Brevet FR2688780A1 — publié le 19930924

PROCEDE D'OXYDATION SELECTIVE D'UN SACCHARIDE La présente invention concerne un procédé d'oxydation sélective d'un saccharide comportant un groupe terminal réducteur aldéhydique ou hémiacétalique, dans lequel ledit groupe terminal est sélectivement oxydé respectivement en un groupe carboxylique(-CO2H-) ou en groupe lactone(-C02-). L'état de la technique comporte déjà de tels procédés d'oxydation sélective du groupe terminal hémiacétalique d'un saccharide, dans lesquels les groupes hydroxyle ne sont pas oxydés. Ainsi le brevet EP 0233816 (Roquette Frères) divulgue un procédé d'oxydation d'aldoses et notamment du D-glucose en acides aldoniques correspondants, procédé dans lequel l'oxydation est réalisée en milieu alcalin, au moyen d'un gaz contenant de l'oxygène, en ayant recours à un catalyseur constitué d'au moins un des métaux des groupes IV, V et VI et de palladium déposé sur support inerte De préférence lesdits métaux sont le bismuth, le plomb, l'antimoine, l'étain ou le sélénium. La demande de brevet EP 0232202 (Roquette Frères) divulgue un procédé d'oxydation sélective de di-, tri-, oligo- et polysaccharides comportant une fonction terminale réductrice, telle qu'on la trouve chez les aldoses, en acides polyhydroxycarboxyliques, procédé dans lequel l'oxydation est réalisée en milieu alcalin, au moyen d'un gaz contenant de l'oxygène, en présence d'un catalyseur à base de métal noble choisi dans le groupe constitué par le palladium, le platine, le rhodium et l'osmium, fixé sur support inerte, ledit catalyseur étant dopé à l'aide d'un ou plusieurs métaux des groupes IV, V ou VI de la classification périodique. Comme le rappellent les deux documents ci-dessus, les acides aldoniques et les acides polyhydroxycarboxyliques peuvent être avantageusement employés comme agents chélatants des métaux, comme agents destinés au lavage des articles en verre et en métaux ou comme additifs pour des détergents, médicaments ou encore comme additifs alimentaires. Ainsi le gluconate de sodium est utilisé pour le décapage des surfaces métalliques, comme retardateur de prise dans les liants hydrauliques et comme adjuvant pour les bétons. Les deux procédés ci-dessus comportent les inconvénients inhérents aux moyens mis en oeuvre pour leur réalisation. Tout d'abord ils nécessitent chacun des catalyseurs à base de métaux nobles, donc coûteux en investissement. Le dopage est effectué par des métaux lourds pouvant contrarier l'utilisation industrielle des produits obtenus notamment dans leur utilisation dans les domaines alimentaires ou pharmaceutiques. L'hétérogénéité du milieu réactionnel nécessite la filtration du catalyseur avant toute récupération du produit final. Le gaz contenant de l'oxygène est insufflé dans le milieux alcalin ce qui peut entraîner la formation de mousses gênantes. Le milieu alcalin peut entraîner l'isomérisation de certains saccharides instables à des pH élevés. H.S.Isbell et Coll.,J.Rés.Natl.Bur.,l932,8,327 et615;ibid.,1933,10,337;ibid.,1937,18,141;ont montré que le D-glucose et d'autres aldohexoses et aldopentoses, sont directement oxydés par du brome, en solution aqueuse, pour donner des delta-lactones s'isomérisant en gamma-lactones thermodynamiquement plus stables. Cependant, cette oxydation par le brome présente l'inconvénient de nécessiter théoriquement une mole de Br2 par mole de fonction hémiacétalique à oxyder en lactone suivant la réaction -CH(OH)OR + Br2 2HBr + -C(O)-OR. De plus, la formation de 2 moles de HBr par mole de composé lactonique a pour effet d'augmenter rapidement l'acidité du milieu réactionnel. D. Miljkovic et Coll., ZB Matice Srp. Prit. Nanke, 1989, 77,89-93, décrivent l'oxydation du D-glucose par un mélange de peroxyde d'hydrogène et d'iode en tant que catalyseur, en présence de carbonate de calcium. Le meilleur rendement en D-gluconate de calcium (18,8 %) est obtenu pour un rapport molaire H202/D-glucose de 5/1. L'augmentation du rapport molaire provoque une diminution du rendement en D-gluconate de calcium résultant vraisemblablement d'une suroxydation de l'acide Dgluconique. Par comparaison, le meilleur rendement obtenu par oxydation par l'iode en l'absence d'H202 a été de 59,5 % pour des rapports molaires D-glucose/I2/CaCO3 égaux à 1/1/2. Ces auteurs ont constaté que le D-fructose n'était pas oxydé dans les conditions d'oxydation optimale du D-glucose par le mélange H2 02+12 Ces auteurs concluent en estimant que le rendement optimal en D-gluconate de calcium s'obtient pour une oxydation du D-glucose par une quantité stoechiométrique d'iode élémentaire à 900C pendant 3 heures, en milieu neutre. Ainsi la comparaison des rendements ci-dessus, soit 59,5 % pour l'oxydation par l'iode seulement et 18,8 % pour l'utilisation du couple I2/H202,indique clairement que l'iode seul est nettement plus performant que le mélange H202 et iode. Le but de la présente invention est de définir un procédé d'oxydation sélective de la fonction terminale réductrice d'un saccharide, qui n'aurait pas les inconvénients évoqués ci-dessus, tout en conduisant à un rendement satisfaisant pour permettre un développement industriel. Ce but est atteint selon la présente invention par un procédé d'oxydation sélective d'un saccharide comportant un groupe terminal réducteur aldéhydique ou hémiacétalique, dans lequel ledit groupe terminal est sélectivement oxydé respectivement en un groupe carboxylique (-CO2H) ou en un groupe lactonique (-COO-), caractérisé en ce qu'on fait réagir en solution aqueuse ledit saccharide avec du peroxyde d'hydrogène et un composé halogéné choisi parmi l'acide bromhydrique et le brome. De manière inattendue, le fait de choisir le brome ou l'acide bromhydrique à la place de l'iode, en présence de H202, comme le montreront plus en détail les exemples qui vont suivre, permet d'obtenir de bien meilleurs rendements, même non-optimisés. C'est ainsi que le D-gluconate de calcium est obtenu avec un rendement non optimisé en produit recristallisé de 92 % par rapport au Dglucose mis en réaction. De préférence, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre en maintenant le milieu réactionnel à un pH compris entre 0,5 et 7. De manière encore plus préférée le pH est maintenu entre 0,5 et 4. Avantageusement, la température du milieu réactionnel est maintenue entre 20 et 600C. Préférentiellement le rapport molaire peroxyde d'hydrogène/brome est compris entre 1 et 200. D'une manière également préférée, le rapport molaire peroxyde d'hydrogène/HBr est compris entre 0,5 et 100. Avantageusement, le rapport molaire du peroxyde d'hydrogène/ledit groupe terminal est compris entre 5 et 1. Le terme saccharide comprend les mono-, di-, polysaccharides solubles dans l'eau à des concentrations en poids comprises entre 50 et 200 g pour 100 g d'eau. Le saccharide est choisi d'une manière préférée parmi les aldopentoses, les aldohexoses, les disaccharides ou encore un hydrolysat d'amidon ayant un degré de polymérisation (DP) de 1 (par exemple le glucose) à un DP de 20, comme par exemple les sirops de glucose utilisés dans le brevet EP 0232202. La présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants donnés à titre purement illustratif. Le peroxyde d'hydrogène et l'acide bromhydrique sont introduits sous forme de solution aqueuse dont le titre (par exemple 30%) exprime la masse en grammes de H202 ,ou d'HBr pour 100 grammes de solution. EXEMPLE 1 Oxvdation du D-glucose en acide D-qluconique Dans une enceinte fermée (flacon à vis de 500 ml), du D-glucose (lOg, 55 mmol) est dissous dans une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (30 % , 5 ml, 49 mmol) avec une agitation magnétique et à température ambiante de 200C. De l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 %, 2 ml, 13,6 mmol) est ajouté en une fois, tout en poursuivant l'agitation. Après 24 heures, une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène est ajoutée (70 % , 2,5 ml, 68 mmol) et la réaction est poursuivie encore 24 heures. Puis la solution obtenue est additionnée d'eau (25 ml) et débarrassée du brome résiduel par barbotage d'air, avant d'être additionnée d'hydroxyde de calcium (2g), chauffée et concentrée sous pression réduite jusqu'à un volume d'environ 20 ml. Le gluconate de calcium, qui cristallise spontanément de la solution au bout de quelques heures, est isolé par filtration et recristallisé dans l'eau. On obtient 11 g (92 %) d'un produit ayant les caractéristiques suivantes (alpha20 = + 8,50 (c = 3, eau) RMN 13C (D20, pH = 7, Me2CO, delta 31,04) 178,7 (C-l) ; 74,4 , 72,6 , 71,3 , 70, 9 (C-2 à C-5); 62,7 (C-6). A titre de comparaison la littérature donne pour l'acide D-gluconique les valeurs suivantes [alpha]D = + 8,50 (H2O) Hudson and Isbell J. Am. Chem. Soc,1929,51, 2225. RMN13C (pH 14):delta 179,8 (C-l) ; 75,2 ; 73,8 ; 72,4; 72,0 (C-2 à C-5) ; 63,6 (C 6). Isbell, Carbohydr. Res.,1981,90, 123 EXENPLE 2 Oxvdation du D-xvlose en acide D-xvloniaue isolé sous la forme de xvlonate d'ammonium Dans une enceinte fermée (flacon à vis de 500 ml), le D-xylose (8 g, 53,3 mmol) est dissous dans une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (30 % , 5 ml, 49 mmol) avec agitation magnétique à température ambiante. De l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 % , 1 ml, 6,8 mmol) est ajouté en une fois à température ambiante de 200C, tout en poursuivant l'agitation. Après 24 heures une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (30 % 5 ml, 49 mmol) est ajoutée et la réaction est poursuivie encore 24 heures. On rajoute ensuite H202/eau (30 %, 5 ml) et HBr (40 % , 0,5 ml, 3,4 mmol) et on laisse 72 heures. 13 On réalise alors un spectre R.M.N. C (D20, pH 2,Me2CO, delta 31,04) sur une aliquote du mélange réactionnel. Le spectre permet de déterminer qu'au moins 85 % du D-xylose de départ a été transformé en acide Dxylonique (comparaison des intensités des pics du D-xylose : delta 97,5 et 93,1 (C-l) ; 66,1 et 61,9 (C-6) avec les pics 177,9 et 176,5 (C-l) ; 63,3 et 59,9 (C-6) des formes acide aldonique correspondantes. Le brome résiduel est alors éliminé par barbotage d'air, puis la solution est additionnée d'ammoniaque (20 %) jusqu'à pH 9. Le sel d'ammonium, qui cristallise de la solution, est isolé par filtration (6,9 g, 70,3 %). Une seconde cristallisation, après concentration des eauxmères, permet de récupérer encore du xylonate d'ammonium (1 g, 10,2 %) ce qui conduit à un rendement global de 80,5 %. Ce sel a les caractéristiques suivantes [alpha]D = + 1800 (c = 3, H20) P.F. = 121 C. A titre de comparaison la littérature (Zinner, Voigt et Voigt, Carbohydr. Res.,1968,7, p. 48) donne les valeurs suivantes Ealpha]20 = + 19,10 (c = 2, H20) ; P.F. = 118 1220C EXEMPLE 3 Oxvdation du Maltose en acide maltobionicrue Dans une enceinte fermée (100 ml) contenant du maltose (5g, 13,9 mmol) dissous dans une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (70 % , 5 ml, 136 mmol), est ajouté de l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 % , 0,5 ml, 0,34 mmol). La solution, protégée de la lumière, est laissée sous agitation pendant 48 heures, puis on prélève 13 une aliquote qui est analysée en R.M.N 1 C. Le taux d'oxydation, estimé sur les carbones C-i non anomériques, carbones qui résonent à 100,6 et 100,2 p.p.m. pour la forme oxydée et à 99,8 p.p.m. pour le maltose de départ, est de 61 %. Le volume de la solution réactionnelle est alors réduit environ de moitié sous pression réduite. La solution ainsi obtenue est réadditionnée d'une solution de peroxyde d'hydrogène (70 % , 5 ml, 136 mmol) et d'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 %, 0,5 ml, 0,34 mmol). La réaction est poursuivie à l'abri de la lumière avec une agitation 13 magnétique pendant 48 heures. Une analyse par R.M.N. C sur une aliquote dans les conditions décrites ci-dessus, montre un taux d'oxydation global d'environ 90 % en acide maltobionique. EXEHPLE 4 Oxvdation du maltose en acide maltobionique isolé sous la forme de son sel de brucine Les précautions d'usage sont prises pour tenir compte de la toxicité de la brucine. Dans une enceinte fermée (100 ml) contenant du maltose (5g, 13,9 mmol) dissous dans une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (70 % , 2,5 ml, 68 mmol) est ajouté de l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 % , 0,25 ml, 0,17 mmol). La solution protégée de la lumière, est laissée sous agitation. Après 24 heures, sont ajoutés une solution aqueuse de H202 (70 %, 2,5 ml, 68 mmol) et de l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 % ,0,25 ml, 0,17 mmol). Après 48 heures, un spectre de R.M.N. C, réalisé sur une aliquote du mélange réactionnel, permet de déterminer qu'au moins 85 % du maltose de départ a été transformé en acide maltobionique (comparaison des intensités des pics 99,8 (C-l) pour le maltose et 100,2 et 100,6 (C-l) pour le produit d'oxydation). Le brome résiduel est éliminé par barbotage d'air, puis la solution est additionnée d'eau (20 ml) et de brucine (6g, 13,9 mmol). Les cristaux de sel de brucine sont filtrés (8,2 g, 75 %), P.F. = 151 C, [alpha]D = + 33O (c=1,3 ; H2O) A titre de comparaison la littérature (Carbohydrate, P.M. Collins édit., Chapman 1987) donne les caractéristiques suivantes pour la maltobionate de brucine P.F. = 1530C [alpha]D = + 38,1 (H2O) EXEMPLE 5 Oxvdation de maltodextrines en acides olvhvdroxy-carboxvlisues. Les maltodextrines utilisées ont un degré de polymérisation moyen (DPm) de 5 et proviennent de l'hydrolyse d'un amidon. Elles sont commercialisées sous l'appellation Glucidex 19 par la Société Roquette Frères (France). Dans une enceinte fermée (100 ml) contenant une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène(70%,2,5 mi,68 mmol) sont ajoutées des maltodextrines (5g, 31 mmol d'anhydroglucose correspondant à 5,8 m équivalent. de dextrose) et d'acide bromhydrique(solution aqueuse à 40%, 0,25 ml, 0,17 mmol). La solution fortement visqueuse est agitée magnétiquement à l'abri de la lumière pendant 96 heures à 200C. Une aliquote est alors prélevée et analysée 13 en R.M.N. C comparativement au produit de départ.On note sur le spectre du produit oxydé la disparition des signaux 96(C-1 B) et 92(C-1 alpha) correspondant aux extrémités réductrices hémiacétaliques des oligosaccharides et l'apparition de signaux 176(C-1), 82(C-3) et 62,5(C-6) correspondant à l'oxydation de ces extrémités en aldonolactone. La solution réactionnelle est alors additionnée d'eau (5 ml) et les oligosaccharides sont précipités par addition d'éthanol (100 ml) et filtrés.Le produit solide recueilli est repris par de l'eau (50 ml) et lyophilisé (3,5 g, 70 %). Un titrage potentiométrique, réalisé par addition d'une solution d'hydroxyde de sodium (0,0468 N), en prenant en compte le point d'inflexion de la courbe de neutralisation, permet de déterminer un taux d'acidité globale de 18,6 % en tenant compte de la totalité du brome introduit au départ. Le taux de dextrose équivalent du composé de départ est de 18,8 %, indiquant une conversion pratiquement quantitative des maltodextrines de départ en acides polyhydroxy-carboxyliques. EXEMPLE 6 Oxvdation de maltodextrines en acides Polvhvdroxv-carboxvliaues Les maltodextrines utilisées sont les mêmes que dans l'Exemple 5. Dans une enceinte fermée (100 ml) contenant une solution de peroxyde d'hydrogène (70 %, 2,5 ml, 68 mmol) sont ajoutées des maltodextrines (5g, 31 mmol d'anhydroglucose correspondant à 5,8 m.équivalent. de dextrose) et de l'acide bromhydrique (solution aqueuse à 40 %, 0,25 ml, 0,17 mmol). La solution, fortement visqueuse, est agitée magnétiquement à l'abri de la lumière pendant 96 heures à 200C. Une aliquote est alors prélevée et analysée 13 en R.M.N. C comparativement au produit de départ. On note l'évolution de la réaction d'oxydation comme dans l'Exemple 5 ci-dessus. Afin d'éliminer le brome résiduel, la solution réactionnelle est alors additionnée d'eau (25 ml) et neutralisée par de la soude (0,0468 N, 172 ml). Le produit lyophilisé (5,6 g) est lavé par du méthanol, filtré, redissous dans de l'eau (50 ml) et lyophilisé à nouveau (5,2 g, 100 %). Une microanalyse indique qu'il subsiste 0,08 % de brome résiduel. REVEN! > ICTIONS 1. Procédé d'oxydation sélective d'un saccharide comportant un groupe terminal réducteur aldéhydique ou hémiacétalique, dans lequel ledit groupe terminal est sélectivement oxydé respectivement en un groupe carboxylique (-CO2H) ou en un groupe lactonique (-COO-), caractérisé en ce qu'on fait reagir en solution aqueuse ledit saccharide avec du peroxyde d'hydrogène et un composé halogéné choisi parmi l'acide bromhydrique et le brome. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient ladite solution aqueuse contenant ledit saccharide, H202 et le composé halogéné, à un pH compris entre 0,5 et 7. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit pH est maintenu entre 0,5 et 4. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de la solution aqueuse est maintenue entre 20 et 600C. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport molaire peroxyde d'hydrogène/brome est compris entre 1 et 200. 6. Procédé suivant l'une des revendications i -à 4, caractérisé en ce que le rapport molaire peroxyde d'hydrogène/HBr est compris entre 0,5 et 100. 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport molaire du peroxyde d'hydrogène/ledit groupe terminal est compris entre 5 et 1. 8. Procédé suivant l'une des revendications 1à 7, caractérisé en ce que le saccharide est un aldopentose. 9. Procédé suivant l'une des revendications 1à 7, caractérisé en ce que le saccharide est un aldohexose. 10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le saccharide est un disaccharide. 11. Procédé suivant l'une des revendications l à 7, caractérisé en ce que le saccharide est un hydrolysat d'amidon.