Dépolymérisation/Reconstruction de la Lignine par catalyse enzymatique et activation C-H – LIDERECO

A l’heure actuelle, le cocktail d’enzymes pour dégrader la lignine ne permet pas d’obtenir pour le moment de larges quantités de synthons SHP, GHP ou HHP. C’est pourquoi nous avons synthétisé ces synthons ainsi que certains dérivés. Nous avons mis au point plusieurs de voies de synthèse en se concentrant d’abord sur les plus courtes. Bien que ces synthèses soient efficaces sur petite échelle (jusqu’à 2 grammes de produit), nous avons rencontré des difficultés en travaillant avec de plus grosses quantités. Plusieurs problèmes sont apparus, dus soit aux prix de certains réactifs/catalyseurs, soit à des réactions secondaires générant des produits non-désirés. Nous avons alors mis au point une nouvelle méthode de préparation des synthons, HHP, GHP et SHP plus longue mais nous permettant de préparer environ 10 grammes de produits.

Des recherches bibliographiques ont été effectuées pour trouver une stratégie adaptée à la synthèse de briques indanones. Afin d’explorer plusieurs stratégies pour la formation d’indanones, nous les avons essayés sur des substrats modèles. Cela a permis d’éliminer plusieurs stratégies de cyclisation non adaptées et a permis de se concentrer sur une stratégie domino d’élimination suivie d’une réaction de Nazarov. La réaction de Nazarov étant la plus complexe dans cet enchaînement, elle a été optimisée sur un substrat modèle. Une fois les conditions de la réaction optimisées, nous avons testé la réaction domino sur les dérivés issus de la lignine.

De plus, grâce à des résultats préliminaires et lors de l’optimisation de la réaction précédente, l’obtention de dihydrochalcones a été constatée en présence d’un partenaire de réaction aromatique suffisamment riche en électrons. Les conditions de la réaction ont été optimisées afin d’obtenir différentes dihydrochalcones.

Une mobilité dans l’équipe du Prof. Schallmey a été effectuée afin de mettre le doigt sur les paramètres à modifier pour augmenter les rendements de dégradation enzymatique de la lignine. De plus, des premiers tests de purification des mélanges issus de la dégradation enzymatique ont été tentés pour étudier la faisabilité d’obtenir les synthons GHP et SHP purs (le HHP est davantage obtenu à partir des coques de noix et non à partir du bois). En ce qui concerne l’amélioration de rendement de dégradation enzymatique, des optimisations du traitement de la réaction notamment sur l’extraction des produits de la réaction ont été effectués. De plus, comme une meilleure compréhension du système et de ses limites est nécessaire, la synthèse de substrats modèles a été réalisée.

Au sujet de l’isolation des produits de dégradation, une technique de chromatographie a été utilisée afin de permettre une séparation des composés d’intérêt du mélange réactionnel complexe. Pour le moment, les conditions de purification ont été mises au point sur des mélanges de molécules commerciales et de synthèse. La transposition de ces conditions à la lignine dégradée est en cours d’étude.

La voie de synthèse la plus rapide (2 étapes) a permis d’obtenir les molécules GHP et SHP ainsi que des dérivés. Les rendements sont bons à excellents. Néanmoins de grandes quantités de GHP et SHP sont nécessaires pour l’étude donc l’utilisation de réactifs coûteux utilisés à grande échelle pose problème. En conséquence, une autre voie de synthèse (3 étapes) a été explorée avec des réactifs moins coûteux et présentent des rendements excellent. Toutefois lors de la montée en échelle des réactions parasites apparaissent ce qui rend difficile l’obtention des produits désirés en grande quantités. Finalement une troisième voie de synthèse plus longue (5 étapes), simple avec des réactifs peu coûteux a été mise au point, ce qui permet d’obtenir de larges quantités de HHP, GHP et SHP pour les valoriser.

Pour la synthèse d’indanones, plusieurs stratégies de cyclisation ont été essayées mais grâce à des études préliminaires, les efforts se sont concentrés sur une réaction domino d’élimination suivie d’une réaction de Nazarov. Cette réaction permet d’obtenir les indanones désirés en une étape de synthèse. Ainsi, après optimisation de la réaction de Nazarov sur un composé modèle, des indanones dérivés des produits de dégradation de la lignine ont été obtenus avec des rendements modérés à bons. En utilisant des conditions similaires et en présence d’un partenaire de réaction aromatique suffisamment nucléophile, il est possible d’obtenir des dihydrochalcones à partir des mêmes substrats modèles. Les conditions de réactions ont été optimisées pour la réaction d’hydroarylation et ont permis d’obtenir une variété de dihydrochalcones. Le HHP, le GHP et le SHP ont également été utilisés et ont donné les dihydrochalcones attendues avec de bons rendements.

Lors de la mobilité en Allemagne, l’expertise acquise en France a permis la synthèse de substrats modèles pour étudier l’efficacité de diverses β-étherases avec de très bons rendements.

Une optimisation du traitement de la dégradation enzymatique a également été effectuée et a permis de diminuer la quantité de solvant d’extraction utilisés. Lors de cette étude, nous avons constaté que l’un des solvant permettait de séparer une partie des composés non désirés et donc serait intéressant pour l’isolation des composés cibles.

La purification de mélanges de produits connus obtenus après dégradation a été testée à partir d’un mélange de composés commerciaux ou de synthèse. Des conditions de séparation efficaces par chromatographie sur colonne de silice ont pu être trouvées.

Pour la suite du projet, il faudra montrer l’utilité que peuvent avoir les motifs choisis pour d’éventuelles applications. Dans ce but, une étude de post-fonctionnalisation sera effectuée afin d’obtenir des précurseurs de molécules naturelles et/ou bioactives. Les cibles choisies sont notamment les coumarines, les indènones, les halonaphtols par exemple. Nous nous intéresserons à la synthèse d’une molécule pharmaceutique, le donepezil, qui est un traitement contre la maladie d’Alzheimer et à la synthèse d’une molécule naturelle, l’aurantio-obtusine, qui est un potentiel traitement contre l’obésité.

D’autres motifs sont possiblement accessibles à partir des composés dérivés de la lignine comme les chromanones et les néoflavanes. Nous tenterons de trouver des conditions permettant de préparer ces composés par cyclisation des synthons HHP, SHP et GHP dans un processus de « fonctionnalisation C-H ».

L’utilisation de ressources pétrolières, non durables, provoque l’accumulation de CO2, qui est une des causes du réchauffement de la planète. Afin d’éviter cette catastrophe, l’Homme doit modifier ses habitudes et se tourner vers l’utilisation de sources alternatives durables. La biomasse lignocellulosique constitue une source de carbone durable et bon marché. Alors que la partie cellulose a fait l’objet de nombreuses études pour sa conversion en produits de faible masse moléculaire, la partie lignine est encore peu exploitée. Dans ce projet collaboratif entre l’Allemagne et la France, nous souhaitons développer des procédés permettant de préparer des molécules à haute valeur ajoutée à partir de la lignine dérivée du bois et déchets agricoles. L’extrait de lignine sera d’abord dégradé par voie biocatalytique en molécules plus petites à structure bien définie et ces dernières seront ensuite transformées en molécules à haute valeur ajoutée par des procédés catalytiques d’activation C-H.