Dérivés de polysaccharides réticulés sur un support et leur mode d'obtention.
La présente invention concerne des dérivés de polysaccharides réticulés sur un support ou à l'état pur, leur préparation et leur utilisation pour la séparation de produits actifs à la lumière polarisée et notamment le dédoublement de composés racémiques. Les dérivés de polysaccharides de l'invention sont insolubles dans des solvants organiques de grand pouvoir dissolvant tels que le chloroforme à ébullition, le toluène, l'acétate d'éthyle ou l'acétone. Ce résultat est obtenu d'une manière extrêmement simple par réticulation d'un banal dérivé de polysaccharide préparé par les méthodes décrites dans la littérature chimique sans contrainte particulière.
Dans le domaine des médicaments et des produits à usage agricole, l'activité d'un composé chiral peut être très différente selon les stéréoisomères. Par exemple, il est connu que l'utilisation d'un médicament sous sa forme racémique peut avoir des conséquences dramatiques. D'où la nécessité de séparer les énantiomères des composés racémiques. Si le dédoublement des composés racémiques se fait souvent par cristallisation de diastéréoisomères, les techniques chromatographiques sur support chiral connaissent depuis une vingtaine d'années un grand essor justifié par leur grande efficacité et la possibilité de séparer directement les énantiomères sans traitement préalable.
S'il existe actuellement un grand choix de supports chiraux pour dédoubler par chromatographie un composé racémique à l'échelle analytique, il n'en est pas de même à l'échelle préparative. Dans ce dernier cas, ce sont essentiellement des supports dont le sélecteur chiral est un dérivé de polysaccharide qui sont utilisés.
La cellulose en 1948 (C. E. Dent, Biochem. J. 43 (1948) 109) puis d'autres polysaccharides natifs ont été utilisés pour le dédoublement de composés racémiques. Leur énantiosélectivité est cependant médiocre et en 1973 G. Hesse et R. Hagel (Chromatographia 6 (1973) 277) ont montré qu'un dérivé de polysaccharide, en l'occurrence le triacétate de cellulose, conduisait à un support chiral plus énantiosélectif que le polysaccharide non dérivatisé.
Les dérivés de polysaccharides purs présentent quelques inconvénients lorsqu'ils sont utilisés comme support chiral dans une colonne chromatographique. Il s'agit principalement de leurs mauvaises propriétés mécaniques et leur gonflement par les solvants. Ces inconvénients sont devenus rédhibitoires avec la généralisation de la chromatographie liquide haute performance qui requiert l'emploi de colonnes sous pression.
En 1984 Y. Okamoto et al. (EP 0281 951 Al ; J. Am. Chem. Soc. 106 (1984) 5357) ont décrit des phases stationnaires chirales constituées de dérivés de cellulose et d'amylose et notamment des triphénylcarbamates déposés sur de la silice macroporeuse. Ces phases stationnaires ont été commercialisées avec un grand succès. Elles présentent cependant un inconvénient majeur : la solubilité du dérivé de polysaccharide dans de nombreux solvants habituels en chromatographie, ce qui oblige à n'utiliser comme éluants que des solvants compatibles avec la stabilité des phases stationnaires : des hydrocarbures tels que l'hexane et des alcools à petit nombre d'atomes de carbone. Or, dans le domaine des médicaments qui est le champ d'application le plus vaste de la chromatographie chirale, de nombreux composés racémiques à dédoubler sont très peu solubles dans les solvants compatibles avec la stabilité des phases stationnaires dans lesquelles le dérivé de polysaccharide est simplement déposé sur un support. Cela oblige à injecter dans la colonne chromatographique des solutions très diluées du composé racémique à dédoubler et donc à utiliser de grandes quantités de solvant. Toutes ces contraintes font que les phases stationnaires selon l'invention EP 0 281 951 Al sont maintenant concurrencées par de nouveaux supports chromatographiques fixés au support et de grande stabilité face à des solvants organiques de grand pouvoir dissolvant.
Curieusement, alors que la réticulation et l'insolubilisation de la cellulose substituée par des groupements particuliers était connue depuis des décennies (USP 1 973 493 (1934), USP 2 396 165 (1946)), ce n'est qu'à partir de 1987 que l'on voit paraître des articles qui décrivent l'obtention de phases stationnaires pour la chromatographie constituées de dérivés de polysaccharides fixés sur un support que ce soit par liaison chimique ou par réticulation.
Y. Okamoto et al. (EP 0 155 637 A2 (1985), J. Liq. Chromatogr. 10 (1987) 1613) déposent d'abord sur une γ -aminopropylsilice de la cellulose tritylée. Suit l'hydrolyse des groupes trityle ce qui a pour objet de régénérer la cellulose à la surface de la silice. Cela fait, la cellulose est ensuite fixée au support à l'aide d'un diisocyanate qui réagit avec les fonctions alcool de la cellulose et la fonction aminé de la silice modifiée. Le polysaccharide ainsi fixé au support est enfin traité par un phénylisocyanate qui vient réagir avec ses groupes -OH. Cette méthode est longue et ne permet pas un contrôle aisé des diverses étapes et réactions mises en oeuvre.
En 1994 K. Kimata et al. (USP 5 302 633) fixent sur de la silice un dérivé de polysaccharide par réticulation d'une part et par liaison chimique d'autre part. Le dérivé de polysaccharide est le tris(4-vinylbenzoyl)cellulose dont la double liaison carbone-carbone
permet soit la réticulation du dérivé de polysaccharide sur le support, soit la copolymérisation avec de la silice si celle-ci porte elle-même une double liaison activée. Cette méthode de fixation d'un dérivé de polysaccharide sur un support présente deux inconvénients. D'abord, le groupe que l'on souhaite fixer sur le polysaccharide peut être d'accès difficile par le fait de la présence obligatoire d'une double liaison activée dans sa molécule. Ensuite, le grand nombre de doubles liaisons activées portées par le dérivé de polysaccharide fait que les points de réticulation ou de fixation au support seront nombreux ce qui affecte la structure secondaire du dérivé polysaccharidique. Or, il est connu que cela nuit aux performances de la phase stationnaire. En 1994 L. Oliveros et al. (EP 0 738 284 Bl (1995), J. Liq. Chromatogr. 18 (1995)
1521) décrivent la préparation de phases stationnaires dont le sélecteur chiral est un dérivé polysaccharidique qui présente l'originalité d'être substitué par deux groupes différents : l'un sélectionné pour les qualités énantiosélectives qu'il confère au polysaccharide qui le porte, l'autre, en petite proportion et qui renferme une double liaison carbone-carbone aliphatique non activée, est destiné à la fixation du dérivé de polysaccharide sur le support. Cette fixation peut se faire par copolymérisation entre ledit dérivé et le support si celui-ci est fonctionnalisé comme par exemple l'allylsilice ou encore par réticulation de ce même dérivé sur des supports inertes tels que la silice vierge, l'alumine, le graphite, etc. L'importance de la réticulation peut ici être contrôlée par le nombre de groupes destinés à la fixation que l'on introduit dans la chaîne du polysaccharide. L'avantage des modes de fixation du dérivé de polysaccharide décrits ici, réticulation à la surface du support et liaison chimique au support, est leur grande facilité de mise en oeuvre comparativement aux publications antérieures.
En 1994 T. Murakami et al. (EP 0 656 333 Al) décrivent un mode de réticulation régiosélective d'un dérivé de polysaccharide à la surface d'une silice inactivée. Cette publication revendique de manière générale les phases stationnaires dont le sélecteur chiral est un dérivé de polysaccharide réticulé sur un support. Cependant, aucune indication n'est donnée quant aux préparations, caractéristiques et propriétés de telles phases stationnaires chirales excepté dans un cas particulier dont l'originalité est que la réticulation du dérivé de polysaccharide se fait de manière régiosélective par la fonction alcool primaire en position 6 des unités glucose dudit dérivé. Des trois exemples donnés, deux concernent la réticulation régiosélective par la position 6 des unités glucose de la cellulose, l'un est original et l'autre selon l'une des premières publications sur le sujet citée plus haut (EP 0 155 637 A2). Le troisième est un simple dépôt de tris(3,5-diméthylphenylcarbamate) de
cellulose sur un support comme dans la publication également citée plus haut (EP 0 281 951 Al), le support étant ici F aminopropylsilice. Les phases stationnaires chirales décrites ici présentent l'inconvénient de nécessiter un grand nombre d'étapes pour leur préparation et en particulier une deuxième réaction de dérivatisation des fonctions alcool encore libres sur le dérivé de polysaccharide après sa réticulation. Enfin, les résultats chromatographiques présentés montrent que l'énantiosélectivité de telles phases stationnaires peut diminuer sensiblement et même s'annuler quand elles sont lavées avec des solvants organiques à grand pouvoir dissolvant ce qui indique une certaine instabilité. En 1996 N. Enamoto et al. (Anal. Chem. 68 (1996) 2798) fixent sur de la silice et par deux méthodes différentes de l'amylose obtenue par polymérisation enzymatique d'un nombre déterminé d'unités d'α-D-glucose-1-phosphate. Cette amylose, fixée au support, est traitée par le 3,5-diméthylphénylisocyanate ce qui conduit au support chromatographique recherché. Les bonnes performances de ces phases stationnaires peuvent s'expliquer par la grande liberté conformationnelle de la chaîne du dérivé d'amylose qui n'est fixé au support que par une de ses extrémités. Une difficulté majeure de cette méthode est la polymérisation enzymatique des unités glucose et qui plus est ne peut conduire qu'à l'amylose.
En 1996 et 1997, E. Francotte et al. décrivent trois méthodes pour fixer des dérivés de polysaccharides sur des supports. Dans la première (WO 96/27615) le dérivé de polysaccharide portant un groupe photopolymérisable est déposé sur de la silice puis irradié avec une lampe à vapeur de mercure pendant environ 16 heures ce qui provoque sa réticulation. Dans la seconde (WO 97/04011) le dérivé de polysaccharide ne porte plus de groupe photopolymérisable. Comme précédemment, le dérivé de polysaccharide est déposé sur le support et réticulé par irradiation ultraviolette pendant environ 20 heures. Dans la troisième (WO 97/49733) le dérivé de polysaccharide et un initiateur de radicaux libres (Fα,α'-azobisisobutyronitrile ou AIBN) sont déposés sur le support puis chauffés à sec à 120°C pendant plusieurs heures. Il n'est pas dit, dans ces deux dernières publications, comment le dérivé de polysaccharide se fixe au support. Probablement que cela résulte de réactions de réticulation entre les chaînes du dérivé de polysaccharide par l'intermédiaire de radicaux libres formés par action du rayonnement ultraviolet, de la chaleur et de l'initiateur de radicaux libres utilisé en très grande quantité puisque sa proportion par rapport au dérivé de polysaccharide est en général dans le rapport 1/1.
Dans ces trois méthodes de réticulation de E. Francotte, on note, outre des temps de réaction très longs, que les quantités de solvant utilisées par rapport à la quantité de phase
stationnaire traitée sont très importantes. En outre, chacune d'elles nécessite une contraignante extraction au soxhlet de plusieurs heures afin d'éliminer le dérivé de polysaccharide non fixé au support. Enfin, l'utilisation de rα, '-azobisisobutyronitrile, en de si grandes proportions à l'échelle industrielle et avec d'importantes variations de température, n'est pas sans risques si on considère l'instabilité de cet initiateur de radicaux libres.
En 1998 R. Duval et al. (EP 0 864 586 A2) décrivent la préparation de silices greffées de dérivés polysaccharidiques mais les exemples donnés ne diffèrent de ceux des publications de L. Oliveros et al. dont une est citée plus haut, que par la présence d'un pont oxygène dans la chaîne du substituant destiné à la fixation desdits dérivés.
L'importance de phases stationnaires chirales pour le dédoublement de composés racémiques à l'échelle préparative est toujours grande. De nouvelles méthodes ou techniques chromatographiques comme par exemple celle dite à lit mobile simulé (ou SMB de simulating mobil bed) sont aptes à produire d'importantes quantités d' énantiomères optiquement purs à partir d'un composé racémique. Pour ce faire, il est souhaitable que les phases stationnaires chirales utilisées présentent une grande capacité, soient particulièrement stables et supportent toutes sortes de solvants afin de travailler aux conditions optimales sans contraintes autres que celles propres à la séparation elle-même. Or, la capacité et l'énantiosélectivité des phases stationnaires dont le sélecteur chiral est un dérivé de polysaccharide sont grandes. Il s'ensuit que la recherche de phases stationnaires de ce type, stables et d'obtention aisée, est toujours d'actualité.
Une longue expérience sur le sujet a permis à l'auteur de cette invention de réaliser l'insolubilisation d'un dérivé de polysaccharide sur un support ou à l'état pur et ainsi obtenir des phases stationnaires chirales pour la chromatographie avec une extrême facilité et stables face aux solvants organiques de grand pouvoir dissolvant.
Cette invention met à profit les fonctions alcool libres résiduelles toujours présentes dans tout dérivé de polysaccharide, qu'il soit du commerce ou préparé sans contrainte particulière par les méthodes classiques décrites dans la littérature chimique. Ces fonctions alcool libres résiduelles se sont avérées suffisantes et surtout accessibles à divers réactifs bifonctionnels qui provoquent la réticulation et l'insolubilisation du dérivé de polysaccharide.
Un dérivé de polysaccharide selon la présente invention, insoluble dans des solvants organiques de grand pouvoir dissolvant tels le chloroforme à ébullition, le toluène, l'acétate, d'éthyle ou l'acétone, est le produit résultant de l'action d'un réactif bifonctionnel sur les
fonctions alcool libres résiduelles portées par un dérivé de polysaccharide de départ qui, lui, est soluble dans ces mêmes solvants.
Un dérivé de polysaccharide réticulé sur un support ou à l'état pur selon l'invention présente, outre sa facilité de préparation, d'autres avantages comme par exemple : - La réticulation du dérivé de polysaccharide est dissociée de sa préparation.
- Le dérivé de polysaccharide de départ peut être un produit du commerce.
Le réactif de réticulation porte ou est capable de donner naissance à au moins deux fonctions susceptibles de réagir avec les fonctions libres résiduelles du dérivé de polysaccharide que l'on souhaite réticuler. Il peut être représenté par les formules générales Ia oulb :
Dans lesquelles : a) Les symboles X et Y, identiques ou différents, représentent chacun une fonction capable de réagir avec des groupes OH libres d'un dérivé de polysaccharide. De préférence X et Y représentent les groupes fonctionnels suivants : -N=C=O ou -
SO2Cl ou -COC1 ou -CO2H ou époxyde. b) Le symbole A est un groupe alkyle ou un groupe aryle ou un groupe arylalkyle ou un groupe alkylaryle pouvant porter des substituants identiques ou différents choisis parmi les atomes d'halogène, les groupes alkyle, les groupes alkoxy, les groupes acyl, les groupes ester.
Les dérivés de polysaccharides destinés à être réticulés selon l'invention ont un degré de polymérisation compris entre 5 et 2000 et de préférence de 10 à 500.
Généralement, les dérivés de polysaccharides selon l'invention sont des dérivés de la cellulose, de l'amylose, du chitosan et de l'amylopectine. Les dérivés de polysaccharides destinés à être réticulés selon l'invention peuvent être des produits du commerce ou préparés, sans contraintes particulières, par les méthodes classiques décrites dans la littérature chimique. Leurs unités glucose portent des groupements ester -O-CO-R ou carbamate -O-CO-NH-R ou ester et carbamate.
Le symbole R des groupements ester et carbamate portés par les dérivés de polysaccharide selon l'invention représente un groupe alkyle ou aryle ou arylalkyle ou alkylaryle dans lesquels les chaînes alkyle, de préférence de 1 à 6 atomes de carbone, peuvent être linéaires ou ramifiées et les noyaux benzéniques substitués ou non par un ou
plusieurs atomes ou groupes identiques ou différents choisis parmi les atomes d'halogène et les groupes alkyl ou alkoxy, de préférence de 1 à 3 atomes de carbone.
Un dérivé de polysaccharide selon l'invention est généralement obtenu par réticulation d'un dérivé de polysaccharide de départ déposé sur un support organique ou minéral ou à l'état pur sous forme de microbilles ou de feuilles.
Un dérivé de polysaccharide réticulé selon l'invention est généralement obtenu sur un support comme suit : a) dissolution dans un solvant organique approprié du dérivé de polysaccharide à réticuler et d'un réactif capable de réagir avec au moins deux fonctions alcool résiduelles libres dudit dérivé, imprégnation du support chromatographique, évaporation du solvant, chauffage à sec entre 80 et 150°C pendant 1 à 2 heures et terminer par un lavage avec du chloroforme à reflux et de l'acétone à température ambiante, ou : b) dissolution dans un solvant organique approprié du dérivé de polysaccharide à réticuler et d'un réactif capable de réagir avec au moins deux fonctions alcool résiduelles libres du dérivé de polysaccharide, imprégnation du support chromatographique, évaporation du solvant, dispersion du produit obtenu dans un non solvant du dérivé de polysaccharide tel que l'heptane, chauffage à reflux de 10 à 20 heurs, filtrer et terminer par un lavage avec du chloroforme à reflux et de l'acétone à température ambiante. Un dérivé de polysaccharide réticulé selon l'invention est généralement obtenu à l'état pur comme suit : a) imprégnation du dérivé de polysaccharide à réticuler sous forme de microbilles ou feuilles avec une solution, dans un non solvant dudit dérivé tel que l'heptane, d'un réactif capable de réagir avec au moins deux fonctions alcool résiduelles libres du dérivé de polysaccharide, évaporation du solvant, chauffage à sec entre 80 et 150°C pendant 1 à 2 heures et terminer par un lavage avec du chloroforme à reflux et de l'acétone à température ambiante, ou : b) imprégnation du dérivé de polysaccharide à réticuler sous forme de microbilles ou feuilles avec une solution, dans un non solvant dudit dérivé tel que l'heptane, d'un réactif capable de réagir avec au moins deux fonctions alcool résiduelles libres du dérivé de polysaccharide, chauffage à reflux pendant 10 à 20 heures et terminer par un lavage avec du chloroforme à reflux et de l'acétone à température ambiante.
Lorsque le dérivé de polysaccharide est réticulé selon l'invention sur un support, celui-ci est de préférence la silice, la silice modifiée, l'alumine, l'oxyde de titane, l'oxyde de zirconium, le graphite ou des matériaux comme le papier ou d'autres macromolécules naturelles ou synthétiques. Les dérivés de polysaccharides réticulés et insolubilisés selon l'invention sont utiles pour la séparation d'un produit chimique d'un mélange, le dédoublement de composés racémiques et plus généralement la séparation de composés chiraux. Les méthodes utilisées pour ce faire sont essentiellement chromatographiques ou par diffusion énantiosélective au travers d'une membrane. Les dérivés de polysaccharides réticulés et insolubilisés sur un support ou à l'état pur selon l'invention constituent des phases stationnaires chirales pour la chromatographie sur colonne ou sur couche mince, utiles pour la séparation d'un produit chimique d'un mélange, le dédoublement de composés racémiques et plus généralement la séparation de composés chiraux.
Exemple 1 :
2,6 grammes de silice de diamètre des particules 5 μm et de porosité 100 angstrôms sont introduits dans un ballon renfermant une solution de 0,5 gramme de triacétylcellulose commercialisée par la société Fluka de masse molaire 37000 et dont le degré de substitution est de 2,48 et 0,4 gramme d'anhydride diacétyltartrique dans 50 mL de pyridine. Laisser sous agitation pendant quelques minutes et évaporer lentement le solvant sous pression réduite à environ 60°C. Chauffer à sec à 120°C pendant 1,5 heure. Laisser refroidir et reprendre par 50 mL de chloroforme sous agitation magnétique à la température ambiante pendant 2 heures et terminer en portant à reflux pendant 2 heures. Filtrer sur verre fritte, laver sur filtre d'abord avec du chloroforme puis avec de l'acétone. Sécher ; on obtient environ 3 grammes de support. Analyse centésimale : C 10,19%. Si cette silice est ensuite lavée de nouveau avec de la pyridine à la température ambiante pendant 2,5 heures sous agitation magnétique, filtrée et lavée sur filtre avec du chloroforme et de l'éther diéthylique, l'analyse centésimale indique alors 9,60% de carbone.
Exemple 2 :
On procède comme dans l'exemple 1 mais en partant d'une γ-aminopropylsilice (analyse centésimale : C 5,35%, H 1,68% etN 1,88%) obtenue à partir de la même silice vierge que celle utilisée dans l'exemple 1. Analyses centésimales : avant lavage avec de la pyridine %C =14,62 ; après lavage avec de la pyridine %C=12,55.
On note à partir de ces deux exemples :
- Que le dérivé de polysaccharide, en l'occurrence un produit commercial, a bien été rendu insoluble dans des solvants énergiques tels que le chloroforme à ébullition et l'acétone par une réaction de réticulation. * Que si l'on tient compte du pourcentage de carbone dans la silice aminopropyle de départ, le taux de fixation du dérivé de cellulose sur le support est sensiblement le même sur ranM&o ro ylsiUce que sur la silice vierge. Il est donc raisonnable de penser que l'insolubilisation du dérivé de polysaccharide est bien due essentiellement à la réticulation de ses chaînes.
Exemple 3 :
2,6 grammes de silice sphérique (diamètre des particules 5 μm, porosité 100 A. commercialisée sous la marque Nucleosil® par la société Macherey-Nagei) et désactivée par action de l'hexaméthyldisilazane selon EP 0 738 284 Bl, sont introduits dans un ballon renfermant une solution de 0,55 gramme de trô(3,S-diméthyphényl)cellulose préparé selon les méthodes décrites dans la littérature à partir d'une cellulose AvicelCD et dont le degré de substitution calculé à partir de son analyse centésimale est 2,83 et 0,4 gramme de 1,6- dϋsocyanohexane dans un mélange de 5 mL de pyridine et 35 m de chloroforme. Laisser sous agitation magnétique pendant quelques minutes et évaporer lentement le solvant sous pression réduite à environ 60°C. Chaufler à sec le solide obtenu à 1.50"C pendant 2 heures. Laisser refroidir et reprendre par 50 mL de chloroforme sous agitation magnétique à la température ambiante pendant environ 2 heures et terminer en portant à reflux pendant 2 heures. Filtrer sur verre fritte, laver sur filtre d'abord avec du chloroforme puis avec de l'acétone. Sécher ; on obtient environ 3 grammes de support Analyse centésimale : C 18,93 % ; H ,73°/o ; N 2,73%.
Exemple 4 :
On procède ici avec les mêmes produits et proportions que dans l'exemple 3 jusqu'à isolation de la silice imprégnée du dérivé de cellulose et du diisoeyanate à l'état sec. Disperser le solide obtenu dans 50 m de n-heptane contenant 0,5 L de pyridine et 0,3 mL de 1,6- diisocyanohexane et chauffer à reflux pendant 20 heures. Filtrer et reprendre le solide dans 50 mL de chloroforme sous agitation magnétique à la température ambiante pendant 2 heures et teπniner en portant à reflux pendant 2 heures. Filtrer sur verre fritte, laver sur filtre d'abord
avec du chloroforme puis avec de l'acétone. Sécher ; on obtient environ 3 grammes de support. Analyse centésimale : C 17,08 % ; H 2,40% ; N 2,23%.
Exemples d'application :
Deux colonnes chromatographiques de dimensions 15x0,46 cm remplies avec les es stationnaires préparées selon les exemples 3 et 4 ont donné les résultats figurant dans e tableau ci-dessous. L'éluant est un mélange de n-heptane et 2-propanol dans les proportions ? : 1 (vo)u e : volume) et le flux de 1 mL min. k'j ≈ facteur de capacité de Ténantiomère ilué en premier ; α = facteur de sélectivité ; Rs = facteur de résolution.
Selon exemple 3 Selon exemple 4
Composé racémique k'i Rs k'i α Rs
2,10 2,27 2,10 2,49 2,05 2,65
2,17 1,78 1,51 2,49 2,21 2,50
2,62 1,37 0,97 2,75 1,40 1,54
0,65 1,78 1,58 0,79 1,49 1,56