Compréhension et anticipation du caractère auto-polymérisant de substances par chimie théorique

Comprehension and anticipation of the self-polymerizing nature of substances by theoretical chemistry

• Auteur / Autrice : Daniele Maccarone
• Direction : Carlo Adamo, Guillaume Fayet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institute of Chemistry for Life and Health Sciences
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie Théorique et Modélisation (TCM)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)

Mots clés

Mots clés libres

Matières qui polymérisent

Chimie Théorique

Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT)

Polymeric substances

Theoretical Chemistry

Density Functional Theory (DFT)

Résumé

Les polymérisations incontrôlées sont des réactions chimiques fréquemment impliquées dans les accidents industriels, notamment lors du transport de substances dans des citernes. Ces réactions présentent des risques significatifs, nécessitant une caractérisation et une maîtrise appropriées. Depuis 2013, les substances polymérisantes sont classées en classe 4.1 dans le cadre réglementaire du transport de marchandises dangereuses. Cependant, le texte souligne que les critères de classement actuels, initialement destinés à d'autres classes de substances, peuvent ne pas être adaptés aux mécanismes spécifiques des polymérisations. L'Ineris utilise des méthodes de caractérisation expérimentales, telles que la calorimétrie, ainsi que des méthodes de chimie quantique (DFT) pour étudier les mécanismes des réactions chimiques dangereuses. Ces approches aident à identifier les chemins réactionnels, à caractériser les énergies développées et à comprendre les mécanismes complexes associés aux dangers physiques des substances chimiques. La thèse a pour objectif d'appliquer cette approche théorique aux matières qui polymérisent. Des études de chimie théorique seront menées en utilisant le logiciel Gaussian16, avec plusieurs objectifs : identifier les paramètres clés des mécanismes d'auto-polymérisation, distinguer les matières qui polymérisent des matières auto-réactives, et évaluer l'efficacité des stabilisants utilisés pour prévenir l'auto-polymérisation lors du transport et du stockage. Les travaux de recherche visent ultimement à développer des outils et des méthodes complémentaires aux essais, impliquant des adaptations au sein de l'Unité RCEL de l'Ineris.

Uncontrolled polymerizations are common chemical reactions involved in industrial accidents, particularly during the transportation of substances in tanks. These polymerization reactions pose significant risks that require appropriate characterization and control. Since 2013, substances that undergo polymerization have been classified as Class 4.1 'Substances and Mixtures that Polymerize (Stabilized)' in the regulatory framework for the transport of dangerous goods. However, the text emphasizes that the current classification criteria, originally intended for other classes of substances, may not be suitable for the specific mechanisms of polymerizations. In addition to experimental characterization methods such as calorimetry, Ineris utilizes quantum chemistry methods (Density Functional Theory, DFT) to study the mechanisms of hazardous chemical reactions, such as explosive decompositions or chemical incompatibilities. These methods help identify the main reaction pathways, characterize the energies involved in the reactions (reaction energy and activation energy), and identify intermediates and products formed during these reactions. They contribute to improving the understanding of complex reaction mechanisms associated with the physical hazards of chemical substances. The objective of this thesis is to apply this theoretical approach to the case of substances that undergo polymerization. During this thesis, theoretical chemistry studies will be conducted using DFT with the Gaussian16 software to characterize the reactivity of different substances, with several objectives: Identify key parameters of auto-polymerization mechanisms to prioritize chemically similar substances based on their potential for auto-polymerization. Distinguish substances that polymerize from self-reactive substances, where decomposition is expected rather than polymerization. Understand the mode of action and evaluate the performance of stabilizers used to prevent the auto-polymerization of these substances during their transportation and storage. These studies aim to eventually establish tools and complementary methods to tests, with adaptation work being carried out within the RCEL (Chemical and Electrochemical Reaction) Unit of Ineris (in parallel with this thesis).