FR2936801A1 - Procede de silanisation de polysaccharides. - Google Patents

Abstract

Procédé de silanisation de polysaccharides en milieu homogène en présence de liquides ioniques.

Description

PROCEDE DE SILANISATION DE POLYSACCHARIDES

La présente invention a pour objet un procédé de silanisation de saccharides, en 5 particulier de dérivés de celluloses, en milieu homogène. La cellulose est une matière première très utilisée dans différents domaines comme l'industrie textile et l'industrie papetière. Elle sert également à la fabrication de dérivés de cellulose, notamment à la fabrication d'éthers de cellulose comme la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose, l'acétate de cellulose, le butyrate de 10 cellulose, le nitrate de cellulose et la cellulose silanisée. Ces dérivés, notamment la cellulose silanisée, sont également largement utilisés dans l'industrie textile, l'industrie alimentaire, comme biomatériaux dans l'ingénierie tissulaire et comme membranes électrolytiques ou liant de matière électroactive dans les batteries et les piles. Les inventeurs décrivent dans la demande internationale WO 97/05911 la 15 silanisation d'éthers de cellulose pour réaliser des hydrogels auto réticulant par des procédés de chimie classique (solvants organiques) en milieu hétérogène. Malheureusement le taux maximum de silicium greffé est de 0,56 % en masse et le contrôle de la répartition des groupements silanes est difficile. En effet les grains de polymère d'éther de cellulose ne sont pas solubles dans les mêmes solvants que le silane 20 et seule la surface des grains est greffée. Les liquides ioniques font actuellement l'objet de nombreuses études. Jusque dans les années 90 ils étaient principalement utilisés en électrométallurgie, dans les batteries à haute température et en synthèse organique à cause de leur large fenêtre électrochimique, de leur conductivité ionique, de leur excellente stabilité chimique et 25 thermique, de leur faible volatilité, de leur propriété de solvants et de leur large domaine de liquidus au-delà de la température ambiante. Dans les dernières années, ils ont beaucoup été utilisés comme catalyseurs, en chimie verte, dans la production d'énergie et en tant qu'électrolytes. Quand ils sont convenablement choisis, les liquides ioniques sont facilement séparés de la plupart des autres solvants et peuvent même les remplacer 30 avantageusement, permettant ainsi de protéger l'environnement. Récemment il a été décrit dans la demande internationale WO 03/029329 que les liquides ioniques présentent un très fort pouvoir de dissolution des polysaccharides, notamment de la cellulose ; par conséquent ils peuvent être utilisés comme milieu réactionnel pour la préparation en milieu homogène de carboxyalkylcellulose (El Seoud O.A. et al., Biomacromolecules (2007), 8, 2629-2647) ou de furoates de cellulose (Liebert T. et al., Bioresources (2008), 3(2), 576-601. L'article de Heinze et al. (Journal of Polymer Science : Part A : Polymer Chemistry, (2008), 46, 4070-4080) décrit la préparation de nanoparticules de cellulose à partir de triméthylsilyl cellulose synthétisée en milieu ionique liquide. La triméthylsilyl cellulose est préparée à partir de cellulose dissoute soit dans le chlorure de 1-éthyl-3-méthylimidazolium, soit dans le chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium, soit dans l'acétate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium. Le degré de substitution mesuré après peracétylation par RMN est compris entre 0,43 et 2,89. La demande internationale WO 2007/147813 décrit de manière très générale un Io procédé de silanisation non réticulant de saccharides, notamment de cellulose, dans un liquide ionique, la cellulose silanisée étant ensuite acétylée. Le greffage est réalisé par la partie silanol du silane et ne permet donc pas la réalisation d'hydrogel auto-réticulant en fonction du pH. Il existe par conséquent un besoin de disposer d'un procédé de silanisation 15 efficace, facile à contrôler, non labile en fonction du pH, permettant l'autoréticulation du polysaccharide silanisé et permettant d'atteindre des degrés de silanisation élevés. Aussi la présente invention a-t-elle pour objet un procédé de silanisation de polysaccharides en milieu homogène en présence d'au moins un liquide ionique, caractérisé en ce que l'agent de silanisation est un dérivé choisi dans le groupe 20 comprenant : a. les composés de formule (I) AùS /OR1 OR2 OR3 (I) 25 dans laquelle A représente un atome d'halogène, un groupe alkyle en C1-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde et R1, R2 et R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en C1-C20 droit ou ramifié ou un métal alcalin, 30 b. les composés de formule (II) si A OR2 (II) OR3 dans laquelle A représente un atome d'halogène ou un groupe alkyle en CI-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde, B représente un groupe alkyle en C1-C20 et RI, R2, et R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en 5 CI-C20 droit ou ramifié ou un métal alcalin et c. les composés de formule (III) dans laquelle RI, R2, R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un atome 10 d'halogène ou un groupe alkyle en CI-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde. Au sens de la présente invention, on entend par halogène les atomes de chlore, de brome ou d'iode. Au sens de la présente invention on entend par un groupe alkyle en C1-C20, un 15 groupe alkyle droit ou ramifié choisi notamment parmi les groupes méthyle, éthyle, 1-propyle, 2-propyle, 1-butyle, 2-butyle, 2-méthyl- l -propyle, 2-méthyl-2-propyle, 1-pentyle, 2-pentyle, 3-pentyle, 2-méthyl-l-butyle, 3-méthyl-1-butyle, 2-méthyl-2-butyle, 3-méthyl-2-butyle, 2,2- diméthyl-l-propyle, 1-hexyle, 2-hexyle, 3-hexyle, 2-méthyl-lpentyle, 3-méthyl-l-pentyle, 4-méthyl-l-pentyle, 2-méthyl-2-pentyle, 3-méthyl-2- 20 pentyle, 4-méthyl-2-pentyle, 2-méthyl-3-pentyle, 3-méthyl-3-pentyle, 2,2-diméthyl-1-butyle, 2,3-diméthyl-l-butyle, 3,3-diméthyl-l-butyle, 2-éthyl-l-butyle, 2,3-diméthyl-2-butyle, 3,3-diméthyl-2-butyle, heptyle, octyle, 2-éthylhexyle, 2,4,4-triméthylpentyle, 1,1,3,3-tétraméthylbutyle, 1-nonyle, 1-decyle, 1-undecyle, 1-dodecyle, 1-tridecyle, 1-tetradecyle, 1-pentadécyle, 1-hexadécyle, 1-hepta-décyle, 1-octadécyle. 25 Au sens de la présente invention on entend par métal alcalin un métal choisi dans le groupe comprenant le sodium, le césium, le potassium et le lithium. Au sens de la présente invention, le terme polysaccharide inclut non seulement les polysaccharides mais également les disaccharides et les oligosaccharides. Ces polysaccharides peuvent être de toute origine notamment d'origine animale, bactérienne 30 ou végétale ou peuvent être synthétisés par des méthodes connues de l'homme du métier. A titre d'exemple, on peut citer la cellulose, l'hémicellulose, l'amidon, le Ri R R2 Si -0ùS R R3 glycogène, le dextran, l'inuline, la chitine, le chitosan, l'alginate et le saccharose ; les éthers de cellulose, comme la méthylcellulose et la carboxyméthylcellulose ; les esters de cellulose, comme l'acétate de cellulose, le butyrate de cellulose et le nitrate de cellulose. La cellulose en particulier peut provenir de la paille, du bois, du coton ou de 5 bactéries. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, les polysaccharides sont choisis dans le groupe comprenant la cellulose et ses dérivés, notamment 1'hydroxyéthylcellulose, l' hydroxyéthylméthylcellulose, 1'hydroxypropylcellulose, l' hydroxypropylméthylcellulose et l' hydroxypropyloxyméthoxycellulose. 10 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'agent de silanisation est choisi dans le groupe comprenant le (3-glycidoxypropyl)triméthoxysilane, le bis- glycidoxypropyltetraméthyldisilazane, le (3-aminopropyl)trimethoxysilane et le glycidoxypropyltriisopropoxysilane. Selon l'invention tous les liquides ioniques peuvent être utilisés. 15 Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le au moins un liquide ionique est choisi dans le groupe comprenant les imidazoliums substitués ou non, les pyridiniums substitués ou non, les pyrrolidiniums substitués ou non, chacun de ces cations pouvant avoir un contre-ion quelconque, et notamment un halogénure, un dicyanamide, un sulfonate, un phosphonate, un bis-trifluoromethylsulfonyl-imide ou un 20 acétate. Les mélanges de ces différents liquides ioniques sont également envisageables. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le au moins un liquide ionique est choisi dans le groupe comprenant le dicyanamide d' 1-allyl-2,3-diméthylimidazolium, le dicyanamide de 1-butyl-l-methylpyrrolidinium et l'halogénure de butylpyridinium. 25 Ces liquides ioniques sont disponibles dans le commerce ou sont préparés selon des techniques connues de l'homme du métier ou décrites dans la littérature. Selon la présente invention, le procédé est mis en oeuvre à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, on prépare une solution de 30 cellulose dans au moins un liquide ionique à une concentration pouvant varier de 0,1 à 40 % en poids, avantageusement de 0,5 à 20 % en poids. Cette solution est préparée à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C.

On ajoute si nécessaire à ladite solution une base, comme par exemple de la soude et on ajoute l'agent de silanisation. Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la cellulose peut être dissoute dans un liquide ionique dans lequel l'agent de silanisation a été préalablement 5 dilué. Le rapport molaire entre l'unité anhydroglucosidique de la cellulose et l'agent de silanisation est compris entre 0,1 et 10 et avantageusement égal à 1. Le mélange réactionnel est maintenu sous agitation à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C. 10 Après réaction, le liquide ionique et l'agent de silanisation en excès sont éliminés par toute technique connue de l'homme du métier, notamment par dialyse à travers une membrane. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : 15 a. dissolution du polysaccharide, notamment de la cellulose ou de l'un de ces dérivés dans au moins un liquide ionique à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C, b. éventuellement addition d'une base au mélange obtenu à l'étape a), 20 c. addition de l'agent de silanisation au mélange obtenu à l'étape a) ou au mélange obtenu à l'étape b), préférentiellement, au mélange obtenu à l'étape b). d. maintien du mélange obtenu à l'étape c) sous agitation à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la 25 température ambiante et 100 °C, e. arrêt de la réaction, f. élimination du au moins un liquide ionique et de l'agent de silylation en excès et éventuellement g. récupération du polysaccharide silylé. 30 Le procédé selon l'invention permet d'avoir un taux de greffage compris entre 0,6 et 6 % massique, soit un taux de substitution compris entre 2,8 % et 54,3 %. Ce procédé permet un contrôle facile du taux de greffage ; ce taux est mesuré par RMN MAS 29Si ou par ICP AES.

Les températures utilisées étant peu élevées, il n'y a pas de risque de dégradation du polymère, ce qui rend ce procédé applicable au greffage de molécules thermosensibles. Les polysaccharides silanisés obtenus selon le procédé de l'invention peuvent être utilisés dans toutes leurs applications classiques, notamment pour la réalisation de matrices extracellulaires synthétiques, pour l'ingénierie tissulaire, la réalisation de matrice et d'hydrogels pH sensibles pour le relargage de substances actives ainsi que dans le domaine de l'électrochimie (batteries). La fonctionnalisation homogène d'un polysaccharide par le procédé de l'invention est particulièrement utile pour réaliser des hydrogels auto-réticulants pour l'ingénierie tissulaire, et comme matériau de comblement osseux. Elle peut notamment être utilisée comme matériau de comblement associé à des implants ou des prothèses articulaires, ou pour toute application et indication chirurgicale nécessitant une certaine résidence sur site ou des propriétés mécaniques. En effet les polysaccharides silanisés obtenus par le procédé selon l'invention sont biocompatibles, hydrosolubles, et auto-réticulables sous l'effet du pH du milieu. Ils peuvent être mis en oeuvre dans un procédé de préparation d'une composition pour matrice extracellulaire synthétique ou pour biomatériau par des techniques classiques connues de l'homme du métier, notamment dissolution du polysaccharide silanisé dans l'eau, mélange avec une phase minérale et stérilisation du matériau obtenu. Aussi l'invention a également pour objet une composition de biomatériau ayant un taux de silanisation autoréticulant supérieur à 0,5 % massique de silicium par rapport à la masse de l'ensemble du matériau, de préférence supérieur à 0,6 % et permettant d'obtenir des propriétés rhéologiques (rhéologie oscillatoire, module de conservation G' > 1000 Pa) largement améliorées par rapport à l'état de l'art. Les exemples 1 à 3 qui suivent illustrent l'invention.

Exemplel : Procédure générale pour 1'0-alkylation de cellulose avec un groupe portant une fonction siloxane dans un milieu liquide ionique : 30 1.1. Matériel : • hydroxypropyloxyméthoxycellulose (HPMC-Methocel E4M premium usp/ep), désignée ci-après comme E4M, provenant de chez Colorcon (Angleterre) et utilisée telle quelle. • Chlorure de 1 -butyl- l -méthylpyrrolidinium provenant de Solvionic (France). • Chlorure de 1-butylpyridinium provenant de chez Acros Organics. • glycildyloxypropyl(trimethoxysilane), désigné ci-après "GPTMS", en provenance de chez Sigma-Aldrich • tétrakis(triméthylsilyl)silane (TKS), dicyanamide de sodium, hydroxyde de sodium et éthanol (anhydre) en provenance de chez Sigma-Aldrich. • dichlorométhane en provenance de chez SDS.

1.2. Fonctionnalisation : Le schéma général est illustré dans le schéma ci-dessous : O OCH3 si:OCH3 Ionic Liquid OCH3 Base OH OCH3 R' = H, Me, nPrOH, O~ Si OCH3 OCH3 R = H, Me, nPrOH Dans un récipient à fond rond de 50mL, 25mL de liquide ionique sont chauffés à 100°C et placés sous agitation magnétique. En fonction du point de fusion du liquide ionique utilisé, une certaine quantité d'eau permettant de dissoudre le liquide ionique peut être ajoutée - notamment dans le cas du chlorure de butylpyridinium. 0,80g de E4M (4,66mmol AGU, leq) sont ensuite lentement ajoutés et le mélange obtenu est agité jusqu'à complète dissolution de E4M . 0,26g NaOH (6,52mmol, 1,4eq) sont suspendus et 1,0mL de GPTMS (4,66mmol, leq) sont finalement ajoutés dans le récipient. Le milieu réactionnel est agité à 100°C pendant environ 15 heures, et 10mL d'eau distillée sont ajoutés au mélange de manière à réduire la viscosité. Le milieu réactionnel est ensuite dialysé pendant 3 jours dans 4x1L d'une solution aqueuse de soude (0,1M). Le contenu du sac de dialyse est finalement évaporé sous vide. On obtient un solide d'une couleur blanche à marron clair qui est suspendu dans l'acétone et passé dans un broyeur UltraTurax. Après élimination de l'acétone sous vide, on obtient de l'HPMC fonctionnalisée sous forme d'une poudre fine.

Example 2 : Fonctionnalisation de E4M dans du dicyanamide de 1-butyl-lméthylpyrrolidinium .1 Synthèse du liquide ionique : Dans un tricol de 250mL à fond rond, 20g de chlorure de 1-butyl-lméthylpyrrolidinium (0,113mol, leq) sont dissous à 25°C dans 50mL d'éthanol anhydre sous atmosphère inerte (argon). Après agitation jusqu'à complète dissolution, 10,01g de dicyanamide de sodium (0,113mo1, leq) sont ajoutés au mélange qui est chauffé à reflux pendant 16h.

Le milieu réactionnel est laissé refroidir à la température ambiante pendant 15min. L'éthanol est évaporé sous vide et on obtient une huile jaune transparente. L'addition de 150mL de dichlorométhane à l'huile ainsi obtenue conduit à la précipitation d'un solide blanc (chlorure de sodium), qui est filtré sur un Büchner. Le dichlorométhane est éliminé par filtration sous vide. De nouveau 150mL de dichlorométhane sont ensuite ajoutés, le mélange résultant est filtré sur un appareil de Büchner et le dichlorométhane est éliminé comme précédemment. Finalement, le produit résultant est séché pendant 24h sous vide. On obtient 22,75g de dicyanamide de 1-butyl-l-méthylpyrrolidinium sous forme d'une huile jaune avec un rendement de 97%). Ce produit a été analysé par IH-NMR à l'état liquide à 300MHz et par spectrométrie de masse.

2.2.Silanisation de E4M Dans un récipient à fond rond de 50mL, 25mL de dicyanamide de 1-butyl-1-méthylpyrrolidinium sont chauffés à 100°C et placés sous agitation magnétique. 0,80g de E4M (4,66mmol AGU, leq) sont ensuite lentement ajoutés et le mélange obtenu est agité jusqu'à complète dissolution de E4M . 0,26g de NaOH (6,52mmol, 1.4eq) sont alors suspendus et 1,0mL de GPTMS (4,66mmol, léq) est finalement ajouté dans le récipient. Le milieu réactionnel est agité à 100°C pendant environ 15 heures, et 10mL d'eau distillée sont ajoutés au mélange de manière à réduire la viscosité. Le milieu réactionnel est ensuite dialysé pendant 3 jours dans 4x 1L d'une solution aqueuse de soude (0,1M). Le contenu du sac de dialyse est finalement évaporé sous vide. On obtient 8 un solide de couleur blanche qui est suspendu dans 300 mL d'acétone et passé à l' UltraTurax. Après élimination de l'acétone sous vide, on obtient 0,6974g d'HPMC silylée sous forme d'une fine poudre blanche.

L'analyse du produit est réalisée par 29Si RMN à l'état solide MAS (2,5 kHz) à 500 MHz, en utilisant une quantité connue de tétrakistriméthylsilylsilane comme standard interne pour l'analyse quantitative du silicium. Le produit obtenu présente un taux de greffage de 3,20% en poids de Si sur E4M.

Example 3 : Fonctionnalisation de E4M dans du chlorure de 1-Butylpyridinium cle \ Chlorure de 1-Butylpyridinium

Dans un récipient à fond rond de 50mL sous argon, 25g de chlorure de 1- Butylpyridinium sont chauffés à 100°C et placés sous agitation magnétique. 5,2mL d'eau distillée sont alors ajoutés au mélange pour dissoudre le liquide ionique, toujours solide à cette température. 0,80g E4M (4,66mmol AGU, leq) sont alors ajoutés lentement et le mélange obtenu est agité jusqu'à complète dissolution de E4M. 0,26g NaOH (6,52mmol, 1.4eq) sont alors suspendus et 1,0mL de GPTMS (4,66mmol, leq) est finalement ajouté dans le récipient. Le milieu réactionnel est agité à 100°C pendant environ 15 heures, puis 10mL d'eau distillée sont ajoutés au mélange de manière à réduire la viscosité. Le milieu réactionnel est ensuite dialysé pendant 3 jours dans 4x 1 L d'une solution aqueuse de soude (0,1M). Le contenu du sac de dialyse est finalement évaporé sous vide. On obtient un solide de couleur blanche qui est suspendu dans 300 mL d'acétone et broyée à l'aide d'un broyeur UltraTurax. Après élimination de l'acétone sous vide, on obtient 0,6974g d'HPMC silylée sous forme d'une fine poudre blanche. L'analyse du produit est réalisée par 29Si RMN à l'état solide MAS (2,5 kHz) à 500 MHz, en utilisant une quantité connue de tétrakistriméthylsilylsilane comme standard interne pour l'analyse quantitative du silicium. Le produit obtenu présente un taux de greffage de 1,60% en poids de Si sur E4M.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de silanisation de polysaccharides en milieu homogène en présence d'au moins un liquide ionique, caractérisé en ce que l'agent de silanisation est un dérivé choisi dans le groupe comprenant : a. les composés de formule (I) A- (I) OR1 OR2 OR3 dans laquelle A représente un atome d'halogène, un groupe alkyle en C1-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde et R1, R2 et R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en C1-C20 droit ou ramifié ou un métal alcalin, b. les composés de formule (II) 0 SiOR 1 OR2 (II) OR3 dans laquelle A représente un atome d'halogène ou un groupe alkyle en C1-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde, B représente un groupe alkyle en C1-C20 et RI, R2, et R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en C1-C20 droit ou ramifié ou un métal alcalin et c. les composés de formule (III) R R2 2Si OùS R, R3 dans laquelle RI, R2, R3 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un atome d'halogène ou un groupe alkyle en C1-C20 qui peut être substitué par une fonction époxyde etd. le bis-glycidoxypropyltetraméthyldisilazane
2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les polysaccharides sont choisis dans le groupe comprenant la cellulose et ses dérivés, notamment l'hydroxyéthylcellulose, 1'hydroxyéthylméthylcellulose, 1'hydroxypropylcellulose, hydroxypropylméthylcellulose et l'hydroxypropyloxyméthoxycellulose
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'agent de silanisation est choisi dans le groupe comprenant le (3-glycidoxypropyl)triméthoxylsilane, le bis-glycidoxypropyltetraméthyldisilazane et le glycidoxypropyltriisopropoxysilane.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le liquide ionique est choisi dans le groupe comprenant les imidazoliums substitués ou non, les pyridiniums substitués ou non, les pyrrolidiniums substitués ou non, chacun de ces cations pouvant avoir un contre-ion quelconque, et notamment halogénure, dicyanamide, sulfonate, phosphonate, bistrifluoromethylsulfonyl-imide, acétate.
5. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le liquide ionique est choisi dans le groupe comprenant le dicyanamide d'allyl-2,3-diméthyl imidazolium, le dicyanamide de 1-butyl-1 -methyl pyrrolidinium et l'halogénure de butyl pyridinium.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :a. dissolution du polysaccharide dans au moins un liquide ionique à une température comprise entre -20°C et 200 °C, de préférence entre la température ambiante et 100 °C, b. éventuellement addition d'une base au mélange obtenu à l'étape a), c. addition de l'agent de silanisation au mélange obtenu à l'étape a) ou au mélange obtenu à l'étape b),