Valorisation de l'acide lévulinique par microfluidique : approches théoriques et expérimentales.

Levulinic acid valorisation by microfluidics : theoretical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Alexandre Cordier
• Direction : Julien Legros, Laetitia Chausset-Boissarie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie organique, bioorganique : réactivité et analyse (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Chataigner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Gomez, Jean-François Portha, Maël Penhoat, Sébastien Leveneur, Benoit Crousse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Gomez, Jean-François Portha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alkyl lévulinates

Cinétique chimique

Fonctionnalisation chimique

Biocatalyse

Estérification

Synthèse en flux continu

Biomasse

Mots clés libres

Biomasse

Acide lévulinique

Chimie en flux continu

Estérification

Biocatalyse

Modélisation cinétique

Déprotonation

Fonctionnalisation

Biomass

Levulinic acid

Continuous flow chemistry

Esterification

Biocatalysts

Kinetic modelling

Deprotonation

Functionalisation

Résumé

Ce travail se focalise sur la réactivité de l’acide lévulinique, une molécule issue de la transformation de la cellulose, avec pour objectif d’intensifier la production d’ester de l’acide lévulinique et d’augmenter son potentiel de valorisation. Ainsi ces travaux de thèse se sont d’abord focalisés sur la fonction carboxylique. Des manipulations ont été réalisées pour comparer les cinétiques de la synthèse biocatalysée du lévulinate de méthyle et de butyle en flux continu. Le choix s’est porté sur le lévulinate de butyle dont la cinétique est plus rapide. Ainsi, la synthèse du lévulinate de butyle à partir de l'estérification de l'acide lévulinique sur Novozym®435, une enzyme immobilisée, a été étudiée en microréacteur à flux miniaturisé, dans des conditions isothermes. Ces travaux ont montré que le modèle classique Ping-Pong, comprenant le mécanisme d'inhibition par le butanol et l'acide lévulinique, peut s'adapter correctement aux concentrations expérimentales et que ce modèle peut raisonnablement prédire la concentration expérimentale en tenant compte de l'effet de la température sur la constante de vitesse.Par la suite, nous avons étudié la réactivité de la fonction cétone d’esters de l’acide lévulinique à travers l’étude de la sélectivité de la déprotonation. Ces travaux ont pu montrer que la position terminale était majoritairement déprotonée lorsque la température augmentait. L’utilisation de réacteur miniaturisé à flux continu a mis en évidence que la réaction de formation de l’énolate et son piégeage était réalisé en moins de 0.2 secondes. Ce qui place cette réaction dans les réactions ultra-rapides. La méthodologie développée en flux continu a pu être utilisée pour fonctionnaliser le lévulinate de tert-butyle avec divers électrophiles oxophiles et carbophiles.L’ensemble de ces résultats constituent un point de départ pour l’intensification de la synthèse d’ester de l’acide lévulinique et la synthèse de nouveaux dérivés de l’acide lévulinique. En effet, d’autres modèles cinétiques de la synthèse biocatalysée de lévulinate d’alkyle pourront à l’avenir être développé avec d’autres alcools mais aussi de nouvelles molécules dérivées d’ester de l’acide lévulinique pourront être synthétisées en s’appuyant sur ces travaux reposant sur l’utilisation de réacteur miniaturisé en flux continu.

This work focuses on the reactivity of levulinic acid, a molecule derived from cellulose transformation, with the aim of intensifying the production of levulinic acid ester and increasing its valorisation potential. This thesis therefore focused initially on the carboxyl function. Manipulations were carried out to compare the kinetics of biocatalysed synthesis of methyl and butyl levulinate in continuous flow. Butyl levulinate was chosen for its faster kinetics. The synthesis of butyl levulinate from the esterification of levulinic acid on Novozym®435, an immobilised enzyme, was studied in a miniaturised flow microreactor, under isothermal conditions. This work showed that the classical Ping-Pong model, including the mechanism of inhibition by butanol and levulinic acid, can be fitted correctly to experimental concentrations, and that this model can reasonably predict the experimental concentration considering the effect of temperature on the rate constant.Then we studied the reactivity of the ketone function of levulinic acid esters by investigating the selectivity of deprotonation. This work has shown that deprotonation in the terminal position was in the majority when the temperature increased. The use of a miniaturised continuous flow reactor showed that the enolate formation and trapping reaction was carried out in less than 0.2 seconds. This places this reaction among the ultra-fast reactions. The methodology developed in continuous flow was used to functionalise tert-butyl levulinate with various oxophilic and carbophilic electrophiles.These results provide a starting point for the intensification of levulinic acid ester synthesis and the synthesis of new levulinic acid derivatives. Indeed, other kinetic models for the biocatalysed synthesis of alkyl levulinate could in future be developed with other alcohols, and new molecules derived from levulinic acid esters could be synthesised based on this work using a miniaturised continuous-flow reactor.