Matériaux fonctionnalisés in situ à base d'alumine pour l'hydrogénation électrocatalytique

Abstract

Les recherches sur le développement de nouveaux matériaux (électro)catalytiques ont connu un essor fulgurant ces dernières années. Le progrès des connaissances facilite le développement de nouvelles applications, tant au niveau du laboratoire qu'au niveau industriel. L'utilisation de matériaux efficaces est imposée par les défis énergétiques et environnementaux, deux préoccupations majeures pour la société moderne. L'hydrogénation électrocatalytique (HEC) s'est rapidement frayé un chemin parmi les autres procédés technologiques utilisés à l'échelle industrielle pour la synthèse organique. L'utilisation de l'électron, ainsi que celle de catalyseurs supportés qui permettent de réduire la quantité de métal catalytique, représentent quelques atouts du procédé d'HEC. La viabilité du procédé d'HEC passe inévitablement par l'augmentation de son efficacité globale. En ce sens, le choix du matériau électrocatalytique semble déterminant, ce dernier devant rassembler bonne performance, bonne stabilité et faible coût. Dans l'hypothèse où les étapes d'adsorption/désorption de la molécule cible contrôlent le processus d'HEC, la modulation de celles-ci devrait permettre d'augmenter l'efficacité globale de la réaction. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à la préparation et l'évaluation de nouveaux matériaux (électro)catalytiques qui permettent de contrôler l'adsorption/désorption de molécules cibles. L'effet de la longueur de l'acide carboxylique aliphatique greffé sur alumine et de la polarité du solvant sur l'adsorption du phénol a été étudié par les tracés d'isothermes d'adsorption. Par analogie avec la chromatographie en phase liquide, l'adsorption du phénol est considérée comme un partage du substrat entre la solution aqueuse et la phase stationnaire, ici représentée par les chaînes organiques greffées sur l'alumine. L'augmentation de la polarité du solvant favorise l'adsorption du phénol et l'efficacité d'HEC. Un acide de plus en plus long greffé à la surface de l'alumine facilite également l'adsorption du substrat et l'efficacité du processus électrocatalytique. Dans certaines conditions expérimentales, l'efficacité de transformation du phénol est directement corrélée avec l'adsorption de ce dernier sur le support fonctionnalisé. Ainsi, le processus est contrôlé par l'adsorption du phénol à la surface du catalyseur. Ces conclusions sont à la base d'un nouveau concept, celui de matériaux fonctionnalisés in situ pour l'hydrogénation électrocatalytique, qui est utilisé dans la suite de ces travaux lors de l'interprétation des résultats. Afin de montrer que l'hydrogénation électrocatalytique représente une alternative efficace à l'hydrogénation catalytique (HC), une étude comparative entre l'HEC et l'HC de la cyclohexanone a été réalisée. L'HEC de la cyclohexanone s'est avérée très efficace avec un catalyseur de Pd-alumine, en présence d'acide acétique comme électrolyte support. L'utilisation du catalyseur en présence d'un tampon inorganique comme support électrolytique a été inefficace. Les mêmes constatations sont valables pour les catalyseurs de Pd non-supporté. De plus, nous avons démontré que la fonctionnalisation de la surface d'alumine dépend du pH de la solution tampon et qu'il existe une corrélation entre le recouvrement de la surface d'alumine et l'efficacité de l'HEC. Les essais réalisés en HC n'ont donné aucun résultat, les catalyseurs de Pd supporté et non-supporté étant inefficaces, quel que soit le tampon utilisé. Cette étude montre que la cyclohexanone est transformée efficacement par HEC, en utilisant un catalyseur fonctionnalisé de Pd-alumine. Lors d'une autre étude, l'HEC et l'HC de la benzophénone ont été comparées. En utilisant un catalyseur de Pd non-supporté, la benzophénone est transformée par HC en benzhydrol, qui peut, par la suite, subir une réaction d'hydrogénolyse pour donner le diphénylméthane. Avec un catalyseur de Pd supporté sur de l'alumine, la réaction d'hydrogénation a lieu beaucoup plus vite, quel que soit le tampon utilisé. La réaction d'HC est plus sélective en présence de tampon acétate, le diphénylméthane n'est obtenu qu'après avoir transformé la quasi-totalité de la benzophénone en benzhydrol, ce qui démontre une fois encore que l'électrolyte support intervient dans le processus d'hydrogénation. Dans le cas du processus électrocatalytique, la réaction d'hydrogénation a lieu plus lentement que celle d'HC. Ce travail nous a permis de proposer un schéma réactionnel pour l'HEC de la benzophénone avec des catalyseurs de Pd. Finalement, la dernière étude présentée dans cette thèse porte sur l'HEC de l'octanal, molécule qui, à notre connaissance, n'a jamais été hydrogénée par voie électrocatalytique avec un catalyseur de Pd. Nous avons étudié l'influence de certains paramètres, tels que l'intensité de courant, la polarité du solvant, le support électrolytique et la concentration du substrat, sur l'HEC de l'octanal. La réaction est efficace uniquement avec un électrocatalyseur de Pd-alumine. L'utilisation d'acide butyrique comme électrolyte support accroît l'efficacité de la réaction par rapport à l'emploi d'acide acétique. Une diminution de l'intensité du courant entraîne l'augmentation de l'efficacité coulombique. Par ailleurs, la cinétique de la réaction est favorisée par une concentration plus élevée en substrat. Les résultats préliminaires démontrent que l'approche électrocatalytique est envisageable lorsque l'on souhaite obtenir 1'octanol à partir de l'octanal."--Résumé abrégé par UMI.