Transformation chimique du furfural en acide 2,5-furane dicarboxylique par catalyse hétérogène

Chemical transformation of furfural to 2,5-furane carboxylic acid by heterogeneous catalysis

• Auteur / Autrice : Hicham Ait Rass
• Direction : Michèle Besson, Nadine Essayem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/10/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Fongarland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Pouilloux, Andréas Redl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juliette Blanchard, Sophie Hermans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse

Furfural

5-hydroxyméthylfurfural

Catalyse hétérogène

Mots clés libres

Biomasse

Furfural

Hydroxyméthylfurfural

Acide 2,5-furane dicarboxylique

Hydroxyméthylation

Oxydation aérobie

Catalyse hétérogène

Phase aqueuse

Biomass

Furfural

Hydroxymethylfurfural

2,5-furane dicarboxylique acid

Hydroxymethylation

Aerobic oxidation

Catalyzed conversion

Aqueous phase

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la conversion par catalyse hétérogène du furfural (produit biosourcé produit, par déshydratation du xylose issu de l'hydrolyse acide de l'hémicellulose) en acide 2,5-furane dicarboxylique (FDCA, substituant potentiel de l'acide téréphtalique, monomère de polyesters et polyamides, issu du pétrole). Cette transformation a été envisagée en deux étapes catalytiques: 1) l'hydroxyméthylation du furfural en 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) par le formaldéhyde aqueux ou le trioxane en présence d'un catalyseur acide. Les rendements maxima de 40% ont été obtenus en utilisant le formaldéhyde aqueux en présence de nanoparticules de ZSM-5. L'instabilité du furfural et du HMF dans ces conditions réactionnelles est la principale difficulté. 2) l'oxydation aérobie du HMF en FDCA. En milieu alcalin faible (Na2CO3), en présence d'un catalyseur Pt/C promu par le Bi (rapport molaire Bi/Pt = 0,2) à 100 °C et sous 40 bar d'air, le FDCA est obtenu avec un rendement quantitatif. La modification du Pt par le bismuth permet de limiter la lixiviation du Pt dans le milieu réactionnel et de recycler le catalyseur sans prétraitement préalable et sans perte significative de l'activité, comme démontré ensuite en réacteur continu

This thesis reports a study of heterogeneously catalyzed conversion of furfural (biobased product formed from the acid-catalyzed dehydration of xylose) into 2,5-furane dicarboxylique acid (FDCA, possible replacement monomer for terephtalic acid for the production of polyethylene terephtalate). This transformation has been considered in two catalytic steps: 1) hydroxymethylation of furfural with aqueous formaldehyde or trioxane into 5-hydroxymethylfurfural (HMF) in the presence of solid acids. The maximum yields of 40% have been obtained using aqueous formaldehyde in the presence of nanoparticles of ZSM-5. The main problem was the lack of stability of furfural and HMF in reaction conditions. 2) aerobic oxidation of HMF into FDCA. HMF was oxidized in alkaline aqueous solutions over Pt-based catalysts using dioxygen from air. Promotion of the catalyst with bismuth and the presence of a weak base (Na2CO3) yielded a catalytic system with a remarkable activity and selectivity. HMF was completely and exclusively converted to FDCA within 2,5 h. The catalyst could be recovered by simple filtration and reused several times without significant loss of activity and with no platinum or bismuth leaching