Brevet FR2639639A1 — publié le 19900601

DERIVES ORGANOSOLUBLES DU CHITOSAN, LEUR PROCEDE DE PREPARATION ET LEURS UTILISATIONS La présente invention concerne de nouveaux dérivés organosolubles du chitosan ainsi que leur procédé de préparation. Le chitosan est un polysaccharide aminé, dont la masse moléculaire moyenne est généralement supérieure a 500.000, qui est constitué de résidus amino-2 desoxy-2 Ç D-glucopyranose liés en 1,4. Le chitosan peut étre obtenu par désacétylation de la chitine qui peut elle-même être extraite par exemple de la carapace des crustacés ou elle se trouve en quantité importante. Du fait de sa structure chimique, le chitosan présente la propriété d'être résistant a l'hydrolyse au niveau des liaisons osidiques en milieu basique, d'être insoluble a un pH supérieur à 6,5 et d'être soluble et hydrolysable dans des conditions acides. Compte tenu de ses propriétés filmogènes, le chitosan pourrait être un agent de choix pour protéger diverses substances. Cependant, le chitosan présente l'inconvénient d'être insoluble dans les solvants organiques usuels ce qui rend difficile la réalisation de films ou de pellicules d'enrobage de produits sensibles à l'eau ou å l'acidité. I1 a maintenant été trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, de nouveaux dérivés du chitosan qui sont organosolubles et qui conservent les propriétés de former des films et d'être sensibles aux variations du pH. Les nouveaux dérivés du chitosan selon l'invention sont constitués par l'encbainement statistique de motifs qui peuvent être représentés par les formules suivantes dans lesquelles - R, représente un radical alkylcarbonyle contenant 2 à 4 atomes de carbone - R2 représente un radical alkyle contenant 2 à 21 atomes de carbone ou un radical phényle éventuellement substitué par un ou plusieurs radicaux hydroxy ou alcoxy - R3 et R4 représentent des groupes identiques ou différents choisis parmi les radicaux alkylcarbonyle contenant 2 à 4 atomes de carbone et l'hydrogène. Le chitosan tel que défini par les formules (I) a de préférence une masse moléculaires moyenne comprise entre 10.000 et 80.000 et encore plus préférentiellement comprise entre 10.000 et 20.000. I1 a également de préférence une composition correspondant à 60 à 100 t de motifs répondant a la formule (la) 0 à 40 t de motifs répondant à la formule (Ib) Les dérivés du chitosan de l'invention qui sont préférés sont ceux pour lesquels dans les composés de formule (I), les conditions suivantes sont remplies - au moins 50 t des motifs R, représentent un radical acétyle - R représente un radical alkyle contenant 5 à 12 atomes de carbone - au moins 50 t des motifs R3 représentent un radical acétyle - au moins 50 t des motifs R4 représentent un radical acétyle. Le procédé de préparation des nouveaux dérivés du chitosan consiste a utiliser un chitosan ayant un degré de désacétylation supérieur à 70 t, puis : - dans une première étape à fragmenter ce chitosan, - dans une deuxième étape à condenser un aldéhyde aliphatique ou aromatique avec le chitosan issu de la première étape, - dans une troisième étape à estérifier le chitosan issu de la deuxième étape. La désacétylation est réalisée à partir de chitine issue de carapaces d'animaux par mise en contact avec de l'hydroxyde de sodium en solution aqueuse pendant environ 1 heure à environ 1350 C. Postérieurement a la désacétylation et préalablement à l'étape de fragmentation, il est avantageux de purifier le chitosan par traitement a l'acide acétique précipitation avec une base forte, de préférence la soude, lavage a l'eau et à l'éthanol puis chauffage dans l'éthanol à environ 800C. Cette technique permet une purification du chitosan technique Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre de la première étape, on fragmente le chitosan par hydrolyse au moyen d'un acide fort choisi parmi : - l'acide chlorhydrique - l'acide sulfurique - l'acide nitrique - les acides minéraux supportés (type TONSIL r). Selon un procédé de mise en oeuvre de cette première étape, on introduit dans une solution d'acide fort d'acidité 0,5 N a 1 N, environ 25 a 50 g/litre de chitosan. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre l'hydrolyse est réalisée à une température comprise entre 80 et 1200 C et de préférence à environ 1000C pendant 5 à 30 heures. Le chitosan hydrolysé est ensuite précipité par alcalinisation à un pH voisin de 10. Il est alors séparé par filtration. Les polysaccharides obtenus après hydrolyse présentent une masse moléculaire moyenne notamment comprise entre 10.000 et 80.000 Les polysaccharides préférentiellement utilisés dans l'invention ont une masse moléculaire moyenne comprise entre 10.000 et 20.000. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre de la deuxième étape on condense sur le chitosan fragmenté obtenu à la première étape un aldéhyde de formule (II) R2-CHO (II) dans laquelle R2 a la même signification que précédemment. La condensation de l'aldéhyde et du chitosan hydrolysé est effectuée de préférence à un pH compris entre 5,5 et 6 notamment d'environ 5,5. Le solvant de condensation est de préférence un milieu hydroalcoolique contenant un alcool choisi parmi le méthanol, l'éthanol ou l'isopropanol. Le rapport pondéral eau/alcool est de préférence compris entre 0,45 et 0,65. On préfère mettre en oeuvre parmi les aldéhydes de formule (II) les aldéhydes aliphatiques ayant 3 à 14 atomes de carbone tels que - le propanal, - le butanal, - le pentanal, - l'bexanal, - l'heptanal, - le décanal, - le dodecanal, - le tetradecanal. Pour une meilleure mise en oeuvre de l'invention, on préfère que le rapport molaire de l'aldéhyde de formule (II) au motif monomère osidique moyen de chitosan soit supérieur à 15 et de préférence d'environ 20. La condensation est effectuée selon un mode de mise en oeuvre préférentiel entre 10 et 500C et encore plus préférentiellement entre 10 et 300C. Le produit de condensation de l'aldéhyde sur le chitosan issu de la deuxième étape du procédé de l'invention est extrait notamment au moyen de solvants organiques choisis parmi - les cétones telles que l'acétone, - les alcools tels que l'éthanol, La troisième étape du procédé de l'invention consiste à estérifier le chitosan modifié issu de la deuxième étape. La réaction d'esterification consiste à mettre en présence un acide ou un dérivé d'acide de formule (III) (R CO)n A (III) dans laquelle - n est égal à 1 ou 2 - A est égal a un groupe hydroxyle ou un halogéne quand n = 1 - A est égal a l'oxygène quand n est égal à 2 - R représente un groupe alkyle ayant un à trois atomes de carbone, avec le chitosan modifié issu de la deuxième étape. L'acylation est réalisée de préférence avec un acide ou un dérivé d'acide de formule (III) dans lequel R est égal å un groupe alkyle contenant 1 a 3 atomes de carbone et tout particulièrement dans lequel R est égal au groupe - CH3. On préfère utiliser parmi les dérivés d'acide de formule (III) les anhydrides d'acides et tout préférentiellement l'anhydride acétique. La réaction d'acylation est réalisée de préférence dans un solvant organique tel que les pyridines. Lorsque la réaction est réalisée entre un halogénure d'acide et le chitosan issu de la deuxième étape, on préfère ajouter une base de façon å neutraliser l'hydracide formé ou on utilise un solvant organique basique comme par exemple les pyridines. L'acylation est réalisée notamment a une température comprise entre 10 et 500 C, et de préférence å une température comprise entre 10 et 300C. Le chitosan modifié issu de la troisième étape est récupéré par exemple par évaporation du solvant de réaction, puis après lavage en milieu basique, le produit est repris & l'acétone de façon a éliminer par centrifugation la partie insoluble. Le chitosan obtenu selon l'invention présente une masse moléculaire moyenne notamment comprise entre 10 000 et 110 000 et tout particulièrement entre 10 000 et 30 000. Le chitosan modifié est utilisable : - comme composant dans les préparations cosmétiques, - comme agent de séquestration des métaux lourds avec formation d'un complexe insoluble, - pour la préparation de films, de fils, de fibres, de revêtements. L'invention sera plus complètement décrite a l'aide des exemples suivants qui ne doivent pas être considérés comme limitatifs de l'invention. Exemple 1 1. Purification du chitosan On dissout 40 g de chitosan technique (de la Société SIGMA) dans 3 litres d'une solution aqueuse d'acide acétique a 4 % (p/v). La solution est filtrée sur un tamis dont la maille est de 125 microns. Le chitosan est précipité par addition d'une solution aqueuse de soude à 25 % jusqu'a pH 9-11 puis séparé par filtration puis lavé sur tamis par de l'eau distillée et enfin par de l'éthanol absolu. Le précipité fibreux est pressé pour extraire le maximum de solvant puis il est dispersé dans 1 litre d'éthanol absolu. Le mélange est chauffé a 800C pendant 2 heures. Après filtration, le chitosan purifié est séché sous pression réduite a 600C.On obtient ainsi 35 g de chitosan purifié dont les caractéristiques sont les suivantes - spectre infrarouge (å partir de comprimés en mélange avec KBr) : principales bandes d'absorption caractéristiques & 3400, 2900 et i650 cm l, - masse moléculaire moyenne : supérieure a 500.000. La masse moléculaire moyenne est déterminée par chromatographie liquide å haute performance en utilisant 5 colonnes de 50 cm de long remplies de glycophase G/CPG (N.D. Pierce) de porosité 3125 (2 colonnes), 1902, 1038 et 547 A. La phase mobile est un tampon acétate de sodium 0,2 M et acide acétique 0,33 M & pH = 4,2. Le débit est de 1 cm3/minute et la détection se fait par réfractométrie. L'étalonnage est fait par des étalons de dextran (de la Société SIGMA) de masse moléculaire de 506.000 à 110.000. - pourcentage de désacétylation : environ 80 t des cycles osidiques du chitosan purifié contiennent une fonction amine primaire libre. Le pourcentage de désacétylation est déterminé de la manière suivante : un échantillon de chitosan réduit en poudre (particules de 20 microns environ) est mis en suspension dans un mélange eau-diméthylsulfoxyde (9-1 en volumes) dont le pH est amené & il par addition de soude 0,1 N. Le dosage potentio étrique est effectué par de l'acide chlorhydrique 0,1 N. - analyse élémentaire C % = 40,90 H t = 6,76 N % = 7,52 O % = 44,82 2. Hydrolyse acide du chitosan purifié On dissout 25 g de chitosan purifié dans 650 cm3 d'acide chlorhydrique 0,5 N. La solution est chauffée dans un bain d'huile à 980C pendant 18 heures. Après refroidissement, le chitosan est précipité lentement par addition de soude 5 N jusqu'a ce que le pH du milieu réactionnel atteigne 10. Les sels formés sont éliminés par dialyse. Le chitosan hydrolysé est séparé par filtration ou centrifugation, lavé par de l'éthanol absolu puis séché sous pression réduite a 60 C. On obtient ainsi 21 g de chitosan hydrolysé dont les caractéristiques sont les suivantes - masse moléculaire moyenne : voisine de 13.000 (détermination dans les conditions décrites précédemment en utilisant 4 colonnes de 50 cm de long remplies de glycophase G/CPG (N.D. Pierce) de porosité 1902, 1038, 547 et 242 À et des étalons de dextran (de la Société SIGMA) de masse moléculaire de 110.000 à 9.000. - analyse élémentaire : Ci = 40,13 H t = 6,76 N t = 7,72 o t = 45,39 3. Condensation du décanal sur le chitosan hydrolysé On dissout 1 g de chitosan hydrolysé dans 20 cm3 d'une solution aqueuse d'acide acétique & 10 t. Le pH est ajusté à 4,5 par addition d'une solution de soude 5N puis on ajoute 40 cm3 de méthanol et 23 cm3 de décanal. Le mélange réactionnel visqueux est agité pendant 18 heures à une température voisine de 200c. Le produit de condensation est extrait & l'acétone dans un appareil de Soxhlet pendant 5 heures.Après séchage sous pression réduite & 350C, on obtient 1,48 g du produit de condensation décanal-chitosan dont les caractéristiques sont les suivantes - spectre infrarouge (détermination a partir de comprimés en mélange avec KBr) : principales bandes d'absorption caractéristiques à 3450, 2930 et 2860 cl'1, - pourcentage de fixation du décanal : 60-65 t. La détermination est effectuée après réduction de la liaison imine par le borohydrure de sodium en milieu éthanol-eau (1-1 en volumes). Le pourcentage de groupements amines secondaires est déterminé par dosage potentiométrique du dérivé réduit dissous en milieu acide acétique-éthanol (2-1 en volumes) en titrant par l'acide perchlorique 0,1 N. 4. Acétylation du produit de condensation décanal-chitosan On disperse 1 g du produit de condensation décanal-chitosan dans 25 cm3 de pyridine anhydre. On ajoute 5 cm3 d'anhydride acétique. Le mélange réactionnel est agité pendant 24 heures à une température voisine de 200C. Après évaporation de la pyridine, le résidu est repris deux fois par du toluène puis mis en suspension dans du pentane. La suspension est filtrée puis lavée 3 fois avec une solution de soude 0,1 N puis rincée 9 l'eau distillée jusqu'à neutralité. Après transfert dans un ballon, le produit est séché par entraînement de l'eau & l'acétone. Le produit obtenu est purifié par centrifugation å 16.000 tours/minute après dissolution dans 50 cm3 d'acétone. Après évaporation du surnageant, le résidu obtenu est lavé sur verre fritté nO 3 avec de l'éther éthylique. On obtient ainsi 1,075 g de produit de formule générale (I) constitué de l'arrangement statistique des motifs de formule : dont les caractéristiques sont les suivantes - pourcentage de fixation de l'aldéhyde : 60-65 % - pourcentage d'acétylamino : 15 à 35-40 % - spectre infrarouge (détermination à partir de comprimés en mélange avec KBr) : principales bandes d'absorption caractéristiques & 3400, 2920-2830, 1750-1230, 1680, 1640 et 1540 cm-@ - spectre de résonance magnétique du 13 C (90 MHZ chloroforme deutéré - déplacement en ppm) : 170 (CO de l'acétyle) - 169 (CH=N) - 102 (C-1) - 72,73 et 75,5 (C-2, C-3, C-4 et C-5) - 62,5 (C-6) - 31,8 (CH2 en 2') - 29,4 (CH2)s de la chaîne aldéhydique - 25 (CH2 de CH3CO) - 22,6 (CH2 en 9') - 20,8 (CH2 en 3') - 14,0 (CH3 EN 10') - analyse élémentaire : C t = 61,00 H t = 8,17 N % = 3,28 O % = 27,55 - masse moléculaire Mw = 15300 avec indice de polydispersité de 7,14. La masse moléculaire Mw est déterminée par filtration sur gel en utilisant 6 colonnes en série : une précolonne de 5 cm de long (PL gel de 100 A), une colonne de 50 cm (Shodex A 801), une colonne de 30 cm (PL gel 106 A), une colonne de 60 cm (PL gel 100 l) et deux colonnes mixtes de 60 cm (PL gel). La chromatographie est effectuée dans le dichlorométhane avec un débit de 1,5 cm3/minute. La détection se fait par réfractométrie. On utilise des étalons de polystyrène de Mw 100 à 4.106. Le produit est soluble dans l'acétone (30 à 40 t en poids) l'éthanol (15 % en poids) et le dichlorométhane (10 % en poids). 5. Utilisation pour former un film On dissout 40 g de chitosan obtenu dans les mêmes conditions que précédemment dans 100 ml d'un mélange éthanol-dichloro 1,2 ethane (50/50 en poids). On ajoute 5 t en poids & la solution précédente de triacétate de glycérol (plastifiant alimentaire). On coule la solution obtenue sur une plaque de polyéthylène. On laisse évaporer le solvant à l'air libre. On obtient un film ayant une épaisseur variant de 50 à 120 microns. On découpe 8 éprouvettes Hz. On leur fait subir des tractions de 1 mm/mn dans un appareil INSTRON. On mesure les propriétés mécaniques suivantes - module d'élasticité : 230 + 50 MPa - caractéristiques a la rupture force : 1,8 + 0,8 N contrainte : 6,3 1,8 MPa allongement : 4,7 + 2 t A l'examen au microscope électronique n'apparait ni fissure ni porosité autant sur le film sans plastifiant qu'avec plastifiant. Exemple 2 à 6 En opérant comme dans l'exemple 1, a partir de 1 g de chitosan hydrolysé, et en utilisant différents aldéhydes aliphatiques, les résultats qui sont obtenus sont rassemblés dans le tableau 2. L'organosolubilité qui correspond à la fraction des produits organosolubles d'un produit brut issu de l'enchaînement réactionnel est déterminée en mettant 10 g de produit brut broyé dans 100 g de solvant et en mesurant la quantité de produit qui se solubilise. Tableau 2 Exemples Aldéhyde Pourcentage Poids du Poids du Masse de fixation produit de produit de moléculaire solubilité de l'aldéhyde condensation condensation dans aldéhyde- aldéhyde- l'acétone chitosan chitosan acétylé 2 Propanal (9cm3) 59 1,20g 0,160g 20 3 Pentanal (13cm3) 63 1.36g 0.580g 14 500 65 4 Heptanal (17cm3) 61 1,49g 0,965g 17500 100 5 Dodécanal (27cm3) 58 1,70g 0,900g 80 6 Tétradécanal 59 1,82g 0,600g 50 (25 g) Exemple 7 On dissout 1 g de chitosan hydrolysé dans 20 cm3 d'une solution aqueuse d'acide acétique b 10 t. Le pH du milieu est ajusté à 4,5 par addition d'une solution de soude 5 N. On ajoute 10 cm3 de méthanol puis une solution de 18 g d'hydroxy-4 méthoxy-3 benzaldéhyde dans 30 cm3 de méthanol. Le mélange réactionnel vert foncé est agité pendant 18 heures å une température voisine de 200C. Le précipité formé est extrait à l'acétone dans un appareil de Soxhlet pendant 5 heures. Après séchage à 350C sous pression réduite, on obtient 1,65 g du produit de condensation de l'hydroxy-4 méthoxy-3 benzaldéhyde avec le chitosan hydrolysé qui est acétylé dans les conditions décrites dans l'exemple 1. Après purification, on obtient 0,990 g de produit de formule générale (I) constitué de l'enchaînement statistique des motifs de formule dont les caractéristiques sont les suivantes - solubilité dans l'acétone d'au moins 95 g/l - pourcentage de fixation de l'aldéhyde : 60-65 % - pourcentage d'acètylamino : 15 à 35-40 % - spectre infrarouge (détermination à partir de comprimés en mélange avec KBr) : principales bandes d'absorption caractéristiques à 3400, 2945-2873, 1745-1227, 1691, 1647 et 1602-1507 cm-1 - spectre de résonance magnétique nucléaire du 13C (90 MHz chloroforme deutéré - déplacement en ppm) : 170,1 (CO de l'acétyle) - 152 (C-5') - 151,8 (C-4') - 135,3 (C-2') 124,6 (C-7') - 123,4 (C-6') - 111,0 (C-3') - 102,2 (C-1) 75,9 à 72,4 (C-2, C-3, C-4 et C-5) - 62,5 (C-6) - 56,1 (CH3-o). REVENDICATIONS 1. Nouveaux dérivés organosolubles du chitosan caractérisés en ce qu ils sont constitués par l'enchainement statistique de motifs de formule dans lesquelles - R représente un radical alkylcarbonyle contenant 2 å 4 atomes de carbone - R2 représente un radical alkyle contenant 2 à 21 atomes de carbone ou un radical phényle éventuellement substitué par un ou plusieurs radicaux identiques ou différents choisis parmi les radicaux hydroxy ou alcoxy - R3 représente un atome d'hydrogène ou un radical alkylcarbonyle contenant 2 à 4 atomes de carbone - R4 représente un atome d'hydrogène ou un radical alkylcarbonyle contenant 2 à 4 atomes de carbone 2.Nouveaux dérivés selon la revendication 1 caractérisés en ce que leur masse moléculaire moyenne est comprise entre 10.000 et 110.000 et de préférence entre 10.000 et 30.000. 3. Nouveaux dérivés selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils sont composés de 60 à 100 t de motifs répondant à la formule (Ia) 0 à 40 t de motifs répondant à la formule (Ib) 4. Nouveaux dérivés selon la revendication 1 caractérisés en ce que R, et R3 représentent le groupe acétyle. 5. Nouveaux dérivés selon la revendication 1 caractérisés en ce que R représente un groupe alkylé ayant 5 à 12 atomes de carbone. 6. Nouveaux dérivés selon la revendication 1 caractérisés en ce que R4 est identique a Rl. 7. Procédé de préparation des nouveaux dérivés du chitosan selon la revendication 1 caractérisé en ce que - dans une première étape, on fragmente un chitosan desacétylé à plus de 70 %, - dans une deuxième étape, on condense un aldéhyde aliphatique ou aromatique sur le chitosan issu de la première étape, - dans une troisième étape, on estérifie le chitosan issu de la deuxième étape. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la fragmentation est effectuée par hydrolyse au moyen d'un acide fort choisi parmi l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, les acides minéraux supportés. 9. Procédé selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que l'on hydrolyse 25 & 50 g de chitosan par litre d'acide d'acidité 0,5 à 1 N. 10. Procédé selon les revendications 7 & 9 caractérisé en ce que l'hydrolyse est effectuée à une température comprise entre 80 et 1200 C. 11. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'aldéhyde utilisé au cours de la deuxième étape répond à la formule R2-CHO (II) dans laquelle R2 représente un groupe alkyle ayant 3 à 14 atomes de carbone ou un groupe phényle substitué par un groupe hydroxy et/ou méthoxy. 12. Procédé selon la revendication 7 et il caractérisé en ce que la deuxième étape est effectuée dans un solvant hydro-alcoolique. 13. Procédé selon la revendication 7 et 11 à 12 caractérisé en ce que la condensation est effectuée à un pH compris entre 5,5 et 6. 14. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le rapport molaire de l'aldéhyde par rapport au monomère osidique moyen du chitosan hydrolysé est supérieur a 15 et de préférence d'environ 20. 15. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la condensation est effectuée & une température comprise entre 10 et 500C et de préférence entre 10 et 300C. 16. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la troisième étape est réalisée avec un acide ou un dérivé d'acide de formule (III) (RCO)n A (III) dans laquelle n est égal à I ou 2 A est égal à un groupe hydroxyle ou un halogène quand n = 1 A est égal à l'oxygène quand n est égal à 2 R représente un groupe alkyle ayant 1 & 3 atomes de carbone et de préférence 1. 17. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que le dérivé d'acide de formule (III) est l'anhydride acétique ou le chlorure d'acétyle. 18. Procédé selon les revendications 7 et 16 caractérisé en ce que la condensation est effectuée dans la pyridine. 19. Utilisation des chitosans selon la revendication 1 en cosmétologie. 20. Utilisation des chitosans selon la revendication 1 pour la complexation des métaux. 21. Utilisation des chitosans selon la revendication 1 pour la préparation de film, de fibres ou de revêtements.