L'objectif de cette thèse a été l'optimisation de la synthèse et des performances catalytiques des matériaux au Ti dans les réactions d'oxydation de plusieurs composés organiques en présence d'H2O2. La partie originale est représentée par la synthèse des oxydes mixtes SiO2-TiO2 par un procède sol-gel non hydrolytique et leur utilisation dans les réactions de sulfoxydation, d'époxydation des oléfines, d'oxydation des hydrocarbures aromatiques et des phénols. Ces matériaux ont été comparés aux matériaux mésoporeux ordonnés de type Ti-MCM-41 et Ti-MCM-48 et le titanosilicalite microporeux TS-1. Le procédé sol-gel non-hydrolytique basé sur l'étherolise et la condensation des précurseurs chlorures a prouvé être une méthode simple de synthèse des xérogels mésoporeux SiO2-TiO2, avec une bonne dispersion des atomes de Ti et des bonnes propriétés texturales, sans recourir au séchage supercritique comme dans le cas des oxydes mixtes obtenus par voie hydrolytique. De plus, ils ont montré une activité catalytique remarquable dans les réactions d'oxydation de tous les composés organiques étudiées en présence d'eau oxygénée (conversions significatives, bonnes sélectivités et efficacités de l'H2O2). Les catalyseurs ont ete stable au recyclage et aucun phénomène de leaching n'a été observé, prouvant que l'oxydation se déroule dans un environnement hétérogène. / The objective of this thesis was the optimization of the synthesis and catalytic performances of Ti-containing materials in the oxidation with H2O2 of a wide range of model organic compounds. The original part is represented by the synthesis of SiO2-TiO2 mixed oxides by a non hydrolytic sol-gel procedure and their use in different catalytic reactions like: sulfoxidation, epoxidation of olefins, oxidation of aromatic hydrocarbons and phenols. These materials were compared with ordered mesoporous materials (Ti-MCM-41 and Ti-MCM-48) and microporous titanosilicalite TS-1. The non-hydrolytic sol-gel process based on the etherolysis and condensation of chloride precursors offers a simple one-step route to mesoporous SiO2-TiO2 xerogels with a good dispersion of Ti species and outstanding textural properties, without resorting to supercritical drying procedures as in the case of the mixed oxides obtained by a hydrolytic way. Moreover, these materials exhibited a remarkable catalytic activity in the oxidation with H2O2 of all the organic compounds investigated (significant conversions, good selectivities and H2O2 efficiencies). The catalysts were stable under operating conditions.

Depuis le début des années 1990, l'hétéroannélation de Larock est apparue comme une méthode de choix pour obtenir, en une seule étape, des indoles 2,3-disubstitués. Cependant, bien qu'efficace, certains inconvénients restaient associés à cette stratégie comme l'utilisation d'un système catalytique homogène associé à l'emploi de sels. Pour cette raison, nous avons développé une nouvelle méthodologie sans sels ou additifs par catalyse hétérogène. Différents catalyseurs commerciaux ou faciles d'accès (Pd/C ou [Pd]/NaY) ainsi que de nouveaux complexes au palladium immobilisés sur SBA-15 ont été testés. De façon surprenante, ces nouvelles conditions ont permis une activation de 2-bromoanilines et ce, sans l'emploi d'additifs. Une autre méthode d'obtention de ces hétérocycles a émergé ces dernières années et se pose comme une alternative aux couplages traditionnels : l'arylation d'indoles. Malgré de nombreuses améliorations, aucun travail ne décrivait une procédure permettant une arylation complémentaire C2 ou C3 d'indoles libres avec un système catalytique unique. Nous avons développé un tel système, basé sur une pallado-catalyse dans l'eau. Cette stratégie permet d'atteindre des sélectivités C2/C3 ou C3/C2 élevées avec de bons rendements isolés par un simple contrôle du couple {base/halogénure d'aryle}.Enfin, dans le cadre de nos travaux visant la synthèse par catalyse hétérogène de produits à haute valeur ajoutée, nous avons initié des études sur l'obtention de pyrroloiminoquinones. La méthode consistant en une catalyse hétérogène monotope en seulement deux grandes étapes devrait permettre un accès rapide à de nombreux dérivés bioactifs isolés d'organismes marins.

Cette étude décrit le développement de nouveaux catalyseurs d'hydrotraitement (HDT) et d'hydrocraquage (HCK) par couplage de la chimie sol gel au procédé aérosol. Les matériaux synthétisés sont des silices et des aluminosilicates (rapport molaire Si/Al = 12) à porosité mésostructurée, dans lesquels une phase oxométallique composée de cobalt et de molybdène est incorporée. Les synthèses ont été effectuées à partir de précurseurs inorganiques (tétraéthylorthosilicate et chlorure d'aluminium), de tensioactif Pluronic P123 ([EO]30-[PO]70-[EO]30), d'hétéropolyanions (HPA) de molybdène, de structure Keggin ([PMo12O40]3-) ou de structure Strandberg ([P2Mo5O23]6-), ainsi que d'hydroxyde de cobalt (Co(OH)2). La teneur en molybdène, la nature de l'HPA initialement utilisé et la température de calcination visant libérer la porosité, sont des paramètres qui influencent grandement la structure des matériaux. Ainsi, l'étude des propriétés texturales et structurales de la matrice par volumétrie à l'azote, SAXS, MET, ainsi que l'étude de la phase oxométallique par RMN 31P, IRTF et Raman a permis de proposer une modélisation structurale des matériaux. La structure, la dispersion ainsi que la localisation de la phase oxométallique au sein de la matrice poreuse mésostructurée est également discutée en détail. Les matériaux ont été étudiés par XPS et MET après sulfuration et les performances catalytiques en hydrogénation du toluène ont été testées. L'activité catalytique est dépendante de la morphologie des feuillets sulfure, cette dernière étant conditionnée par l'incorporation des précurseurs oxométallique dans une matrice mésostructurée

Le développement de technologies plus propres et économes en énergie amène aujourd’hui l’industrie du raffinage à modifier ses stratégies de préparation de catalyseurs et à se tourner vers l'utilisation plus massive de catalyseurs hétérogènes plus actifs, sélectifs, stables et régénérables.Récemment une méthode originale a été développée par Dufaud et al. (J. Mater. Chem., 2009, 19, 1142-1150) pour encapsuler des polyoxométallates (POMs) dans les murs des silices mésoporeuses. Le projet de thèse a visé l’élaboration de nouveaux catalyseurs basés sur cette nouvelle méthodologie qui devrait conduire à des systèmes à haute teneur en métal actif Mo/W bien dispersé, avec une meilleure proximité spatiale entre le Mo/W et son promoteur. Afin de mettre en évidence cette proximité, différentes voies ont été envisagées :i) synthèse en deux étapes comportant l'encapsulation des POMs dans les murs de SBA-15, suivie d’une imprégnation à sec des promoteurs (Ni(NO3)2 ou Co(NO3)2)ii) synthèse en une seule étape comportant l'imprégnation à sec de POMs substitués Co3PCoMo11O40H, Ni3PNiMo11O40H, Co3/2PMo12O40 ou Ni3/2PMo12O40 iii) préparation traditionnelle par co-Imprégnation à sec d’une silice SBA-15 par une solution de POMs et Ni(NO3)2 ou Co(NO3)2, afin de mettre en évidence non seulement l'intérêt de la nouvelle méthode de préparation mais aussi le gain lié à l'utilisation de supports de type SBA-15 (par rapport aux supports aluminiques conventionnels) ayant des caractéristiques texturales aussi remarquables. L’effet du traitement de sulfuration sur ces solides a été étudié et l’évaluation des propriétés catalytiques de ces matériaux a été réalisée sur des molécules modèles en hydrogénation du toluène, hydrodésulfuration du thiophène et du 4,6-DMDBT. A partir des résultats obtenus, une des stratégies de synthèse a été optimisée, en vue de l'élaboration de matériaux encore plus actifs. / Economic growth in the developing countries over the past decade has increased the global demand for crude oil. It is projected that the global crude slate will become sourer, with a sulfur content above 1.3 wt%. An overall aim of policymakers is thus to ensure that transportation fuels do not surpass a sulfur content of 10 ppm. Several solutions are possible to achieve the nowadays goals, that affect either the process or the catalyst. The latter solution, which does not involve significant additional costs for refiners, is therefore the most studied. One way to improve the nowadays catalysts would be to increase the content of active metal (eg cobalt and molybdenum in the case of CoMo systems). Nevertheless, at higher metal loadings, the formation of refractory species such as CoMoO4 or Co3O4 by sintering during calcination and/or sulfidation steps has been reported for alumina-Supported catalysts. This PhD project is based on the development of new hydrotreating catalysts, through a 2-Step one-Pot method : synthesis of polyoxometalates-Containing mesoporous SBA-15 materials, followed by incipient wetness impregnation of active phase promoter. The encapsulation of these species within the silica matrix would prevent the agglomeration of large particles during sulfidation reactions and could thus lead to systems with high content of active metal well dispersed over the support. One aim of this study was to evaluate the potential of these catalysts in the hydrotreating of several feedstocks, such as diesel oil, gasoline or vegetal oil. A second objective was the understanding of the nature of the different interactions between the active phase precursors and the support, according to each preparation technique.The non-Promoted hybrid catalyst showed a better dispersion of the metallic phase in the oxide state, compared to the catalysts prepared by incipient wetness impregnation, which can be correlated with stronger interactions between encapsulated POM and silica functionalities, such as siloxanes and silanols, as evidenced by Raman spectroscopy. However, the wide-Angle XRD showed the presence of MoO3 crystallites. HRTEM analyzes of the sulfided catalysts showed different species on this catalyst: small MoS2 slabs and metal particles (∼ 1 nm) mainly in the walls but also on the surface of pores; curved MoS2 slabs at mesopores surface leaving the entrance of the pore free; MoS2 hanks blocking the pores.This catalyst showed a relatively low sulfidation rate (determined by XPS), which could be associated with the presence of refractory species already present before activation. Thus, the toluene conversion represented per MoS2 clearly showed the interest of the catalyst prepared by this innovative method, presenting an intrinsic activity two-Fold higher than that of the catalyst prepared by dry impregnation.The subsequent impregnation of the active phase promoter of the hybrid catalyst (Pr(NO3)2, Pr = Ni or Co; 4 <pH <6), resulted in a very heterogeneous distribution of species, which could be attributed to a POM destruction by the impregnation solution, that afterward led to the sintering of large clusters. However, the hybrid catalysts promoted showed improved catalytic performances when compared to the traditional alumina-Based catalysts, when nickel is used as a promoter. However, the sulfidation and promotion rates of these catalysts must be improved: the catalyst with the highest Ni content showed (i) a high Ni/Mo atomic ratio of 0.4, which would lead to a loss of active sites by excessive decoration, and (ii) the formation of species such as NixOwSy or NixSy, which could lead to the loss of active sites, dispersion and access to the active phase.Perspectives towards an enhanced HDT catalyst based on the findings of this project are:Milder synthesis calcination conditionsSulfidationPost-Synthetic treatment in order to introduce Ni and Mo in proximal vicinityRegeneration of HDT hybrid catalysts

Depuis le début des années 1990, l'hétéroannélation de Larock est apparue comme une méthode de choix pour obtenir, en une seule étape, des indoles 2,3-disubstitués. Cependant, bien qu'efficace, certains inconvénients restaient associés à cette stratégie comme l'utilisation d'un système catalytique homogène associé à l'emploi de sels. Pour cette raison, nous avons développé une nouvelle méthodologie sans sels ou additifs par catalyse hétérogène. Différents catalyseurs commerciaux ou faciles d'accès (Pd/C ou [Pd]/NaY) ainsi que de nouveaux complexes au palladium immobilisés sur SBA-15 ont été testés. De façon surprenante, ces nouvelles conditions ont permis une activation de 2-bromoanilines et ce, sans l'emploi d'additifs. Une autre méthode d'obtention de ces hétérocycles a émergé ces dernières années et se pose comme une alternative aux couplages traditionnels : l'arylation d'indoles. Malgré de nombreuses améliorations, aucun travail ne décrivait une procédure permettant une arylation complémentaire C2 ou C3 d'indoles libres avec un système catalytique unique. Nous avons développé un tel système, basé sur une pallado-catalyse dans l'eau. Cette stratégie permet d'atteindre des sélectivités C2/C3 ou C3/C2 élevées avec de bons rendements isolés par un simple contrôle du couple (base/halogénure d’aryle).Enfin, dans le cadre de nos travaux visant la synthèse par catalyse hétérogène de produits à haute valeur ajoutée, nous avons initié des études sur l'obtention de pyrroloiminoquinones. La méthode consistant en une catalyse hétérogène monotope en seulement deux grandes étapes devrait permettre un accès rapide à de nombreux dérivés bioactifs isolés d'organismes marins. / Since the beginning of the 90's, the Larock heteroannulation became a method of choice to afford, in a single step, 2,3-disubstituted indoles. While effective, this methodology suffered of drawbacks lied to the use of salts, additives and homogeneous catalyst. Thus, we developed the first ligand and salt free heterogeneous Larock heteroannulation. Different commercially available, home made catalysts (Pd/C or [Pd]/NaY) or new palladium complexes immobilised onto mesoporous silica SBA-15 were evaluated. Surprisingly, this methodology allowed an activation of the 2-bromoanilines without using additives. Another procedure to obtain indole nucleus emerged over the past few years as an outstanding alternative to traditional cross-coupling reactions: namely the “direct arylation”. Despite major improvements, no report focuses on complementary C2 and C3-arylation procedures by means of a unique catalytic system. Herein, we describe an innovative “on water” palladium-catalyzed C–H arylation of (NH)-indoles that is site-selective through a base/halide-controlled using cheap reagents. This methodology allows the preparation of either C2- or C3-arylindoles with high isolated yields. Finally, as part of our project related to syntheses of high added value products by heterogeneous catalysis, we investigated studies in order to obtain pyrroloiminoquinones. This new methodology using only two steps will permit an access to numerous bioactive analogues.

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration de matériaux siliciques mésostructurés par des agents structurants originaux : les micelles complexes de polyions ou micelles PICs, qui présentent la particularité de s’assembler de façon réversible dans l’eau. Les micelles PICs sont des assemblages formés par interactions électrostatiques entre un copolymère à blocs double-hydrophiles (DHBC) neutre-ionisable et un agent de micellisation de charge opposée au DHBC. Le DHBC utilisé est un poly(oxyde d’éthylène)-b-poly(acide acrylique) POE-b-PAA synthétisé par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP) et les agents de micellisation sont commerciaux (oligochitosane OC, antibiotiques aminoglycosides). Tout d’abord, l’influence de divers paramètres (pH, température, concentration) sur les propriétés d’association des micelles PIC a été étudiée en solution aqueuse. Puis, l’influence de ces mêmes paramètres sur la structuration de la silice en présence de complexes de polyions POE-b-PAA/OC a été recherchée, et a permis de mieux appréhender les mécanismes de formation des matériaux hybrides. Il a ainsi été montré qu’en jouant sur les interactions entre les divers constituants, il était possible de contrôler la mésostructure des matériaux (hexagonale, lamellaire, vermiculaire) et leur morphologie (nanoparticules, microparticules). Enfin, la versatilité de l’utilisation de micelles PIC en tant qu’agents structurants de la silice a été mise en évidence avec des systèmes POE-b-PAA/aminoglycosides, qui ont permis d’obtenir directement des matériaux structurés ordonnés chargés en principes actifs. Par ailleurs, les possibilités offertes par l’utilisation des micelles PIC notamment en termes de fonctionnalité et de réversibilité de la micellisation, ont été exploitées et ont permis d’obtenir facilement des matériaux mésoporeux fonctionnalisés par les chaînes ionisables du DHBC, suite à l’extraction sélective de l’agent de micellisation. Il a été montré que de tels matériaux fonctionnels sont capables de complexer des espèces de charges opposées et notamment des principes actifs, qui peuvent par la suite être relargués de façon pH-dépendante. / Mesostructured hybrid materials were prepared by using original silica-structuring agents, which are polyion complex (PIC) micelles. A great advantage of PIC micelles is that they can be reversibly assembled in aqueous solution by varying physico-chemical parameters. PIC micelles are formed by electrostatic complexation between a neutral-anionic double-hydrophilic block copolymer (DHBC) and an oppositely charged agent of micellization; here a poly(ethylene oxide)-b-poly(acrylic acid) PEO-b-PAA (synthesized by controlled radical polymerization by atom transfer ATRP) and commercial polyamines (oligochitosan OC or aminoglycoside antibiotics) were respectively used. First, the influence of various parameters (pH, temperature, concentration) on PIC micelle association properties was investigated in aqueous solution. Then, the effect of these parameters on the silica mesostructuring process was studied, it provides a better understanding of the formation mechanisms. It was shown that varying interactions between constituents allows to control the mesostructure (hexagonal, lamellar, wormlike) and the material morphology (nanoparticle, microparticle). Finally, the versatility of the approach has been demonstrated with PEO-b-PAA/aminoglycoside systems. Drug-loaded ordered mesostructured materials were prepared following a one-pot route. Moreover, taking advantage of the high degree of functionality of DHBC polymers and of the reversibility of the micellization, polyacid-functionalized mesoporous materials were directly prepared by selectively extracting the micellization agent. PAA-functionalized silica materials were then used to complex diverse active entities such as drugs, whose delivery could be pH-controlled.