FR3066493A1 - Polyacetals phenoliques biodegradables ayant des proprietes antiradicalaires, antioxidantes et antimicrobiennes - Google Patents
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Abstract
La présente invention a trait à des polymères phénoliques biosourcés. Elle concerne plus particulièrement des polyacétals phénoliques, leur procédé de préparation et leurs applications. A titre d'exemple, ces polymères peuvent être obtenus à partir de vanilline ou d'eugénol.
Description
POLYACETALS PHENOLIQUES BIODEGRADABLES AYANT DES PROPRIETES ANTIRADICALAIRES, ANTIOXYDANTES ET ANTIMICROBIENNES
La présente invention a trait à des polymères phénoliques biosourcés. Elle concerne plus particulièrement des polyacétals phénoliques, leur procédé de préparation et leurs applications. A titre d’exemple, ces polymères peuvent être obtenus à partir de vanilline ou d’eugénol.
La vanilline (C8H8O3) est un métabolite, principalement connu pour ses propriétés aromatiques. Elle a une large gamme d’applications dans l’industrie alimentaire comme agent aromatisant et en parfumerie comme additif. Elle est aussi utilisée comme antioxydant, antimousse, inhibiteur de vulcanisation et précurseur pour les industries pharmaceutiques et agrochimiques.
L’eugénol, composant principal de l’huile essentielle de clou de girofle (Eugenia caryophyllata L.), est un phénylpropène peu coûteux et facilement disponible, connu depuis l’antiquité, et utilisé comme agent médicinal, mais aussi pour l’assaisonnement et la préservation des aliments. L’eugénol est considéré comme un antimicrobien naturel, mais il est aussi utilisé comme parfum et agent aromatisant dans différentes variétés de cosmétiques et de produits alimentaires. En outre, l’eugénol a montré plusieurs autres activités biologiques intéressantes, en agissant comme anti-oxydant, anti-inflammatoire, antispasmodique, antidépresseur, antigénotoxique et anticancer.
La vanilline et l’eugénol sont tous deux largement exploités, servant de matière première pour la synthèse d’autres produits naturels et de leurs analogues, de composés bioactifs, d’hétérocycles, de macrocycles et surtout de polymères.
Toutefois, les propriétés anti-radicalaires, anti-oxydantes et anti-microbiennes de ces composés phénoliques sont généralement perdues lors de la synthèse de polymères. Or il serait intéressant de combiner les propriétés des composés phénoliques avec des celles des polymères, connus pour leur stabilité thermique.
De plus, dans une démarche de développement durable, il est souhaitable de privilégier les matières premières biosourcées pour fabriquer de tels polymères.
Etat de l’art antérieur et ses inconvénients
La polymérisation de composés phénoliques peut être obtenue par différentes méthodes connues de l’homme du métier telles que qu’une mono- ou di-fonctionnalisation directe du composé, un greffage du composé sur un polymère existant ou un couplage de deux composés pour donner un monomère bi-aromatique. A titre d’exemple, une méthode de dimérisation des composés phénoliques en présence de laccase a été décrite dans le brevet US2016257846.
Des procédés de polymérisation par formation d’acétals ont été décrits. Les demandes US 2015/0025278 et US 2015/0031847 décrivent la préparation de polyacétals aromatiques ; ceux-ci sont toutefois dépourvus de fonction phénol, et donc ne présentent donc pas les propriétés liées à ces fonctions. A ce jour, seule l’équipe de Miller a décrit des polyacétals aromatiques biosourcés (Pemba A. G. et a!., , Polym. Chem., 2014, 5, 3214). Cependant, au moment de la formation des dimères initiaux, les fonctions phénoliques sont engagées dans des liaisons éthers, annihilant leurs propriétés antiradicalaires, antioxydantes et antibactériennes.
Solution apportée par l’invention
Les inventeurs ont mis à disposition de nouvelles structures polymériques aromatiques biodégradables en milieu aqueux présentant des fonctions phénols libres leur conférant des propriétés antiradicalaires, antioxydantes et antimicrobiennes.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Dans le cadre de travaux sur les composés phénoliques biosourcés, les inventeurs ont mis au point une synthèse enzymatique d’un dimère aryl-aryl de la vanilline, la bisvanilline, en présence d’oxydase (e.g., laccase, peroxydase) (Figure 2). La particularité de cette molécule réside dans le fait que ses fonctions phénols sont libres ; or les fonctions phénols de cette molécule sont bien connues et documentées dans la littérature pour leurs nombreuses propriétés antiradicalaires, antioxydantes, antimicrobiennes etc... D’autre part, la bisvanilline possède deux fonctions aldéhydes. Les inventeurs ont montré qu’il est possible de former des polymères de type polyacétals en engageant ces fonctions aldéhydes dans des liaisons acétals (liaisons labiles en conditions aqueuses) avec des polyols tels que le pentaérythritol, le di(triméthylolpropane), le tréhalose, le 3,3'-(6,6'-dihydroxy-5,5'diméthoxy-[1,1'-biphenyl]-3,3'-diyl)bis(propane-1,2-diol) ou le 1,2,4,5-Benzènetétraol. Les liaisons acétals étant labiles en conditions aqueuses, les polymères de type polyacétals sont biodégradables en conditions aqueuses. De plus, ils présentent les mêmes propriétés que les phénols dont ils sont issus (e.g., antioxydant, antimicrobien) (Figure 2). Ces propriétés de ces nouveaux polymères polyacétals sont donc très intéressantes.
Les inventeurs ont également montré que des polyacétals peuvent être obtenus à partir d’eugénol.
Ainsi, un premier objet de la présente invention concerne des polyacétals comprenant des fonctions phénols libres.
Ces polyacétals peuvent être obtenus à partir de composés phénoliques tels que la vanilline ou l’eugénol.
Un polyacétal obtenu à partir de vanilline sera par exemple composé d’une chaîne d’entités (monomères) de formule (I) telle que représentée ci-après . On notera la présence de deux fonctions phénol libres par monomère.
(I)
Au sens de l’invention, le fait que les polyacétals comportent des « fonctions phénols libres » signifie qu’au moins une partie des fonctions phénols des polymères sont libres. Elles peuvent être toutes libres, ou certaines peuvent être protégées. Une fonction phénolique protégée peut par exemple être méthylée ou acétylée. Dans un mode de réalisation particulier, les polyacétals selon l’invention comprennent au moins une fonction phénolique libre.
Un deuxième objet de la présente invention concerne un procédé de préparation de composés polyacétals comprenant des fonctions phénols libres.
Ce procédé de préparation comprend les étapes suivantes :
a. oxydation d’un composé phénolique pour permettre la formation d’un dimère phénolique, puis
b. acétylation et/ou méthylation du dimère phénolique obtenu à l’étape a. pour former un monomère dont les fonctions phénoliques sont protégées, puis
c. polycondensation des monomères protégés obtenus à l’étape b. avec des polyols pour former des polyacétals, puis
d. déacétylation et/ou déméthylation des polyacétals formés à l’étape c. pour former des polyacétals dont au moins une partie des fonctions phénols sont libres.
La Figure 1 résumé les différentes étapes de ce procédé.
La réaction d’oxydation de l’étape a. peut être réalisée en présence de péroxydase (HRP), de fer tel que le sulfate de fer, ou de laccase. Au moins une fonction phénol doit être libre. Dans un mode de réalisation préféré, la réaction d’oxydation de l’étape a. est réalisée en présence de laccase.
Les structures dimériques obtenues à partir de vanilline et de eugénol sont représentées à la Figure 2.
Dans un autre mode de réalisation préféré, les conditions de dimérisation enzymatique appliquées à l’étape a. sont les suivantes :
pH compris entre 3 et 6 acétone compris entre 0 et 20 % phénol compris entre 0,02M et 0,1 M ratio enzyme/phénol compris entre 0,25 et 5,5 U.mmol·1 température comprise entre 25 et 50°C
L’étape b. de protection des fonctions phénols peut consister en une méthylation ou une acétylation ou une combinaison des deux réactions. Dans un mode de réalisation préféré, au moins une partie des fonctions phénols sont acétylées pour permettre de «libérer» par déacétylation ces fonctions après polycondensation. Il est toutefois envisageable de libérer les polyacétals protégés par méthylation, par une réaction de déméthylation. Un exemple de procédé engageant à la fois une méthylation et une acétylation puis une déacétylation est illustré à la Figure 3.
La polycondensation de l’étape c. peut être réalisée sous pression réduite et peut être catalysée par un acide tel que l’acide para-toluènesulfonique.
L’étape d. de déacétylation et/ou de déméthylation des polyacétals peut être réalisée dans l’éthanol avec une base, par exemple pyrrolidine ou carbonate.
Ce procédé a la particularité de nécessiter une étape de protection des phénols avant toute formation des polymères.
La Figure 3 illustre un exemple de procédé de préparation de polyacétals phénoliques à partir de vanilline.
Par rapport aux procédés décrits jusqu’ici, le procédé selon l’invention présente les caractéristiques et avantages suivants :
1) Pas d’utilisation de formaldéhyde pour la formation des polyacétals
2) Polyacétals avec des fonctions phénols libres
3) Polyacétals présentant des propriétés thermiques intéressantes
4) Propriétés biologiques d’intérêt liées à la présence de phénols libres : conservation des propriétés des composés phénoliques de départ.
Par rapport aux composés dimériques phénoliques, les polymères polycétals présentent une très grande biodégradabilité, c’est-à-dire que leur catalyse est obtenue en milieu aqueux par simple catalyse acide (pH < 7), sans intervention enzymatique.
Le procédé selon l’invention permet donc l’utilisation de matières premières biosourcées, la formation de polymères hautement biodégradables et porteurs d’activités biologiques multiples et de fort intérêt.
Un troisième objet de l’invention concerne l’utilisation des polyacétals présentant des fonctions phénols libres dans tout type d’industrie : agro-alimentaire, cosmétique, hygiène et thérapeutique.
Les polyacétals présentant des fonctions acétals libres conservent les propriétés des composés phénoliques qui les composent, comme cela est schématisé à la Figure 4. Ils présentent en particulier de très bonnes activités antiradicalaires (test au DPPH) et antimicrobiennes, notamment vis-à-vis des bactéries Gram- telles que E. Coli et de bactéries
Gram+ telles que B. Subtilis. Ainsi, ils peuvent être utilisés en tant que médicament.
D’autre part, les polymères polyacétals peuvent être utilisés, par exemple, dans des systèmes d’encapsulation ou d’emballage pour l’agro-alimentaire. Stables en milieu basique, ils se dégradent en milieu acide, libérant les dimères phénoliques de départ qui sont biologiquement actifs mais aussi leur contenu dans le cas d’encapsulation.
FIGURES
Figure 1 : Cette figure schématise les différentes étapes du procédé de préparation de polyacétals portant des fonctions phénoliques libres.
Figure 2 : Cette figure représente les bisphénols issus de la dimérisation enzymatique d’une part de la vanilline (bisvanilline à gauche) et d’autre part de l’eugénol (biseugénol à droite).
Figure 3 : Cette figure présente de manière détaillée un procédé de synthèse d’un polyacétal comportant des fonctions phénols libres, à partir de vanilline.
Figure 4 : Stratégie d’obtention de polyacétals phénoliques et leurs propriétés.
EXEMPLES
Exemple 1: Préparation de polymères de type polyacétals à partir de dimères de vanilline et d’eugénol
Pour obtenir un dimère de vanilline -ou d’eugénol-, deux molécules de vanilline - ou d’eugénol- ont été couplées en présence de laccase pour donner un monomère biaromatique, tel que cela est décrit dans le brevet US2016257846.
Les molécules dimériques ont ensuite été acétylées ou méthylées pour éviter que les phénols soient engagés dans les fonctions acétals lors de la réaction de polycondensation, ce qui empêcherait toute activité. Dans le cas de l’eugénol, une oxydation a été réalisée pour obtenir le dialdéhyde.
Les dialdéhydes acétylés ont alors été engagés dans une polycondensation, sous pression réduite, avec des polyols, catalysée par un acide (acide para-toluènesulfonique). La déacétylation des polyacétals formés a été réalisée dans l’éthanol avec une base (pyrrolidine).
Les différentes étapes de la réaction de préparation des polyacétals phénoliques obtenus à partir de vanilline sont représentées à la Figure 3.
Exemple 2: Caractérisation des polymères polyacétals obtenus
Les polymères ont été obtenus avec un indice de polydispersité faible (1.1) et des masses molaires comprises entre 7 et 35 kDa.
Les polyacétals acétylés obtenus ont montré une très grande stabilité thermique, audelà de 170°C et même pour la plupart supérieure à 300°C (températures pour 10% de dégradation sous atmosphère inerte) ce qui permet d’envisager leur utilisation dans des procédés de plasturgie. En ce qui concerne les températures de transition vitreuse, elles s’échelonnent de 35 à 120 °C en fonction de la nature du motif de répétition. Il est également important de noter que la déprotection des polyacétals réalisée pour donner les polyacétals phénoliques n’entraine pas de modification significative de la température de transition vitreuse.
Les polyacétals formés présentent une solubilité très faible dans la plupart des solvants organiques (e.g., éthanol, acétone, acétate d’éthyle, dichlorométhane, diméthylsulfoxyde). Ils ne sont pas solubles dans l’eau mais s’y dégradent rapidement alors qu’ils sont stables en milieu organique.
Les dialdéhydes phénoliques, comme les polymères qui en sont issus, ont montré une capacité à piéger le radical libre du DPPH démontrant une activité antiradicalaire. La bisvanilline, qu’elle soit ou non acétylée, a montré un pouvoir antimicrobien tant sur une bactérie Gram - (E. Coli) que sur une bactérie Gram + (B. Subtilis). Pour le biseugénol oxydé, les tests sont en cours et montrent déjà des résultats prometteurs pour le composé acétylé.
Claims (10)
1. Composé polyacétal comprenant au moins une fonction phénol libre.
REVENDICATIONS
2. Composé selon la revendication 1, composé d’une chaîne de monomères de formule (I) :
(I)
3. Procédé de préparation de composés polyacétals tels que définis à la revendication 1 ou 2, comprenant les étapes suivantes :
a. oxydation d’un composé phénolique pour permettre la formation d’un dimère phénolique, puis
b. acétylation et/ou méthylation - du dimère phénolique obtenu à l’étape a. pour former un monomère dont les fonctions phénoliques sont protégées, puis
c. polycondensation des monomères protégés obtenus à l’étape b. avec des polyols pour former des polyacétals, puis
d. déacétylation et/ou déméthylation des polyacétals formés à l’étape c. pour former des polyacétals dont au moins une partie des fonctions phénols sont libres.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la réaction d’oxydation de l’étape a. est réalisée en présence de laccase.
5. Procédé selon l’une des revendications 3 ou 4 dans lequel la réaction d’oxydation de l’étape a. est réalisée dans les conditions suivantes :
pH compris entre 3 et 6 acétone compris entre 0 et 20 % phénol compris entre 0,02M et 0,1 M ratio enzyme/phénol compris entre 0,25 et 5,5 U.mmol'1 température comprise entre 25 et 50°C
6. Procédé selon l’une des revendications 3 à 5 dans lequel la réaction de polycondensation de l’étape c. est réalisée sous pression réduite et en présence d’un acide tel que l’acide para-toluènesulfonique.
7. Procédé selon l’une des revendications 3 à 6 dans lequel la réaction de déacétylation et/ou de déméthylation de l’étape d. est réalisée dans l’éthanol avec une base telle que la pyrrolidine ou un carbonate.
8. Utilisation d’un composé polyacétal tel que défini à l’une des revendications 1 ou 2, dans le domaine de l’agroalimentaire, de la cosmétique ou de l’hygiène.
9. Composé polyacétal tel que défini à l’une des revendications 1 ou 2, pour son utilisation en tant que médicament.
10. Système d’encapsidation comprenant des composés polyacétals tels que définis à l’une des revendications 1 ou 2.
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