design de nouveaux matÉriaux bio-sourcÉs préparation d

1

LCPO

Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques CNRS - ENSCBP – Université de Bordeaux Pessac, France

Maud CHEMIN, Frédérique HAM-PICHAVANT,

Stéphane GRELIER, Henri CRAMAIL

DESIGN de NOUVEAUX MATÉRIAUX BIO-SOURCÉS Préparation d’oligosaccharides de

xylanes de hêtre

2

LCPO

95% des produits synthétiques

Introduction

Augmentation de la production mondiale de “matières plastiques”

Appauvrissement des ressources fossiles et fluctuation des prix du pétrole

Nécessité de trouver une alternative :

• Biopolymères

• Polymères agro- sourcés

Synthèse d’oligomères d’hémicelluloses pour coupler à des dérivés d’acide gras

03/07/2013 Thèses des Bois

J. Chow, et al. Science, 2003, 302, 1528-1531 Handbook of Pulp, edited by Sixta H. (2006) Wiley-VCH

Nouveaux matériaux fonctionnels

3

LCPO

Biomasse lignocellulosique de bois durs

45%

26%

25%

3% 1%

Cellulose

Lignin

Hemicelluloses

Extractives

Ash

Cellulose

Hémicelluloses

Lignine

Ceres, Inc., 2007-2011

M.J. Taherzadeh, K. Karimi. Bioressource, 2007, 2, 472-499

Hémicelluloses majoritaires : XYLANES

Squelette d’unités xylose Ramification arabinose et/ou acide uronique

Paroi cellulaire

Contexte

03/07/2013 Thèses des Bois

4

LCPO

Xylanes

Utilisés à l’état natif

Epaississant Gélifiant

Fibres alimentaires

Modifiés chimiquement

Hydrolysés

Sucres

Fermentés Déshydratés

Réduits

Furfural, xylitol, etc.

Fonctionnalisés

Ebringerova A., Heinze T. Macromol. Rapid Commun., 2000, 21, 542-556 Ebringerova A. et al. Adv Polym Sci, 2005, 186, 1-67 Ebringerova A. Macromol. Symp., 2006, 236, 1-12 *Fundador N. G. V. et al. Polymer, 2012, 53, 3885-3893 Holmbom B. Actualité chimique, 2002, 11-12, 52-53 Popa V. I. Polysaccharides in Medicinal Applications, 1996, 107-124 Ren J.L., Sun R.C. Cellulose Chem. Technol., 2006, 40, 281-289

: biopolymères prometteurs

Estérification Ethérification

Contexte

03/07/2013 Thèses des Bois

*

5

LCPO

Oligomères issus de xylanes Bloc hydrophile

Synthons dérivés de corps gras Bloc hydrophobe

Couplage par chimie ‘click’

Objectif

Tensioactif Auto-assemblage

Revêtements

03/07/2013 Thèses des Bois

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LCPO

Coproduits de

l’industrie papetière

Nécessité de trouver une

alternative aux ressources

fossiles

Valorisation de biomasse non

alimentaire

Valorisation de déchets

Motivation

03/07/2013 Thèses des Bois

7

LCPO

O-acetyl-4-O-methylglucoronoxylan

Hydrolyse acide pour diminuer le DP à 5-10 Caractérisation composition

structure Mw

Fonctionnalisation pour couplage par chimie ‘click’

Motivation

Utilisation d’hémicelluloses de hêtre comme plateformes intermédiaires pour le design de nouveaux polymères de spécialité

03/07/2013 Thèses des Bois

Mw = 4700 ± 200 g/mol i.e. ≈ 30 xyloses avec 4 AcGlu. par chaine

8

LCPO

Synthèse des oligosaccharides

Fonctionnalisation chimique

Conclusion

Perspectives

SYNCOBIO

03/07/2013 Thèses des Bois

9

LCPO

Synthèse des oligosaccharides

Fonctionnalisation chimique

Conclusion

Perspectives

SYNCOBIO

03/07/2013 Thèses des Bois

10

LCPO

Hydrolyse sélective

Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Extrémité réductrice

Stabilité de la liaison à l’hydrolyse : < <

Kamiyama Y., Sakai Y. Carbohydr. Res., 1979, 73, 151-158 Kumar R., Wyman C. E. Carbohydr. Res., 2008, 343, 290-300 Peng F. et al. Biotechnol. Adv., 2012, 30, 879-903

Synthèse d’oligosaccharides

[xylan] = 50 g/L [H2SO4] = 0.7 M t = 45 min T = 90°C

P. Mäki-Arvela et al. Chem. Rev. 111 (2011) 5638-5666 H.-J. Sun et al. Carbohydr. Res. 337 (2002) 657-661

03/07/2013 Thèses des Bois

Hydrolyse acide

11

LCPO

Hydrolyse contrôlée en milieu H2SO4 dilué & Purification par précipitation sélective à l’EtOH

Débit : 0.7 mL/min Eluent : H2O pH 12 Concentration 6 g/L Détection RI Etalonnage pullulan

Après purification : Rendement massique 25%

Présence d’agrégats pour les xylanes natifs en solution dans l’eau Après hydrolyse : • Pas d’agrégat • Oligomères à 36min • Paire ‘Xyl-AcGlu.’ à 39min • Unités xylose à 41min Hydrolyse reproductible

Rendement massique : 85%

Analyse par Chromatographie d’Exclusion Stérique

Hydrolyse

4700 g/mol

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

12

LCPO

(CH)1 de xyloses résiduels

1

2 3

4

5

1

2

4 5b

5a

1

2 3 4

5b 5a

Caractérisation des xylooligosaccharides Spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire 2D 20 mg/mL dans D2O ; 64 scans

Xylose 4:1 AcGlu.

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

1

5 4

3 2

2 1

5 4

3

1 2 3

4 5 … …

13

LCPO

0 ramification & 4 9 xyloses 1 ramification & 2 14 xyloses 2 ramifications & 4 10 xyloses

455 958 1461 1964 2467 2970 Masse (m/z)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sité

891.2 627.1

759.2 495.1

1023.2 1155.2

1287.2

1419.2

1551.2

1683.3

1815.3 1947.3

2079.3

Caractérisation des xylooligosaccharides Spectroscopie MALDI – TOF (analyse réalisée par le CESAMO, ISM, Université Bordeaux I)

désorption par ionisation laser, assistée par une matrice - analyseur à temps de vol

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

1X

2X

3X

4X …

14

LCPO

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose

Détermination de la position de la ramification PEELING

15

LCPO

DÉPOLYMÉRISATION PAR L’EXTRÉMITÉ RÉDUCTRICE EN MILIEU ALCALIN Conditions du peeling 18 wt.% NaOH 43°C 420 minutes

Neutralisation 0.6M HCl

Lyophilisation

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

Détermination de la position de la ramification PEELING

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose

J. Sartori, et al. Alkaline degradation of model compounds related to beech xylan. Holzforschung. 58 (2004) 588-596

Xylose ‘xylose’

AcGlu.

16

LCPO

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose

Xylose Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose

PEELING PEELING

Xylose Xylose

AcGlu.

Xylose Xylose ‘xylose’ Xylose

AcGlu.

‘xylose’ 4

Détermination de la position de la ramification PEELING

17

LCPO

03/07/2013 Thèses des Bois

Synthèse d’oligosaccharides

Xylose

M. Chemin et al. Papier en cours

Détermination de la position de la ramification PEELING

AcGlu.

‘xylose’

18

LCPO

Synthèse des oligosaccharides

Fonctionnalisation chimique

Conclusion

Perspectives

SYNCOBIO

03/07/2013 Thèses des Bois

19

LCPO

Amination Réductrice sur les xylooligosaccharides

Schatz C., et al. Angewandte Chemie 2009 International Edition 48 (14) 2572-2575 Kumar Upadhyay K., et al. Biomacromolecules 2009 10 (10) 2802-2808 Daus S., et al. Cellulose 2010 17, 825-833 Guerry A., et al. Bioconjugate Chem. 2013 24 (4) 544–549

Fonctionnalisation chimique

5 eq.

03/07/2013 Thèses des Bois

20

LCPO

Fiore M., et al. Tetrahedron Letters, 2011, 52, 444-447 Mergy J., et al. Polymer Chemistry, 2012, 50, 4019-4028

Copolymère dibloc

03/07/2013 Thèses des Bois

Fonctionnalisation chimique

Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine RMN 1H 20 mg/mL dans D2O ; 64 scans

21

LCPO

H1 Xyl CH2 Cyst.

HDO

EtOH

CH2 Cyst. LIBRE

Xylose 5:1 Cyst. avec un DP moyen de 6

O-CH3 AcGlu.

03/07/2013 Thèses des Bois

Fonctionnalisation chimique

Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine RMN 1H 20 mg/mL dans D2O ; 64 scans

22

LCPO

580 904 1228 1552 1876 2200

Mass (m/z)

0

2154.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sity

891.0

759.0

1155.1 1023.1

627.1

1287.1

1419.1

1551.1 1683.1

1815.1 1947.2 2079.2

580 904 1228 1552 1876 2200

Mass (m/z)

0

2983.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sity

1082.2 950.2

818.2 1214.3

686.1 1346.3

1478.3 952.2 1084.2

1216.3 1610.3

1480.3 1742.4 1874.4

03/07/2013 Thèses des Bois

Fonctionnalisation chimique

Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine MALDI – TOF matrice DHB dans H2O (analyse réalisée par le CESAMO, ISM, Université Bordeaux I)

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LCPO

580 904 1228 1552 1876 2200

Mass (m/z)

0

2154.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sity

891.0

759.0

1155.1 1023.1

627.1

1287.1

1419.1

1551.1 1683.1

1815.1 1947.2 2079.2

580 904 1228 1552 1876 2200

Mass (m/z)

0

2983.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

ten

sity

1082.2 950.2

818.2 1214.3

686.1 1346.3

1478.3 952.2 1084.2

1216.3 1610.3

1480.3 1742.4 1874.4

03/07/2013 Thèses des Bois

Fonctionnalisation chimique

Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine MALDI – TOF matrice DHB dans H2O (analyse réalisée par le CESAMO, ISM, Université Bordeaux I)

24

LCPO

03/07/2013 Thèses des Bois

Fonctionnalisation chimique

En cours…

Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystamine hydrochloride

25

LCPO

Synthèse des oligosaccharides

Fonctionnalisation chimique

Conclusion

Perspectives

SYNCOBIO

03/07/2013 Thèses des Bois

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LCPO Conclusion

Optimisation des conditions d’hydrolyse Acide sulfurique 0.7M

90°C

45 minutes

Hydrolyse contrôlée et reproductible

Obtention d’oligomères bien définis DP 6

1 ramification

par chaine

Fonctionnalisation de l’oligomère par amination réductrice

Introduction d’un groupe –SH pour couplage thiol-ène

03/07/2013 Thèses des Bois

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LCPO

n n

Perspectives

Couplage thiol-ène avec un polyester bio-sourcé

03/07/2013 Thèses des Bois

Pr H. Cramail Pr S. Grelier Dr F. Pichavant A.-L. Wirotius E. Virol N. Guidolin LCPO

Merci de votre attention

Financement :