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Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet soutenu par la Région wallonne et a été réalisé en collaboration entre les unités de Chimie Organique et Médicinale (CHOM), de Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), et de Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY). Il concerne la modification des propriétés du polypropylène (PP) isotactique par mise en œuvre réactive, et plus particulièrement le contrôle de sa cristallinité par l'action d'un composé bromé (N-bromosuccinimide) en présence d'un initiateur de radicaux libres à haute température (entre 180 et 260°C). L'objectif principal de cette étude est de parvenir à identifier et à contrôler les modifications induites au sein des produits, ce qui implique une compréhension fine des mécanismes chimiques intervenant lors de la mise en œuvre réactive du PP. Ces connaissances permettraient en outre de substituer la N-bromosuccinimide (qui génère des sous-produits toxiques et polluants) par un autre additif en vue d'une meilleure valorisation du procédé et des produits. La stratégie repose sur une double approche, basée d'une part sur une étude des divers paramètres qui influencent la réaction sur polymère, et d'autre part sur la synthèse d'un composé modèle du PP : le 2,4,6,8,10-pentaméthylundécane (PMU). Par extrusion réactive du polymère, nous avons obtenu des PP à cristallinité contrôlée (PPCC ; de semi-cristallin à amorphe), dont certains présentent un caractère élastomère marqué. Des études effectuées principalement par analyse thermique et par résonance magnétique nucléaire ont permis de corréler ces propriétés macroscopiques à une microstructure à stéréoblocs isotactiques/atactiques (épimérisation des carbones tertiaires du PP), combinée à la présence de branchements longs (recombinaison de macroradicaux). Par ailleurs, nous avons mis en évidence les différents paramètres susceptibles d'influencer la réaction d'épimérisation du PP. Bien que les informations découlant de ces études nous aient permis de proposer les principaux mécanismes qui entrent en jeu lors de la réaction, seule une étude sur composé modèle peut néanmoins donner accès aux méthodes d'analyses nécessaires à la confirmation de ces mécanismes. Nous avons par conséquent entrepris la synthèse d'un oligomère de propylène pour permettre cette étude sur composé modèle. La synthèse du PMU telle que rapportée dans la littérature s'est avérée plus difficile que prévu, principalement du fait d'un manque de reproductibilité au niveau de l'étape clé. Nous avons donc établi une voie de synthèse originale permettant l'obtention du PMU (mélange de stéréoisomères) avec un rendement global de 45% sur 7 étapes (à l'échelle de plusieurs grammes de produit). En outre, cette voie nous a donné accès au 6-hydroxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane et au 6-p-toluènesulfonyloxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane, pour lesquels des techniques chromatographiques ont permi une séparation des diastéréoisomères. La transposition de ces expériences à plus grande échelle permettra d'envisager l'obtention du (4R,6s,8S)-PMU, en vue de futures études mécanistiques relatives à l'épimérisation du PP de configuration initialement isotactique. / This work is part of a project supported by the Walloon Region, and it was performed in collaboration between the Chimie Organique et Médicinale (CHOM), Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), and Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY) laboratories. Its object is the modification of the isotactic polypropylene (PP) properties by reactive processing, and more especially the control of PP crystallinity by means of a brominated additive (N-bromosuccinimide) in presence of a free radical initiator at high temperatures (between 180 and 260°C). The main objective of this study is to identify and to control the modifications induced in the products, which implies a fine understanding of the chemical mechanisms occuring during the PP reactive processing. This knowledge would allow us, subsequently, to substitute another additive for the N-bromosuccinimide (which yields toxic and polluting by-products), in order to achieve a better applicability of both the process and the products. The strategy relies on a double approach : on one side, on a study of the various parameters affecting the reaction on the polymer, and on the other side on the synthesis of a model compound of PP : 2,4,6,8,10-pentamethylundecane (PMU). By means of reactive extrusion of the polymer, we obtained controlled crystallinity PP's (from semi-crystalline to amorphous), including some with an elastomeric behaviour. Studies carried out mainly by thermal analysis and nuclear magnetic resonance allowed us to correlate these macroscopic properties to an isotactic/atactic stereoblock microstructure (epimerization of the PP tertiary carbons), combined with the presence of long chain branchings (recombination of macroradicals). Moreover, we highlighted the various parameters that are able to influence the yield of the epimerization reaction. Even if the informations arising from these studies allowed us to propose the main mechanisms involved in the PP modification, only a mechanistic study carried out on a model compound would give us access to the characterization methods required for the confirmation of these mechanisms. We undertook, subsequently, the synthesis of a propene oligomer. The PMU synthesis, as stated in the litterature, revealed itself more difficult than initially foreseen, mainly due to a lack of reproducibility concerning the key step. Therefore we established a new synthesis pathway for the PMU (as a mixture of stereoisomers) with a global yield of 45% over 7 steps (multigram scale). Moreover, this pathway gave us access to 6-hydroxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane and 6-p-toluenesulfonyloxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane, for which chromatographic techniques allowed a separation of the diastereoisomers. The transposition of these experiments on a larger scale would allow us to obtain the (4R,6s,8S)-PMU for future mechanistic studies relative to the epimerization reaction of initially isotactic PP.

With the dwindling availability of petroleum, focus has shifted to renewable energy sources such as lignocellulosic biomass. Lignocellulosic biomass is composed of three main constituents, lignin, cellulose and hemicellulose. Due to the low value of cellulosic ethanol, utilization of the lignin component is necessary for the realization of an economically sustainable biorefinery model. Once depolymerized, lignin has the potential to replace petroleum-derived molecules used as bulk and specialty aromatic chemicals. Numerous lignin depolymerization strategies focus on cleavage of β-aryl ether linkages, usually at high temperatures and under reductive conditions. Alternatively, selective benzylic oxidation strategies have recently been explored for lignin and lignin models. In this work, heterogeneous catalytic methods using supported base metals and layered-double hydroxides were evaluated for the oxidation of lignin models both before and after benzylic oxidation. Additionally, by studying putative reaction intermediates, insights were gained into the mechanisms of oxidative fragmentation of the model compounds. Generally, it was found that after benzylic oxidation models were more susceptible to oxidative fragmentation. Indeed, several heterogeneous oxidation systems were found to convert lignin models to oxygenated aryl monomers (mainly benzoic acids and phenols) using inexpensive primary oxidants (i.e., hydrogen peroxide and molecular oxygen). Reactions were conducted at relatively mild temperatures and at low oxygen concentrations for the purpose of an easy transition to large-scale experiments. Finally, the catalytic systems that resulted in significant cleavage of lignin models were applied to a Kraft lignin. Oxidation of Kraft lignin resulted a mixture of products for which analytical data and increased solubility are consistent with interunit cleavage within the lignin macromolecule.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oxygenierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen durch Übergansmetalle und katalytischer Oxidation von Olefinen und Aliphaten. Sie ist in die folgenden drei Teile gegliedert: 1. Matrixisolationsstudien zum System MnO3Cl/Allen: Das System Permanganylchlorid/Allen wurde in einer Argonmatrix durch Photolyse (546 nm) zu Reaktion gebracht. Die entstandenen Komplexe (O=)2MnCl(O=CCH2CH2) 37R und (O=)2MnCl(H2COCCH2) 38R wurden mit Hilfe der IR-Spektroskopie, Isotopenmarkierungs-Experimenten (18O, D) und DFT-Rechnungen (B3LYP/LANL2DZ) zweifelsfrei identifiziert und der Reaktionsmechanismus Hilfe von mit weiteren DFT-Rechnungen (B3LYP/6-311Gd) aufgeklärt. 2. Synthese eines neuen dinuklearen Vanadium-Silsesquioxan-Komplexes Silika geträgerte Vanadium-Komplexe sind vor allem als Katalysatoren für die Oxidation von Kohelnwasserstoffen interessant. Man geht davon aus, dass vor allem die tetraedrisch koordinierten VO4-Spezies für die katalytische Aktivität bzw. Selektivität verantwortlich sind. Da nur eine Vanada-Silsesquioxan-Modellverbindung bekannt war, wurden Versuche unternommen weitere zu synthetisieren. Es konnte eine neue Verbindung erhalten werden, die vollständig charakterisiert wurde und auf ihre katalytische Aktivität getestet wurde. 3. Quantenmechanische Rechnungen zur Lösung ausgewählter Fragestellungen des Systems Mo/Bi Mit Hilfe von DFT-Rechnungen wurden verschiedene Mo-Bi-Verbindungen, die im Rahmen der mechanistischen Aufklärung des SOHIO-Verfahrens durch Synthese von Modellverbindungen erhalten wurden, auf ihre besondere Bindungssituation hin untersucht. Dazu wurden unter anderem die Bader sowie die NBO-Analyse verwendet. / Submitted thesis deals with the oxygenation of unsaturated hydrocarbons by transition metals and catalytic oxidations of olefins and aliphats. It is divided into the following three parts: 1. Matrixisolationstudies of the system MnO3Cl/allene: The light-induced (546 nm) reaction of MnO3Cl with allene has been investigated in low-temperature argon matrices at 11 K. IR spectroscopic studies in combination with isotopic enrichment experiments (18O, D) and DFT calculations (B3LYP/LANL2DZ) allowed the identification of (O=)2MnCl(O=CCH2CH2), 37R, and (O=)2MnCl(H2COCCH2), 38R as products. First of all, possible ways for their formation are discussed qualitatively in the context of the literature available, and then quantitatively with the background of DFT data (B3LYP/6-311G(d)) obtained for starting materials, products, transition states and intermediates. Based on the results a reaction mechanism was proposed. 2. Synthesis of a novel dinuclear vanadium-silsesquioxane-complex Silica-supported vanadium complexes have attracted the interest as catalyst for the oxidation of hydrocarbons. Especially tetrahedrally coordinated VO4-Spezies are supposed as active/selective sites. To investigate the chemical behaviour and –properties of such species, Feher et al. synthesized a vanadium-silsesquioxane-complex in 1991 since silsesquioxanes are known to be excellent structural models for the silica surface. The synthesis and catalytic activity of a new complex, that was successfully synthesised, is reported here. 3. Quantum mechanical calculations for solving selected problems at Mo/Bi-systems. During the investigation of the reaction mechanism of the SOHIO-process some very unusual Mo-Bi-complexes could be isolated in the workgroup of Prof. Dr. Ch. Limberg. The bonding situation of four special complexes was analysed by means of calculations based of density functional theory (DFT) in combination with natural bond orbital analysis (NBO) respectively Bader-theory. 1