Th. doct.-ing--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 116.

Thèse de doctorat : Chimie-physique : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 83-86.

La raréfaction des ressources pétrolières exacerbe la demande de nouveaux produits issus de sources durables, tels que les huiles issues des plantes. Afin de pouvoir intégrer les acides gras insaturés présents dans ces produits biosourcés dans l’industrie pétrochimique, une réaction clivante revêt un grand intérêt. Cette thèse présente des voies de synthèse pour des nanocatalyseurs magnétiques, actifs pour la scission oxydante des acides gras insaturés, et notamment l’acide oléique. Les nanocatalyseurs magnétiques constituent une nouvelle catégorie de catalyseurs hétérogènes dont les propriétés catalytiques permettent d’avoisiner les performances des catalyseurs homogènes. Cependant, leur nature solide couplée à leur propriété magnétique permet facilement leur récupération, et donc leur réutilisation, au contraire des catalyseurs homogènes. Ainsi, un nano catalyseur magnétique est un type de catalyseur prometteur s’inscrivant dès lors dans une démarche de chimie verte. Cette thèse présente, en plus de deux chapitres non expérimentaux, des méthodes de synthèse pour la conception in fine de nanocatalyseurs de type cœur@coquille, permettant d’exhiber des propriétés magnétiques grâce à un cœur constitué d’oxyde de fer et d’une coquille composée en partie de la phase active qu’est le catalyseur. Ainsi, les articles présentés incluent, dans le troisième chapitre, une méthode de synthèse de nanoparticules d’oxyde de fer, la magnétite Fe3O4, ayant une très grande reproductibilité et une très faible dispersité en taille. Ces nanoparticules serviront de cœur pour la conception des nanocatalyseurs au cœur magnétique. Dans un quatrième chapitre, une nouvelle voie de synthèse de nanoparticules cœur@coquille magnétiques ayant de l’oxyde de molybdène à la surface est présentée. L’oxyde de molybdène est reconnu pour ses propriétés catalytiques pour la scission oxydante des acides gras insaturés. Finalement, dans un cinquième chapitre, une seconde voie de synthèse est présentée pour l’élaboration d’un nanocatalyseur cœur@double coquille, entièrement inorganique. Cette nanoparticule est composée d’un cœur de magnétite, le plus magnétique des oxydes de fer, d’une première coquille de silice et finalement d’une coquille d’oxyde de tungstène. En plus de présenter les étapes de synthèse détaillées et les mécanismes associés, cet article a évalué les propriétés catalytiques de cette nanoparticule de Fe3O4@SiO2@WO3.Lorsqu’employé sur l’acide oléique, et comparé à d’autres catalyseurs à base de tungstène, ce nanocatalyseur exhibe une activité catalytique proche du catalyseur homogène (soit l’acide pertungstique) et bien au-delà des catalyseurs hétérogènes, qu’ils soient à l’échelle macroscopique (oxyde de tungstène brut), ou à l’échelle nanoscopique avec des nanoparticules supportées. De plus, sa récupérabilité et sa réutilisabilité permettent de qualifier cette nanoparticule de nanocatalyseur. Cette méthode fiable et robuste pourrait être mise en œuvre sur d’autres oxydes métalliques pouvant être utilisés comme catalyseurs, tels que le molybdène. Elle permettrait ainsi d’ouvrir une nouvelle voie de synthèse de catalyseurs verts que sont les nanocatalyseurs magnétiques de type cœur@coquille. En effet, la silice étant facilement fonctionnalisable, cette méthode offre de multiples possibilités en termes d’applications. / The scarcity of the fossil resources exacerbates the need for new products, based on sustainable resources such as the vegetable oils. To integrate the unsaturated fatty acids of these biobased products to the petrochemical industry, a bond cleavage is required. This thesis provides new synthesis routes for magnetic nanocatalysts, effective for the oxidative cleavage of fatty acids, in particular oleic acid. The magnetic nanocatalysts are a new type of heterogenous catalysts with catalytic properties close to the performances of the homogeneous catalysts. As a solid material exhibiting magnetic properties, they are easy to recover from reaction media and thus to reuse, contrary to the homogeneous catalysts. Thus, a magnetic nanocatalyst is a promising catalyst in green chemistry. This thesis introduces, in addition two theoretical chapters on the above mentioned concepts, various methods of synthesis to in fine conceive a core@shell nanocatalyst. The latter intend to exhibit a magnetic core of iron oxide and a shell containing the active phase of the catalyst. Thus, the articles included in this thesis contribute to achieving this purpose. The first article provides a method for the synthesis of iron oxide nanoparticles, the magnetite Fe3O4, with a high reproducibility and a low dispersity in size. These nanoparticles will be further used as the core in the design of nanocatalysts with a magnetic core. The second article provides a new synthesis route for the synthesis of magnetic core@shell nanoparticles with molybdenum oxide at the external surface. Molybdenum oxide is a known catalyst for the oxidative cleavage of unsaturated fatty acids. Finally, a new method for the design of a nanocatalyst core@dual shell fully inorganic, is presented. This nanoparticle is composed of a magnetic core of magnetite, the more magnetic phase of iron oxide, a first shell of silica and then a shell of tungsten oxide. Not only the detailed step-by-step synthesis route is provided, but the catalytic activity of this Fe3O4@SiO2@WO3 nanoparticle is also assessed. When applied and compared to other tungsten-based catalysts for the oxidative cleavage of oleic acid, this nanocatalyst exhibits a catalytic activity similar to the homogeneous catalyst (i.e. pertungstic acid) and far above that of existing heterogeneous catalysts. The latter were either a macroscopic catalyst (i.e. bulk tungsten oxide) or nanoscopic catalysts with tungsten oxide nanoparticles and supported nanoparticles. In addition, the easy recovery of this material and its reusability allow qualifying this nanoparticle as a nanocatalyst. This reliable and robust method could be implemented on other catalytic active metal oxides such as molybdenum. This method is a new synthesis path for green catalysts as magnetic core@shell nanocatalysts. Indeed, as the silica is an easy functionable support, this method could be easily implemented and open new catalytic possibilities.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Les apocaroténoïdes volatils sont des composés à l’arôme fruité qui contribuent de façon positive à la flaveur des fruits et à la fragrance des fleurs. La régulation de la production de ces composés dans les plantes est encore peu comprise. Ce projet visait à identifier des gènes clés impliqués dans le sentier de production des apocaroténoïdes, dans le but ultime d’améliorer l’arôme des fruits. Chez les tomates, SlCCD1 (Carotenoid Cleavage Dioxygenase 1), malgré sa localisation cytosolique, était considérée comme l’enzyme responsable d’effectuer le clivage oxydatif des caroténoïdes situés dans les plastes afin de libérer des apocaroténoïdes. Cependant, l’étude de lignées de tomates transgéniques et de fleurs de Viola odorata démontre que CCD1 n’est pas une enzyme clé dans la synthèse des apocaroténoïdes chez les fleurs et les fruits et que la présence d’enzymes capables d’accéder aux caroténoïdes est nécessaire. Ces enzymes peuvent être des CCDs localisées dans les plastes, comme VoCCD4 et VoCCD1-like chez V. odorata, ou des lipoxygénases comme TomloxC chez la tomate, capables de co-oxyder les caroténoïdes lors de l’oxydation des acides gras. L’accumulation des caroténoïdes dans les plastes ayant un impact important sur la nature des apocaroténoïdes produits, la synthèse de ces précurseurs a également été étudiée. L’analyse génétique de tomates qui présentent une accumulation anormale du lycopène a mis en évidence l’importance du gène de la phytoène synthase 1 (PSY1) dans le sentier et la façon dont différentes variations structurelles dans ses séquences promotrices et codantes peuvent affecter la couleur des fruits. Le phénotype des cultivars bicolores est notamment causé par une baisse vraisemblable de l’efficacité de la traduction de PSY1 due à une délétion dans sa région 5’UTR, tandis que les cultivars jaunes ry sont le résultat d’une perte de fonction de PSY1 suite à réarrangement complexe en aval du gène. Ces connaissances sur la synthèse des caroténoïdes et des apocaroténoïdes seront utiles afin d’améliorer l’arôme des tomates et de nombreuses autres espèces cultivées. / Volatile apocarotenoids are molecules with a fruity aroma that have a significant impact on the flavor of fruits and the fragrance of flowers. Despite their importance, the regulation of their synthesis in plants in still not fully understood. The main objective of this thesis was to identify key genes involved in the apocarotenoid pathway in order to ultimately improve the aroma of fruits. In tomatoes, SlCCD1 (Carotenoid Cleavage Dioxygenase 1), even if localized in cytosol, was considered the enzyme responsible for the oxidative cleavage of plastid-localized carotenoids. Analyses of transgenic tomato lines and Viola odorata flowers demonstrate that CCD1 is not a key enzyme in apocarotenoid synthesis in flowers and fruits, and that plastidial enzymes are associated with the production of apocarotenoid volatiles. In tomato, the lipoxygenase C co-oxidizes carotenoids while performing fatty acid oxidation. In V. odorata flowers, the considerable production of ionones correlates with the high expression of plastid-localized CCDs such as VoCCD4 and VoCCD1-like. Since carotenoid accumulation in plastid has an important impact on the nature of the apocarotenoids produced, our attention was also drawn to their synthesis. Genetic analysis of tomatoes that show unusual lycopene accumulation demonstrated the importance of the phytoene synthase 1 (PSY1) gene in the pathway, and the way different structural variation in its promoter or coding sequences can affect fruits color. Bicolor cultivars phenotype is notably due to a likely decrease of PSY1 translation efficiency caused by a deletion in the PSY1 5’UTR region. Similarly, yellow cultivars are the result of structural variations in the first or last exon of PSY1. This knowledge on carotenoid and apocarotenoid synthesis will be useful in order to improve the flavor of tomatoes and many other cultivated species.

Les huiles végétales ont été identifiées depuis longtemps comme première ressource naturelle à fort potentiel permettant de remplacer le pétrole. Les acides gras insaturés obtenus à partir des huiles végétales constituent une alternative pour la production de biopolymères. La scission oxydative de l’acide oléique (C18:1) conduit aux acides azélaïque et pélargonique. Ces acides gras possèdent de nombreuses applications industrielles : en particulier l’acide azélaïque qui est le premier précurseur dans la fabrication du polymère (nylon-6: 9) utilisé dans l’industrie textile pour la production de vêtements. Actuellement, cette réaction est réalisée dans l’industrie via l’ozonolyse. Cependant, cette réaction pose de nombreux problèmes, l’ozone est un produit dangereux qui comporte un risque élevé d’explosion. L’objectif est donc de mettre au point un procédé de clivage oxydatif performant, moins couteux et moins polluant que l’ozonolyse. C’est ainsi que pour répondre aux principes de chimie durable, nous avons choisi de travailler avec les ultrasons et un système oxydant à base d’eau oxygénée, associée à des nanocatalyseurs sous forme de nanoparticules magnétisables de façon à pouvoir les séparer par application d’un champ magnétique. Ce travail aborde le sujet du développement d’un système permettant la production des monoacides et diacides sous ultrasons dans un réacteur soit discontinu (batch) ou soit à alimentation continue. L’aspect original des conclusions du travail est la vision par laquelle les ondes ultrasonores affectent la vitesse des réactions de clivage oxydatif qui passe de 5 h à 15 min pour des conversions très élevées supérieures à 98 %. En utilisant ce processus, le temps et l’énergie sont sauvés. La cavitation par ultrason est rapide et génère de fines émulsions du système biphasique dans tout le volume du réacteur qui affectent le transfert de matière interphase. Celui-ci est accéléré, ce qui permet de hautes conversions de l’huile de canola en mono et diacides gras (azélaïque et pélargonique) avec un temps de résidence aussi bas que 6 min dans le cas d’un réacteur continu et 15 min dans un réacteur discontinu, sans avoir recours à un solvant organique. La technique de production des acides carboxyliques sous ultrasons est une nouvelle technologie prometteuse pour la fabrication de biopolymères. / Vegetable oils have long been identified as a natural resource with high potential to replace petroleum. Unsaturated fatty acids obtained from vegetable oils are an alternative for the production of biopolymers. The oxidative cleavage of oleic acid (C18: 1) leads to azelaic and pelargonic acids. These fatty acids have many industrial applications: in particular azelaic acid which is a precursor in the manufacture of the polymer (nylon-6: 9) used in the textile industry for the production of clothing. Currently, this reaction is carried out in the industry via ozonolysis. However, this reaction poses many problems, since ozone is a dangerous product with a high risk of explosion. The objective is to develop an efficient oxidative cleavage process, less expensive and less polluting than ozonolysis. Thus, to meet the principles of sustainable chemistry, we chose to work with ultrasound and an oxidizing system based on hydrogen peroxide, associated with nanocatalysts in the form of magnetizable nanoparticles to separate them by a magnetic field. This work deals with the development of a system allowing the production of monoacids and diacids under ultrasound in a batch reactor or a continuous feed reactor. The original aspect of this work is the vision by which the ultrasonic waves affect the speed of the oxidative cleavage reactions which goes from 5 h to 15 min with conversions higher than 98%. Using this process, time and energy are saved. Ultrasonic cavitation is rapid and generates fine biphasic system emulsions throughout the reactor volume that affect interphase material transfer. The latter is accelerated which allows high conversions of canola oil into mono and di-fatty acids (azelaic and pelargonic) with a residence time as low as 6 min in the case of a continuous reactor and 15 min in a batch reactor, without the use of an organic solvent. The technique of producing carboxylic acids under ultrasound is a promising new technology for the manufacture of biopolymers. / Résumé en espagnol