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Theses Year : 2020

Contribution of plasma technology to the development of carbonylation processes in gas/liquid microreactors

Apport de la technologie plasma pour le développement de procédés de carbonylation en microréacteur gaz/liquide

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Abstract

The carbonylation reaction provides access to many organic molecules with high added value, but involves the use of carbon monoxide, a flammable and highly toxic gas. On the contrary, carbon dioxide is a non-toxic, inexpensive, non-flammable gas, and its use as a raw material to produce CO in situ is therefore an interesting path, both from a safety and environmental point of view. The objective of this thesis was therefore to convert CO2 into CO by plasma, then to use the CO formed to carry out a carbonylation reaction, both steps in microfluidic systems. First, the palladium-catalysed aminocarbonylation reaction was studied in a gas/liquid microreactor, and the operating parameters were optimized to obtain a total conversion of the substrate to amide. Secondly, the decomposition of CO2 into CO in a plasma microreactor was optimized to maximize the volume concentration of CO formed. Finally, the serial combination of the two microreactors allowed the synthesis of the amide starting from CO2 with a conversion of 70%, in a total residence time of less than 2 min, at a temperature of 50 °C and atmospheric pressure. Thus, the association of microfluidics and plasma is proving to be a very promising route for the rapid and clean organic synthesis of carbonyl molecules. Direct aminocarbonylation, without catalyst and by plasma activation, has also been explored, and the first results open up encouraging prospects.
La réaction de carbonylation permet d'accéder à de nombreuses molécules organiques à forte valeur ajoutée, mais implique l'utilisation de monoxyde de carbone, un gaz inflammable et hautement toxique. Au contraire, le dioxyde de carbone est un gaz non toxique, peu coûteux, ininflammable, et son utilisation comme matière première pour produire du CO in situ est donc une voie intéressante, tant d’un point de vue sécurité qu’environnemental. L’objectif de cette thèse a donc été de convertir le CO2 en CO par plasma, puis d'utiliser le CO formé pour réaliser une réaction de carbonylation, le tout en systèmes microfluidiques. Dans un premier temps, la réaction d’aminocarbonylation catalysée au palladium a été étudiée dans un microréacteur gaz/liquide, et les paramètres opératoires ont été optimisés de manière à obtenir une conversion totale du substrat en amide. Dans un deuxième temps, la décomposition du CO2 en CO dans un microréacteur plasma a été optimisée de façon à maximiser la concentration volumique de CO formé. Finalement, la combinaison en série des deux microréacteurs a permis la synthèse de l’amide en partant du CO2 avec une conversion de 70%, en un temps de séjour total inférieur à 2 min, à une température de 50°C et à pression atmosphérique. Ainsi, l'association de la microfluidique et du plasma se révèle être une voie très prometteuse pour la synthèse organique rapide et propre de molécules carbonylées. L’aminocarbonylation directe, sans catalyseur et par activation plasma, a été également explorée, et les premiers résultats ouvrent des perspectives encourageantes.
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Dates and versions

tel-03549766 , version 1 (31-01-2022)

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  • HAL Id : tel-03549766 , version 1

Cite

Marion Gaudeau. Apport de la technologie plasma pour le développement de procédés de carbonylation en microréacteur gaz/liquide. Génie mécanique [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPSLC015⟩. ⟨tel-03549766⟩
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