Nouvelle génération de catalyseurs a base de tungstène supporté sur oxydes pour la production du propylène

Novel generation of tungsten-based catalysts grafted on oxides for propylene production

• Auteur / Autrice : Etienne Mazoyer
• Direction : Jean-Marie Basset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 11/10/2010
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie OrganoMétallique de Surface (1994-2006) - Laboratoire de Chimie OrganoMétallique de Surface (1994-2006)
• Jury : Président / Présidente : Marc Lemaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Gauvin, Christopher Nicholas, Mostafa Taoufik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Carpentier, Klaus Köhler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes

Hydrures

Tungstène

Propène

Mots clés libres

Propylène

Tungstène

Hydrures

Oxydes

Aluminium

Métathèse

Éthylène

Butènes

Propylene

Tungsten

Hydrides

Oxide

Aluminium

Metathesis

Ethylene

Butene

Résumé

La préparation de nouveaux catalyseurs à base de tungstène par la voie Chimie Organométallique de Surface a été abordée dans cette thèse pour la production du propylène à partir de l'éthylène et/ou de butènes. Deux types de systèmes catalytiques ont été développés. Des hydrures de tungstène supportés, obtenus par réaction de surface entre un complexe de tungstène [W(CtBu)(CH2 tBu)3] et la -alumine suivi d'un traitement sous H2 à 150°C ont été préparés. Les caractérisations par différentes techniques spectroscopiques (IR, RMN solide, Raman et EXAFS) et réactivité stoechiométrique ainsi que les modélisations par calculs théoriques (DFT) ont montré la présence à la surface de deux espèces trishydrures : neutre et cationique. Ce catalyseur s'est révélé particulièrement actif pour la conversion directe de l'éthylène en propylène à 150°C selon un mécanisme trifonctionnel (dimérisation, isomérisation et métathèse croisée). L'accent a été mis sur la détermination du mode de désactivation par oligomérisation de l'éthylène, due principalement à la présence en surface d'espèce cationique. Pour pallier ce problème, d'autres réactions permettant la production de propylène avec de meilleures activités ont été développées (conversion des butènes, métathèse croisée éthylène/2-butène, 2-butène/isobutène). La conversion directe de 2-butène en propylène, inconnue jusqu'à lors, a notamment été étudiée. Enfin, un second type de systèmes catalytiques, modèles du site actif de l'hydrure de tungstène supporté et du catalyseur industriel WO3/SiO2, a été préparé et caractérisé. Ces nouveaux catalyseurs, portant un ligand oxo, se sont montrés bien plus actif en métathèse des oléfines que leurs homologues portant un ligand imido. Ces derniers se désactivent rapidement par décomposition de métallacyclobutane entraînant une réduction du tungstène non observée dans le cas des systèmes oxo

The preparation of new tungsten based catalyst using Surface Organometallic Chemistry is described in this thesis. These catalysts have been prepared for the production of propylene from ethylene and/or butenes. Two types of catalyst have been developed. Supported tungsten hydrides, resulting from the surface reaction of [W(CtBu)(CH2 tBu)3] with -alumina followed by a treatment under H2 at 150°C have been prepared. The characterizations by several spectroscopic techniques (IR, SSNMR, Raman and EXAFS) and stoichiometric reactivity combined by with theoretical calculations (DFT) have demonstrated the presence of two tungsten hydride surface species: a neutral and a cationic. This catalyst have shown outstanding reactivity for the direct conversion of ethylene to propylene 150°C following a tri-functional mechanism (dimerization, isomerization and crossmetathesis). The deactivation pathway has been attributes to ethylene oligomerization mainly due to the presence of cationic surface species. To circumvent this deactivation, other reactions affording propylene have been developed (butenes conversion, ethylene/2-butene and isobutene/2-butene cross metathesis). The conversion of 2-butene to propylene, until then unreported, has been notably studied. Finally, a second type of catalyst, models of the active site of supported tungsten hydrides and of WO3/SiO2 catalyst, has been prepared and characterized. These new catalysts, bearing an oxide ligand, have been shown to be more active than their imido counterparts. These later deactivates quikely by metallacyclobutane decomposition leading to the reduction of the tungsten non observed in the case of oxo systems