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32 - Chimie organique, minérale, industrielle

Les thèses se rapportant à la section CNU "32 - Chimie organique, minérale, industrielle"

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  • Étude de réactions de substitutions électrophiles aromatiques en conditions superacides : impact sur la régiosélectivité    - Bourbon Paul  -  15 décembre 2021

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    Les réactions de type Friedel-Crafts sont parmi les plus anciennes et les plus connues en chimie organique. Néanmoins, leurs applications en synthèse sont fortement limitées de par leur faible régiosélectivité et leur champ d’application restreint. Dans le cadre de cette thèse, l’exploitation des propriétés uniques du milieu superacide afin d’effectuer des réactions de substitution électrophiles aromatiques sur des positions non classiques a été étudiée. La première partie porte sur une présentation des propriétés des superacides, leurs spécificités, ainsi que les travaux effectués au laboratoire sur la fonctionnalisation d’arènes par substitution électrophile aromatique. La deuxième partie de cette thèse est consacrée au développement d’une réaction de sulfonylation aromatique en milieu superacide. Cette réaction a notamment été appliquée à des dérivés d’anilines et d’indoles, permettant d’accéder à des diarylsulfones polyfonctionnalisées. Cette méthode a également permis la fonctionnalisation tardive de molécules bioactives. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit est dédiée à l’étude de l’isomérisation de produits issus de réactions d’alkylation de Friedel-Crafts. Cette isomérisation a ensuite pu être exploitée pour le développement d’une réaction de méthylation meta sélective de composés aromatiques électroenrichis. Cette méthode a notamment permis l’introduction de groupements méthyles enrichis en deutérium ou en carbone-13 sur des molécules élaborées.

  • Hydrogénolyse du disulfure de carbone : intensification du procédé de synthèse du méthanethiol    - Rémondière Laura  -  06 décembre 2021

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    La méthionine, un acide aminé très présent dans l’industrie agro-alimentaire, est synthétisée via un procédé catalytique multi-étapes dont l’un des principaux intermédiaires est le méthanethiol. Parmi tous les co-produits formés se trouve le disulfure de carbone, un composé hautement toxique et volatile dont le marché en Europe est stagnant. Pour éviter de le brûler et ainsi augmenter l’impact écologique du procédé, il est nécessaire d’étudier sa valorisation chimique. L’hydrogénolyse du disulfure de carbone est la voie de choix puisqu’elle permet de produire du méthanethiol sans formation d’oxydes de carbone. En présence du catalyseur NiMo/Al2O3 (15,1%pds Mo), le méthanethiol est le principal produit de la réaction, le diméthylsulfure et le méthane étant les produits secondaires. La présence de potassium (10%pds) permet d’obtenir une sélectivité en méthanethiol totale en modifiant les propriétés électroniques des sites actifs. Ceci correspond aussi à une diminution de l’activité catalytique. Le système catalytique défini présente ainsi le meilleur compromis entre activité et sélectivité. En combinant une approche expérimentale et théorique, un premier modèle cinétique a pu être établi permettant de rendre compte de l’effet positif de l’hydrogène et du sulfure d’hydrogène dans les conditions opératoires définies (250°C, P=3 bar). Il sera complété pour approfondir le schéma réactionnel et intégrer la formation des produits secondaires.

  • Fonctionnalisation de liaisons C-H en milieu superacide    - Artault Maxime  -  04 novembre 2021

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    Au cours de ces dernières années, l’exploitation de la fonctionnalisation de liaisons C-H a beaucoup progressé. Cette méthodologie devient l’un des principaux challenges en chimie organique du fait de sa sélectivité et des opportunités de synthèse qu’elle propose notamment pour la fonctionnalisation tardive de molécules élaborées. Dans le cadre de cette thèse, l’exploitation de conditions superacides pour la fonctionnalisation de liaisons C-H a été étudiée. En effet, certains composés agissent comme des superélectrophiles dans ces conditions et peuvent fonctionnaliser des liaisons C-H de molécules organiques ou réagir avec des nucléophiles faibles (fluorures, composés aromatiques). La première partie porte sur l’activation et la fonctionnalisation de liaisons Csp3-H désactivées à l’aide de CCl4. Ce dernier s’active dans les conditions superacides et permet de générer des carbocations qui sont ensuite fonctionnalisés par divers nucléophiles. Des études RMN in situ à basse température ont permis de mettre en évidence le rôle d’un dication de type ammonium-carbénium comme intermédiaire clé. En deuxième partie, la réactivité de superélectrophile de type ammonium-carbénium en milieu HF/SbF5 a été étudiée puis exploitée sur des dérivés de sulfonamides et d’amines insaturés permettant d’accéder à des pyrrolidines ou à des composés fluoroalkylés. La méthode a été développée sur des substrats simples jusqu’à des composés à haute valeur ajoutée. Finalement, une méthode de 1,1-difluoroéthylation régiosélective et directe sur des composés aromatiques azotés en milieu HF/SbF5 en présence de trichloroéthane a été développée. Des composés élaborés ont pu être fonctionnalisés avec succès.

  • Développement de systèmes moléculaires programmés pour le ciblage thérapeutique du microenvironnement tumoral    - Châtre Rémi  -  06 mai 2021

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    L’efficacité des chimiothérapies anticancéreuses est limitée par le manque de sélectivité des molécules utilisées cliniquement envers les cellules tumorales, provoquant de lourds effets secondaires et conduisant souvent à l’arrêt prématuré du traitement. Le développement de nouveaux médicaments anticancéreux plus sélectifs des tumeurs représente donc un intérêt majeur pour la lutte contre le cancer. Dans cette optique, notre équipe a participé au développement de nombreux vecteurs ciblant différentes caractéristiques des cellules cancéreuses. Parmi ces approches, le ciblage des spécificités du microenvironnement tumoral à conduit à la conception d’un vecteur glucuronylé de la MMAE capable de se lier de manière covalente à l’albumine plasmatique, directement dans le flux sanguin, permettant d’accroitre sa concentration au niveau de la tumeur. L’évaluation de de composé à produit des résultats très encourageants in vivo sur différents types de tumeurs solides. Afin d’augmenter l’efficacité thérapeutique de cette stratégie de vectorisation, nous avons conçu un nouveau vecteur glucuronylé, capable de se lier avec l’albumine plasmatique, comportant trois molécules de MMAE. Son évaluation in vitro et in vivo a permis de démontrer que l‘augmentation de la quantité d’agent cytotoxique véhiculé par la protéine conduit à une efficacité anticancéreuse accrue, sans provoquer l’apparition d’effets secondaires. Par la suite, l’étude de deux autres groupement maléimides, permettant la ligation avec l’albumine plasmatique du vecteur trimérique de la MMAE, a permis d’augmenter la dose maximale tolérée de ce type de vecteur, sans diminution significative de l’efficacité thérapeutique. L’exploitation des glycosidases surexprimées dans les cas de cancers a ensuite été étendue au ciblage de la β-N-acétylglucosaminidase, conduisant au développement du premier vecteur N-acétylglucosaminylé de la MMAE capable de se lier à l’albumine plasmatique. Ce dernier a été évalué in vivo et a conduit à une activité anticancéreuse remarquable chez la souris. Enfin, une plateforme moléculaire trimérique de cyclodextrine, destiné à la vectorisation de la doxorubicine de manière non covalente a été développée. Ce trimère de cyclodextrine comporte un groupement maléimide capable de réagir in situ avec l’albumine plasmatique, permettant d’augmenter artificiellement la capacité de transport de la protéine. Cette propriété a été exploitée in vivo, conduisant à l’augmentation de l’efficacité anticancéreuse de la doxorubicine lors d’un protocole chimiothérapeutique.

  • Conversion catalytique du furfural en alkyl lévulinate en milieu concentré    - Billoré Tony  -  30 avril 2021

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    Les utilisations des ressources fossiles sont nombreuses. Nous les utilisons principalement dans les secteurs des transports, de l’industrie, pour le chauffage ou pour la chimie. Malheureusement les réserves en sont limitées et leur exploitation émet des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique. Pour contrer cela, nous devons rapidement trouver une alternative moins polluante. La biomasse peut être une solution, c’est une ressource renouvelable composée de matériaux lignocellulosiques, possédant de nombreuses applications utiles dans la vie courante. La biomasse peut être utilisée comme source d’énergie ou comme matière première pour la synthèse de produits chimiques. Les produits chimiques biosourcés peuvent être utilisés en tant qu’additifs pour carburant, substituts de solvants, ou plus généralement de produits issues de la pétrochimie. Dans cette thèse, nous avons formé des alkyl lévulinates à partir du furfural. Le furfural est un produit chimique issu des pentoses, un type de sucre. Ces pentoses sont contenus dans l’hémicellulose, un polysaccharide essentiel à la structure des plantes. Certaines parties des plantes contiennent de fortes teneurs en hémicellulose, comme la rafle de maïs ou la bagasse, matières premières principales pour la production de furfural. L’utilisation majoritaire du furfural est son hydrogénation en alcool furfurylique. Ce composé réagit avec des alcools aliphatiques, en présence d’un catalyseur acide, pour donner des alkyl lévulinates : cette réaction est appelé alcoolyse. Le but de nos travaux est de convertir le furfural par procédé one-pot, directement en alkyl lévulinate, avec le plus haut rendement, sans passer par la purification intermédiaire de l’alcool furfurylique et en utilisant une forte concentration de furfural. Pour ce faire, nous avons tout d’abord étudié l’hydrogénation du furfural en présence de Ru/C ou de Ru/Al2O3 avec du dihydrogène et dans un alcool. De ce fait, nous avons formé de l’alcool furfurylique et compris l’influence des paramètres réactionnels et les interactions entre les catalyseurs et le milieu réactionnel. Nous avons ensuite étudié et créé un modèle pour la réaction d’alcoolyse de l’alcool furfurylique, donnant l’alkyl lévulinate. Nous avons utilisé différents catalyseurs, comme le triflate de bismuth, AlCl3, HCl ou l’hydrochlorure de bétaïne. Nous avons examiné la qualité de notre modèle et nous avons recherché le meilleur moyen de convertir l’alcool furfurylique afin d’augmenter la sélectivité et le rendement en alkyl lévulinates. Notre modèle et nos expériences nous ont permis de détecter un intermédiaire réactionnel que nous n’avons pas clairement identifié. Finalement, nous avons combiné les deux réactions précédentes en one-pot. Avec cette méthode, notre but est de convertir l’alcool furfurylique, produit du furfural, directement en alkyl lévulinate, empêchant ainsi l’augmentation de sa concentration au point où des humines sont formées. Nous avons étudié les interactions entre catalyseurs, solvants et réactifs et analysé les produits pouvant être formé à partir de cette méthode afin d’augmenter le rendement en alkyl lévulinate. Nous avons alors utilisé différentes combinaisons de catalyseurs, alcools et paramètres réactionnels.

  • Synthesis of novel bio-sourced surfactants from carbohydrates and their self-assembly in aqueous media and application as emulsifiers    - Spitzer Lea  -  22 mars 2021

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    Ce travail de thèse a été consacré à la synthèse d'oligosaccharides fonctionnalisés pour préparer de nouveaux tensioactifs biosourcés. Partant de monosaccharides non protégés (mannose et glucose), ou d'oligosaccharides (dérivés de cellulose), la réaction de Fischer-glycosylation, utilisant l'alcool propargylique comme accepteur de motif glycosyle, a été utilisée pour fonctionnaliser l’extrémité réductrice du sucre avec un groupe alcyne. Une optimisation du procédé de synthèse en deux étapes a permis d’obtenir de façon quantitative des oligosaccharides fonctionnalisés de degré de polymérisation moyen (DPn) allant jusqu'à 8. Le couplage par réaction de Huisgen, avec différents acides gras porteurs de fonctions alcyne a ensuite permis de préparer une série de tensioactifs bio-sourcés. Les propriétés tensioactives et d’auto-assemblage de quatre dérivés amphiphiles de type oligomannose et présentant des parties hydrophobes de taille variable (acide oléique et ricinoléique) ont été étudiées en milieu aqueux par diffusion de la lumière et des rayons X, ainsi que par cryo-microscopie électronique en transmission. Des études des relations structure-propriétés ont pu être avancées permettant d’expliquer les différents comportements d'auto-assemblage observés et ont été étayées par des simulations de dynamique moléculaire. Dans une dernière étude, les tensioactifs dérivés du mannose ont été exploités pour stabiliser des émulsions O/W avec différentes huiles végétales. Ces émulsions ont montré une excellente stabilité colloïdale sur plusieurs mois et une interaction spécifique avec une lectine (ConA) se liant au mannose.

  • Réacteur milliseconde catalytique dédié à la synthèse de (bio) α-oléfines à longues chaînes    - Cruchade Hugo  -  10 février 2021

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    Les α-oléfines, briques élémentaires de la pétrochimie, entrent dans la fabrication de divers produits de la vie courante, tels que des produits d’hygiène, cosmétiques, lubrifiants, emballages et matériaux de construction. Les procédés d’oligomérisation de l’éthylène actuellement employés pour les produire opèrent en présence de catalyseurs homogènes et requièrent une étape préalable de vapocraquage des hydrocarbures à des températures allant de 800 à 1100 °C, selon la nature de la charge. Une alternative consisterait à produire ces oléfines directement par le craquage des hydrocarbures en réacteur milliseconde (RMS) autotherme. Initialement développée pour l’oxydation partielle du méthane et la déshydrogénation oxydante de l’éthane et du propane, l’application de cette technologie à la conversion d’hydrocarbures plus lourds nécessite encore la compréhension des phénomènes thermiques et des mécanismes chimiques mis en jeux. Le développement d’un pilote de RMS et l’étude de la réactivité de molécules modèles, telles que les n-paraffines supérieures, par une approche multi-échelle : thermique, chimique et spatio-temporelle ont montré la possibilité de produire des α-oléfines et permis d’établir les deux domaines réactionnels coexistant au sein du réacteur. Le catalyseur monolithique Pt/Al2O3, inhérent au fonctionnement autotherme du RMS, fournit la chaleur nécessaire à la production des oléfines dans la phase gaz du réacteur par la combustion d’une partie des réactifs. Les mécanismes régissant cette zone homogène du réacteur milliseconde sont de nature radicalaire et évoluent dans des domaines de température différents. Ainsi, la formation d’α-oléfines à longues chaînes carbonées est favorisée aux basses températures (< 400 °C), où l’oxygène moléculaire est impliqué dans les voies mécanistiques et les réactions de surcraquage limitées. Un RMS sélectif n’est pas concevable sans des temps de réaction de l’ordre de la milliseconde et un contrôle strict de la thermicité du réacteur, prérequis à la restriction des transformations aux premières étapes des mécanismes. Dans ce procédé homogène assisté par catalyse hétérogène, les sélectivités en α-oléfines sont influencées par la nature chimique de la charge. Qu’ils soient d’origine fossile ou biosourcés, les réactifs hydrocarbonés doivent comporter une chaîne alkyle saturée. Ce travail exploratoire pose les fondations d’un RMS dédié à la synthèse d’α-oléfines supérieures, sur lesquelles s’appuient des propositions d’amélioration en termes d’ingénierie du procédé et de son orientation vers une chimie durable.

  • Développement de matériaux hybrides chitosan-montmorillonite pour la coagulation-floculation des eaux naturelles : de l'étude de la relation structure-réactivité en eaux modèles à l'application au traitement d'eaux de rivière    - Salvé Julie  -  17 décembre 2020

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    Le procédé de coagulation-floculation est une étape cruciale dans les filières de production d’eau potable. Les sels métalliques sont utilisés comme réactifs pour éliminer les particules en suspension, les colloïdes et la Matière Organique Dissoute (MOD) contenus dans les eaux de surface. Cependant, ils génèrent d’importantes quantités de boues difficilement valorisables. Bien que leurs propriétés floculantes soient reconnues depuis longtemps, les polymères bio-sourcés, comme le chitosan (CS), ne peuvent pas être considérés comme des alternatives viables en replacement de ces sels métalliques. Du fait de leur faible réactivité vis-à-vis des MOD et de l'apport en carbone organique dissous dans les eaux traitées provenant des polymères non réactifs, ils peuvent entrainer des dysfonctionnements dans les procédés situés en aval (colmatage des filtres, formation de sous-produits de désinfection). Dans ce manuscrit, l’association du chitosan avec des particules d’argile (Montmorillonite-MMT) a été étudiée afin de combiner les propriétés floculantes du biopolymère avec les capacités de sorption de l’argile pour former des flocs lestés et ainsi minimiser le relargage de CS dans les eaux traitées. Lors de l’optimisation de la préparation des hybrides CS-MMT dans l’objectif d’éliminer un composé modèle une relation structure-réactivité des hybrides a été démontrée. Le procédé de séchage, lors de la préparation des matériaux, s’est avéré être un paramètre-clé dans la stabilisation des hybrides sensibles à la minéralisation des eaux modèles et naturelles. L’application des hybrides optimisés pour le traitement de deux eaux de rivières (Vienne, Clain) a mis en évidence des différences de réactivité et de sélectivité entre les divers hybrides, FeCl3, CS et MMT. Les hybrides séchés ont ainsi présenté une meilleure élimination des composés de faibles poids moléculaires et peu hydrophobes tandis que les sels métalliques sont plus performants vis-à-vis des composés aromatiques, hydrophobes et de poids moléculaires élevés. Ces hybrides relarguant peu de chitosan résiduel dans les eaux traitées, leur performance peut être améliorée par une augmentation des doses de traitement.

  • Vers la conception de réseaux moléculaires basés sur la combinaison d'architectures entrelacées    - Bessaguet Adrien  -  15 décembre 2020

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    La nature représente une source d'inspiration inépuisable pour les scientifiques. Depuis de nombreuses années, les chimistes se sont attaqués à la synthèse totale de produits naturels de plus en plus complexes. Ces efforts ont conduit non seulement à la préparation d’analogues artificiels possédant des propriétés inédites, mais également à la découverte de nouvelles réactions. Bien que de nombreuses générations de chimistes aient été inspirées par la structure des produits naturels, l’imitation des processus utilisés par la nature pour la synthèse des composés organiques a reçu beaucoup moins d'attention. Afin de préparer les molécules essentielles à leur survie, les systèmes vivants utilisent des réseaux moléculaires hautement sophistiqués, constitués de composants interconnectés comme l'ADN, l'ARN, les protéines et les petites molécules. Ces réseaux moléculaires fabriquent des produits naturels extrêmement complexes en contrôlant la formation et la rupture de liaisons chimiques de manière très efficace. Au cours de ces processus, les systèmes vivants utilisent souvent des machines moléculaires fonctionnant de manière processive. Par exemple, des machines moléculaires naturelles telles que la polycétide synthase, l'ADN polymérase ou le ribosome sont intégrées dans des réseaux biochimiques conçus pour la construction itérative de macromolécules naturelles tels que les biopolymères. De plus, ces processus de synthèse sont principalement régulés par des stimuli externes (ATP, pH, enzymes…) qui permettent de contrôler rigoureusement le processus de synthèse. La conception de réseaux moléculaires artificiels, pouvant rivaliser avec les processus naturels de synthèse, pourrait apporter un nouveau paradigme en chimie organique. Ainsi, l'objectif de ces travaux de recherche est de développer des réseaux moléculaires bio-inspirés et programmés pour la synthèse itérative de molécules organiques. Dans ce projet de recherche fondamentale, nous proposons d’étudier un réseau moléculaire polyvalent dédié à la préparation d'une large gamme de composés organiques. Ce dernier sera constitué (1) d’un amplificateur catalytique à base de caténane et (2) d’une machine moléculaire artificielle à base de rotaxane imitant la processivité des polymérases naturelles.

  • Exploiter des superacides pour générer et caractériser des espèces ioniques clés dans le domaine des glycosciences    - Lebedel Ludivine  -  17 décembre 2019

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    La réaction de glycosylation, qui permet de former la liaison glycosidique, joue un rôle clé dans l’accès aux glycanes et glycoconjugués biologiquement actifs qui sont de plus en plus complexes. Très utilisée en glycochimie, les détails du mécanisme de cette réaction font encore l’objet de nombreuses études, en particulier pour évaluer la formation d’une espèce clé, le cation glycosyle. La mise en évidence de ce type d’espèces ioniques est essentielle pour élucider le mécanisme de cette réaction. Néanmoins, l’existence de cet intermédiaire cationique en solution reste à confirmer du fait d’une durée de vie très courte en solution. A partir d’une méthode mise au point au laboratoire utilisant la chimie des sucres et la chimie des superacides combinées à la spectroscopie RMN in situ et à la modélisation moléculaire, ce travail de thèse a consisté à étudier des intermédiaires ioniques furtifs de la réaction de glycosylation. Tout d’abord, plusieurs donneurs de glycosyle possédant différentes substituants sur la position C-2 ont été étudiés en milieu HF/SbF5. Des dérivés 2-halogéno ont notamment permis de générer, stabiliser et observer les cations glycosyles correspondants grâce à une plus grande durée de vie dans le milieu HF/SbF5. Puis, cette méthode a été étendue à d’autres sucres et a mis en évidence différents intermédiaires réactionnels jusque-là théoriques qui ont été caractérisés. Enfin, une analogie a été établie entre les interactions multidentates existant entre le milieu superacide et un cation glycosyle non protégé formé in situ et l’état de transition de l’enzyme Béta-1,3-glucanase, permettant alors de proposer une similarité entre les cations glycosyles générés en milieu superacide et ceux formés dans un environnement enzymatique.

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