Existing viscosity prediction methods and relevant literature are reviewed. An exhaustive review of group contribution, corresponding states, and interpolative prediction methods finds that even the best of these models produces large prediction errors and often require significant experimental data. Molecular dynamics simulation techniques for viscosity prediction are evaluated and compared to one another to determine the best choice for this work. A thorough investigation finds that Equilibrium Molecular Dynamics (EMD) simulations are the best option for reproducible and reliable liquid viscosity predictions. The many tuning parameters available in molecular dynamics simulations are investigated for their effects on prediction uncertainty and accuracy. Challenges associated with molecular dynamics predictions are discussed and a rigorous simulation and data analysis methodology is developed which addresses these issues. The TLVMie force field is developed to describe linear alkanes, branched alkanes, alkylbenzenes, and cycloalkanes. The method is developed with a "training set" of compounds and the transferability is evaluated with a completely different "test set" of compounds. Predictive capability with mixture viscosities is evaluated next without any re-fitting of the parameters determined from pure-component data. The TLVMie potential is shown to be significantly more accurate for both pure-components and mixtures, more reliable for compounds that differ greatly from the training set, and predictions are made without the experimental data requirements of other methods.

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Owing to its unique electronic properties, the CF₂ group has the potential to affect the conformation and polarity of molecules. The Introduction provides an overview of the conformational effects induced by the incorporation of fluorine into hydrocarbons, e.g. gauche effect, 1,3-C,F bond repulsion and angle deviation in organofluorine compounds. A summary of synthetic strategies for the introduction of the gem-difluoride motif into organic molecules is also presented. In order to explore the conformational impact of the CF₂ group in alicyclic hydrocarbon systems, cyclododecane was employed as the molecular framework. In 1,1,4,4- and 1,1,7,7- tetrafluorocyclododecanes, two CF₂ groups replaced CH₂ units within the square [3333] cyclododecane ring where the spacing enables the CF₂ groups to occupy adjacent or opposite corner locations. In the case of 1,1,6,6-tetrafluorocyclododecane, one of the CF₂ groups was forced to the edge position, which changes the ring conformation dramatically. Strategic incorporation of two CF₂ groups is shown to either stabilise or significantly alter the conformation of the cyclododecane framework, a revealing conformational preference of the CF₂ group to locate at the corner rather than the edge position of hydrocarbon rings. The study extends to larger cycloalkanes, rectangular [3434] cyclotetradecanes and square [4444] cyclohexadecanes. The target cycloalkanes bearing two CF₂ units were assembled through a novel synthetic route, employing ring-closing metathesis (RCM) as the key step. X-Ray structure analyses revealed that the CF₂ groups occupy exclusively corner locations of these rings too. The spacing between the CF₂ moieties dictates the overall ring conformations and offers a useful tool for controlling molecular arrangement. An accelerating role of the CF₂ group, relative to the CH₂ group, on the ring-closing metathesis of C5-substituted 1,8-nonadienes has also been studied. Remarkably, the CF₂ group exhibited a similar reaction rate to that observed for nonadienes bearing 1,3-dioxolane or dimethylmalonate groups. This effect was rationalised by the thermodynamic stability of the cycloheptene products, rather than a Thorpe-Ingold effect.

L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les réactions de craquage thermique des naphtènes (hydrocarbures saturés cycliques) se déroulant dans les réservoirs pétroliers. Les naphtènes, représentant une famille importante de composés dans les huiles « Haute Pression/Haute Température » des gisements profonds, ont fait l’objet de très peu d’études dans ces conditions. La pyrolyse du n-butylcyclohexane a été étudiée à haute pression (100 bar) dans des réacteurs fermés en tubes en or, entre 300°C et 425°C. Le n butylcyclohexane produit majoritairement des n-alcanes (C1 à C4), d’autres naphtènes et des composés aromatiques. Un modèle cinétique complexe a été développé (833 réactions essentiellement radicalaires) ; il rend bien compte de nos résultats expérimentaux jusque 60% de conversion. L’extrapolation du modèle dans les conditions géologiques (température initiale de 160°C, gradient thermique de 2°C/MA et temps de réaction en millions d’années), montre que ce composé commence à se décomposer vers 180°C et que son temps de demi-vie correspond à 200-210°C. D’autres systèmes réactionnels impliquant des naphtènes, ont été également étudiés à 400°C et 100 bar. L’étude de la pyrolyse de la n-butyldécaline montre que cette molécule bicylique possède une réactivité similaire à celle du n-butylcyclohexane. L’étude à 400°C du mélange binaire n-octane/n-butylcyclohexane ne met pas en évidence d’effet cinétique significatif du n-butylcyclohexane sur la décomposition thermique du n-octane, mais l’extrapolation du modèle aux conditions géologiques montre que les naphtènes inhibent la décomposition des n-alcanes à basse température (200°C) et à haute pression (100 bar) / This thesis aims at better understanding the thermal cracking reactions of naphthenes (saturated cyclic hydrocarbons), occurring in petroleum reservoirs. Naphthenes represent a significant fraction of “High Pressure/High Temperature” oils in deeply buried reservoirs; however, studies in these conditions are very limited in literature. The pyrolysis of n-butylcyclohexane is studied in a gold sealed tube reactor between 300 and 425°C, at 100 bar. n-Butylcylohexane mainly leads to n-alkanes (C1-C4), other naphthenes and aromatic compounds. A detailed model is developed (833 reactions, mainly free-radical reactions); a good agreement with our experimental results is reached up to a conversion of 60%. According to simulation results obtained by extrapolating to lower temperature, this compound starts to undergo thermal cracking at 180°C and its time of half-life corresponds to a temperature around 200-210°C, while considering the following burial scenario of an oil reservoir: initial temperature of 160°C and a heating rate of 2°C/MY (Million Years). Other chemical systems including naphthenes, are also studied at 400°C and 100 bar. The study of 1-n-butyldecaline shows, that this bicyclic compound and n-butylcyclohexane have a similar reactivity at 400°C. The study of the binary mixture n-butylcyclohexane/n-octane at 400°C does not provide any significant evidence of a kinetic effect of n-butylcyclohexane on the thermal decomposition of n-octane, but the extrapolation of our model at geological conditions shows that naphthenes are inhibitors of the decomposition of n-alkanes at low temperature (200°C) and at high pressure (100 bar)

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Dans la thèse de doctorat, nous avons développé une approche efficace pour la modification rapide d'oxydes d'arylphosphines via la fonctionnalisation de liaisons C-H en position ortho du groupement P=O catalysée par le ruthénium (II) en présence des alcènes. Intéressement, l'ajustement du pH du milieu réactionnel permet de contrôler la sélectivité de la réaction à savoir alkylation or oléfination. La réduction des oxydes de phosphines fonctionnalisées permet la formation d'arylphosphines portant un carboxylate flexible. Dans le second objectif, un couplage C(sp3)–H /N-H oxydatif catalysé par le cuivre a permis l'alkylation d'hétérocycles à partir de (cyclo alcanes abordables. Ce protocole implique la formation de liaisons C (sp3)–N via une voie radicalaire générée par un clivage homolytique du peroxyde de di-tert-butyle et le piégeage du ou des radicaux par des catalyseurs au cuivre. Dans une troisième partie, nous avons utilisé ces processus radicalaires pour la fonctionnalisation le liassions C(sp3)–H benzylique d'oxyde de 2-alkylpyridines. Ces transformations impliquent un processus en cascade : estérification oxydative catalysée par le cuivre suivie d'un transfert d'atome d'oxygène. Enfin, des dérivés tosylés de pyridin-2-ylméthyl ont été obtenus avec des rendements élevés à partir des oxide de 2-alkylpyridines grâce à un réarrangement sigmatropic [3,3] du produit d'addition entre les oxides de 2-alkylpridine avec des chlorures de chlorure de benzènesulfonyles. De plus, les alkylnitrones subissent également ce réarrangement sigmatropique [3,3] pour donner des cétones α-tosylées après hydrolyse. / In the first chapter, we have developed an efficient approach for the fast modification of arylphosphine oxides using ruthenium(II)-catalyzed C–H bond functionalization with alkenes. Interestingly, we have found that the selectivity of the reaction, namely alkylation versus alkenylation, is depending on the reaction pH. The reduction of the phosphine oxide allows the formation of aryl phosphines bearing a flexible pendent carboxylate. In the second objective, a copper-catalyzed oxidative C(sp3)–H/N–H coupling of NH-heterocycles with affordable (cyclo)alkanes was developed. This protocol involved C(sp3)–N bond formation via a radical pathway generated by a homolytic cleavage of di-tert-butyl peroxide and trapping of the radical(s) by copper catalyst.In a third part, benzylic C(sp3)–H acyloxylation of 2-alkylpyridine, 2-alkylpyrazine and 2-alkylthiazole compounds was achieved using simple aldehydes via a copper-catalyzed tandem reaction, involving oxidative esterification followed by O-atom transfer. Finally, pyridin-2-ylmethyl tosylate derivatives are obtained in high yields from 2-alkylpyridine N-oxides via a [3,3]-sigmatropic rearrangement of the adduct between 2-alkylpridine N-oxides with benzenesolfonyl chlorides. Moreover, alkylnitrones also underwant [3,3]-sigmatropic rearrangement to give α-tosylated ketones after hydrolysis.

Les carburants dérivés du pétrole constituent la première source mondiale énergétique et leur approvisionnement constitue un défi actuel majeur impliquant des enjeux économiques et environnementaux cruciaux. Une des voies les plus efficaces pour peser simultanément sur ces deux enjeux passe par la diminution de la consommation en carburant. La simulation numérique constitue dès lors un outil précieux pour améliorer et optimiser les moteurs et les carburants. Les modèles chimiques détaillés sont nécessaires pour comprendre les phénomènes d’auto-inflammation et caractériser la nature et les quantités de polluants émis. Ces modèles mettent en jeu un nombre très important d’espèces et de réactions élémentaires, pour une espèce donnée et pour lesquelles la détermination des données thermodynamiques et cinétiques est un problème crucial. La chimie quantique constitue un outil précieux permettant d’une part de déterminer de façon précise les données thermocinétiques pour bon nombre de systèmes chimiques et d’autre part de mieux comprendre la réactivité de ces systèmes. Dans ce travail, les réactions unimoléculaires de décomposition d’hydrocarbures monocycliques et polycycliques (amorçages, réactions moléculaires, ß-scissions, formations d’éthers cycliques) ont été étudiées à l’aide des méthodes de la chimie quantique. Un mécanisme détaillé de pyrolyse d’un alcane polycyclique a été développé à partir des données thermodynamiques et cinétiques et des corrélations entre structure et réactivité déterminées pour les cyclanes à partir des calculs quantiques. Les simulations effectuées à partir de ce modèle sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux de la littérature / Petroleum fuels are the world’s most important primary energy source and the need to maintain their supply is a major actual challenge involving both economical and environmental features. Decreasing fuels consumption is one of the more efficient ways to reconcile the goals of energy price and environmental protection. Numerical simulations become therefore a very important tool to optimize fuels and motors. Detailed chemical kinetic models are required to reproduce the reactivity of fuels and to characterize the amount of emitted pollutants. Such models imply a very large number of chemical species and elementary reactions, for a given species, and the determination of thermodynamic and kinetic data is a critical problem. Nowadays, quantum chemistry methods are able to calculate accurately thermodynamic data for a large number of chemical systems and to elucidate the reactivity of these systems. In this work we have used quantum chemistry to study the unimolecular reactions (initiation, molecular reactions, ß-scissions, cyclic ethers formations) involved in the decomposition of monocyclic and polycyclic hydrocarbons. From the results of quantum chemical calculations, a detailed chemical kinetic mechanism of the pyrolysis of a polycyclic alkane has been developed and validated against experimental data