Brevet FR2601369A1 — publié le 19880115

PROCEDE DE PREPARATION DE DIANHYDRIDES DU FRUCTOFURANOSE ET LEUR UTILISATION COMME ADDITIFS ALIMENTAIRES L'invention a pour objet un procédé de préparation de dianhydrides 1,2':2, 1'-difructofuranosidiques d'intérêt comme agents édulcorants hypocaloriques et hypocariogènes. L'article de Defaye, Gadelle et Pedersen, paru dans Carbohydr. Res., 136 (1985) 53-65, rapporte que l'action du fluorure d'hydrogène sur le D-fructose ou l'inuline conduit, en rendement quantitatif, à un mélange d'au moins six dianhydrides dispirodioxanniques qui ont été isolés et caractérisés. Les demandes de brevets français n 8313031 et 8313032 du 8 août 1983, revendiquent des méthodes de préparation de ces dianhydrides du fructose, étendues aux céto-hexoses, céto-pentoses, oligo- et polysaccharides contenant ce motif monosaccharidique, ainsi que leur utilisation comme additifs alimentaires. L'un des composants du mélange de dianhydrides obtenus par action du fluorure d'hydrogène sur le D-fructose ou l'inuline est Il'c rDfructofuranose lb-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride. Il est apparu que ce composé présente un goût sucré agréable. En outre, comme les autres dianhydrides du D- fructose, il n'est pas hydrolysé 25 par la sucrase-isomaltase; il est donc indiqué tout particulièrement pour une utilisation comme agent édulcorant non calorique. Le rendement d'obtention de ce composé ne dépasse cependant pas 18 % dans le meilleur des cas, que l'on parte du D-fructose ou d'inuline, et sa séparation des autres isomères présents est difficile 30 car elle fait intervenir en particulier des procédés chromatographiques. Un dianhydride du D-fructofuranose lié 1,2':2,1' a par ailleurs été obtenu précédemment par action de l'acide nitrique sur le peracé35 tate d'inuline (C. Irvine et J.W. Stevenson, J. Am. Chem. Soc., 51 (1929) 2197- 2203; L.A. Boggs et F. Smith, J. Am. Chem. Soc., 78 (1956) 1878-1880). Son rendement ne dépasse pas 50 % dans le meilleur des cas. Une structure non symétrique impliquant une anomérie a, a été ultérieurement proposée sur la base de résultats de r.m.n. H (R.U. Lemieux et R. Nagarajan, Can. J. Chem., 42 (1964) 1270-1278). Ce composé a également été obtenu avec un rendement faible (environ 5%) par action d'un extrait enzymatique d'Aspergillus fumigatus sur 5 l'inuline (K. Tanaka, K. Sonobe, T. Uchiyama et T. Matsuyama, Carbohydr. Res. 75 (1979) 340-344). Le but de cette invention est de proposer une méthode commode d'obtention, en bons rendements, de dianhydrides spirodioxanniques dérivés de. la forme furanose du D-fructose. L'invention vise en 10 particulier l'a-D-fructofuranose e-Q-D-fructofuranose -D-fructofuranose 1, 2':2,1'-dianhydride précédemment mentionné. Le procédé est caractérisé en ce que l'on fait réagir un glucide comportant au minimum un résidu fructofuranose, substitué sur les positions hydroxyles en C-3, C-4 et C-6 par des fonctions stables en 15 présence de fluorure d'hydrogène, avec le fluorure d'hydrogène utilisé comme solvant du glucide, et réactif, cette étape étant suivie d'une déprotection des positions hydroxyles protégées. Comme glucide comportant au minimum un résidu fructofuranose, on emploie de préférence l'inuline ou le saccharose. Parmi les substi20 tuants des groupes hydroxyles, il est nécessaire de choisir une fonction stable dans le fluorure d'hydrogène; il pourra s'agir d'une fonction ester, acétate en particulier. Le mécanisme de la réaction produite par la mise en oeuvre de l'invention est représenté à la figure 1; le procédé est dans ce cas 25 appliqué à l'inuline substitué par la fonction acétate. Le procédé de l'invention consiste donc à soumettre le peracétate d'inuline (1) à l'action du fluorure d'hydrogène utilisé comme solvant et réactif. Comme cela est décrit dans l'article de Defaye, Gadelle et Pedersen (loc. cit.), il y a dans une première étape fluorolyse de la 30 liaison interosidique 1-(1 + 2) des unités fructofuranosidiques de I'inuline et formation de fluorure de 3,4,6-tri- O-acetyl-e-Dfructofuranosyle (2) en équilibre vraisemblablement avec l'ion fructosyloxocarbénium correspondant. Ce composé se dimérise, en seconde étape, avec formation de 3,4,6:3',4',6'-hexa-O-acetyl di-1-Dfructofuranose dianhydride (5) et de son isomère a,o (6), lequel peut être 35 isolé après neutralisation de l'acide par action de l'hydrogénocarbonate de sodium, et cristallisation directe du mélange réactionnel dans l'éther diéthylique. L'hydrolyse des substituants acétate est réalisée par action de quantités catalytiques de méthylate de sodium dans le méthanol ou, de façon plus générale, par action d'agents alcalins tels l'ammoniaque ou la soude. L'a-D-fructofuranose e-D-fructofuranose 1,2':2, 1'-dianhydride (8) est obtenu, sous forme cristalline, par 5 cristallisation dans l'éthanol avec des rendements qui, de façon optimale, dépassent 60 %. Il est également possible d'obtenir l'a-D-fructofuranose B-Dfructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride (8), en mélange avec son isomère 3,3 10 (7) si l'on désacétyle directement le produit de la réaction résultant de l'action du fluorure d'hydrogène sur le peracétate d'inuline. Dans ce cas, ce mélange des dianhydrides du fructofuranose (7) et (8) contient également un peu de D-glucose et du D-fructose résultant de réactions impliquant les intermédiaires (3) et (4) telles que décrit 15 dans le schéma de la figure 1, ainsi que de réactions éventuellement incomplètes conduisant à (5) et (6). S'il reste, après désacétylation, des sels minéraux, ils seront aisément éliminés par passage d'une solution aqueuse du mélange sur une colonne échangeuse mixte de cations-anions. Comme la réaction du fluorure d'hydrogène sur le peracétate d'inuline peut être assez violente et conduire à la formation de produits secondaires non souhaités, ce qui a en particulier pour effet de diminuer le rendement de la réaction en les dianhydrides du fructo25 furanose (5) et (6), il a été trouvé préférable de diluer ce réactif dans le dioxyde de soufre, ou encore le dioxanne, le premier solvant étant cependant préféré car inerte vis à vis du fluorure d'hydrogène. De même, on opérera à basse température (-20 C) de façon à mieux contrôler la réaction. Le temps de contact entre le peracétate d'inuline et le fluorure d'hydrogène est un paramètre qui permet de contrôler la proportion relative des deux composants hexa-acétates des $,e- et a,edifructofuranose dianhydrides. Pour des temps de réaction courts, de deux heures par exemple le rendement total, estimé par 13C-r.m.n., en dérivés dianhydrides (5) et (6) est de l'ordre de 75 % et la proportion relative des composants 3,$ (5) et a,$ (6) de l'ordre de 29 et 47 %, le reste du mélange réactionnel étant constitué d'un peu de dérivés acétylés des fluorures de fructofuranosyle et de glucopyranosyle (schéma de la figure 1). Lorsque le temps de réaction augmente, la 4 2 6 0 1601369 proportion de l'isomère o,B-difructofuranose dianhydride (6) augmente corrélativement, au regard de l'isomère e,B (5). C'est ainsi qu'un temps de réaction de 17 h permet d'obtenir un rendement de 71 % en hexa-Oacetyl a-D-fructofuranose 5-D-fructofuranose 1,2'-2,1'- dian5 hydride (6) (62 % en produit isolé), à côté de seulement 11 % de son isomère e,e (5). Dans le cas o l'obtention du dianhydride cristallin c,13 (6) est souhaitée, c'est évidemment cette technique qu'on préfère. Au-delà de ce temps de réaction, le rendement en dianhydrides (5) et (6) formés diminue du fait de la formation de produits autres qui 10 n'ont pas été davantage identifiés. Le principe de cette réaction étant basé, selon le schéma de la figure 1, sur la dimérisation du fructose stabilisé par des substituants acétate sous sa forme furanose, par réaction nucléophile de 15 I'hydroxyle primaire en C-1 d'une première molécule sur le centre anomère d'une seconde molécule, il va de soi que le traitement sous les mêmes conditions de tout dérivé de l'inuline impliquant une protection des hydroxyles en C-3, C-4 et C-6 par un groupement stable dans le fluorure d'hydrogène, comme des substituants ester par 20 exemple, conduira à la formation de dianhydrides du fructofuranose. - De même, tout composé permettant l'obtention, par hydrolyse acide, d'un cation fructofuranosyle protégé sur les positions C-3, C-4 et C-6 par un groupement protecteur stable dans le fluorure d'hydrogène, sera également adapté à la production de dianhydrides du fructofura25 nose et entre dans le cadre de cette invention. C'est le cas en particulier d'acétals 2,1':4, 6 du saccharose, préparés entre autre par acétonation cinétique du saccharose par utilisation de 2-alcoxypropènes selon E. Fanton, J. Gelas, D. Horton, H. Karl, R. Khan, C. Kuan Lee et G. Patel (J. Org. Chem., 46 (1981) 4057-4060) ou de 30 dérivés du diméthoxydiphénylsilane impliquant ces mêmes positions (M.R. Jenner et R. Khan, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1980, 50-51), puisqu'il est possible de substituer les groupes hydroxyle restants par dès groupes acyle stables dans le fluorure d'hydrogène. Ces concepts s'appliquent également aux glucides correspondants de la 35 série L. Ces composés (7) et (8) sont notamment caractérisés par leurs spectres de 13C-r.m.n. qui montrent les signaux respectifs suivants: 7: ' (p.p.m.), 104.55 (C-2), 83.68, 80.76, 77.56 (C-3,C-4,C-5), 61.82 (C1,C-6). 260.369 8: 6 (p.p.m.), 103.3, 99.7 (C-2,C-2'), 84.3, 82.7, 82.1, 78.6, 77.8, 75.4 (C-3,C-4,C-5,C-3',C-4',C-5'), 63.5, 63.4, 62.6, 62.0 (C-1, C-6,C-1', C-6'), par leur temps de rétention en chromatographie liquide sous pression (CLHP, colonne Sugar Pak (Waters, éluant eau, 93 C); tr 7, 3.9; tr 8, 4.0, ainsi que par leurs constantes physico-chimiques: 7, non cristallin, (a) 25 + 92,70 (C 2.18, eau); 8, p.f. 161-162 , (a)D +27 (c 1, eau). Les D=-glucose et D-fructose, éventuellement résiduels, sont dosés par les méthodes enzymatiques commercialisées par la Société Boehringer Mannheim. Les exemples suivants illustrent l'invention EXEMPLE 1 Dans un récipient en polyéthylène, le peracétate d'inuline (100 20 g) est additionné, à -25 et agitation, d'un mélange de fluorure d'hydrogène (100 mL) et de dioxyde de soufre (100 mL) et la solution obtenue est maintenue à cette température pendant 2 h. Elle est alors refroidie dans l'azote liquide et additionnée de dichlorométhane (500 mL), de glace et d'eau (300 mL) et neutralisée par addition d'hydro25 génocarbonate de sodium (470 g). La phase dichlorométhylénique est séparée par décantation et la phase aqueuse est à nouveau lavée par le dichlorométhane. Les extraits dichlorométhyléniques réunis sont séchés sur sulfate de sodium et concentrés sous pression réduite sous forme d'un résidu huileux (100 g) . L'étude réalisée en 13C-r.m.n. 30 sur ce produit brut montre qu'il est composé essentiellement de fluorure de D-fructofuranosyle partiellement acétylé (24 %), d'hexa-Oacetyl a-D-fructofuranose- 3-D-fructofuranose 1, 2':2,1 '-dianhydride (47 %), et d'hexa-O-acétyl di-13-D-fructofuranose 1, 2':2,1'-dianhydride (29 %). Ce résidu huileux est dissous dans l'éther et le composant hexaO-acetyl "D-fructofuranose s-D-fructofuranose 1,2':2,1'- dianhydride, qui cristallise spontanément, est séparé par filtration (25 g, 25 %) - p.f. 124-125 et quelquefois 135-1360 (possible dimorphisme) (a) 20 -0.9 (c 5.5, chloroforme). 260 1 3 6 9 L'évaporation des eaux-mères permet d'obtenir l'autre isomère, I'hexa-Oacétyl-di--B-D-fructofuranose 1,2':2,1 '-dianhydride, obtenu sous la forme d'une substance huileuse en mélange avec du fluorure de D-fructofuranosyle partiellement acétylé. La dé-O-acétylation des dérivés hexa-O-acétates précédents est réalisée par dissolution dans le méthanol sec (100 mL) et addition d'une solution méthanolique de méthylate de sodium (M, 20 mL). Après 18 h à température ambiante, la solution est déminéralisée par passage sur une colonne échangeuse mixte cations, anions (MB-3). L'évaporation conduit, pour l'a-D-fructofuranose B-D_-fructofuranose 1, 2':2,1'-dianhydride, à un solide qui cristallise par redissolution dans l'éthanol (14 g, 100 %); p.f. 161-162 ; (a)22 +270 (c 1, eau). L'autre isomère di-e-D-fructo- furanose-1,2':2,1' dianhydride est 15 obtenu sous la forme d'une substance huileuse, en mélange avec du méthyl D-fructofuranoside. Note: Le peracétate d'inuline peut être préparé selon Haworth et Streight (Helv. Chim. Acta, 15 (1932) 609-615), ou de préférence 20 selon la technique suivante: L'inuline (100 g) est additionné à un mélange d'anhydride acétique (100 mL) et de pyridine (100 mL) et la suspension est portée à ébullition pendant 24 h. Elle est ensuite concentrée sous pression réduite et le résidu visqueux et noir est co-évaporé en présence de 25 méthanol (100 mL), de façon à éliminer la pyridine et l'anhydride acétique résiduels. L'addition de méthanol conduit au peracétate d'inuline cristallin identique à la littérature (loc. cit.) EXEMPLE 2 Le mode opératoire précédent est suivi, sauf pour ce qui concerne la température de la réaction du mélange HF-SO2 qui est de -200 et le temps de cette réaction est porté à 3 h. Un spectre de 13C-r.m.n. du mélange total après extraction indique la présence des composants suivants - Fluorure de D-fructofuranosyle partiellement acétylé (20 %). - Hexa-O-acétyl a-D-fructofuranose -D-fructofuranose 1,2':2,1'dianhydride (60 %). 260 1369 - Hexa-O-acétyl di-B1-D-fructofuranose 1,2':2,1 '-dianhydride (19%). Partant de 120 g d'acétate d'inuline, on obtient 51,8 g (43 %) d'hexa-O-acétyl a-D-fructofuranose e-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dian5 hydride cristallisé, qui conduit par désacétylation à 29 g (100 %) d'aDfructofuranose B-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride cristallisé. EXEMPLE 3 Le mode opératoire de l'exemple 1 est suivi, mais le temps de contact du mélange HF-SO2-triacétate d'inuline est porté à 17 h (à 13 -20 ). Un spectre de 13C-r.m.n. du mélange total montre la présence des composants suivants: - Fluorure de D-fructofuranosyle partiellement acétylé (18 %). - Hexa-O-acétyl a-D-fructofuranose 6-D-fructofuranose 1,2':2, 1'dianhydride (71%). - Hexa-O-acétyl di-s-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride (11%). Partant de 100 g d'acétate d'inuline, on obtient 62 g (62 %) 20 d'hexa-Oacétyl a-D-fructofuranose B-D2-fructofuranose dianhydride cristallisé qui conduit par désacétylation à 35 g (100 %) d'a-Dfructofuranose e-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride cristallisé. EXEMPLE 4 Le mode opératoire de l'exemple 1 est suivi, mais le temps de contact du mélange HF-SO2-triacétate d'inuline est porté à 24 h. Un spectre de 13C-r. m.n. du mélange total montre la présence des composants suivants - Fluorure de D-fructofuranosyle partiellement acétylé (10 %). - Hexa-O-acétyl a-D-fructofuranose S-D-fructofuranose 1,2':2, 1'dianhydride (47 %). - Hexa-O-acétyl di-B-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride (43 %). Partant de 100 g d'acétate d'inuline, on obtient 35 g (35 %) d'hexa-Oacétyl a-D-fructofuranose 1-D-fructofuranose dianhydride cristallisé et 19,5 g (100 %) d'a-D-fructofuranose B-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride cristallisé. 8 2601369 EXEMPLE 5: Le mode opératoire de l'exemple 1 est suivi mais le dioxanne remplace le dioxyde de soufre. Pour 100 g de peracétate d'inuline, on 5 utilise 400 mL de fluorure d'hydrogène et 100 mL de dioxanne et le mélange réactionnel est maintenu pendant 1lh30 à la température de -25 . L'extraction conduit à une huile qui cristallise dans l'éther Partant de 100 g d'acétate d'inuline, on obtient 20 g (20 %) d'hexa-O-acétyl a-D-fructofuranose l3-D-fructofuranose dianhydride 10 cristallisé qui conduit par désacétylation à 11,2 g (100 %) d'caDfructofuranose e-D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride cristallisé. EXEMPLE 6: Les modes opératoires décrits dans les exemples 1 à 4 sont repris jusqu'à l'étape d'extraction des mélanges réactionnels par le dichlorométhane, étape suivie d'évaporation des extraits dichlorométhyléniques sous forme de résidus huileux. Ces derniers sont alors 20 dissous dans l'éthanol (1500 mL), avec l'aide si nécessaire d'un léger chauffage (40 ), et additionnés d'une solution d'hydroxyde de sodium dans l'eau (400 mL, 6 % p/v). Les solutions sont maintenues à 40 pendant 0.5 h, puis déminéralisées par passage sur une colonne de résine échangeuse mixte de cations-anions (MB-3). Les solutions, 25 ainsi déminéralisées, sont d'abord concentrées sous pression réduite, puis lyophilisées. Des substances vitreuses incolores sont obtenues ( 53 g, 95 % partant de peracétate d'inuline, 100 g). Une analyse en 13C-r.m.n. ne permet pas de détecter, dans aucun de ces échantillons, la présence d'éthyl-glycosides. Une analyse des oses libres 30 résiduels donne les résultats suivants pour chacun des échantillons Temps de réaction Oses résiduels D-glucose Dfructose 2 h (Exemple 1) entre 0,8 et 1,5 % 9% 3 h (Exemple 2) " 9% 17 h (Exemple 3) " 109% 24 h (Exemple 4) " 13% REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de dianhydrides dispiro-dioxanniques 5 dérivés du fructofuranose caractérisés en ce que l'on fait réagir un glucide comportant au minimum un résidu fructofuranose, substitué sur les positions hydroxyles en C-3, C-4 et C-6 par des fonctions stables en présence de fluorure d'hydrogène, avec le fluorure d'hydrogène utilisé comme solvant du glucide, et 10 réactif. Cette étape est suivie d'une déprotection des positions hydroxyles protégées. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que un cosolvant tel que le dioxyde de soufre, le dioxanne ou tout autre diluant, faiblement ou non réactif vis à vis du fluorure d'hydrogène est incorporé au mélange réactionnel. 3. Procédé, selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la température de la réaction est comprise entre -20 et 0 20 ou, dans le cas du dioxanne, la température ambiante. 4. Procédé, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le glucide est l'inuline. 5. Procédé, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le glucide est le saccharose. 6. Procédé, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les groupes protecteurs stables en présence de fluorure 30 d'hydrogène, sont des groupes esters. 7. Procédé, selon la revendication 6, caractérisé en ce que le glucide substitué est le triacétate d'inuline. 8. Procédé, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on contrôle le temps de réaction en fonction de la proportion relative des composants du mélange réactionnel que l'on désire obtenir. 2601369 9. Procédé, selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'on sépare par cristallisation le 3, 4, 6:3',4',6'-hexa-Oacetyl a-1Dfructofuranose e-D1-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride du mélange réactionnel résultant et qu'on le désacétyle par 5 action d'une base de manière à obtenir le composé déprotégé correspondant Q-D_-fructofuranose e-D-fructofuranose 1,2':2,1'dianhydride. 10. Procédé, selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce 10 que l'on désacétyle directement le produit de la réaction de manière à obtenir les dianhydrides a-D- fructofuranose -Dl-fructofuranose 1,2':2,1 '-dianhydride, et di---D-fructofuranose 1,2':2,1'-dianhydride en mélange. 11. Di-t, 1-D-fructofuranose - dianhydride suceptible d'être obtenu selon l'une des revendications 1 à 10. 12. 3,4,6:3',4',6'-hexa-O-acetyl dis -D-fructofuranose 1,2':2,1'20 dianhydride susceptible d'être obtenu selon l'une des revendications I à 10. 13. Applications des produits obtenus selon l'une des revendications 25 9 et 10 comme agents édulcorants à faible valeur calorique et non ou faiblement caryogènes.