytic activity of the Pt⁰/MeSiO₁, ₅ spherical morphology catalyst with a Pt content of 5 wt% (Pt NPs of size 4-7 nm) was evaluated in the hydrosilylation of olefins in the absence of solvent and in the air. The catalyst was found to be active at molar percentage of Pt relative to the olefin of 0.100 to 0.005 mol%. The catalyst was easily recovered and reused in three consecutive reactions with very small amounts of leached Pt in the silylated reaction crude product (less than 5 mg kg⁻¹). This type of synthesis has made it possible to develop catalysts that are more active (conversion and selectivity greater than 90%), stable and reusable, paving the way for green and less expensive applications, of paramount importance for fine chemistry and for pharmaceutical industry. / The originality of this project consists of the unique type of supports developed to encapsulate Pd/Pt NPs. The hydrophobicity of the supports synthesized exclusively from the organosilanes protects the metal NPs against oxidation. We have shown that the organically modified (100% MTES) spherical silica xerogel functionalized with NPs of Pd or Pt, Pd⁰/MeSiO₁, ₅ and Pt⁰/MeSiO₁, ₅, leads to highly active and selective, stables to air and moisture, robust catalysts. The catalytic test, carried out during a periode of two years with the two Pd/Pt catalysts stored under inert conditions or in air at 4 °C and 22 °C, showed unchanged catalytic activity. N₂- adsorption and light scattering analyzes showed similar physical characteristics even after two years. Compared with other commercial catalysts used in industry, the spherical hydrophobic catalysts Pd⁰/MeSiO₁, ₅ and Pt⁰/MeSiO₁, ₅, marketed by Silicycle Inc. as SiliaCat Pd⁰ and SiliaCat Pt⁰, showed the best catalytic performance. They can be easily handled in the air showing no tendency to ignite. The catalysts developed are available for carrying out reactions in the presence or absence of solvent, under mild conditions, but also at high temperature and pressure, thus offering economical methods suitable for making low-cost products, using a completely ecological process. / The heterogeneous palladium/platinum (Pd/Pt) catalysts studied are part of a new range of heterogeneous catalysts developed at SiliCycle Inc for fine chemicals and pharmaceutical chemistry. These catalysts are synthesized from Pd/Pt nanoparticles (NPs) sequestered in the mesoporous cages of hydrophobic organosilicon support MeSiO₁, ₅. The hydrophobic nature of the catalysts is generated by the presence of the methyl groups of the methyltriethoxysilane silane (MTES) used as a monomer in the synthesis of the support. These heterogeneous catalysts, stable in air and moisture, have been found to be very reactive in many chemical reactions, especially under mild conditions of temperature and pressure, for example in carboncarbon coupling reactions, in hydrogenation reactions or in hydrosilylation reactions. The problem is that these catalysts proved to be reactive only for low metal contents (0.5 wt% Pd and 2.0 wt% Pt) and that their catalytic activity decreases considerably in the reusability test at high temperature and high pressure. Under these conditions the catalysts are no longer reusable. The main objective of this thesis is to make improvements to this class of hydrophobic catalysts in order to further increase their catalytic activity and their selectivity. Thus, novel heterogeneous catalytic materials stable to air and moisture have been developed. These catalysts are characterized by better mechanical resistence and stability of Pd/Pt NPs to sintering with high reuse capability under mild conditions, but also at high temperatures and pressures. Their catalytic activity has been evaluated in green applications with high industrial impact. The catalytic activity of Pd catalysts was evaluated in the hydrogenation of squalene to squalane, a fully saturated hydrocarbon, easily adopted by cosmetic formulators for its remarkable properties such as its high stability to oxidation, rancidity and heat. The catalytic activity of the Pt catalysts was evaluated in the hydrosilylation reaction, one of the most important methods for the synthesis of organosilicon compounds and particularly for the industrial scale production of organosilanes by addition of Si-H bonds to double bonds. First, the organosilicon support was doped with Al₂O₃ units. The new catalyst with Pd/Pt NPs encapsulated in the mesoporous cages of an organosilicic support doped with Al₂O₃ units, Pd⁰/MeSiO₁, ₅-Al₂O₃ and Pt⁰/MeSiO₁, ₅-Al₂O₃, have shown a high stability in air and humidity.