design de nouveaux matÉriaux bio-sourcÉs préparation d
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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
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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
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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
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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
*
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LCPO
Oligomères issus de xylanes Bloc hydrophile
Synthons dérivés de corps gras Bloc hydrophobe
Couplage par chimie ‘click’
Objectif
Tensioactif Auto-assemblage
Revêtements
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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
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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
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Mw = 4700 ± 200 g/mol i.e. ≈ 30 xyloses avec 4 AcGlu. par chaine
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LCPO
Synthèse des oligosaccharides
Fonctionnalisation chimique
Conclusion
Perspectives
SYNCOBIO
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LCPO
Synthèse des oligosaccharides
Fonctionnalisation chimique
Conclusion
Perspectives
SYNCOBIO
03/07/2013 Thèses des Bois
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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
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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
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Synthèse d’oligosaccharides
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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.
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Synthèse d’oligosaccharides
1
5 4
3 2
2 1
5 4
3
1 2 3
4 5 … …
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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
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Synthèse d’oligosaccharides
1X
2X
3X
4X …
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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
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LCPO
DÉPOLYMÉRISATION PAR L’EXTRÉMITÉ RÉDUCTRICE EN MILIEU ALCALIN Conditions du peeling 18 wt.% NaOH 43°C 420 minutes
Neutralisation 0.6M HCl
Lyophilisation
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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.
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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
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LCPO
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Synthèse d’oligosaccharides
Xylose
M. Chemin et al. Papier en cours
Détermination de la position de la ramification PEELING
AcGlu.
‘xylose’
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LCPO
Synthèse des oligosaccharides
Fonctionnalisation chimique
Conclusion
Perspectives
SYNCOBIO
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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
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LCPO
Fiore M., et al. Tetrahedron Letters, 2011, 52, 444-447 Mergy J., et al. Polymer Chemistry, 2012, 50, 4019-4028
Copolymère dibloc
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Fonctionnalisation chimique
Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine RMN 1H 20 mg/mL dans D2O ; 64 scans
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LCPO
H1 Xyl CH2 Cyst.
HDO
EtOH
CH2 Cyst. LIBRE
Xylose 5:1 Cyst. avec un DP moyen de 6
O-CH3 AcGlu.
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Fonctionnalisation chimique
Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystéamine RMN 1H 20 mg/mL dans D2O ; 64 scans
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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
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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
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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
03/07/2013 Thèses des Bois
Fonctionnalisation chimique
En cours…
Amination réductrice des xylooligosaccharides avec la cystamine hydrochloride
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Synthèse des oligosaccharides
Fonctionnalisation chimique
Conclusion
Perspectives
SYNCOBIO
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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
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LCPO
n n
Perspectives
Couplage thiol-ène avec un polyester bio-sourcé
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Pr H. Cramail Pr S. Grelier Dr F. Pichavant A.-L. Wirotius E. Virol N. Guidolin LCPO
Merci de votre attention
Financement :