Optimisation des polysaccharides : technique d’immobilisation

Les PSC adsorbées sont soumises à une restriction majeure concernant la non- compatibilité avec certains solvants organiques : le diméthylsulfoxide (DMSO), le

dichlorométhane et le chloroforme sont souvent utilisés par les chimistes pour solubiliser les

échantillons peu solubles dans les solvants traditionnels ; l’acétate d’éthyle, le toluène, le

N,N-dimethylformamide (DMF), le tétrahydrofurane (THF) et le méthyl-t-butyl-ether (MtBE)

correspondent aux solvants les plus communément rencontrés lors des synthèses dans

l’industrie pharmaceutique ; le cyclopentyl-méthyl-ether (CPME) et le 2-méthyl-

tétrahydrofurane sont des solvants verts, alternatifs à l’utilisation de THF et MtBE. Il est

également intéressant de remarquer que ces solvants sont nécessaires à la détermination du mécanisme de reconnaissance chirale en RMN et avec d’autres techniques spectroscopiques.

Un grand nombre de travaux ont permis l’introduction des PSC immobilisées sur le marché en 2004. Elles sont une réelle innovation car elles permettent de favoriser la transposition à l’échelle préparative et d’améliorer le temps de vie des PSC. Les colonnes Chiralpak IA, IB, IC, ID, IE et IF ont permis de développer et diversifier le domaine des séparations chirales en HPLC et SFC. Le contrôle de la cristallinité des phases immobilisées de Daicel affecte surtout l’efficacité et l’asymétrie, mais peu l’énantiosélectivité. Les solvants non traditionnels peuvent être employés pour améliorer la solubilité des composés et apporter

de nouvelles sélectivités [117]. Dans l’industrie, ces phases sont un outil de routine en libre accès pour le contrôle des réactions stéréospécifiques des chimistes [118].

Les différentes procédures d’immobilisation des polysaccharides sont nombreuses et sont rapportées dans la littérature [119, 120]. En 1987, l’équipe d’Okamoto rapporte pour la première fois l’immobilisation de la cellulose tris-(3,5-dimethylphenylcarbamate) sur une silice greffée 3-aminopropyle à l’aide d’un agent bifonctionnel [119, 121]. Le procédé est décrit figure 1.21. La cellulose native est dérivée en cellulose tritylée puis solubilisée dans du chloroforme afin de réaliser sonGpS{WjODVXUIDFHGHODVLOLFHȖ-aminopropyle. Un traitement acide est ensuite appliqué pour régénérer la cellulose avec des hydroxyles libres. Enfin, l’introduction de diisocyanate et 3,5-dimethyl isocyanate constitue un agent réticulant (« cross-linker ») covalent entre les groupements amines de la silice modifiée et les groupements hydroxyles en position 2, 3 et 6 du polysaccharide. On suppose également la possible formation d’un réseau en raison de l’interaction entre l’agent réticulant et les hydroxyles du polymère. En 1994, une procédure régiosélective a été développée, à l’aide d’un agent réticulant 4,4’-diphenylméthane pour immobiliser les polysaccharides via ses groupements hydroxyles [122]. Cependant, ces PSC montrent des capacités de reconnaissance chirale faibles par rapport à leurs homologues adsorbés.

Figure 1.21 : Procédé d’immobilisation de la cellulose tris-(3,5-dimethylphenylcarbamate) développé par Okamoto en 1987 [119]

2) HCl / MeOH

cellulose adsorbée sur la silice ȖDPLQRSURS\OH 1 ) 2) toluène / pyridine (5:1) OR O RO RO O O N H N H O N H O Si O O X C O N X C O N C O N O OTr O H O H O N H₂ Si O O O n CH₃ Cl X : n

En 1996, Enomoto décrit l’immobilisation de l’amylose par réduction du résidu terminal du polymère par SRO\PpULVDWLRQ HQ]\PDWLTXH G¶XQLWp Į-D-glucose-1-phosphate. Deux méthodes sont décrites dans la littérature [123]. La préparation de la PSC immobilisée amylose tris-(3,5-dimethylphenylcarbamate) conduit à des performances équivalentes par rapport à la PSC adsorbée et son utilisation dans les solvants non conventionnels a été démontrée. Le principal avantage de cette procédure est de conserver la structure secondaire de l’amylose lors de l’immobilisation. Cependant, elle n’est pas transposable aux dérivés de la cellulose [124].

En 2001, le procédé d’immobilisation de polysaccharide par réaction avec une fonction allylique a été introduit par Oliveros et Minguillon [125]. Le procédé est décrit figure 1.22. Il met en jeu des polysaccharides mixtes (amylose, cellulose, chitosan) porteurs de

groupements 10-undecenoate (en position 6, il induit la fixation) et 3,5-

dimethylphenylcarbamate (permet la discrimination chirale). Le polysaccharide porteur de groupements allyliques est adsorbé à la surface de la silice, puis immobilisé par voie radicalaire thermique en présence d’azo-bis-isobutyronitrile (AIBN). Les auteurs observent un degré d’immobilisation non optimum probablement dû à la faible réactivité des groupements 10-undecenoate.

Figure 1.22 : Procédé de fixation par réaction du polysaccharide « mixte » avec un gel de silice allyle

Kubota et ses collaborateurs proposent l’immobilisation de la cellulose 4- vinylbenzoate sur une silice modifiée par polymérisation radicalaire [124]. Le procédé est

1)

2)

Immobilisation sur un gel de

silice poreur de groupement allyl

R= de 0,02 à 1,16/3 de 0,87 à 2,15/3 PSC R= O RO RO OR O NHOC C H 3 C H 3 C H 3 N C O C H 3 O H O O H O H O C H 2 ClOC(H 2C)8HC C H 2 ClOC(H 2C)8HC n n

décrit figure 1.23. Il implique la présence de double-liaison dans la structure de la matrice et du polysaccharide. La cellulose dérivée, à l’aide de chlorure de 4-vinylbenzoate, est immobilisée sur une matrice de silice traitée avec du chlorure d’acrylate. Il en résulte des capacités de reconnaissance chirale légèrement plus faibles que son homologue adsorbé, probablement en raison d’une altération de la structure secondaire du polymère.

Figure 1.23 : immobilisation par copolymérisation radicalaire [126]

En 1996, Francotte et al. décrivent différents procédés d’immobilisation :

(i) par réticulation des chaines de polysaccharide porteur de groupements

photopolymérisables, sous l’action d’une lampe à vapeur de mercure. Francotte et Huynh évaluent les performances de trois phases halogénées phenylcarbamate alors que celles-ci sous issues d’une immobilisation photochimique. Les auteurs démontrent l’efficacité de la technique d’immobilisation [127].

(ii) Par réticulation des chaines de polysaccharide, en absence de groupements photopolymérisables, sous l’effet d’un rayonnement UV.

(iii) Par un procédé thermique qui implique la présence du polysaccharide et d’une

quantité importante d’azo-bis-isobutyronitrile.

De manière générale, il a été observé que les capacités énantioséléctives des PSC immobilisées sont plus faibles que les PSC déposées, dans des conditions opératoires comparables. Ceci s’explique par le changement de la configuration de la structure secondaire lors du processus d’immobilisation. Dans le cas du greffage covalent, proposé par Okamoto, le changement de configuration peut s’expliquer par le fait qu’il y ait moins de trois ligands

par unité glycosidique. Cependant, la diversité des conditions opératoires applicables permet à ces phases d’offrir des performances importantes. Certains auteurs rapportent la complémentarité des phases immobilisées et déposées. Zhang et al. comparent la séparation de la bupivacaine sur Chiralpak AD et IA avec une phase mobile acétonitrile-diéthylamine (100:0,1, v/v) et rapportent de meilleurs résultats sur cette dernière [128, 129].

En parallèle du développement de nouvelles PSC polysaccharides, un marché concurrentiel s’est développé avec l’apparition de phases « génériques », qui résultent de l’expiration des brevets relatifs aux colonnes chirales déposées de Chiral Technologies, dont les plus connues sont appelées les « golden 4 » (Chiralpak AD, Chiralcel OD, Chiralcel OJ et Chiralpak AS). Par exemple, Phenomenex introduit Lux Cellulose-1 et Lux Cellulose-3, copies respectives de Chiralcel OD et Chiralcel OJ. ES Industries développe les phases génériques halogénées Epitomize 1K, 1Z. Dr Maisch produit une ligne de colonnes chirales copies des « Golden 4 ». De Klerck et al. ont comparé les capacités énantiosélectives de 12 PSC polysaccharides de différents fabricants en SFC. Les auteurs confirment que les PSC ayant le même SC ne présentent pas les mêmes capacités énantiosélectives et ne sont donc pas directement interchangeables [130].