Dissertationen zum Thema „Suivi de réactions chimiques“

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique amplement utilisée pour la détection et la quantification de composés chimiques avec un spectre d’application très large. Dans ce manuscrit, deux d’entre eux sont traités : la détection de polluants dans l'eau potable et la surveillance des réactions chimiques. Alors que les équipements de RMN de laboratoire présentent des résultats d'analyse très fiables, la RMN portable est un domaine de recherche en évolution avec de multiples défis technologiques et d’autres liés aux applications ciblées. Les dispositifs RMN portables émergents présentent cependant comme avantage évidente par rapport aux dispositifs classiques leur utilisation directe sur le terrain. Cela permet ainsi d’avoir des résultats d’analyses plus rapidement et de limiter les coûts de personnel et de consommables. Afin de concevoir des spectromètres RMN portables, on doit faire des compromis de conception, tout en étant capable de comprendre les enjeux liés à ces choix, afin que le produit final puisse toujours répondre aux exigences des applications concernées. Pour cela, nous proposons une chaîne d'outils de simulation RMN complète, capable de générer divers aboutissements correspondant à un spectromètre RMN réel. En outre, nous développons une preuve de concept de l’électronique de contrôle et d’acquisition basée sur des composants commerciaux disponibles et nous la validons sur notre prototype de spectromètre RMN portable. Finalement, ce prototype est utilisé pour évaluer le potentiel de la RMN portable pour les applications citées ci-dessus. Cette étude nous a permis d’identifier les limites du dispositif actuel et de proposer un cahier des charges visant son amélioration continue
Nuclear Magnetic Reaction (NMR) spectroscopy is a widely employed technique in the detection and quantification of chemical compounds, with a wide range of applications. In this manuscript, the focus is put on two of them: the detection of pollutants in drinking water and the monitoring of chemical reactions. While laboratory NMR equipment presents highly reliable analysis results, portable miniaturized NMR is an evolving research field with multiple technological and application-related challenges. Such emerging devices present however a clear advantage when compared to the classic, stablished ones: it can be used in the field, therefore saving time and limiting staff and consumables costs. In order to design NMR spectrometers to attain the desired portability and miniaturization, one has to compromise, however being able to understand what is at stake, so that the final product still meets the demands. For that, we propose a complete NMR simulation toolchain capable of generating diverse outcomes corresponding to a real NMR spectrometer. Furthermore, we develop a proof of concept for an electronic control and acquisition unit based on commercial-off-the-shelf components and validate it on a portable NMR spectrometer prototype. Finally, we use this prototype to assess the potential of portable miniaturized NMR for the targeted applications cited above. This study allowed us to identify the limits of our current prototypical device and to provide directions for its further improvement

Dans ce travail de thèse nous présentons notre contribution à la mise au point d’un spectromètre RMN immersible miniature à bas-cout (DIP-NMR) permettant de suivre des réactions chimiques directement sous la hotte ou dans les réacteurs industriels. Nous avons pu tester et optimiser la première version d’un prototype enregistrant des spectres à un scan de produit pur, beaucoup de travail reste à faire pour développer une sonde immersible pouvant faire des acquisitions sur plusieurs canaux simultanément.Les premiers spectres obtenus sur notre prototype sont larges et nous avons dû tester et mettre au point des méthodes chimio-métriques pour extraire les données cinétiques et quantitatives. Ces méthodes ont pu être testés sur des données obtenues sur des spectromètres haut champs volontairement dégradés.En parallèle, une série de réactions d’hydrosilylation de substrats organiques (Nitriles, Esters, Amides Cyclique) en présence d’un catalyseur à base d’Ir(III) ont été suivies par RMN à haut champ et haute résolution. Ce travail a permis de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu et d’obtenir des données cinétiques de référence pour les tests des prochaines versions de nos spectromètres immersibles
This endeavour represents a pioneering effort to design and develop a cost-effective low-field Dip-NMR or Immersible NMR system dedicated to monitoring reaction mixtures at the closest possible source of information. While we have successfully designed and optimized the first version of prototype capable of acquiring single scanned NMR spectra of pure samples, further focused study and research are highly warranted to develop and integrate prototype into an immersible probe unit capable of multi-channel acquisition to realize the proposed Dip-NMR system. The NMR spectra obtained from Dip-NMR system were notably broad and necessitated dedicated chemometric methods for quantification and kinetic data extraction. Known reactions were monitored on a high-field high-resolution NMR spectrometer, with the kinetic data from this instrument serving as benchmark data for comparison and evaluation against the data obtained from Dip-NMR system. Various chemometric methods were explored and tested on the mimicked spectra for quantification and kinetic data extraction, with the results subsequently compared with the benchmark data. In parallel with the project’s goal, hydrosilylation reactions involving organic substrates such as nitriles, cyclic amides, and esters were catalyzed using an Ir(III) catalyst and monitored on a high-field high-resolution NMR spectrometer. These investigations have successfully yielded valuable insights into the reactions, contributing to a deeper understanding of the processes involved and laid important reference kinetic data for future testing of an advanced Dip-NMR probe prototype

L’oxydation des lubrifiants moteur est une cause importante d’altération de leur formulation chimique et, de fait, de leur propriétés. Dans le cadre de l’allongement des intervalles de vidange, il est indispensable de maintenir le plus longtemps possible les performances des lubrifiants, notamment pour permettre des économies de carburant, et donc de lutter contre l’oxydation. Nous avons mis au point un outil analytique qui permet le suivi en continu par spectroscopie infrarouge du vieillissement accéléré des lubrifiants, complété par une analyse chimiométrique des spectres ainsi obtenus. Le but est d’approfondir les connaissances des mécanismes d’oxydation, pour les contrer le plus efficacement possible, et d’étudier le mode d’action des molécules utilisées comme antioxydants pour lutter contre ce phénomène indésirable. L’utilisation de l’Analyse en Composantes Principales (ACP) et de la technique de résolution Multivariate Curve Resolution Alternating Least Squares (MCR-ALS) nous a permis d’améliorer les connaissances sur l’action du fer comme catalyseur de l’oxydation, avec la formation favorisée d’alcools, d’eau et de produits lourds, et de suivre l’action des diphénylamines substituées comme antioxydant
Maintaining the quality of lubricants is essential because of their key role in machine duration and performance. Oxidation is one of the main causes of oil degradation. To prevent and reduce the consequences of this phenomena in the best possible way, mechanisms must be determined and well understood. An experimental system was built to reproduce, at the lab-scale and in an accelerated mode, the oxidation process of lubricating base oils under temperature close to those existing under working conditions. Mid-infrared spectroscopy has been chosen for on-line monitoring of the chemical changes happening along the process. To understand the oxidation evolution, the spectroscopic data recorded have been analysed with factorization techniques such as Principal Component Analysis (PCA), which has shown the action of iron as catalyst. The use of Multivariate Curve Resolution – Alternating Least Squares (MCR-ALS) method allowed to extract chemical information about the evolution of a substituted diphenylamine antioxidant during the induction period

L'objectif de l'etude est d'obtenir rapidement des modeles thermo-cinetiques pour des reactions de l'industrie pharmaceutique. Les reacteurs utilises sont de type discontinu et les reactions sont considerees comme ayant lieu en milieu pseudo-homogenes. Les modeles cinetiques font intervenir des constantes de type arrhenius. Le logiciel d'identification des parametres cinetiques utilise doit etre renseigne a la fois en donnees thermiques et en donnees en compositions chimiques. Les donnees thermiques sont obtenues par calorimetrie. Les donnees en composition sont obtenues par spectrometrie infrarouge en ligne. L'application de cette technique a la recherche de modeles cinetiques a necessite l'exploration du domaine de validite de l'irtf (infrarouge a transformee de fourier) ; notamment l'influence de la temperature, ainsi que l'utilisation de cette technique en milieu heterogene. Elle necessite egalement la mise au point d'etalonnages pour transformer les intensites infrarouges en donnees en concentration. L'utilisation de l'irtf en ligne a permis egalement de suivre l'evolution d'intermediaires instables au cours de reactions et de confirmer des mecanismes reactionnels. Le couplage calorimetrie/irft offre de nombreuses perspectives de developpement pour l'etude quantitative des reactions en milieu heterogene, ainsi que pour la cristallisation.

L'objectif de ce travail a été de déterminer précisément le rôle joué par chacun des trois systèmes poreux de la zéolithe MCM-22 lors de la transformation des xylènes à 350ʿC. Dans les larges supercages, le réactif peut s'isomériser mais également se dismuter pour former du toluène et des triméthylbenzènes. Ces derniers, piégés dans les cages, subissent alors de nombreuses transformations secondaires, conduisant à la désactivation complète de ce système poreux après 24 h de réaction. Le rôle des coupes externes a pu être évalué après empoisonnement par la 2,4-diméthylquinoléine. L'importance relative de ce système poreux dépend largement de la nature du réactif mais également des propriétés physicochimiques du catalyseur, et peut être responsable de plus de 30 % de l'activité initiale de la zéolithe MCM-22. Enfin, dans les canaux sinusoi͏̈daux, seule l'isomérisation entre le m-xylène et le p-xylène peut s'effectuer du fait du diamètre très réduit de ces canaux
The aim of this work was to determine precisely the role played by each of the three pore systems of the MCM-22 zeolite during xylenes transformation at 350ʿC. In the large supercages, the reactant can isomerise but also disproportionate, giving toluene and trimethylbenzenes. The latter, trapped inside the cages, undergo several secondary transformations, leading to the complete deactivation of this pore system after 24 hours of reaction. The role played by the external cups has been determined after poisoning with 2,4-dimethylquinoline. The relative significance of this pore system depend largely on the nature of the reactant but also on the physicochemical properties of the catalyst, and can be responsible for more than 30 % of the initial activity of MCM-22 zeolite. Finally, in the sinusoidal channels, only isomerization between m-xylene and p-xylene can occur, due to the small diameter of these channels

L'oxydeshydrogenation de l'acide isobutyrique en acide methacrylique avec l'oxygene a ete etudiee dans un reacteur catalytique a lit circulant, a la temperature de 400c et a pression atmospherique. Les relations entre les differents debits de gaz et le debit de solide, tout comme les temps de sejour et de contact ont ete mis en evidence a l'aide du reacteur et de sa maquette froide. Une methode de calcul permettant de determiner le debit de solide a ete proposee puis confrontee a l'experience. L'etude de la reaction catalytique proprement dite a montre que des especes carbonees etaient entrainees hors du reacteur par adsorption sur les particules de catalyseur. Dans le cas ou ces especes seraient des produits de reaction, les resultats (conversion et selectivites) sont pratiquement identiques dans les reacteurs a lit circulant et a lit fixe. Par ailleurs, la selectivite en acide methacrylique augmente lors de l'introduction etagee de l'oxygene le long du lit entraine. L'analyse spectroscopique du catalyseur apres test catalytique a montre que les compositions chimiques de surface etaient similaires pour les deux types de reacteurs. La resistance du catalyseur a l'attrition depend du support utilise et de la composition chimique de la phase active.

La methoxycarbonylation du dichloromethane en malonate de dimethyle a ete effectuee en presence d'ions methanolates sous pression de monoxyde de carbone et a l'aide d'un catalyseur a base de cobaltco(co)#3pbu#3#2. Utilise directement sous cette forme, il entraine des conversions en reactifs faibles et un rendement en malonate de dimethyle de 15% comparable a ceux obtenus dans la litterature. La reduction chimique prealable du catalyseur en cobaltate correspondant co(co)#3pbu#3#-, veritable espece active, sur amalgame na(hg) permet de diminuer le temps reactionnel de presque 20 heures mais n'ameliore pas le resultat final. Seule la reduction par voie electrochimique du catalyseur en presence d'une anode metallique soluble et le maintien du courant tout au long de la reaction permet d'atteindre des rendements de 50 a 75% et des selectivites de l'ordre de 70 a 90% en malonate de dimethyle en jouant sur les concentrations respectives des differents reactifs. En effet, la concentration de la base est un facteur essentiel de la reaction. Trop elevee, celle-ci entraine la formation majoritaire des produits secondaires ; trop faible, elle ralentit considerablement l'activite de la methoxycarbonylation. L'equilibre formiate de methyle/methanol influe egalement mais dans une moindre mesure sur les resultats obtenus. Il semblerait que l'electrochimie entraine la regeneration du cobaltate co(co)#3pbu#3#- ou d'une ou plusieurs autres especes intermediaires du cycle catalytique probablement reoxydes au cours de la reaction.

Cette thèse vise à développer une approche basée sur le concept de Graphe Condensé de Réaction (GCR) capable de (i) sélectionner un espace optimal de descripteurs séparant au mieux différentes classes de réactions, et (ii) de préparer de nouveaux descripteurs pour la modélisation « structure–réactivité ». Cette méthodologie a été appliquée à la recherche par similarité dans une base de données contenant 8 classes de réaction différentes; et à la cartographie de son espace chimique en utilisant des cartes de Kohonen et de cartes topographiques génératives. La seconde partie de la thèse porte sur le développement de modèles prédictifs pour le pKa et pour des conditions optimales pour différents types de réaction de Michael impliquant à la fois les descripteurs d’effet électronique et des descripteurs calculés sur les GCR
This thesis aims to develop an approach based on the Condensed Graph of Reaction (CGR) method able to (i) select an optimal descriptor space the best separating different reaction classes, and (ii) to prepare special descriptors to be used in obtaining predictive structure-reactivity models. This methodology has been applied to similarity search studies in a database containing 8 different reaction classes, and to visualization of its chemical space using Kohonen maps and Generative Topographic Mapping. Another part of the thesis concerns development of predictive models for pKa and for optimal conditions for different types of Michael reaction involving both CGR-based and Electronic Effect Descriptors

Le développement de systèmes miniaturisés, dits "microsystèmes" a progressé considérablement depuis les quinze dernières années. Ces systèmes, qui mesurent à peine quelques dizaines de micromètres, sont réalisés à partir des technologies de fabrication issues de la microélectronique. Plus récemment, ces technologies ont stimulé le développement des microréacteurs dans le champ du génie des procédés et des industries présentant des problématiques liées à la chimie. La présente thèse s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche plus large en cours au LGC et dont le thème central est l'étude des microréacteurs. De manière générale, très peu de travaux intègrent une approche de génie des procédés ayant pour but d'étudier le rôle de l'hydrodynamique et l'effet de la miniaturisation sur la performance du microréacteur. Les objectifs sont ici d'étudier le comportement hydrodynamique de liquide circulant dans un microcanal par une étude expérimentale et numérique (CFD). Les résultats ont révélé dans un premier temps un nombre de Poiseuille constant pour plusieurs géométries de microcanaux de même section. L'influence des conditions opératoires et les effets de la géométrie d'alimentation des microréacteurs mettent en évidence l'importance de la mise en contact des fluides sur l'efficacité d'une réaction chimique. D'autre part, quand l'interface se situe au centre du microcanal principal, la conversion est maximale pour des débits massiques d'alimentation égaux. La dernière partie axée sur les réactions d'estérification, montre que la cinétique de réaction est accélérée en augmentant la concentration de catalyseur.

L'hydrotraitement est un procede visant a eliminer les composes indesirables presents dans les coupes petrolieres dans le but d'ameliorer la combustion dans les moteurs et de diminuer la pollution atmospherique. L'hydrotraitement des molecules soufrees, azotees et aromatiques d'un gazole de type lco a ete etudie sur unite pilote a une temperature fixee et en presence d'un catalyseur nimo/al 2o 3. Une etude hydrodynamique a montre que le reacteur a lit fixe a ecoulement ascendant utilise pour les experiences travaillait en regime chimique. Par l'intermediaire d'analyses chimiques detaillees, il a ete possible de regrouper les composes reagissant au sein du reacteur en huit familles chimiques : trois familles d'hydrocarbures aromatiques, une famille de composes soufres, une famille de composes azotes, nh 3, h 2s et h 2. Deux modeles cinetiques de type langmuir-hinshelwood a un et deux types de sites ont ete ecrit. Le modele a deux types de sites - un site d'hydrogenation et un site d'hydrogenolyse - a montre une meilleure precision quant a la modelisation des resultats experimentaux. Ce modele permet de prevoir l'influence des pressions partielles d'h 2s et d'hydrogene sur les reactions d'hydrotraitement de gazole de type lco.

Le travail décrit dans ce mémoire concerne l’élaboration de nouvelles réactions en cascade au départ d’ω-cétoesters acétyléniques condensés à des mono- ou bicycloalcanones ou à des cycles aromatiques. Après avoir généralisé une méthode d’accès facilement modulable selon les substrats de départs, nous nous sommes intéressé à la réactivité intramoléculaire de ces ω-cétoesters acétyléniques en présence d’une amine chirale, d’acides de Lewis comme le TBSOTf et le TMSOTf, ou de bases comme le t-BuOK et le NaOEt. A travers ces différentes conditions et en fonction des substrats de départ, nous avons montré qu’il était possible d’accéder à des dérivés spiraniques, des allènes électrophiles tricycliques, des acétals silylés de cétènes, des diesters originaux ou bien encore des dérivés tricycliques polyfonctionnalisés. Ceci nous a permis de développer de nouvelles voies d’accès vers la synthèse de produits naturels bioactifs appartenant à la famille des Hamigérans et des Mangicols
This thesis deals with new cascade reactions starting from acetylenic ω-ketoesters tethered to mono- or bicycloalkanones or aromatic rings. A convenient and versatile general procedure was developed to prepare the acetylenic ω-ketoester starting materials. The reactivity of these substrates was tested towards Lewis acids such as TBSOTf and TMSOTf and bases like t-BuOK and NaOEt. These intramolecular reactions provided a new route to spiro derivatives, tricyclic electrophilic allenes, silyl ketene acetals, specific diesters and polyfunctionalized tricyclic derivatives. These new methodologies were successfully applied to the preparation of natural bioactive compounds belonging to the Hamigeran and Mangicol families

Au cours de ce travail, nous avons développé de nouvelles réactions domino anioniques basées sur la réactivité d'anions stabilisés issus de dérivés 1 3-dicarbonylés Cette étude nous a permis de préparer des molécules polyfonctionnalisées pouvant intervenir dans la synthèse de structures plus complexes présentes dans de nombreux produits naturels. Dans un premier temps, nous avons étendu et généralisé une nouvelle méthodologie d 'extension de cycle à deux atomes de carbone faisant intervenir une séquence domino C-C-dialkylation/rétro-Dieckmann permettant d'accéder directement à des dérivés fonctionnalisés incorporant un cycle à sept chaînons. Nous avons aussi développé une cascade de C-O-cycloalkylation stéréosélective donnant accès a des éthers d'énol vinyliques précurseurs de systèmes bicycliques pontés selon une transposition thermique de Claisen. Le mécanisme ainsi que l'étude de la stéréosélectivité ont été approfondis par des calculs théoriques qui se trouvent en accord avec les résultats expérimentaux
In this work, we proposed new domino anionic transformations based on the reactivity of stabilized carbanions from 1,3-dicarbonyls. The study allowed the synthesis of fused polycyclic molecules which can be used in the formation of structures present in a large number of natural products. First, we have extended and generalized a new facile two-carbon ring expansion of cyclopentanones by a domino C-C-dialkylation/retro-Dieckmann for the flexible preparation of functionalized seven-membered rings. We have also developped a stereoselective C-O-cycloalkylation cascade leading to vinyl enol ethers which could be involved in a Claisen rearrangement to give highly functionalized bridged bicyclic systems. Both, the mechanism and the stereoselectivity have been studied by semiempirical calculations which are qualitatively in agreement with the experimental results. In a second time, we described a new γ-functionalization of β-ketoamides with aromatic, aliphatic and α,β-ethylenic aldehydes. Thus, we accedγeed to γ-arylidenes, γ-alkylidenes et γ-allylidenes β-ketoamides which constitute cyclic Nazarov analogues having a high synthetic value with their three consecutive reactive sites, both nucleophilic and electrophilic. .

Ce travail est consacré à la modélisation QSPR des propriétés cinétiques et thermodynamiques des réactions chimiques à l'aide de l'approche Graphe Condensé de Réaction (CGR). Le CGR permet de coder des structures de réactifs et de produits en un seul graphe moléculaire pour lequel des descripteurs moléculaires peuvent être générés.Une base de données contenant plus de 11000 réactions collectées manuellement a été développée puis utilisée dans la modélisation. Les modèles prédictifs ont été construits pour les constantes de vitesse de réactions Diels-Alder, SN2 et E2 ainsi que pour les constantes d'équilibre des transformations tautomères. Ils sont rendus publics via un portail WEB. Une partie de la thèse concerne une étude de mécanique quantique des réactions entre des sydnones et des alcynes contraints pour lesquels la taille du jeux de données n'était pas suffisante pour produire des modèles statistiquement significatifs
This work is devoted to QSPR modeling of kinetic and thermodynamic properties of chemical reactions using the Condensed Graph of Reaction (CGR) approach. CGR allows encoding structures of reactants and products into one sole molecular graph for which molecular descriptors can be generated. A comprehensive database containing some 11000 manually collected reactions has been developed then used in the modeling. Predictive models were built for rate constants of Diels-Alder, SN2 and E2 reaction as well as for equilibrium constants of tautomeric transformations. They are available for the users via WEB portal. A part of the thesis concerned quantum mechanics studies of reactions between sydnones and strained alkynes for which the size of the dataset was not sufficient to produce statistically meaningful models

La reaction alcali-silice est un processus de degradation interne des betons mettant en jeu les phases siliceuses du granulat, les alcalins de la solution interstitielle du beton et la portlandite. Le but de notre etude est de mieux comprendre le mecanisme reactionnel et de determiner des variables d'avancement qui soient specifiques a la reaction alcali-silice. Cette etude a ete effectuee sur un silex classe comme potentiellement reactif a effet de pessimum. Nous avons etudie la reaction a travers deux milieux reactionnels modeles representatifs du milieu reel qu'est le beton : l'un riche en alcalins et l'autre pauvre. Nous avons montre que l'etape ultime de la reaction alcali-silice est une dissolution des tetraedres de silicium q 4 de coordinence quatre. Cette dissolution est precedee par la coupure de liaisons siloxanes qui contribue a la formation dans le reseau solide de tetraedres de type q 3 de coordinence trois. Ces structures q 3 correspondent soit a des silanols soit sont ionisees par les ions hydroxyles puis neutralisees par les ions potassium et calcium. Grace a une modelisation du bilan matiere de la reaction nous avons pu determiner la fraction de silice dissoute, la fraction de q 3 de type silanols et la fraction de q 3 ionises a chaque instant. Au fur et a mesure que la reaction progresse la concentration en ions hydroxyles diminue et la formation des structures q 3 l'emporte sur la phase de dissolution. Cette accumulation de structure q 3 dans le reseau solide se traduit par reduction de la densite absolue du granulat. Toutefois, aucune fissuration interne des granulats n'a ete observee. L'etude cinetique a montre que la vitesse de dissolution est une fonction croissante de la concentration en ions hydroxyles.

Le travail mené vise à améliorer la sécurité liée à l’utilisation des électrolytes à base d’alkylcarbonates. Nous avons tout d’abord testé l’usage des navettes rédox comme système électrochimique de protection interne contre la surcharge. Nous avons étudiée la possibilité d’utiliser les liquides ioniques comme électrolyte pour batterie Li-ion. Enfin, nous avons testé deux fluoro-alkyl-carbonates comme additifs retardateur de flamme. Trois classes de molécules ont été étudiées comme navettes rédox : des complexes métalliques, des systèmes aromatiques et des systèmes radicalaires. Uniquement quelques molécules du système radicalaire permettent une protection efficace contre la surcharge d’un accumulateur de type Li4Ti5O12 / (EC/DEC) + LiPF6 / LiFePO4. Ces molécules sont la TEMPO (tétraméthylpipéridinyl-1-oxy) et la Cyano-TEMPO, elles limitent la tension de recharge à 3,5-3,7 V vs. Li+/Li. Nous avons sélectionnées deux liquides ioniques dont l'anion est l'ion bis(trifluorométhylsulfonyl)amidure (TFSI-) et le cation N-triméthyl-N-hexylammonium (HTMA+) ou N-triméthyl-N-propylammonium (PTMA+). Nous avons tout d’abord montré que les mélanges (liquide ioniques + sel de lithium) ne sont pas assez conducteurs à température ambiante pour pouvoir être utilisé comme électrolyte dans les accumulateurs Li-ion. Pour augmenter la conductivité, nous avons ajouté au mélange un co-solvant de faible viscosité, un mélange binaire de carbonates EC/DEC, le carbonate d’éthylène (EC) et le carbonate de diéthyle (DEC) dans une proportion 2/3 en masse. Deux électrolytes ont été optimisés aux vues de leurs propriétés de transport et de leurs stabilités thermiques : HTMA+TFSI-/(EC:DEC) [ = 0,3] + LiTFSI 1 mol. L-1 et PTMA+TFSI-/(EC:DEC) [ = 0,25] + LiTFSI 1 mol. L-1 ( avec  la fraction massique du liquide ionique dans le mélange). L’étude électrochimique montre qu’aucun électrolyte ne permet d’effectuer des cycles de charge et de décharge sur électrode négative en graphite. La voltammétrie cyclique réalisée sur l’électrode de graphite montre l’absence de formation de la couche de passivation et révèle l’intercalation des cations ammonium entre les couches de graphènes. L’analyse de l’électrode, après cyclage, par diffraction des rayons-X (XRD) et résonance magnétique nucléaire (RMN) confirme l’insertion des cations ammonium. A fin d’amélioré les résultats, nous avons remplacée l’EC par la Cl-EC (carbonate de chloro-éthylène). Cette dernière permet la formation d’une couche de passivation qui protège le graphite contre l’exfoliation, mais n’empêche pas l’intercalation des cations ammonium. Les tests de cyclage sur électrode négative Li4Ti5O12 et sur électrode positive LixCoO2 sont très satisfaisants. Afin d’améliorer l’ininflammabilité de électrolyte de référence (EC/DMC/DEC + LiPF6 1 mol. L-1), nous avons testé l’usage de deux composés fluoré comme additif retardateur de flamme : le carbonate de 2,2,3,3,4,4,4-hépatafluorobutyle méthyl (FC2) et le carbonate de 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-péntadécafluorooctyl méthyl (FC1). Ces deux additifs ont été synthétisés au laboratoire. La caractérisation physico-chimique des mélanges FC1/(EC/DMC/DEC + LiPF6 1 mol. L-1) et FC2/(EC/DMC/DEC + LiPF6 1 mol. L-1) montre que le FC1 (contrairement au FC2) devient rapidement non miscible avec l’électrolyte de référence. L’ajout de ces deux additifs, à faible concentration, à l’électrolyte de référence permet d’améliorer l’ininflammabilité de ce dernier. Les mesures des tensions superficielles et des angles de contact confirment que l’ajout de FC1 et de FC2 permet d’améliorer la mouillabilité du séparateur en Celgard®. L’étude électrochimique montre que l’additif FC1 ne modifie pas la cyclabilité de l’électrode positive LixCoO2. En Revanche, il provoque des pertes de capacités importantes de l’électrode négative en graphite. Les tests de cyclages réalisé sur l’électrode positive LixCoO2 et sur l’électrode négative en graphite montre les bonnes performances de l’additif FC2
This work aims at improving the security linked to the use of Li-batteries electrolytes. First, we tested the use of redox shuttles as an electrochemical system of internal protection against overcharge. We studied the possibility of employing ionic liquids as electrolytes for Li-ion accumulator. Finally, we tested two fluoro-alkylcarbonates as flame-retardant additives. Three classes of molecules were studied as redox shuttles : metallic complexes, aromatic and radical systems. Only a few molecules of the radical system allow an efficient protection against overcharge of the cell Li4Ti5O12 / (EC/DEC) + LiPF6 / LiFePO4. These molecules are the TEMPO (tetramethylpiperidinyl-1-oxy) and the Cyano-TEMPO, they limit the recharge voltage to 3. 5-3. 7 V vs. Li+/Li. We chose two ionic liquids whose anion is the bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI-) ion and the cation N-trimethyl-N-hexylammonium (HTMA+) or N-trimethyl-N-propylammonium (PTMA+). Two electrolytes have been optimized regarding their transport properties and their thermal stability : HTMA+TFSI-/(EC:DEC) [ = 0. 3] + LiTFSI 1 mol. L-1 and PTMA+TFSI-/(EC:DEC) [ = 0. 25] + LiTFSI 1 mol. L-1 ( with  the weight fraction of the ionic liquid in the mix). The electrochemical study shows that the electrolyte cannot be cycled on the graphite electrode. Cyclic voltammetry performed on the negative electrode demonstrates the absence of formation of the SEI and reveals the intercalation of ammonium cations into the graphene layers. The analysis of the electrode, after cycling, by X-Ray Diffraction (XRD) and NMR spectroscopy, confirms the insertion of the ammonium cations. To improve the cycling results, we replaced the EC by the Cl-EC (chloro-ethylene carbonate). Cl-EC allows the formation of the passivation layer that protects graphite against exfoliation, but does not prevent the intercalation of the ammonium cations. The cycling tests on the negative electrode Li4Ti5O12 and the positive LixCoO2 were conducted successfully. In order to improve the ininflamability of the electrolyte (EC/DMC/DEC + LiPF6 1 mol. L-1), we tested the use of two fluoro-alkylcarbonates as flame-retardant additives : the 2,2,3,3,4,4,4-hepatafluorobutyl methyl carbonate (FC2) and the 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-pentadecafluorooctyl methyl carbonate (FC1). These two additives were synthetized at the laboratory. The electrochemical study demonstrates that the FC1 compound does not modify the cyclability of the positive electrode LixCoO2. Nevertheless, it generates an important loss of capacity of the graphite electrode. The cycling tests conducted on the LixCoO2 cathode and the graphite anode show the good performances of the FC2 additive

L'ensemble de ce travail a ete effectue dans l'optique de creer et de developper au sein du laboratoire d'activation selective en chimie organique, un axe immunologie. En collaboration avec des partenaires universitaires et industriels, trois projets de recherche fondamentale et appliquee ont ete entrepris. Dans un premier temps, nous avons essaye d'appliquer le concept des anticorps catalytiques a la reaction de cyclisation de l'epoxysqualene en lanosterol. L'objectif etait de mimer le site actif de l'enzyme responsable de cette transformation, la squalene lanosterol cyclase, par le biais des anticorps. Des souris ont ete immunisees avec un antigene derive du lanosterol. Le manque de specificite des immunoglobulines obtenues vis-a-vis du squelette steroidien n'a pas permis de poursuivre les travaux relatifs a la catalyse. Une seconde partie a ete consacree a l'elaboration de dosages immunoenzymatiques de substances bioactives presentes a l'etat de traces dans le domaine de l'environnement. Un premier projet a concerne le dosage de l'ergosterol, un marqueur permettant d'apprecier une contamination fongique de produits vegetaux. Les anticorps obtenus n'ont pas presente l'activite escomptee. Le second projet, quant a lui, a consiste a doser l'acide 2,4-dichlorophenoxyacetique ou 2,4-d tres largement employe comme herbicide ou comme hormone de croissance. L'immunogene synthetise s'est revele etre une bonne cible antigenique. Les anticorps specifiques du 2,4-d ont ete isoles et ont permis l'ebauche d'une trousse de dosage direct dont la sensibilite est au moins 10 fois superieure a celle des dosages classiques par clhp. Enfin, une modelisation des protocoles eia non competitifs et competitifs a corrobore la representation lineaire postulee de la courbe etalon, elargissant ainsi tres largement le domaine de validite de l'analyse.

Initialement conçue pour l'étude des transformations de phase sous pression, l'analyse thermobarométrique isochore, i. E mesure des variations de pression d'un échantillon enfermé dans une enceinte rigide en fonction de la température, a été appliquée à l'analyse sous hautes pressions des réactions chimiques thermiques. Une modélisation des thermobarogrammes de telles réactions chimiques a été entreprise afin de déterminer les allures possibles des enregistrements et l'ordre de grandeur des phénomènes mis en jeu. Des vérifications expérimentales ont été effectuées sur la transformation de l'acide maléïque en anhydride maléïque. Une étude complémentaire par analyse spectrométrique (RMN) a permis l'interprétation des thermobarogrammes. La validité de la modélisation a été confirmée. Une application à l'étude sous pression des états colloïdaux de la matière de types gels de polyphosphates de Calcium-Sodium et de coacervats de polyphosphates de Calcium-Sodium et de Magnésium-Sodium, a ensuite été réalisée. Des transformations ont été mises en évidence sous pression et identifiées à l'aide des Spectres Infrarouge d'échantillons prélevés à différentes étapes de l'analyse comme des libérations «d'eau libre» ou des phénomènes d'hydrolyse. Le point le plus marquant de cette dernière étude réside dans l'observation, pour la première fois par analyse thermobarométrique isochore, d'une transformation à variation de volume négative i. E. Libération «d'eau libre»

Les synthèses stéréosélectives des flavanols-3 cis et trans étudiées utilisent des 2-hydroxy-dihydrochalcones obtenues par hydrogénation catalytique de chalcones comme produits de départ. Une synthèse du flavanol-3 cis procède par réduction stéréosélective au borohydrure de lithium de la 2-hydroxy-méthoxydihydrochalcone en dihydrochalcol érythro. La cyclisation stéréospécifique de ce dernier par le chlorure de thionyle conduit au 3-méthoxyflavane-cis qui est déméthylé. Le mécanisme de formation du 3-méthoxyflavane cis et des produits secondaires est étudié. Une autre synthèse du flavanol- 3 cis s'opère par hydrogénation stéréosélective sur nickel-Raney de la flavanone-3 obtenue en traitant la 2-hydroxy-méthoxydihydrochalcone par l'iodure de triméthylsilyle. Une hypothèse mécanistique est proposée pour expliquer la formation originale de la flavanone 3. La flavan-ol-3 trans est préparé par hydroboration-oxydation du flavène-2 obtenu par cyclodéshydratation acido-catalysée de la 2-hydroxy-dihydrochalcone. Ces synthèses stéréosélectives des flavanols-3 cis et trans sont transposées à des dérivés polyalcoxyles sur les noyaux aromatiques

Une nouvelle réaction d'homocouplage d'organomagnésiens aromatiques a été développée. Elle est effectuée en présence de sels de fer et d'un halogénure organique qui joue le rôle d'oxydant. Un mécanisme a été proposé et discuté. L'utilisation de 1,2-dihalogénoéthanes comme oxydants a permis d'effectuer la réaction d'homocouplage de phénylmagnésiens substitués en para, méta ou ortho par divers groupes fonctionnels (méthyle, méthoxy, fluoro, diméthylamino, carbéthoxy, cyano) pour conduire aux biphényles correspondants avec de bons rendements. La 3,3'-bipyridine et la 2,2'-difluoro-3,3'-dicarbéthoxy-4,4'-bipyridine ont également été préparées selon cette méthode. La réaction a été appliquée au couplage intramoléculaire de dimagnésiens aromatiques qui conduit à la formation de cycles à 5, 6 et 8 chaînons. Enfin, la synthèse totale de la N-méthylcrinasiadine a été effectuée en utilisant la réaction de couplage intramoléculaire comme étape clé
A new homocoupling reaction of aryl Grignard reagents was developed. It takes place in the presence of iron salts and a organic halide which is used as an oxidant. A mechanism was proposed and discussed. Using 1,2-dihalogenoethanes as oxidant reagents, the homocoupling reaction of para-, meta- and ortho- subtitued by various functionalysed aryl Grignard reagents leads the corresponding biphenyls in good yields. 3,3'-bipyridine and 2,2'-difluoro-3,3'-dicarbethoxy-4,4'-bipyridine were also prepared. This reaction was used to perform intramolecular coupling reactions to create rings of 5, 6 and 8 atoms. At last, the total synthesis of N-methylcrinasiadine was completed using the intramolecular coupling reaction as the key step

Ce travail est consacre a l'etude de la reaction de type s#r#n1 en serie pyrimidinique. L'anion de la 1,3,6-trimethyl-5-nitro-pyrimidine-2,4-dione reagit par s#r#n1 avec des agents alkylants reductibles, notamment les derives de sucre tels que le 1-chloro-2,3 : 5,6-di-o-isopropylidene-1-nitro--d-mannofuranose et le 1-chloro-1-nitro-2,3-o-isopropylidene-5-o-trityl--d-ribofuranose. Les reactions ont ete optimisees, ce qui a permis la synthese de nouveaux agents d'interet pharmacologique. La caracteristique de cet anion, identique a celle de l'anion du phenylsulfonylnitromethane, est qu'il reagit par c-alkylation par les mecanismes de s#r#n1 et de s#n2. L'influence de l'effet sterique sur la reaction s#r#n1 a pu etre montre par comparaison des reactivites de l'anion de la 1,3,6-trimethyl-5-nitro-pyrimidine-2,4-dione et de l'anion de la 1,3-dimethyl-6-ethyl-5-nitro-pyrimidine-2,4-dione vis a vis du chlorure de p-nitrobenzyle et du 2,2-dinitropropane. L'extension de la s#r#n1 a de nouveaux anions nitronates benzyliques et a de nouveaux agents alkylants reductibles en serie pyrimidinique, thiazolo3,2-apyrimidinique et pyrido1,2-apyrimidinique a permis de montrer les possibilites synthetiques dans ces familles de composes. La reaction de l'anion du 2-nitropropane sur la 2-chloromethyl-8-methyl-3-nitro-4h-pyrido1,2-apyrimidin-4-one a ete optimisee ; le mecanisme de cette reaction est de type s#r#n1.

Le propos de cette these est la description du dication zinc et l'etude de son role catalytique au niveau moleculaire par des methodes d'investigation theoriques que sont la mecanique quantique et la mecanique moleculaire. Son role est etudie au niveau de theorie ab initio dans les reactions d'hydratation de la fonction carbonyle en phase gazeuse et discute dans le processus catalytique des metalloenzymes en general et de l'anhydrase carbonique en particulier. Ce dication a ete parametrise sur la base de calculs ab initio de haute qualite pour le formalisme semi-empirique mndo et pour un champ de forces empirique. Une etude comparative de ces methodes est menee dans la simulation de reactions dans le vide de l'obtention de geometries de complexation du zinc. Une etude des modes de complexation de ce metal est aussi rapportee par analyse de banques de donnees cristallographiques et par calculs ab initio et semi-empiriques

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de mesure permettant la caractérisation de réactions chimiques très exothermiques dans des conditions de sécurité. Pour cela, nous souhaitons combiner l’analyse thermique des réactions et la technologie microfluidique. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions explosives. Le premier appareil développé est un microcalorimètre qui mesure le flux de chaleur global dégagé lors d’un écoulement co-courant ou gouttes. Plusieurs paramètres peuvent être déterminés : enthalpie de mélange et de réaction, concentration par dosage calorimétrique et cinétique. Le deuxième dispositif consiste à mesurer le champ de température du milliréacteur isopéribolique à l’aide d’une caméra InfraRouge et ainsi de suivre localement l’évolution de la réaction pour déterminer les paramètres thermocinétiques
This work deals with the development of new measurement methods in order to characterize high exothermic chemical reactions in safe conditions. Thus, we combine thermal analysis with microfluidic technology. The use of microfluidics allows to manipulate a very small amount of product safely. First, we have developed a microcalorimeter to measure the global heat flux produced in co-flow or droplet-flow configurations. Several parameters can be determined: reaction and mixing enthalpy, concentrations by calorimetric titration and kinetics. The second method uses an InfraRed camera to measure the temperature field of the isoperibolic millireactor. Then, the local evolution of the reaction is estimated by thermal processing. From such inverse methods, the thermokinetic parameters can be determined

Le développement de méthodes de délivrance de médicaments ciblées est devenu un objectif primordial dans le cadre des thérapies anticancéreuses. Dans ce contexte, il est possible de combiner l’utilisation de microgouttes de perfluorocarbone (PFC) avec des ultrasons afin de déclencher à distance et de façon spatialement contrôlée la vaporisation du PFC, et donc l’ouverture de ces microgouttes et la libération de leur contenu. Nous avons ainsi pu démontrer la possibilité d’utiliser ces microgouttes de PFC afin de contrôler spatialement mais également temporellement une réaction chimique spontanée comme la cycloaddition non catalysée entre un azoture et un alcyne. Nous avons ensuite montré que cette stratégie de chimie in situ pouvait être appliquée avec succès à l’activation locale in vitro de pro-drogues de la doxorubicine et de la monométhylauristatine E par la β-glucuronidase, ouvrant ainsi la voie à la fabrication de médicaments directement dans les tumeurs. Une stratégie de mélange microfluidique a également été étudiée. Le caractère laminaire des écoulements de fluides en microfluidique rendant le mélange entre fluides particulièrement lent, il est donc nécessaire de concevoir des méthodes de mélange efficaces dans l’optique de créer de véritables « laboratoires sur puce ». Nous avons ainsi pu montrer qu’une généralisation du concept de vaporisation du PFC par ultrasons pouvait permettre d’accéder à une méthode de mélange microfluidique rapide et efficace
Development of targeted drug-delivery methods has become an increasingly important research field in cancer therapy. In this context, perfluorocarbon (PFC) microdroplets can be combined with ultrasound. The latter can remotely trigger the vaporization of the PFC phase, thus opening the microdroplets and releasing their content in a spatially controlled manner. In this work, we were able to establish that these PFC droplets could be used to control both temporally and spatially a spontaneous chemical reaction such as the non-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. This « in situ chemistry » strategy was also successfully applied to the in vitro localized release of either a doxorubicin or a monomethylauristatin E prodrug and their subsequent activation by a specific enzyme, the β glucuronidase. We believe that such strategy could lead to drug synthesis directly into the tumors. A new microfluidic mixing method was also developed. Flows are typically laminar in microfluidic systems, which impedes an efficient and fast mixing between fluids. In order to design fully functionnal « labs on chips », mixing methods need to be implemented. In this context, we showed that the vaporization of a PFC phase under the focus of an ultrasound transducer could be used to achieve fast and efficient mixing in a microfluidic channel

L'essentiel de la matiere organique sedimentaire est presente sous forme de kerogene. La complexite et l'insolubilite de ce materiau imposent une approche structurale par des reactions de degradation selectives. La reaction de transalkylation permet d'etudier la substitution des elements aromatiques par des chaines alkyles. Les produits obtenus par reactions successives (125c, 144h) avec cf#3so#3h/c#6h#6 sont les 1,1-diphenylalcanes, les alkylbenzenes, les alkyl-tetralines et naphtalenes. Les 1,1-diphenylalcanes deviennent les produits majoritaires de la reaction a basse temperature (60c ou 80c) et a faible temps de reaction (4h ou 48h). Les autres produits n'apparaissent qu'a haute temperature (125c, 48h ou 144h). L'equilibre 1,1-diphenylalcanesalkylbenzenes, leur cyclisation en alkyltetraline suivie d'une aromatisation en naphtalenes, ont ete demontres par reaction des produits modeles en presence ou non de kerogene. En tenant compte de ces reactions, on peut reconstituer la substitution initiale des aromatiques. L'hydrolyse alcaline en presence d'ether couronne 18-c-6, utilisee pour l'etude des groupes esters, a permis de solubiliser 82% et 64% du kerogene de tarfaya et timahdit-y, respectivement. Les acides d'hydrolyse sont essentiellement aromatiques monocarboxyliques. Les acides aliphatiques sont en majorite dicarboxyliques et a chaines courtes. Les acides monocarboxyliques sont domines par les composes c#1#6 et c#1#8. Ces resultats indiquent une faible reactivite des groupes esters dans les conditions de transalkylation. L'oxydation par ruo#4 ne permet pas de confirmer les resultats de la transalkylation. Cet oxydant apparait peu selectif, de nombreux groupes, par exemple esters, doivent reagir. L'ensemble des resultats indique que les reactions de transalkylation et d'hydrolyse realisee en presence de catalyseurs de transfert de phase sont des outils analytiques importants pour l'etude des matieres organiques complexes

Une premiere partie bibliographique analyse l'etat des connaissances sur la conception, la mise en uvre et la comprehension des reacteurs sous ultrasons. L'accent est mis sur les phenomenes de propagation et d'amortissement de l'onde. La deuxieme partie presente une etude preliminaire d'une reaction de salification du phenol par diverses bases solides. Ces reactions normalement tres rapides sont limitees par une couche isolante qui recouvre les particules de base (naoh, koh, k#2co#3). Diverses mises en uvre par agitation magnetique ou mecanique, et par differents types de sonification sont comparees. Des analyses de surface supportent l'interpretation qualitative d'une erosion locale de la couche protectrice. La troisieme partie decrit l'analyse rationnelle des effets physiques et chimiques des ultrasons, dans une perspective de genie sonochimique, avec un reacteur de forme elementaire. Tout d'abord, diverses mesures de la puissance ultrasonore sont comparees, consommation electrique, puissance aux bornes du convertisseur, et dissipation thermique dans le reacteur. Ensuite, une methode electrochimique de mesure du coefficient de transfert de matiere liquide-solide est mise en uvre sous ultrasons, mettant en evidence le caractere local tres marque des effets des ultrasons, avec en particulier l'etablissement d'ondes stationnaires dependantes de la hauteur totale de liquide. Divers parametres sont etudies comme la viscosite, la puissance, enfin, on etudie successivement deux reactions chimiques dans le meme reacteur: une homogene (oxydation des iodures), l'autre heterogene d'addition de michael avec la potasse comme catalyseur. La similitude des effets chimiques et physiques des ultrasons est analysee

La seconde moitié du XXème siècle voit le déclin de l'industrie minière en Europe occidentale. Le transfert de patrimoine aux collectivités locales impose une évaluation des risques sur le comportement des terrils. Le nord de la France compte environ 300 terrils dont les pentes à la limite de la rupture remettent en question la stabilité de l'édifice. On estime à 50% la proportion des terrils entrés, ou qui entreront, en combustion dans le bassin minier du Nord-Pas-de-Calais. Les gestionnaires sont amenés à assurer un suivi des terrils en réaction. Dans la majorité des cas c'est la thermographie infrarouge qui est utilisée. Jusqu'à présent, cette technique se limitait à des interventions aériennes. Le coût de la mesure, les contraintes pratiques et administratives limitent la fréquence des interventions. L'objectif de la thèse a été de mettre au point une méthode complémentaire d'investigation thermographique au sol permettant un suivi de la réaction de combustion de manière plus souple, moins onéreuse et autorisant des interventions plus régulières. Basée sur une approche couplée (topographie, thermique, météorologie), les campagnes de mesure consistent à réaliser une reconstitution tridimensionnelle du site et de sa cartographie thermique à des temps différents en vue d'une étude comparative de l'activité sous-surfacique. Ce travail s'articule, d'une part, autour d'une étude théorique des phénomènes de combustion dans les massifs et des transferts de chaleur à l'interface solide-fluide, et, d'autre part, d'une étude expérimentale avec application sur site afin de valider notre approche numérique et fournir une méthodologie quant au suivi des réactions de combustion
The second half of the XXs century was the decline of the mining industry in Western Europe. The transfer of patrimony to district planning authority impose an evaluation of the risks on the behavior of coal tips. The North of France counts above 300 coal tips. Built in cone, coal tips offer hillsides to the limit of the break, the stability of the building being questionned. We consider at 50% the proportion of the entered of coal tips, or which will enter, in combustion in Nord-Pas-de-Calais. The administrators are brought to assure a monitoring of coal tips in reaction. In the majority of the cases it is the infrared thermography which is used. Until now this technique limited itself to air interventions. The cost of the measure, the constraints practical and administrative limit the frequency of the interventions. The objective of the thesis was to work out an additional method of thermographical investigation on ground which allows a monitoring of the reaction a more supply way, less expensive and authorizing more regular interventions. Based on a coupled approach (topography, thermic, meteorology), campaigns of measure consist in realizing a 3D reconstruction of the site and its thermic cartography in differents times with the aim of a comparative study of the subsurface activity. This work articulates, on one hand, around a theoritical study of phenomenons of combustions in the massifs and transfers of heat at the solid-fluid interface, and, on the other hand, of a study experimental diligently on site to validate our numerical approach and to supply a methodology as for the follow-up of the reaction of combustion

Etude structurale (Rx et photoélectrons) des catalyseurs oxydes Cu-Cr, Cu-Al, Cu-Th. Présence de phases spinelles : son évolution en cours de réduction des oxydes. Activité pour l'hydrogénation de diènes et synthèse du méthanol

Ce travail concerne la construction d'une représentation de la réaction chimique, dans les registres macroscopique et microscopique, par des élèves en classe de seconde. L'équation bilan permet, dans le registre symbolique, de représenter une réaction chimique, mais sa lecture peut se faire au niveau macroscopique (celui de la phénoménologie observée), ou au niveau microscopique (celui des particules et de la phénoménologie imaginée). Notre travail étudie comment l'élève de seconde va construire une représentation de la réaction chimique en référence au champ expérimental que l'enseignement va lui proposer. La première partie précise les hypothèses qui fondent le cadre théorique utilisé pour l'étude historique de la construction des concepts et pour l'étude didactique avec les élèves. Dans la deuxième partie, l'étude historique fait apparaître que d'Aristote à Mendeleev, les concepts qui organisent la représentation de la transformation chimique s'enracinent depuis deux mille ans dans les questions et les intuitions primordiales des chimistes et des philosophes sur le concept de matière. Identifier les deux niveaux de cette représentation et insérer les concepts dans un réseau permettant de circuler entre ces niveaux a representé pour les chimistes une famille d'obstacles épistémologiques. Dans la troisième partie, l'étude didactique révèle l'existence pour les élèves de difficultés dont la récurrence et la résistance permettent de les identifier comme des obstacles épistémologiques authentiques dont le franchissement nécessitera un travail de même nature que la mise en place d'une connaissance. Un travail d'investigation permet de suivre au cours de l'année, l'évolution de l'opinion des élèves sur la nature de leurs difficultés, ainsi que sur le jugement qu'ils portent sur le cadre didactique retenu pour la construction des séquences d'enseignement. Les résultats de ce travail permettent de fonder des hypothèses sur la construction d'un curriculum d'enseignement de la réaction chimique (contenus et modalités de l'enseignement).

Ce travail de thèse a pour but d’étudier les phénomènes de diffusion à l'intérieur et en dehors des canaux microfluidiques ainsi que leurs exploitations dans le domaine de la synthèse chimique et la biologie cellulaire. A l'intérieur des microcanaux, la propagation de des molécules diffusantes peut être ralentie par des micro-chambres insérées dans les canaux, ce qui nous a permis de contrôler les réactions chimiques telles que la synthèse de nanocristaux de ZnO. Le contrôle de livraison de médicaments par effet de diffusion a été démontré par colorage de cellules dans des chambres microfluidiques. Les phénomènes de diffusion et les essaies cellulaires ont été également étudiés en dehors de canaux microfluidiques en concevant un nouveau type de dispositifs qui consistent des micro-canaux isolés placés sur une surface de culture, chacun possédant des diffuseurs de très faible dimension pour délivrer localement des médicaments avec accès ouverte. Comme résultats, des essais de colorage cellulaire et apoptose cellulaire induit par drogues ont montré une livraison hautement localisé ainsi qu’une réponse cellulaire rapide à proximité des diffuseurs. Enfin, des micro-vannes ont été intégrées dans les prototypes de dispositifs pour un contrôle plus précis de la quantité de molécules diffusantes. En considérant la grande importance de phénomènes de diffusion à l’échelle micrométrique, nous espérons que les dispositifs microfluidiques que nous proposons dans ce travail de thèse pourront être largement utilisés dans différents domaines de recherche fondamentale et appliquée

Au cours de ce travail, nous avons developpe des voies de synthese en vue d'obtenir des pheromones d'insectes sociaux. L'analyse par cpg/sm du bouquet pheromonal de la fourmi camponotus vagus a permis de detecter plus d'une centaine d'hydrocarbures allant de 21 a 37 atomes de carbone. Dans la serie des hentriacontanes, le produit preponderant est le 11,17-dimethylhentriacontane. Ainsi, apres avoir realise un schema de synthese rapide pour l'acces aux dimethylhentriacontanes, nous l'avons valide par la synthese des deux couples d'enantiomeres du 11,17-dimethylhentriacontane et d'un homologue tritie. L'etape de tritiation effectuee en presence du catalyseur de wilkinson, nous a permis de montrer l'absence de racemisation au cours de l'etape de reduction. Dans un deuxieme temps, une preparation du (z)-9-tricosene-d#4 (pheromone sexuelle chez la mouche musca domestica) a ete realisee. L'etape cle de cette synthese fait appel a une reaction de wittig effectuee sur un aldehyde marque par quatre atomes de deuterium. Cela permettra une etude de la biosynthese, des sites de reconnaissances et des mecanismes d'internalisation des pheromones chez les insectes sociaux. Enfin, dans une derniere partie, nous nous sommes fixes comme objectif de fonctionnaliser le citronellene comme precurseur de synthons chiraux optiquement actifs. Les reactions d'ozonolyse et d'epoxydation effectuees ont revele leurs efficacites. Sur les substrats derives de ces produits, nous avons tente d'effectuer des reactions de cyclisation soit ionique soit radicalaire. Enfin, nous avons oriente notre travail vers l'obtention d'un fragment flexible chiral utilisable dans la synthese de dimethylalcanes chiraux ou les deux residus methyles seraient en position 1,7 l'un par rapport a l'autre. Le fragment a ete synthetise par alkylation d'un derive dithianique metalle. L'etude des differents parametres de cette reaction a souligne l'importance des conditions operatoires a savoir la nature de la base, la temperature ainsi que les temps de reactions.

Cette thèse porte sur l’élaboration de revêtements C-Si-Ti en général et de phase MAX Ti3SiC2 en particulier sur un substrat céramique. La méthode utilisée consiste à déposer classiquement un premier film de carbure de silicium par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sous basse pression à partir du mélange gazeux H2 et CH3SiCl3. L’élaboration des couches Ti-Si-C se fait ensuite par CVD réactive (RCVD) en faisant réagir un mélange gazeux H2 et TiCl4 toujours sous basse pression sur la couche SiC déposée préalablement. L'effet de la température (de 1000 jusqu'à 1200°C) et celui du temps de traitement (de 3 minutes jusqu'à 3 heures) ont été étudiés. Sur la base d'une étude thermodynamique, le taux de dilution dans l'hydrogène de TiCl4 a été choisi suffisamment élevé pour favoriser la formation du ternaire Ti3SiC2 par rapport aux autres phases du système C-Si-Ti. A 1100°C, la croissance d'une fine couche micrométrique et continue de Ti3SiC2 pur est d'abord observée, conformément aux prévisions thermodynamiques. Dans ce cas, les plans de base de Ti3SiC2 sont orientés perpendiculairement au substrat. La croissance de Ti3SiC2 se fait par consommation partielle ou totale de SiC d’abord par réaction de surface solide-gaz puis par diffusion en phase solide. Pour des temps de traitement plus longs, la croissance simultanée d'une souscouche supplémentaire de Ti5Si3Cx en surface de Ti3SiC2 puis d'une sous-couche de TiC du côté du SiC a été observée. Le moyen d'obtenir des revêtements épais contenant du Ti3SiC2 sans Ti5Si3Cx ni TiC est d'alterner de courtes séquences de dépôt de SiC et de traitement RCVD autant de fois que nécessaire. Une autre méthode CVD pulsée (PRCVD) est possible pour élaborer des sous-couches de Ti3SiC2 plus minces et sans orientation préférentielle
This thesis deals with the growth of C-Si-Ti coatings in general and Ti3SiC2 phase MAX in particular on a ceramic substrate. The method consists in depositing a first SiC sub-layer by chemical vapour deposition (CVD) under low pressure from H2/CH3SiCl3. The growth of Ti-Si-C coatings was obtained by reactive CVD (RCVD) from a H2/TiCl4 gaseous mixture still under low pressure reacting on each SiC solid sub-layer that was previously deposited. The effect of temperature (from 1000°C to 1200°C) and the deposition time (from 3 minutes to 3 hours) were studied. On the basis of a thermodynamic study, the H2/TiCl4 ratio was chosen sufficiently high to favour the formation of the ternary Ti3SiC2 against other phases of the system C-Si-Ti. At 1100°C, the growth of a thin continuous layer pure Ti3SiC2 is first observed, in accordance with thermodynamic study. In that case, the basal crystallographic planes are oriented perpendicular to the substrate. The growth of the Ti3SiC2 by RCVD involves partial or total SiC consumption by solid-gas reaction and solid-state diffusion. But for longer deposition times, the simultaneous growth of an additional Ti5Si3Cx sub-layer on surface Ti3SiC2 and a TiC sub-layer on the other side of SiC was then observed. A way to get Ti3SiC2 thicker sublayers without TiC and Ti5Si3Cx is to alternate short SiC deposition and RCVD treatment sequences as many times as necessary. Another method to obtain thinner sub-layers Ti3SiC2 was the use of pressure-pulsed CVD method. In addition, the pressure-pulsed method allowed the preferential orientation to be prevented in the Ti3SiC2 coating

Notre objectif principal réside dans la mise au point d’une méthode de synthèse permettant d’accéder d’une façon rapide, efficace et économique à différents dérivés imidazo[1,2-a]pyridiniques diversement fonctionnalisés. Pour ce faire, l’étude et l’application des réactions d’(hétéro)arylation et d’alcénylation directes catalysées par le palladium sur les imidazo[1,2-a]pyridines ont été explorées et ce, en chauffage classique ou sous irradiation micro-ondes. Nous avons ensuite montré l’intérêt de la réaction d’arylation régiosélective pour synthétiser des molécules imidazo[1,2-a]pyridiniques polysubstituées, via une réaction "one-pot" sous irradiation micro-ondes. Afin de réduire davantage le nombre d’étapes, nous avons élaboré une réaction d’acénylation oxydative pallado-catalysée, pour la formation de la liaison carbone sp2 - carbone sp2 à partir de deux liaisons carbone sp2 - hydrogène. La dernière partie de ce travail repose sur le développement et l’application de la réaction d’arylation intramoléculaire pour la synthèse de nouvelles pyrido[2’,1’:2,3]imidazo[5,4-c]quinolin-6(5H)-ones et pyrido[2’,1’:2,3]imidazo[5,4-c]azépin-6(5H)-ones polyfonctionnalisées.

L'objectif de ce travail de thèse est la découverte de nouvelles réactions chimiques par dosages immunométriques. Ces derniers (aussi appelés « sandwich ») sont habituellement utilisés pour la détection de macromolécules (protéines, virus ou bactéries) pour des applications de diagnostic et sont peu décrits pour la détection de molécules de petite taille. Dans un premier temps, la mise au point du test "sandwich" a donc été réalisée en évaluant la taille minimale des molécules pouvant être prises en sandwich par deux anticorps. Cette étude a ainsi démontré que la formation d'un complexe ternaire entre les anticorps et les composés était possible dès lors que les deux épitopes étaient distancés de 5 atomes de carbone. Le criblage par "test sandwich" a ensuite été validé par l'étude de deux réactions connues dans la littérature : une réaction de cycloaddition de Huisgen et un couplage de Sonogashira. Dans un second temps, le criblage de nouvelles réactions chimiques a été réalisé afin de découvrir de nouvelles réactions chimiques. Un total de 2688 réactions sur plaque 96 puits a ainsi été réalisé dans différentes conditions expérimentales, et criblé par la suite par le "test sandwich". Parmi celles-ci, 67 combinaisons se sont révélées actives et ont donc abouti à la formation d'un produit de couplage. Sur ces 67 réactions, 13 ont déjà été décrites dans la littérature et les 54 combinaisons restantes se sont révélées être nouvelles. A ce jour, seules deux réactions ont pu être reproduites et leurs produits de couplage résultant caractérisés. Ce criblage a permis de mettre en évidence une nouvelle réaction de désulfuration catalysée par du cuivre permettant la formation d'iso-urées en présence de phénols. Cette réaction s'est également révélée être très efficace en version intramoléculaire permettant la formation en "one pot" de benzoxazoles à partir d'aminophénols. Enfin, ce criblage a également permis la découverte d'une seconde réaction innovante de cyclisation impliquant des N-hydroxythiourées et des alcynes en présence de sels de cuivre
The main goal of this project is the discovery of new ligation reactions by sandwich immunoassays. These sandwich test are usually used for the detection of macromolecules (proteins, virus or bacteria) for applications in diagnostic and they are poorly described for the detection of small compounds. Firstly, the development of the "sandwich test" has been carried out by evaluating the minimum size of the compounds which could be detected through the simultaneous binding oftwo antibodies. This study showed that a ternary complex could be formed even if the spacer separating two epitopes is constituted by only 5 carbon atoms. The screening by "sandwich test" has been first validated on known reactions: the Huisgen cycloaddition and Sonogashira reactions. Secondly, the screening by "sandwich test" has been realised in order to find new reactions. 2688 reactions have been realised on 96 well plates in different experimental conditions and then screened by "sandwich test". 67 hits have been observed and resulted from the formation of cross coupled products. However, among these 67 hits, 13 products resulted from known reaction and 54 hits resulted from new ones. Only 2 reactions have been optimised and reproduced at bigger scale. This screening led to the discovery of a new desulfuration reaction catalysed by copper that allowed the straighfoward formation of iso-urea in presence of phenols. This reaction was very efficient in an intramolecular way and led to the formation of benzoxazoles from aminophenols. Then, this screening permitted the disco very of a second new reaction: an innovative reaction of cyclisation in the presence of N-hydroxythiourea, alcynes and copper salts

Ce travail est consacré au développement de nouvelles méthodes de fouille de données dans le domaine des réactions en utilisant le concept de Graphe Condensé de Réaction (CGR). Le CGR est un graphe en 2D qui condense l’information contenue dans les réactifs et les produits d’une réaction. Grâce à la présence des liaisons conventionnelles (simples, doubles, etc. ) et dynamiques (coupure d’une liaison simple, transformation d’une double en simple etc. ), le CGR permet de condenser une réaction (incluant plusieurs molécules) en une pseudo-molécule. Ainsi, le CGR permettra d’appliquer des approches de chemoinformatique déjà développées pour les molécules. Trois applications possibles des CGRs ont été exploréees : – la classification non supervisée des réactions basées sur des algorithmes de clustering, – la recherche de réactions par similarité, – la modélisation structure-réactivité (QSRR, Quantitative Structure Reactivity Relationships). Ces méthodes, testées sur quatre bases de données contenant entre 1 000 et 200 000 réactions, ont démontré l’efficacité de l’approche et des logiciels développés. Un système d’optimisation de conditions réactionnelles a ainsi été implémenté et un brevet a été déposé aux États-Unis
This work is devoted to the developpement of new methods of mining of chemical reactions based on the Condensed Graph of Reaction (CGR) approach. A CGR integrates an information about all reactants and products of a given chemical reaction into one 2D molecular graph. Due to the application of both conventional (simple, double, etc. ) and dynamical (single to double, broken single, etc. ) bond types, a CGR ”condenses” a reaction (involving many molecules) into one pseudo-molecule. This formally allows one to apply to CGRs the chemoinformatics approaches earlier developed for individual compounds. Three possible applications of CGRs were considered: – unsupervised classification of reactions based on clustering algorithms; – reactions similarity search, and – Quantitative Structure Reactivity Relationships (QSRR). Model calculations performed on four databases containing from 1 000 to 200 000 reactions demonstrated high efficiency of the developed approaches and software tools. An system for optimizing reactions condition has been designed, and patented in the USA

L’objectif de ce travail a été de développer de nouvelles méthodes de synthèses d’hétérocycles azotés en respectant le concept d’économie d’atome. Pour cela, une réaction fondamentale en catalyse homogène, l’hydroformylation, a été utilisée pour initier des réactions domino. L’hydroformylation permet de générer un aldéhyde à partir d’une oléfine en présence d’un catalyseur, d’hydrogène et de monoxyde de carbone. Dans un premier temps, une réaction multi-composante, de type aza-Sakurai-Hosomi, a permis la synthèse en one-pot d’homoallylamines. Celles-ci ont été soumises à une séquence hydroformylation/réduction pour conduire à des pipéridines mono ou disubstituées. La coniine, l’anabasine, la dihydropinidine et la 4-propyloctahydro-1H-quinolizidine sont ainsi obtenues en peu d’étapes. Cette stratégie a aussi permis la préparation de la (±)-allo-sédamine de la (±)-allo- Lobéline. L’hydroformylation régiosélective de vinylacétamides a ensuite permis de générer in-situ des ions N-acyliminiums qui sont piégés par différents nucléophiles de manière diastéréosélective. Une version multi-composante des réactions domino a aussi été développée dans le but d’améliorer encore l’efficacité des synthèses. L’utilisation d’allylsilanes comme nucléophiles a permis de mettre au point une réaction domino cyclohydrocarbonylation/aza-Sakurai-Hosomi/hydroformylation. Cette stratégie a alors été appliquée à la synthèse de l’épilupinine, un alcaloïde de type quinolizidine. La réalisation de réactions domino initiées par hydroformylation permet la synthèse efficace d’hétérocycles variés
The objective of this thesis was the development of new synthetic routes towards nitrogen heterocycles within the concept of atom economy. Our method is based on hydroformylation, a fundamental reaction in homogeneous catalysis, which was used to triggered domino reactions. The hydroformylation allows the introduction of an aldehyde onto an olefin in the presence of a catalyst, hydrogen and carbon monoxide. Firstly, a multi-component reaction, the aza-Sakurai-Hosomi, allowed the one-pot synthesis of homoallylamines which have been subjected to a sequence hydroformylation / reduction to lead to mono or disubstituted piperidine rings. Coniine, anabasine, dihydropinidine and 4-propyloctahydro-1H-quinolizine are thus obtained in few steps. With the same strategy, (±)-allosédamine and (±)-allo-Lobéline ware also obtained. Then, regioselective hydroformylation of vinylacetamide enabled in-situ formation of Nacyliminiums ions that can be trapped by various nucleophiles in a diastereoselective manner. A multicomponent domino reaction has also been developed. The use of allylsilanes as nucleophiles led to a domino cyclohydrocarbonylation/aza-Sakurai-Hosomi/ hydroformylation reaction. This strategy was then applied to the synthesis of epilupinine, a quinolizidine alkaloid. Domino reactions triggered by hydroformylation allows an efficient access to various nitrogen heterocycles

Nous avons etudie deux approches principales de modelisation des reactions complexes de synthese organique en processus discontinu: a) une approche basee sur l'etude d'un modele empirique en utilisant la methodologie des surfaces de reponse. Le trace des surfaces d'isoreponses nous a permis de visualiser l'optimum de chacune des reponses etudiees; b) une approche basee sur l'etude d'un modele deterministe (equations de bilan matiere du reacteur ferme) plus phenomenologique, qui se ramene a la resolution d'un probleme d'identification parametrique. Nous avons mis au point un programme en langage fortran permettant l'analyse de reactions chimiques complexes aux cinetiques competitives a partir de donnees experimentales issues de cinetiques isothermes ou a temperature variable. Nous avons compare nos resultats et conclu que le modele deterministe etait previsionnel en accord avec les resultats du modele empirique

Ce travail présente un phénomène encore mal connu qui mène régulièrement à des accidents chimiques graves. En l'occurrence, il s'agit de savoir pourquoi certaines réactions effectuées entre des réactifs organiques et des métaux électropositifs, bien que conduites sur de longues périodes sans comportement anormal, peuvent soudain diverger et mener à des situations d'emballement évoluant rapidement vers des explosions violentes. En prenant pour exemple le sodium réagissant avec des dérivés organiques portant des hétérofonctions du type alcool, éther et amine, il met en évidence les paramètres engendrant des instabilités potentielles dans des systèmes hétérogènes mettant en contact une phase conductrice avec une phase isolante. Il est montré comment un liquide organique réagissant avec un métal peut réaliser son ultrapurification par ségrégation et extraction intergranulaire. Des techniques analytiques spécifiques sont développées pour caractériser l'évolution thermodynamique et cinétique des systèmes étudiés. Les réactions hétérogènes se passant à l'interface métal liquide organique réactif sont d'ordre multiple. Elle mettent en œuvre des phénomènes, se traduisant par une vitesse réactionnelle qui est un produit de trois contributions essentielles. En l'occurrence, un équilibre thermodynamique définit la concentration superficielle des espèces adsorbées dont la basicité au sens de Lewis détermine la durée de vie moyenne en tant qu'adsorbat. C'est cette durée de vie qui permet l'apparition de réactions interfaciales plurimoléculaires dont la cinétique est ainsi d'ordre multiple. Les phénomènes électrochimiques corrélés, d'autant plus importants que la pureté du métal est plus grande, entraînent l'accroissement d'une unité de la variance du système. Ceci a pour conséquence l'apparition d'instabilités chimiques qui peuvent entraîner des comportements explosifs. Les risques thermochimiques associés à ces réactions ont fait l'objet de déterminations quantitatives par calorimétrie adiabatique ARC. En conclusion, l'aspect innovant de ce travail est de montrer comment l'électrochimie interfaciale de réactions organo-métalliques peut être à l'origine des comportements explosifs régis par des cinétiques autocatalytiques.

En hydrocraquage, on peut distinguer deux classes de modeles : les modeles empiriques par familles et les modeles moleculaires detailles. La predictivite des modeles empiriques n'est en general pas tres bonne et le nombre de parametres cinetiques croit rapidement avec le nombre de familles. Une nouvelle methodologie encourageante est la modelisation cinetique fondee sur la theorie des evenements constitutifs. Cette methode consiste a construire un reseau reactionnel complet en prenant en compte toutes les reactions possibles que peut subir chaque espece. Du fait de l'approche moleculaire, seul un nombre limite et fini de parametres cinetiques permet de decrire le comportement cinetique des charges a convertir. Ces parametres sont independants de la nature de la charge. Du fait de la faiblesse des methodes d'analyses, un regroupement par familles est toujours necessaire mais il est ici effectue a posteriori, a partir de la connaissance du reseau d'etapes elementaires. Les parametres cinetiques des familles sont alors calcules a partir des parametres cinetiques fondamentaux. Jusqu'a present, les capacites de la methode vis a vis de l'extrapolation aux nombres de carbones plus eleves n'ont pas encore ete demontrees. De plus aucune etude n'a ete publiee pour un systeme triphasique (gaz/liquide/solide) et une charge complexe. Ce travail a pour objet la validation de la methodologie par evenements constitutifs sur une charge paraffinique. Tout d'abord, une serie d'experiences effectuees sur un compose modele (l'hexadecane) a permis de determiner les parametres cinetiques fondamentaux pour les especes acycliques. Ces coefficients cinetiques sont ensuite utilises pour simuler l'hydrocraquage d'un melange paraffinique de c11 a c18. Les resultats de cette simulation ont ete compares avec les resultats experimentaux, ce qui a permis de valider le modele pour les especes acycliques et de demontrer que la methode est applicable aux composes a nombres de carbones plus eleves.

Dans ce travail de thèse il a été rapporté que, pour la premiere fois, l'utilisation de TMSCl associée au NaI permet de réduire régiosélectivement divers composés de type benzile dans le chlorure de méthylene. Par ailleurs, nous avons montré que ce couple de réactifs est aussi capable de réduire diverses arylalkylcétones aussi bien que des alpha-cétoesters -cétoacides et hydrazinoesters avec des sélectivités totales. Le mécanisme original de type radicalaire a été étudié au travers de nombreuses expériences
In this work, we have described that, for the first time the TMSCl - NaI association was used to regioselectively reduce a variety of alpha diketones as benzils in methylene chloride. Moreover, we showed that this association was able to reduce various arylalkylketones as well as alpha ketoesters, ketoacids and hydrazinoesters with total selectivity. The mechanism of action is probably due to radicals was fully studied with many experiments

Le bicarbonate de soude raffiné, produit industriellement par la société Solvay, est fabriqué dans des colonnes à bulles de grande taille, appelées les colonnes BIR.

Dans ces colonnes, une phase gazeuse contenant un mélange d’air et dioxyde de carbone (CO2) est dispersée sous forme de bulles dans une solution aqueuse de carbonate et de bicarbonate de sodium (respectivement Na2CO3 et NaHCO3). Cette dispersion donne lieu à un transfert de CO2 des bulles vers la phase liquide. Au sein des colonnes, la phase gazeuse se répartit dans deux populations de bulles :des petites bulles (diamètre de quelques mm) et des grandes bulles (diamètre de quelques cm). Le transfert bulle-liquide de CO2 est couplé à des réactions chimiques prenant place en phase liquide, qui conduisent à la conversion du Na2CO3 en NaHCO3. Une fois la concentration de saturation dépassée le NaHCO3 précipite sous forme de cristaux et un mélange liquide-solide est recueilli à la sortie de ces colonnes.

Ce travail, réalisé en collaboration avec la société Solvay, porte sur l’étude et la modélisation mathématique des phénomènes de transfert de matière entre phases, couplés à des réactions chimiques, prenant place au sein d’une colonne BIR. L’association d’études sur des colonnes à bulles à l’échelle industrielle ou réduite (pilote) et d’études plus fondamentales sur des dispositifs de laboratoire permet de développer une meilleure compréhension du fonctionnement des colonnes BIR et d’en construire un modèle mathématique détaillé.

L’objectif appliqué de ce travail est la mise au point d’un modèle mathématique complet et opérationnel d’une colonne BIR. Cet objectif est supporté par trois blocs de travail, dans lesquels différents outils sont développés et exploités.

Le premier bloc est consacré à la modélisation mathématique du transfert bulle-liquide de CO2 dans une solution aqueuse de NaHCO3 et de Na2CO3. Ce transfert est couplé à des réactions chimiques en phase liquide qui influencent sa vitesse. Dans un premier temps, des modèles sont développés selon des approches unidimensionnelles classiquement rencontrées dans la littérature. Ces approches passent par une idéalisation de l’écoulement du liquide autour des bulles. Une expression simplifiée de la vitesse du transfert bulle-liquide de CO2, est également développée et validée pour le modèle de colonne BIR.

Dans un second temps, une modélisation complète des phénomènes de transport (convection et diffusion), couplés à des réactions chimiques, est réalisée en suivant une approche bidimensionnelle axisymétrique. L’influence de la vitesse de réactions sur la vitesse de transfert est étudiée et les résultats des deux approches sont également comparés.

Le deuxième bloc est consacré à l’étude expérimentale du transfert gaz-liquide de CO2 dans des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3. A cette fin, un dispositif expérimental est développé et présenté. Du CO2 est mis en contact avec des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3 dans une cellule transparente. Les phénomènes provoqués en phase liquide par le transfert de CO2 sont observés à l’aide d’un interféromètre de Mach-Zehnder.

Les résultats expérimentaux sont comparés à des résultats de simulation obtenus avec un des modèles unidimensionnels développés dans le premier bloc. De cette comparaison, il apparaît qu’une mauvaise estimation de la valeur de certains paramètres physico-chimiques apparaissant dans les équations de ce modèle conduit à des écarts significatifs entre les grandeurs observées expérimentalement et les grandeurs estimées par simulation des équations du modèle.

C’est pourquoi une méthode d’estimation paramétrique est également développée afin d’identifier les valeurs numériques de ces paramètres physico-chimiques sur base des résultats expérimentaux. Ces dernières sont également discutées.

Dans le troisième bloc, nous apportons une contribution à l’étude des cinétiques de précipitation du NaHCO3 dans un cristallisoir à cuve agitée. Cette partie du travail est réalisée en collaboration avec Vanessa Gutierrez (du service Matières et Matériaux de l’ULB).

Nous contribuons à cette étude par le développement de trois outils :une table de calcul Excel permettant de synthétiser les résultats expérimentaux, un ensemble de simulations de l’écoulement au sein du cristallisoir par mécanique des fluides numérique et une nouvelle méthode d’extraction des cinétiques de précipitation du NaHCO3 à partir des résultats expérimentaux. Ces trois outils sont également utilisés de façon combinée pour estimer les influences de la fraction massique de solide et de l’agitation sur la cinétique de germination secondaire du NaHCO3.

Enfin, la synthèse de l’ensemble des résultats de ces études est réalisée. Le résultat final est le développement d’un modèle mathématique complet et opérationnel des colonnes BIR. Ce modèle est développé en suivant l’approche de modélisation en compartiments, développée au cours du travail de Benoît Haut. Ce modèle synthétise les trois blocs d’études réalisées dans ce travail, ainsi que les travaux d’Aurélie Larcy (du service Transferts, Interfaces et Procédés de l’ULB) et de Vanessa Gutierrez. Les équations modélisant les différents phénomènes sont présentées, ainsi que la méthode utilisée pour résoudre ces équations. Des simulations des équations du modèle sont réalisées et discutées. Les résultats de simulation sont également comparés à des mesures effectuées sur une colonne BIR. Un accord raisonnable est observé.

A l’issue de ce travail, nous disposons donc d’un modèle opérationnel de colonne BIR. Bien que ce modèle doive encore être optimisé et validé, il peut déjà être utilisé pour étudier l’effet des caractéristiques géométriques des colonnes BIR et des conditions appliquées à ces colonnes sur le comportement des simulations des équations du modèle et pour identifier des tendances.

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The refined sodium bicarbonate is produced by the Solvay company using large size bubble columns, called the BIR columns.

In these columns, a gaseous phase containing an air-carbon dioxyde mixture (CO2) is dispersed under the form of bubbles in an aqueous solution of sodium carbonate and sodium bicarbonate (Na2CO3 and NaHCO3, respectively). This dispersion leads to a CO2 transfer from the bubbles to the liquid phase. Inside these columns, the gaseous phase is distributed in two bubbles populations :small bubbles (a few mm of diameter) and large bubbles (a few cm of diameter).

The bubble-liquid CO2 transfer is coupled with chemical reactions taking places in the liquid phase that leads to the conversion of Na2CO3 to NaHCO3. When the solution is supersaturated in NaHCO3, the NaHCO3 precipitates under the form of crystals and a liquid-solid mixture is extracted at the outlet of the BIR columns.

This work, realized in collaboration with Solvay, aims to study and to model mathematically the mass transport phenomena between the phases, coupled with chemical reactions, taking places inside a BIR column. Study of bubble columns at the industrial and the pilot scale is combined to a more fundamental study at laboratory scale to improve the understanding of the BIR columns functioning and to develop a detailed mathematical modeling.

The applied objective of this work is to develop a complete and operational mathematical modeling of a BIR column. This objective is supported by three blocks of work. In each block, several tools are developed and used.

The first block is devoted to the mathematical modeling of the bubble-liquid CO2 transfer in an NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solution. This transfer is coupled with chemical reactions in liquid phase, which affect the transfer rate.

In a first time, mathematical models are developed following the classical one-dimensional approaches of the literature. These approaches idealize the liquid flow around the bubbles. A simplified expression of the bubble-liquid CO2 transfer rate is equally developed and validated for the BIR column model.

In a second time, a complete modeling of the transport phenomena (convection and diffusion) coupled with chemical reactions is developed, following an axisymmetrical twodimensional approach. The chemical reaction rate influence on the bubble-liquid transfer rate is studied and the results of the two approaches are then compared.

The second block is devoted to the experimental study of the gas-liquid CO2 transfer to NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions. An experimental set-up is developed and presented. CO2 is put in contact with NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions in a transparent cell. The phenomena induced in liquid phase by the CO2 transfer are observed using a Mach-Zehnder interferometer.

The experimental results are compared to simulation results that are obtained using one of the one-dimensional model developed in the first block. From this comparison, it appears that a wrong estimation of some physico-chemical parameter values leads to significative differences between the experimentally observed quantities and those estimated by simulation of the model equations. Therefore, a parametric estimation method is developed in order to estimate those parameters numerical values from the experimental results. The found values are then discussed.

In the third block is presented a contribution to the NaHCO3 precipitation kinetic study in a stirred-tank crystallizer. This part of the work is realized in collaboration with Vanessa Gutierrez (Chemicals and Materials Department of ULB).

Three tools are developed :tables in Excel sheet to synthetize the experimental results, a set of simulations of the flow inside the crystallizer by Computational Fluid Dynamic (CFD) and a new method to extract the NaHCO3 precipitation kinetics from the experimental measurements. These three tools are combined to estimate the influences of the solid mass fraction and the flow on the NaHCO3 secondary nucleation rate.

Finally, the synthesis of all these results is realized. The final result is the development of a complete and operational mathematical model of BIR columns. This model is developed following the compartmental modeling approach, developed in the PhD thesis of Benoît Haut. This model synthetizes the three block of study realized in this work and the studies of Aurélie Larcy (Transfers, Interfaces and Processes Department of ULB) and those of Vanessa Gutierrez. The equations modeling the phenomena taking place in a BIR column are presented as the used method to solve these equations. The equations of the model are simulated and the results are discussed. The results are equally compared to experimental measurement realized on a BIR column. A reasonable agreement is observed.

At the end of this work, an operational model of a BIR column is thus developed. Although this model have to be optimized and validated, it can already be used to study the influences of the geometrical characteristics of the BIR columns and of the conditions applied to these columns on the behaviour of the model equation simulations and to identity tendencies.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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L'objectif est de développer des méthodes permettant de suivre et de quantifier la réactivité chimique de surface à l'échelle micrométrique. Nous proposons une approche optique qui utilise une détection sans marquage basée sur un changement d'indice de réfraction. Le principe repose sur le couplage entre techniques d'imagerie, de microscopie optique et de micro-électrochimie pour étudier et cartographier en temps réel et in situ des processus (électro)chimiques interfaciaux. Les potentialités de ces techniques sont mises en évidence sur un système modèle : l'électrogreffage de films minces organiques sur des surfaces par réduction de sels de diazonium. La réactivité (bio)chimique est étudiée ex situ et in situ sur différentes surfaces d'or : des microélectrodes ou des macroélectrodes décorées par impression par microcontact ou par lithographie. La méthode est intéressante pour examiner la réactivité chimique de diverses molécules immobilisées vis-à-vis de radicaux électrogénérés. Ces microscopies opto-électrochimiques montrent que la microlithographie modifie la réactivité de surface et qu'elle doit donc être réalisée soigneusement quand on cherche à déterminer la réactivité de la surface. Finalement, ces travaux sont appliqués au développement d'une méthode analytique par microscopie électrochimique (SECM) pour détecter des mouvements mécaniques de microleviers suite à un changement de tension de surface.

Les métaux de transitions possèdent des électrons \emph{d} de valence d'où une grande richesse de configurations électroniques à l'origine de leur réactivité spécifique. Les éléments de la deuxième rangée présentent en particulier des orbitales atomiques \emph{4d} et \emph{5s} de taille et d'énergie voisines, leur permettant d'être impliquées toutes deux dans des processus réactifs. Nous nous sommes intéressés à la réactivité d'un de ces éléments, le zirconium, associé à une simple molécule organique fonctionnalisée dans un complexe de vdW formé en jet moléculaire supersonique dans le cas modèle de la réaction $\ce {Zr}$~+~$\ce {CH3F}$.

Dans ces complexes, l'une des réactions qui nous intéresse conduit à la formation de $\ce {ZrF}$. La spectroscopie électronique de $\ce {ZrF}$ dans ses bandes principales entre 400~-~470~nm est extrêmement riche et surprenante pour une molécule diatomique. Cette étude a permis d'identifier l'état fondamental de $\ce {ZrF}$ ($\rm X^2\Delta$) à travers la simulation des structures rotationnelles des bandes observées et d'obtenir des informations essentielles sur sa structure électronique. Ces résultats expérimentaux sont en accord avec les calculs \emph{ab initio}.

Les états excités du complexe $\ce {Zr\bond{...}F\bond{-}CH3}$ ont été étudiés avec une méthode de dépopulation. Le domaine spectral 615~-~700~nm est particulièrement intéressant car il révèle un groupe diffus de bandes déplacées vers les plus faibles longueurs d'onde et élargies par rapport à la transition $\rm z^3F$~$\leftarrow$~$\rm a^3F$ dans le métal. Cette transition est interdite à partir de l'état fondamental $\rm a^3F_2$ du zirconium mais permise à partir de l'état $\rm a^3F_4$. La complexation par $\ce {CH3F}$ permet un couplage entre ces deux composantes et assure la ransition optique depuis l'état fondamental du complexe.

Les méthodes Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) sont utilisées par Ariane group pour calculer les torseurs d'efforts aérodynamiques et les flux thermiques sur les engins spatiaux pour des écoulements hypersoniques en milieu raréfié.Afin de pouvoir caractériser la dislocation des étages de lanceurs et donc l'empreinte de retombée de débris, une modélisation précise des mécanismes générateurs de flux thermiques est nécessaire. Les réactions chimiques étant dimensionnantes pour le calcul du flux thermique, l'objectif de cette thèse est de développer l'outil de calcul avec la méthode DSMC nommé IEMC de manière à pouvoir prendre en compte les écoulements réactifs.Deux modèles de chimie sont mis en place pour pouvoir prendre en compte la totalité des réactions. Après leur vérifications sur des cas élémentaires, ils sont appliqués et validés sur des cas tests de rentrée pour différentes atmosphères. Les différents modèles considérés sont testés afin d'évaluer leur influence. Les modèles de chimie dépendent de nouveaux paramètres d'entrée, dont les valeurs numériques sont incertaines. Une étude de quantification de leur incertitude est menée et a permis de vérifier que les grandeurs de sorties de la simulation avec un écoulement réactif, notamment le flux thermique, n'est que peu impacté par ces paramètres incertains
Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) methods are used in Ariane group to compute aerodynamic forces and moments and heat fluxes on space objects for hypersonic flows in rarefied regimes.To caracterise the dislocation of the stages and the debris footprints, a precise modelisation of the mechanism that contribute to the heat flux is necessary. The contribution of the chemical reactions is important for the determination of the heat flux. The purpose of this thesis is to develop the in house IEMC tool using the DSMC method so that it can compute reactive flows.The different steps of the developments are presented in this work. The first step is the presentation, implementation and verification of two different chemistry models. They are validated for simulations on real test cases. Different models are tested in order to evaluate their effect. Chemical models implemented in the code depend on new input parameters, whose numerical data are uncertain. Using a uncertainty quantification study, it is shown that the output data of the reactive simulation, especially the heat flux, is weakly impacted by the tested uncertain parameters

Les métaux de transitions possèdent des électrons d de valence d’où une grande richesse de configurations électroniques à l’origine de leur réactivité spécifique. Les éléments de la deuxième rangée présentent en particulier des orbitales atomiques 4d et 5s de taille et d’énergie voisines, leur permettant d’être impliquées toutes deux dans des processus réactifs. Nous nous sommes intéressés à la réactivité d’un de ces éléments, le zirconium, associé à une simple molécule organique fonctionnalisée dans un complexe de vdW formé en jet moléculaire supersonique dans le cas modèle de la réaction Zr + CH3F. Dans ces complexes, l’une des réactions qui nous intéresse conduit à la formation de ZrF. La spectroscopie électronique de ZrF dans ses bandes principales entre 400 – 470 nm est extrêmement riche et surprenante pour une molécule diatomique. Cette étude a permis d’identifier l’état fondamental de ZrF (X2) à travers la simulation des structures rotationnelles des bandes observées et d’obtenir des informations essentielles sur sa structure électronique. Ces résultats expérimentaux sont en accord avec les calculs ab initio. Les états excités du complexe Zr. . . F-CH3 ont été étudiés avec une méthode de dépopulation. Le domaine spectral 615 – 700 nm est particulièrement intéressant car il révèle un groupe diffus de bandes déplacées vers les plus faibles longueurs d’onde et élargies par rapport à la transition z3F←a3F dans le métal. Cette transition est interdite à partir de l’état fondamental a3F2 du zirconium mais permise à partir de l’état a3F4. La complexation par CH3F permet un couplage entre ces deux composantes et assure la transition optique depuis l’état fondamental du complexe
Transition metal elements have d valence electrons and are characterized by a great variety of electronic configurations responsible for their specific reactivity. The elements of the second row in particular have 4d and 5s atomic orbitals of similar size and energy which can be both involved in chemical processes. We have been interested in the reactivity of a transition metal element, zirconium, combined with a simple organic functionalized molecule in a van der Waals complex formed in a supersonic molecular beam in the model reaction Zr + CH3F. In this context, one of the chemicals reactions that we are interested in leads to the formation of ZrF. The electronic spectroscopy of ZrF in the spectral domain 400 – 470 nm is extremely rich and surprising for a diatomic molecule. With this study, we have been able to identify the ground state of ZrF (X2) by simulating the observed rotational structures and obtain essential information on the electronic structure. These experimental results are in agreement with ab initio calculations. The excited states of the complex Zr. . . F-CH3 have been studied with a depopulation method. The spectral domain 615 – 700 nm is particularly interesting because it reveals a group of diffuse bands red-shifted and broadened with respect to the transition z3F←a3F in the metal. This transition is forbidden from the ground state a3F2 of zirconium but allowed from the a3F4 state. Complexation of the metal atom with a CH3F molecule allows coupling of these two states to occur which ensures the optical transition from the ground state of the complex

Dans ce travail, nous avons étudié l’adsorption dissociative de l’hydrogène sur Pd(111) ainsi que la diffusion d’un atome de l’hydrogène sur ce même surface. A l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous avons mené une étude systématique de l’effet du recouvrement en surface sur l’énergétique de la dissociation de H2 sur une surface de Pd(111) couverte par des atomes de l’hydrogène. Un résultat surprenant que nous avons trouvé est que les atomes adsorbés ont non seulement un effet de poison mais peuvent aussi promouvoir la dissociation de H2 s’ils sont adsorbés sur des sites loin de la molécule d’hydrogène qui dissocie. En ce qui concerne la diffusion d’un atome d’ hydrogène sur Pd(111), nous avons déterminé le coefficient de diffusion par des simulations de dynamique moléculaire en utilisant la formule d’Einstein à différente température de la surface, Ts=500K, 300K and 250K. Une méthode de la dynamique moléculaire accélérée a été développée afin d’étudier la diffusion à bases températures. Dans notre approche, l’accélération se fait moyennant l’augmentation de l’énergie cinétique de l’atome qui diffuse suivant une distribution Maxwell-Boltzmann qui correspond à une température plus élevée et la correction de l’échelle de temps d’une façon consistante. Pour tester la validité de notre approche, nous avons effectué des simulations pour la diffusion d’un atome d’hydrogène sur Pd(111) à Ts=300K and Ts=100K. Les résultats obtenus par la méthode accélérée est en bon accord avec ceux de la simulation standard. Par la méthode accélérée, l’échelle de temps peut être étendu à l’ordre de micro-secondes
In this thesis, we studied dissociative adsorption of hydrogen on Pd(111) with particular attention paid to the surface coverage effect and the diffusion of a hydrogen adatom on Pd(111). With the help of DFT calculations, we carried out a systematic investigation of the effect of H-adatoms on the dissociation energetics of H2 on H-covered Pd(111) surfaces at various coverages. A quite surprising finding is that the H-adatoms do not only have a poisoning effect but can also promote H2 dissociation when they are adsorbed on sites which are sufficiently far from the dissociating H2 molecule. The macroscopic diffusion coefficient of an H-adatom on Pd(111) is determined from molecular dynamics simulations with the help of Einstein formula for different surface temperatures, i.e., Ts=500K, 300K and 250K. An accelerated molecular dynamics method was developed in order to study the diffusion at low surface temperatures. In our approach, the acceleration is achieved by increasing the kinetic energy of the diffusing atom according to the Maxwell-Boltzmann distribution at a higher temperature and correcting the time scale in a consistent way. For testing the validity of our method, we performed simulations for the diffusion of H adatom on Pd(111) surface at T=300K and T=100K. The diffusion coefficient obtained from the accelerated MD method is in agreement with that obtained from the direct MD and TST methods. And the physical time scale can be extended to the order of microseconds