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Catalyse bifonctionnelle redox-acide - Applications en raffinage du pétrole et pétrochimie

Article de référence | Réf : J1218 v1

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Catalyse bifonctionnelle - Application en valorisation des alcanes légers et en chimie fine

Auteur(s) : Michel GUISNET, Ludovic PINARD, Matteo GUIDOTTI

Date de publication : 10 nov. 2015

Relu et validé le 14 sept. 2020

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Catalyse de coordination - Partie 1

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RÉSUMÉ

La catalyse bifonctionnelle présente des atouts écologiques et économiques pour les procédés du raffinage et de la pétrochimie, mais son rôle est négligeable en conversion des alcanes légers et en Chimie Fine. Cet article montre que les processus bifonctionnels sont similaires, impliquant des étapes successives de diffusion et de transformation chimique catalysées par les deux types de sites actifs. En revanche, les molécules de réactifs intermédiaires et produits induisent des différences de réactivité et de vitesse de diffusion dans les pores. Les caractéristiques optimales des catalyseurs bifonctionnels sont donc différentes: support méso ou macroporeux plutôt que microporeux, peu acide, voire basique, etc. Les obstacles limitant leur développement et les stratégies pour les surmonter sont discutés.

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ABSTRACT

Bifunctional catalysis Application in valorisation of light alkanes and in Fine Chemicals

Many industrial processes in oil refining and petrochemistry make use of the sustainable character of bifunctional catalysis. However, its role in light alkane conversion and in fine chemicals synthesis has so far been negligible. The set of study cases reported in this paper show that the bifunctional processes are similar, involving successive steps of molecular diffusion and chemical conversion catalyzed by two types of active sites. Conversely, the specific properties of the reactants, intermediates and products induce remarkable differences in their reactivity and in diffusional behavior along pores. The optimal features of the bifunctional catalysts are therefore different: support with meso- or macropores instead of micropores, etc. Some remarks on the main hurdles limiting their development and strategies to overcome them are also presented.

Auteur(s)

Michel GUISNET : Professeur des universités - Catalyse en chimie organique, Poitiers, France Centre for Biological and Chemical Engineering, Lisbonne, Portugal
Ludovic PINARD : Maître de conférences - Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (IC2MP) École nationale supérieure d'ingénieurs de Poitiers (ENSIP), France
Matteo GUIDOTTI : Chercheur - Conseil national des recherches Institut de sciences et technologies moléculaires, Milan, Italie

INTRODUCTION

Larticle [J 1 217] démontre le rôle essentiel que joue la catalyse bifonctionnelle redox- acide dans les grands procédés de conversion du raffinage du pétrole et de la pétrochimie. Les catalyseurs utilisés comportent deux types de sites actifs :

des sites hydrodéshydrogénants provenant soit de métaux nobles Pt ou Pd, soit de sulfures mixtes de métaux des groupes 6 (Mo ou W) et 8 (Co, Ni) ;
des sites acides protoniques provenant d'oxydes inorganiques : alumines chlorées, zéolithes acides et silice alumines.

Les schémas réactionnels des transformations bifonctionnelles d'hydrocarbures comportent de multiples étapes successives de catalyse sur les sites hydrodéshydrogénants et protoniques et de transport des molécules de réactifs, produits et intermédiaires réactionnels. En dépit de cette complexité, ces transformations se produisent très rapidement et en une seule étape apparente, les intermédiaires insaturés, thermodynamiquement très défavorisés, n'apparaissant en effet que sous forme de traces dans les produits finaux. Par ailleurs, l'optimisation des procédés (catalyseur et conditions opératoires) permet d'orienter la sélectivité vers les produits souhaités tout en limitant la désactivation des catalyseurs.

Ces atouts peuvent être, et sont déjà partiellement valorisés en valorisation des alcanes légers C₁-C₄ et en synthèse organique de produits à haute valeur ajoutée (Chimie fine). Cet article [J1 218] fait le point sur les avancées réalisées dans ces domaines, le choix de les traiter dans un article spécifique étant lié aux limitations importantes imposées dans le développement de procédés industriels par les particularités de la plupart des transformations souhaitées.

– La première, qui vaut aussi bien pour la valorisation des alcanes légers que pour la Chimie fine est que les réactions de coupure de liaisons prépondérantes dans les procédés du raffinage du pétrole et de la pétrochimie sont naturellement supplantées par des réactions de condensation.

– La seconde, particulière à la Chimie fine tient à la très grande réactivité des molécules de réactifs, intermédiaires et produits (désirés ou non) que leur confèrent les groupements fonctionnels qu'elles présentent.

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MOTS-CLÉS

Macanismes réactionnels | Sites catalyquement actifs | Conversion des alcanes légers | Chimie fine

KEYWORDS

reaction mechanisms | catalyc active sites | light alkane conversion | fine chemicals synthesis

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - Catalytic activation and functionalisation of light alkanes. Advances and challenges. - DEROUANE (E.G.), DEROUANE (J.), LEMOS (F.), RAMÔA RIBEIRO (F.) et GUISNET (M.) Eds., NATO ASI, Series 3, Kuwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, vol. 44 (1998).
(2) - Sustainable strategies for the upgrading of natural gas : fundamentals, challenges and opportunities. - DEROUANE (E.G.), PARMON (V.), LEMOS (F.) et RAMÔA RIBEIRO (F.) Eds., NATO ASI, Series 2, Kuwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands (2005).
(3) - CAEIRO (G.), CARVALHO (R.H.), WANG (X.), LEMOS (M.A.N.D.A.), LEMOS (F.), GUISNET (M.), RAMÔA RIBEIRO (F.) - Activation of C₂-C₄ alkanes over acid and bifunctional zeolite catalysts. - J. Mol. Catal. A, 255, p. 131 (2006).
(4) - CORMA (A.), MARTINEZ (A.) - Transformation of alkanes on solid acid and bifunctional catalyst. - Ref.1, p. 35.
(5) - MARCILLY (C.) - Catalyse acido-basique. Application au raffinage et à la pétrochimie. - Éditions Technip, Paris, vol. 2,...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Périodiques

ACS Catalysis, American Chemical Society

Advanced Synthesis and Catalysis, Wiley-VCH

Applied Catalysis-A : General ; B : Environmental, Elsevier

Catalysis Communications, Elsevier

Catalysis Letters, Springer

Catalysis Science and Technology, Royal Society of Chemistry

Catalysis Today, Elsevier

ChemCatChem, Wiley-VCH

Chemical Engineering and Technology, Wiley-VCH

ChemSusChem, Wiley-VCH

Green Chemistry, Royal Society of Chemistry

Industrial Engineering Chemistry Research, American Chemical Society

Journal of Catalysis, Elsevier

Journal of Molecular Catalysis A : Chemical, Elsevier

Microporous and Mesoporous Materials, Elsevier

Topics in Catalysis, Springer

HAUT DE PAGE

2 Brevets

BELLUSSI (G.), GIUSTI (A.) et ZANIBELLI (L.). – Dehydroisomerisation catalyst and its use in the preparation of isobutene from N-butane. US Patent 5336830 assigné à Eniricerche SPA et Snamprogetti (1994).

FRITCH (J.R.), ASLAM (M.), RIOS (D.E.) et SMITH (J.C.). – Utilisation de 2-butanones substituées en position 4 pour préparer la nabumétone. Patent WO 9640608 (1996).

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - VALORISATION DES ALCANES LÉGERS C2-C4 PAR CATALYSE BIFONCTIONNELLE

1.1 - Hydroisomérisation du n-butane
1.2 - Transformation d'alcanes légers par un processus successif de réactions de déshydrogénation et de catalyse acide
1.3 - Déshydroalkylation d'aromatiques par l'éthane ou le propane
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1.4 - Aromatisation des alcanes C3-C4
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2 - SYNTHÈSE DE COMPOSÉS FONCTIONNALISÉS À HAUTE VALEUR AJOUTÉE (CHIMIE FINE)

2.1 - Synthèse de composés fonctionnalisés sur des catalyseurs bifonctionnels métal/support acide ou basique
2.2 - Conversion de dérivés carbonylés par catalyse bifonctionnelle
2.3 - Synthèses de précurseurs d'arômes et parfums
2.4 - Synthèses de composés d'intérêt pharmaceutique
2.5 - Synthèse de composés fonctionnalisés sur d'autres types de catalyseurs bifonctionnels
2.6 - Bilan sur la catalyse hétérogène bifonctionnelle en Chimie fine
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3 - CONCLUSION

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