One-pot oxidative modification of free sugars to obtain high added value products
Modification oxydante one-pot de sucres libres pour l'obtention de produits biosourcés à haute valeur ajoutée
Résumé
Sugars represent 75% of plant biomass and can be valorized, after chemical modification, into higher value-added molecules. However, conventional glycochemistry is generally not very respectful of green chemistry principles. This is why, since several years, our team has been developing new methodologies for the selective modification of free sugars, in particular using nanometric catalysts. The work done during my Ph-D was focused on the development of new methods of one-pot oxidative modification (esterification/lactonization, on the one hand, and amidation, on the other hand) from free sugars to obtain high potential platform molecules. During this Ph-D, the synthetic strategy could be established: only a sequential strategy allows to oxidize and modify the free sugar in one pot, the application of a "one-pot/one-step" procedure having failed. The locks have been perfectly identified: the oxidation of the free sugar into the poorly reactive aldonic acid is very fast and, on the other hand, as far as the oxidative amidation reaction is concerned, the equilibrium between the hemiaminal necessary to obtain the amide and the glycosylamine is very much shifted towards the latter, which is not oxidizable. Oxidation/lactonization and oxidation/amidation studies were first performed on galactose and allowed the optimization of the reaction conditions for the "one-pot/two-step" reaction. When it is catalyzed by gold nanoparticles on cerium oxide under oxygen atmosphere at room temperature, this method provides total conversion of galactose with excellent selectivity for 1,4 galactonolactone in only 2 h. The isolated yield of galactonamide reaches 94% after the addition of benzylamine. This methodology was successfully applied to a variety of carbohydrates, namely pentoses and hexoses, as well as to different amines. In contrast, the conversion is limited for oligosaccharides. An EPR study allowed to identify the radical species formed during the reaction and to propose a reaction mechanism involving several routes, taking into account the numerous equilibria between the different intermediates. Finally, in order to modify the selectivity (targeted sugar position) of the developed oxidative reactions, a strategy using photocatalysts was proposed in parallel, via the use of gold catalysts developed for the one-pot reaction, but also by exploring other materials such as dye-sensitized TiO2. The first results, although not very successful, have allowed us to highlight the problems linked to the use of such materials and will allow us to redesign the photocatalysts according to the targeted application
Les sucres représentent 75 % de la biomasse végétale et peuvent, après modification chimique, être valorisés en molécules à plus haute valeur ajoutée. Cependant, la glycochimie conventionnelle est généralement peu respectueuse des principes de la chimie verte. C'est pourquoi depuis plusieurs années, au sein du laboratoire, notre équipe développe de nouvelles méthodologies permettant la modification sélective de sucres libres, en particulier à l'aide de catalyseurs nanométriques. Les travaux réalisés lors de ma thèse ont été axés sur le développement de nouvelles méthodes de modification oxydante one-pot (estérification/lactonisation, d'une part, et amidation, d'autre part) à partir de sucres libres pour obtenir des molécules plateformes à fort potentiel. Au cours de cette thèse, la stratégie de synthèse a pu être définie : seule une stratégie séquentielle permet d'oxyder et de modifier le sucre libre en un pot, l'application d'une procédure "one-pot/one-step" ayant échoué. Les verrous ont été d’ailleurs parfaitement identifiés : l'oxydation du sucre libre en acide aldonique peu réactif est très rapide et par ailleurs, en ce qui concerne la réaction d'amidation oxydante, l'équilibre entre l'hémiaminal nécessaire à l'obtention de l'amide et la glycosylamine est très majoritairement déplacée vers cette dernière, non oxydable. Les études d'oxydation/lactonisation et d'oxydation/amidation ont tout d'abord été effectuées sur le galactose et ont permis de mettre au point les conditions réactionnelles de la réaction "one-pot/two-step". Lorsqu'elle est catalysée par des nanoparticules d'or sur oxyde de cérium sous atmosphère d'oxygène à température ambiante, cette méthode permet d'obtenir une conversion totale du galactose avec une excellente sélectivité pour la 1,4 galactonolactone en seulement 2 h. Le rendement isolé en galactonamide atteint quant à lui 94 % après l'ajout de la benzylamine. Cette méthodologie a été appliquée avec succès à un ensemble de structures glucidiques, pentoses et hexoses ainsi qu'à différentes amines. En revanche, la conversion est limitée pour les oligosaccharides. Une étude RPE a permis d'identifier les espèces radicalaires formées lors de la réaction et de proposer un mécanisme réactionnel mettant en jeu plusieurs voies, tenant compte des équilibres nombreux entre les différents intermédiaires. Enfin, dans le but de modifier la sélectivité (position du sucre visée) des réactions oxydantes développées, une stratégie faisant appel à des photocatalyseurs a été proposée en parallèle, via l'utilisation des catalyseurs à l'or développés pour la réaction one-pot, mais également en explorant d'autres matériaux tels que le TiO2 sensibilisé par des colorants. Les premiers résultats, bien que peu fructueux, ont permis de mettre en évidence les verrous liés à l'utilisation de tels matériaux et nous permettront de rebondir sur le design des photocatalyseurs en fonction de l'application visée
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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