Brevet FR2588272A1 — publié le 19870410

Procédé de synthèse d'esters d'acides organiques et d'alcools en phase hétérogène par catalYse enzymatique. L'invention concerne un procédé de synthèse d'esters d'acides organiques et d'alcools ou de thiols consistant à faire réagir au moins un acide organique de C2 à C40 avec au moins un alcool ou un thiol en présence d'une lipase. Etat de la technique Les réactions chimiques catalysées par des composés biochimiques (enzymes), du fait de leur haute spécificité et de leur rendement élevé, prennent une importance de ptus en plus consi dérable en chimie organique. Dans le domaine de la chimie des corps gras, cette tendance se précice également chaque jour un peu plus. Ainsi, on trouvera dans le mensuel BIOFUTUR (n" spécial Biotechnologi-es et Industries agro-alimentaires octobre 1984 n" 28 p.77 à 79) un aperçu de l'état de la technique concernant ce domaine fait par l'inventeur de la présente demande de brevet. Dans le cas de la réaction d'un acide avec un alcool ou un thiol catalysée par une enzyme, la réaction réversible peut être schématisée de la manière suivante : Sur le plan industriel, on a surtout utilisé les enzymes pour catalyser la réaction d'hydrolyse. En effet, les enzymes catalysant les hydrolyses ne nécessitent en général pas de co-facteurs, biomolécules coûteuses et difficilement recyclables quantitativement. Si la réaction d'hydrolyse a un intérêt certain, la réaction inverse de synthèse d'esters revêt également un intérêt indiscutable, surtout lorsqu'il s'agit d'esters difficilement accessibles par voie chimique, par exemple lorsqu'un seul isomère optique ou de position est souhaité. Par ailleurs, cette réaction d'estérification est d'une grande importance car la synthèse d'esters d'acides gras dans un état de pureté élevée est d'un grand intérêt pour les industries pharmaceutique et cosmétique. Ces esters ont notamment des applications dans le domaine des émulsions. Ce sont des molécules amphiphiles dont la Balance Hydrophile/Lipophile (HLB) est dépendante de la copule estérifiant l'acide gras. Une grande plage de l'échelle HLB peut ainsi être couverte. Ainsi, OKUMURA et al. ont tenté la synthèse de glycérides en milieu aqueux. Ils ont notamment obtenu dans les conditions les plus favorables 65 % d'un mélange de mono- et diglycérides après 18 h de réaction à 30"C en faisant réagir le glycérol sur des acides gras en présence d'une lipase. Ces travaux sont mentionnés dans Les publications suivantes : Agricultural and Biological Chemistry (1981), 45, 185 Biochimica Biophysica Acta (1979), 2 156 Ibid (1977), 489, 415. Il s'agit donc d'une réaction non spécifique et qui, de ce fait, est peu intéréssante sur le plan industriel. Obiet de l'invention A la différence des procédés déjà connus et qui ont ete mentionnés dans L'état de ta technique ci-dessus, la presente invention permet d'obtenir une reaction d'une grande spécificité. En particulier, dans le cas des polyols (comme les triols), elle permet d'aboutir à des monoesters ou des diesters avec un rendement élevé parfois proche ou égal à 100 X selon le solvant utilisé. Descriotion générale de l'invention Selon L'invention le procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact sous agitation une phase organique contenant l'acide organique et un solvant non ou peu miscible avec L'eau et une phase aqueuse comportant l'alcool ou le thiol et la lipase. La réaction s'effectue donc à l'interface et, dans l'aspect le plus général,peut être appliquée avec succès à de nombreux alcools, thiols et acides. On peut citer parmi ceux-ci les monoalcools linéaires de formule CnH2n + 10H où n est compris entre 2 et O, 2n les monoalcools ramifiés, les monoalcools insaturés, les diols comme l'éthylèneglycol ou le diéthylèneglycol,- les triols comme le glycérol ou le triméthylolpropane ou éthane, les tétrols comme le pentaérythritol, les hexitols comme le sorbitol, les sucres comme le saccharose, le lactose, les phénols comme les phénols végétaux tels que les tocophérols. Les thiols correspondant aux alcools précités conviennent également. Bien entendu, on peut également utiliser sans aucune restriction les mélanges de deux ou plusieurs de ces alcools ou de ces thiols, la seule condition d'utilisation étant que les composés précités soient solubles dans l'eau. En effet, afin que la lipase puisse acquérir la conformation qui La rend active, il est nécessaire qu'elle soit en milieu aqueux. Parmi les acides organiques, on peut citer les acides linéaires ou ramifiés, satures ou insaturés et par exemple les acides gras saturés ou insaturés En ce qui concerne l'acide, il faut que celu;-ci ne soit pes soluble dans L'eau vu que la réaction selon L'invention est hétérogène et doit s'effectuer à l'interface. Cette réaction est donc plus aisée avec des acides ayant un nombre de carbone supérieur ou égal à 3. Il est également possible d'utiliser des acides solubles dans L'eau tels que L'acide tartrique ou l'acide lactique à condition toutefois que l'alcool y soit insoluble ou tout au moins que le monoester le soit. Cette liste n'est évidemment pas exhaustive et Le chimiste de l'art pourra aisément comprendre que l'invention est destinée à protéger tous les acides organiques et tous les alcools qui sont connus pour réagir entre eux et conduire ainsi à des esters tout en préservant la condition que la réaction est effecutée en phase hétérogène. Toutes les lipases bien cornues peuvent être utilisées dans le cadre de L'invention. Ainsi, on peut citer à titre indicatif : la lipase pancréatique, Rhizopus arrhizus, Candida cylindracea, Geotrichum candidum. La Lipase peut se présenter sous forme soluble ou insoluble. Les conditions de la réaction en ce qui concerne La durée, le pH, la température né sont pas critiques mis à part le fait que ces conditionsne doivent pas rendre La lipase inactive. On conçoit donc que ceLa dépendra dans une certaine mesure du type de lipase utilisée. En général, il est souhaitable d'effectuer la réaction en absence d'un milieu tampon à un pH compris entre 6 et 8. Cependant, dans certains cas, L'usage d'un milieu tampon est obligatoire. De même, la température devra généralement être comprise entre 10 C et 6O0C. De préférence, le rapport en poids alcool/eau sera compris entre 30/70 et 99/1 et le rapport acide/alcool en mo les entre 1/99 et 98/2. L'invention vient d'être décrite dans son mode de realisation le plus général afin que l'homme de métier soit à même d'évaluer la portée de celle-ci. Il est maintenant nécessaire de décrire les variantes préférées de l'invention étant bien entendu que celle-ci ne se limite en aucune façon à ces variantes. En premier Lieu, il a été dit précédemment qu'un des intérêts de L'invention se situait dans la possibiLité d'obtenir une régi osé lectivité très forte. Ainsi, le procédé de L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas où les alcools ou Les thiols sont des polyols ou des polythiols. Pour la clarté et la simplification de l'exposé qi suit, on ne parlera plus que des alcools et sans mentionner les thiols,mais il est bien entendu que cet exposé pourra également s'appliquer aux thiols. Parmi les poLyols, les triols sont préférés du fait que les lipases sont destinées à hydrolyser les esters de triol et plus particulièrement de glycérol. Par contre, il est préférable d'utiliser des monoacides et avantageusement ceux de C12 à C30. On pourra améliorer le rendement et la vitesse de la réaction en associant à l'enzyme des sels minéraux effecteurs de celle-ci comme par exemple le disodium tétraborate décahydraté ou le chlorure de strontium (SrCl2). Ces effecteurs de l'enzyme sont présents à environ 1 % par rapport à L'eau de la phase aqueuse. Un procédé préféré selon L'invention consiste en ce que la phase organique contient au moins un acide organique de C12 à C30, la phase aqueuse comporte un polyol et la lipase et en ce que le solvant de la phase organique est tel qu'il permet La dissolution du monoester formé à l'interface. Cette forme de réalisation permet d'aboutir avec un rendement extrêmement élevé si ce n'est quantitatif en monoester. Sans que l'invention soit limitée d'une quelconque manière par une explication scientifique, l'inventeur pense que la sélectivité est due à la -diffërence de solubilité des mono- et diesters dans les solvants organiques mis en jeu.La réaction ayant lieu à l'interface eau/solvant et le premier produit de la synthèse étant les monoesters, si ces derniers sont très solubles dans le solvant organique, ils se dissolvent immédiatement et quittent donc rapidement l'interface vers la masse du solvant. Dans le cas contraire, les monoesters sont bloqués à l'interface et sont alors le siège d'une nouvelle estérification donnant des diesters alors suffisamment solubles pour quitter l'interface vers la masse du solvant. Parmi les solvants qui dissolvent les monoesters de triols,comme le glycérol, on peut citer les solvants halogénés comme les solvants chlorés tels que le chloroforme, le dichlorométhane ou fluorés comme les fréons. Un autre procédé préféré de l'invention consiste en ce que la phase organique contient au moins un acide organique de C12 à C30, la phase aqueuse comporte un polyol et la lipase et en ce que le-solvant de la phase organique est tel qu'il ne permet pas la dissolution du monoester formé à l'interface. Parmi ces solvants, on peut citer avantageusement les solvants alicycliques ou aliphatiques comme le pentane, l'hexane, le cyclohexane substitués ou non. Du fait que la préparation enzymatique conserve son activité intégrale après 20 cycles, on peut travailler en reacteur continu. Si on ne compense pas la quantité consommée d'acides gras, on peut arriver aisément à 95 % de rendement après 4 passages. A L'aide d'un réacteur en régime continu total avec recyclage et alimentation de compensation en acides gras, on peut considérer que les rendements sont quantitatifs par rapport à l'alimentation de compensation à condition de mettre en jeu un volant suffisant d'acides gras au départ correspondant à la quantité à recycler. L'invention est maintenant illustrée par les exemple ci-après.- Les conditions opératoires communes aux exemples qui vont suivre sont les suivantes - phase organique : 200 mg d'acides gras dissous dans 10 ml de solvant organique ; - phase aqueuse : 50 mg de poudre commerciale d'enzyme dissous dans 5 g d'une phase alcool ou thiol/eau dont le rapport en poids sera indiqué pour chaque exemple ; - le calcul du rendement et l'analyse des produits obtenus sont effectués par rapport à l'acide organique (ou aux acides organiques) mis en jeu par chromatographie sur couche mince et densite optique complétée par la chromatographie en phase gazeuse. I. Exemples effectués à l'aide d'un solvant chloré Exemple 1 - phase organique : chloroforme Acides gras de colza - phase aqueuse : Glycérol/Eau 80/20 à pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus Arrhizus - Température : 350C - Durée : 8 h. Résultats : Rendement de synthèse : 17 X Pureté du produit : Monoglycérides alpha 80 X Diglycérides 1-3 15 % Diglycérides 1-2 2 X Triglycérides 3 % Exemple 2 - Phase organique : Dichlorométhane Acide oléique - Phase aqueuse : Glycérol/Eau 75/25 à pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus Arrhizus - Température : 300C - Durée : 8 h. Résultats : Rendement de synthèse : 22 % Pureté du produit : Monoglycérides alpha 93 X Diglycérides 1-3 5 Z Diglycérides 1-2 1 X Triglycérides 1 Z Exemple 3 - phase organique : Dichlorométhane Acide oléique - Phase aqueuse : Glycérol/eau 75/25 à pH 6 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus Arrhizus Disodium Tétraborate décahydraté 1 Z par rapport à l'eau - Température : 30 C - Durée : 6 h. Résultats : Rendement de synthèse 12 % Pureté du produit : Monoglycéride alpha 100 Z. Exemple 4 Mêmes conditions que dans l'exemple 3 mais le borate de sodium a été remplacé par le chlorure de strontium (SrCl2) 1 % par rapport à L'eau. Résultats : - Rendement de synthèse 17 % - Pureté du produit : Monoglycéride alpha 100 Z. Exemple 5 - Phase organique : Chloroforme Acide oléique - Phase aqueuse : Lactose/eau 10/90 pH 7 Lipase MY non spécifique de Candida cylindracea - Température : 400C - Durée : 24 h. Résultats : Rendement de synthèse : 2 % Pureté du produit 9 Monooléate 100 2. Exemple 6 - Phase organique : Chloroforme Acide oléique - Phase aqueuse : n-butanol/eau 80/20 pH 7 Lipase MY non spécifique de Candida cylindracea - Température : 300C - Durée : 4 h. Résultats : Rendement de synthèse : 60 % Pureté du produit : oléate de n-butyle 100 Z. ExemDie 7 - Phase organique : Dichlorométhane Acide oléique - Phase aqueuse : Ethylèneglycol/eau 60/40 pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus arrhizus - Température : 280C - Durée : 16 h. Résultats : Taux de synthèse : 3,4 Z Pureté du produit : monoester 100 %. II. Exemoles effectués à l'aide d'un solvant hydrocarboné. ExemDle 8 - Phase organique : Heptane Acides gras de suif - Phase aqueuse : Glycérol/eau 95/5 à pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus Arrhizus - Température : 30 C - Durée : 4 h. Résultats : Rendement de synthèse : 45 X Pureté du produit : Diglycérides 1-3 : 95 X Diglycérides 1-2 : 1 Z Monoglycérides alpha : 2 Z Triglycérides : 2 X ExemDle 9 - Phase organique : Cyclohexane Acide palmitique - Phase aqueuse : Glycérol/eau 80/20 à pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus Arrhizus. - Température : 300C - Durée : 16 h. Résultats : Rendement de synthèse 38 % Pureté du produit : Diglycérides 1-3 : 90 % Monoglycérides alpha : 6 Z Diglycérides 1-2 : 1 Z Triglycérides 3 % Exemple 10 - Phase organique : Heptane Acide stéarique - Phase aqueuse : Glycérol/eau 95/5 à pH 7 Alphamonopalmitate obtenu suivant les conditions de l'exemple 3 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus arrhizus - Température : 380C - Durée : 4h. Résultats : Taux de synthèse : 50 % Pureté des produits : 1-3 palmityl stéaryl glycérol : 50 % 1-3 distéaryl glycérol : 40 Z 1-3 dipalmityl glycérol : 10 X Exemple Il - Phase organique : Heptane Acide oléique - Phase aqueuse : Ethylèneglycol/eau 80/20 à pH 7 Lipase MY non spécifique de Candida cylindra cea - Température : 280C - Durée : 20 h. Résultats : Taux de synthèse : 55 Z Purete des produits : Monoester 19 % Diester 36 % Exemple 12 - Phase organique : Heptane Acide oléique - Phase aqueuse : Dodécanethiol 1/eau 85/15 à pH 7 Lipase 1-3 spécifique de Rhizopus arrhizus - Température : 280C - Duree : 16 h. Résultats : Taux de synthèse : 72,6 % Pureté du produit : Oléate de dodécanethiol 1 : 100 X ExemDle 13 Memes conditions que l'exemple 12 en remplaçant le dodécanethiol 1 par l'alcool laurique. Résultats : Taux de synthèse 21 Z Pureté du produit : Oléate de lauryle : 100 %. REVENDICATIONS 1. Procéde de synthèse d'esters d'acides organiques et d'alcools ou de thiols consistant à faire réagir au moins un acide organique de C2 à C40 avec au moins un alcool ou un thiol, en présence d'une lipase, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact sous agitation une phase organique contenant l'acide organique et un solvant non ou peu miscible avec l'eau et une phase aqueuse comportant l'alcool ou le thiol et la lipase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'alcool est un polyol. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le polyol est le glycérol. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'acide organique est un acide de C12 à C30. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase aqueuse comporte des sels minéraux effecteurs de l'enzyme. 6. Procédé selon-la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport alcool/eau en poids est compris entre 30/70 et 99/1. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase organique contient au moins un acide organique de C12 à C30, la phase aqueuse comporte un polyol et la lipase et le solvant de la phase organique est tel qu'il permet la dissolution du monoester formé à l'interface. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le solvant est choisi parmi les solvants halogénés tels que les solvants chlorés ou fluorés. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase organique contient au moins un acide organique de C12 à C30, la phase aqueuse comporte un polyol et la lipase, et le solvant de La phase organique est tel qu'il ne permet pas la dissolution du monoester formé à l'interface. 10. Procédé selon La revendication 9, caractérisé en ce que le solvant est choisi parmi les solvants aliphatiques ou âli cycliques substitués ou non.