Avec la disparition progressive des réserves de carbone fossile, un intérêt tout particulier est aujourd’hui porté sur la valorisation de la biomasse notamment la cellulose. Elle représente une source importante (1,3 Millions de tonnes) et peu onéreuse (< 10 €/kg) de carbone renouvelable. L’utilisation de la cellulose en tant que matière première pour la chimie fine apparait comme une solution attractive tant sur le plan économique qu’environnemental. Néanmoins, la présence de liaisons hydrogène intra et extra réseau lui confère une stabilité élevée (forte cristallinité) la rendant insoluble dans les solvants organiques usuels et dans l’eau. Ainsi, l’hydrolyse de ce polymère en glucose ou oligosaccharides, en présence d’un catalyseur solide est limitée par les interactions catalyseur/cellulose. C’est pourquoi, des prétraitements de la cellulose sont souvent utilisés permettant alors d’augmenter les interactions avec les catalyseurs solides. Toutefois, les méthodes développées dans la littérature sont coûteuses ou néfastes pour l’environnement. L’objectif de cette étude est le développement d’activations physiques de la cellulose, respectueuses de l’environnement, permettant l’hydrolyse de ce polymère en présence d’un catalyseur solide. L’activation de la cellulose est effectuée par ultrasons ou par plasma atmosphérique non thermique. Ces méthodes d’activation permettent d’augmenter considérablement le rendement en glucose en modifiant i) la taille des particules et/ou ii) le degré de polymérisation et/ou iii) la cristallinité de la cellulose. Enfin, à partir des sucres issus de la dépolymérisation de la cellulose, le 5- hydroxyméthylfurfural (molécule plateforme) peut être obtenu. Cette synthèse sera étudiée et plus particulièrement la nature du solvant, qui impacte la sélectivité de cette réaction. Lors de ces travaux, un intérêt tout particulier est porté sur l’utilisation de glycérol et de carbonate de glycérol en tant que solvant. / With the depletion of fossil carbon resources, biomass (including cellulose) is widely introduced in the chemical industry, as a renewable source of carbon. Cellulose is a huge reservoir (1,3 Million tons) of cheap (< 10 €/kg) and non-edible carbon. So use cellulose as raw material has many advantages, as much as economic plan than environmental one. However, due to important inter and intra hydrogen bonds network, cellulose is highly crystalline and thus insoluble in common solvents (including water) and recalcitrant to hydrolysis by heterogeneous catalysis, due to solid/solid interactions. A preliminary step consists in the activation of cellulose to enhance the solid/solid interactions. However, the pretreatments used in the literature are limited by the cost, corrosiveness, and toxicity. The aim of this study is to develop physical pretreatments of cellulose in order to be environmentally friendly and promote cellulose/catalyst interactions. In this manuscript, two physical methods of cellulose activation will be explored. The first involves a sonic treatment and the second implies non-thermal atmospheric plasma technology. These methods lead to an increase of the glucose yield due to the change of i) the particle size, or/and ii) the degree of polymerization or/and iii) the cristallinity. From carbohydrate obtained via the depolymerisation of cellulose, 5-hydroxymethylfurfural (platform molecule) is achieved. This synthesis, including dehydration of fructose, will be studied and especially, the nature of the solvent which is a key point ofthis conversion will be discussed. In this work glycerol or glycerol carbonate-based media were studied, as co-solvent from renewable carbon.

L'épuisement progressif des matières premières d'origine fossile et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effets de serre ont conduit la communauté scientifique à rechercher de nouveaux matériaux dont la production ne dépendra pas de ressources non renouvelables. Dans un autre temps ces matériaux pourront déjà être introduits sur le marché afin de substituer des produits déjà existant qui proviennent de matières premières fossiles. Par exemple, l'acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) obtenu par valorisation de la biomasse lignocellulosique est un potentiel substituant de l'acide téréphtalique actuellement utilisé pour la production de polyesters. En effet, le FDCA peut être obtenu par oxydation sélective du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) synthétisé à partir de la biomasse lignocellulosique. Ainsi, ce travail de thèse peut être défini par deux problématiques principales : (1) Le développement de catalyseurs pour l'oxydation de HMF en FDCA sans utiliser de bases inorganiques et (2) Développement de membranes catalytiques de polymères pour la future adaptation du procédé d'oxydation en réacteur à flux continu. Pour ce qui concerne l'oxydation de HMF dans des conditions neutres, une première étude s'est intéressée à la possibilité d'utiliser de l'oxyde de nickel nanométrique comme support pour des nanoparticules. Ensuite, la possibilité d'utiliser des nanoparticules de Pt supportées sur du TiO2 obtenues par décomposition contrôlée de clusters carbonyliques a été étudiée. Ainsi, des membranes de polymère obtenues par électrospinning, contenant les nanoparticules métalliques étudiées précédemment, ont été appliquées comme système catalytique pour l'oxydation du HMF / The depletion of fossil-derived resources and the need to decrease the emission of green-house gases led scientists to look for sustainable materials to replace the already existing fossil-derived ones. For instance, 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) has been pointed out as the bioderived counterpart of terephthalic acid for the synthesis of polyesters. In fact, FDCA could be obtained by means of selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a bio-derived platform molecule produced by glucose hydrolysis. This reaction is known to be catalyzed by supported metal nanoparticle systems in presence of inorganic bases under batch conditions. This work deals with the development of catalytic systems able to perform the base-free HMF oxidation, since the possibility to circumvent base addition leads more sustainable processes. In particular, two different sets of catalytic systems have been studied: mono- and bimetallic Au and Pd nanoparticles on nano-sized NiO, and mono- and bimetallic Pt/Sn systems on titania, prepared via cluster precursor decomposition. Another topic that will be discussed in this thesis focuses on the development of catalytically active polymeric membranes obtained via electrospinning and their application as catalytic system for HMF oxidation either under basic and neutral aqueous conditions. In details, polyacrylonitrile and nylon have been tested as electrospun polymeric matrixes for the embedding of Au-based nanoparticles and Pt clusters

Cette thèse est une exploration de l’utilisation d’aldéhydes furaniques biosourcés, tels que l’hydroxyméthyl furfural (HMF) et ses analogues, en tant que substrat pour la réaction de Morita-Baylis-Hillman (MBH). L’étendue de la réaction a été étudiée avec un focus sur la possibilité d’utiliser des milieux aqueux et biosourcés pour effectuer cette transformation. En premier lieu, l’étude a concerné la réaction de MBH du glycosyloxyméthylfurfural (GFM) avec des motifs acryliques, conduisant dans des rendements acceptables à de nouveaux glycodérivés porteurs de motifs α-hydroxyacrylates and α-méthylène-β-amino acrylates. Pour les réactions conduisant aux α-hydroxyacrylates, l’eau peut être utilisée comme solvant, de même que des mélanges d’eau et de diméthylisosorbide (DMI), remplaçant ainsi efficacement le dioxane ou le THF comparativement aux méthodes habituellement employées. Les esters acryliques de départ pouvant être eux-mêmes biosourcés, les glycoacrylates obtenus par la réaction MBH sont donc potentiellement 100% biosourcés. La version aza-MBH de la réaction a été ensuite explorée, associant 3 composants: le GMF, une sulfonamide et un accepteur de Micheal, conduisant à de nouveaux α-méthylène-b-amino carbonyl dérivatives construits sur un motif glucidique. L’étude s’est ensuite focalisée sur le HMF lui-même. Plusieurs solvants biosourcés, en particulier le 2-hydroxymethyl THF et l’isopropylidénéglycerol, se sont révélés efficaces pour la réaction de MBH du HMF avec l’acrylate d’éthyle. Pour le HMF et le furfural, la réaction est améliorée si de l’eau est ajoutée; ce qui permet d’étendre la gamme de solvants biosourcés pouvant être utilisée dans ce processus. Il a aussi été montré que l’imidazolyl alcool bicyclique DPI est un catalyseur très efficace pour la réaction MBH du HMF, du furfural ou du GMF avec des énones cycliques, conduisant à une diversité de nouvelles structures par une voie écorespectueuse et efficacement. / This thesis is an exploration of the use of biosourced furanic aldehydes, namely hydroxymethyl furfural (HMF) and analogues, as a substrate for the Morita-Baylis-Hillman (MBH) reaction. The scope of the reaction has been explored, with a focus on the possibility to perform the reaction in aqueous or biobased medium. First, the MBH reaction of the glucosyloxymethylfurfural (GMF) with acrylic building blocks has been explored, led to two new series of glycoderivatives containing α-hydroxyacrylates and α-methylene-β-amino acrylates in fair yields. For the coupling reaction which produces the α-hydroxyacrylates, water can be used as the solvent. Mixtures of water and dimethylisosorbide (DMI) have also been shown to be possibly used in the reactions, allowing replacement of dioxane or THF compared to previous methods. The strategy is atom-economical. Due to the fact that those acrylic esters are also available from biomass, such kind of glycoacrylates appears as possibly 100% bio-based. The aza-MBH version of the reaction was further explored, studying the reaction involving the three components GMF, sulfonamides and a Micheal acceptor, leading to carbohydrate-based α-methylene-β-amino carbonyl derivatives. The focus was then made on HMF itself. Several biobased solvents, in particular 2-hydroxymethyl THF and isopropylideneglycerol, could be used for the MBH reaction of HMF and ethyl acrylate. For HMF and furfural, the reaction was improved when water was added allowing to widen the range of biobased solvent systems. We have also found that the bicyclic imidazolyl alcohol DPI is an efficient catalyst for the aqueous MBH reaction between HMF, furfural, GMF, and cyclic enones that gives access to a variety of potentially very useful molecules in an efficient and environmentally friendly way.

Ce projet de thèse a concerné la recherche et le développement de catalyseurs multifonctionnels efficaces et de procédés catalytiques en une étape (hydrolyse-déshydratation, hydrolyse-oxydation) pour la transformation de la cellulose en produits chimiques à valeur ajoutée (glucose, 5-HMF, acide formique). Ces produits sont également connus sous le nom de molécules plateformes et ils présentent un intérêt dans une large gamme d'applications, par exemple, pour les industries alimentaires et chimiques et pour la production de carburants. Dans ce projet, des recherches systématiques sur la synthèse de l'acide formique en présence de catalyseurs HPA contenant du vanadium ont d'abord été conduites. En particulier, l'influence de la composition du catalyseur et des paramètres du procédé sur le rendement en produit cible a été étudiée. Le rendement en AF obtenu (66%) est supérieur à tous les résultats rapportés dans la littérature à ce jour. Les catalyseurs NbOx / ZrO2 ont été évalués pour la première fois sur la réaction d'hydrolyse-déshydratation de la cellulose microcristalline activée en milieu aqueux. Des rendements élevés en glucose et en 5-HMF (22 et 16%, respectivement) ont été observés. Des catalyseurs carbonés à base du matériau Sibunit modifié ont été utilisés pour la première fois pour l'hydrolyse-déshydratation de la cellulose. Les rendements en glucose (jusqu'à 74% dans un réacteur en continu) et en 5-HMF (jusqu'à 21% dans un réacteur statique) ont été obtenus en présence de Sibunit modifié par sulfonation et / ou oxydation. Ces résultats sont également supérieurs à ceux reportés à ce jour sur les systèmes catalytiques carbonés. La relation entre l'activité sur les réactions d’hydrolyse-déshydratation et la méthode d'activation du carbone a été étudiée en profondeur. L'étude du mécanisme et de la cinétique de la réaction d'hydrolyse-déshydratation de la cellulose en présence de catalyseurs acides solides a également été réalisée. / The PhD project was devoted to search for and to develop effective multifunctional catalysts and catalytic one-stage processes (hydrolysis-dehydration, hydrolysis-oxidation) for transformation of cellulose to valuable chemicals (glucose, 5-HMF, formic acid). These products are also known as platform molecules and they seem to be promising for a wide range of application in food and chemical industries and for fuel production. In this project, systematic investigations of the formic acid synthesis in the presence of vanadium-containing HPA catalysts was first conducted; the influence of the catalyst composition and process parameters on the yield of the target product was studied. The obtained FA yield (66 %) was superior to all the results reported in literature. The NbOx/ZrO2 catalysts were applied for the first time for hydrolysis-dehydration of activated microcrystalline cellulose in pure water. High yields of glucose and 5-HMF (22 and 16 %, respectively) were observed. Carbon catalysts based on modified Sibunit material was used for the first time for cellulose hydrolysis-dehydration. The yields of glucose (up to 74 % in a flow reactor) and 5-HMF (up to 21 % in a static reactor) were obtained in the presence of Sibunit modified by sulfation and/or oxidation; these are much superior to the results on carbon catalytic systems reported in literature. The relation between the activity to hydrolysis-dehydration and the method of the carbon activation was thoroughly studied. Investigations of the mechanism and kinetics of cellulose hydrolysis-dehydration in the presence of solid acid catalysts were also carried out.

Ces travaux de thèse portent sur la conversion par catalyse hétérogène du furfural (produit biosourcé produit, par déshydratation du xylose issu de l'hydrolyse acide de l'hémicellulose) en acide 2,5-furane dicarboxylique (FDCA, substituant potentiel de l'acide téréphtalique, monomère de polyesters et polyamides, issu du pétrole). Cette transformation a été envisagée en deux étapes catalytiques: 1) l'hydroxyméthylation du furfural en 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) par le formaldéhyde aqueux ou le trioxane en présence d'un catalyseur acide. Les rendements maxima de 40% ont été obtenus en utilisant le formaldéhyde aqueux en présence de nanoparticules de ZSM-5. L'instabilité du furfural et du HMF dans ces conditions réactionnelles est la principale difficulté. 2) l'oxydation aérobie du HMF en FDCA. En milieu alcalin faible (Na2CO3), en présence d'un catalyseur Pt/C promu par le Bi (rapport molaire Bi/Pt = 0,2) à 100 °C et sous 40 bar d'air, le FDCA est obtenu avec un rendement quantitatif. La modification du Pt par le bismuth permet de limiter la lixiviation du Pt dans le milieu réactionnel et de recycler le catalyseur sans prétraitement préalable et sans perte significative de l'activité, comme démontré ensuite en réacteur continu / This thesis reports a study of heterogeneously catalyzed conversion of furfural (biobased product formed from the acid-catalyzed dehydration of xylose) into 2,5-furane dicarboxylique acid (FDCA, possible replacement monomer for terephtalic acid for the production of polyethylene terephtalate). This transformation has been considered in two catalytic steps: 1) hydroxymethylation of furfural with aqueous formaldehyde or trioxane into 5-hydroxymethylfurfural (HMF) in the presence of solid acids. The maximum yields of 40% have been obtained using aqueous formaldehyde in the presence of nanoparticles of ZSM-5. The main problem was the lack of stability of furfural and HMF in reaction conditions. 2) aerobic oxidation of HMF into FDCA. HMF was oxidized in alkaline aqueous solutions over Pt-based catalysts using dioxygen from air. Promotion of the catalyst with bismuth and the presence of a weak base (Na2CO3) yielded a catalytic system with a remarkable activity and selectivity. HMF was completely and exclusively converted to FDCA within 2,5 h. The catalyst could be recovered by simple filtration and reused several times without significant loss of activity and with no platinum or bismuth leaching

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L'objectif de la thèse est d'étudier la transformation de la fraction cellulosique de la biomasse en acide lévulinique. Cet acide est une molécule plateforme permettant un accès à de multiples produits, tels que des solvants, des monomères ou encore des molécules à plus forte valeur ajoutée.Nous proposons d'étudier la transformation de la cellulose en acide lévulinique catalysée par des solutions aqueuses concentrées en acides de Brønsted. La forte acidité de ces milieux et leur capacité à rompre les liaisons hydrogène de la cellulose rendent possible des réactions à température modérée (80°C), ce qui laisse espérer la production sélective d'acide lévulinique.L'état de l'art concernant la production d'acide lévulinique à partir de glucose ou de cellulose est d’abord présenté, ainsi qu’une étude bibliographique sur les techniques permettant la mesure d’acidité de milieux concentrés.La caractérisation de l’acidité des milieux semblant être un point clé pour contrôler la réaction, la seconde partie concernera les mesures d’acidité des milieux concentrés utilisés. La méthodologie expérimentale pour identifier et quantifier les produits de réaction de la cellulose ainsi que les paramètres critiques qui la régissent sont ensuite détaillés.Enfin l’étude s’achèvera par deux chapitres traitant de la transformation du glucose ou la cellulose en acide lévulinique dans des milieux comportant une forte acidité de Brønsted combinée, ou non, avec des sels métalliques. La transformation du glucose conduit à des sélectivités en acide lévulinique de 50 mol% dans l’acide sulfurique 65 % et supérieures à 70 mol% dans l'acide sulfurique 48 % en présence de chlorure d'aluminium hydraté. La transformation de la cellulose conduit à des sélectivités en acide lévulinique d'environ 43 mol% dans les milieux acides de Brønsted concentrés et 60 mol% lorsque des sels métalliques sont ajoutés. De telles sélectivités en acide lévulinique n'ont jamais été décrites dans les milieux concentrés. / The thesis presented in this document aims at converting lignocellulosic biomass into levulinic acid. This target is a valuable building block which can lead to various products.This platform intermediate can be obtained by acid-catalyzed conversion of cellulose contained in raw biomass. However, the state of the art concerning this acid-catalyzed reaction revealed that the current conditions (diluted acids in harsh temperature conditions) result in numerous by-products formation. The selectivity issue often deals with process control, in particular with reaction time optimization.Our approach lies in using concentrated Brønsted acids as alternative media to catalyze cellulose conversion. Indeed, the high acidity level allow the interaction with hydrogen bonds in cellulose fibrils and favor cellulose decristallization. This property should promote the transformation of cellulose into levulinic acid at lower temperature thus limiting the formation of by-products. Therefore, acidity measurements in such media have been developed and performed. An extensive study on glucose and Avicel cellulose conversion in concentrated aqueous solutions of sulfuric acid was performed at 80°C. Levulinic acid yields, up to 50 mol%, were determined by HPLC analysis and a special attention was dedicated to the identification and quantification of soluble or insoluble by-products, allowing the characterization of new species never described in aqueous solutions. Referring to the acidity levels previously determined, a comparison between acidity and catalytic results will be setted.Finally, the effect of metallic chloride addition on the transformation of glucose and cellulose in sulphuric acid solutions has been investigated, revealing improvements yielding up to 70 mol% levulinic acid. This range of selectivity is unprecedented at such a low temperature.