Synthèses éco-compatibles de nouveaux fongicides par chimie radicalaire

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chimie radicalaire

Claire Imbs

To cite this version:

Claire Imbs. Synthèses éco-compatibles de nouveaux fongicides par chimie radicalaire. Génie chimique. Université de Technologie de Compiègne, 2018. Français. �NNT : 2018COMP2457�. �tel-02069396�

Par Claire IMBS

Thèse présentée

pour l’obtention du grade

de Docteur de l’UTC

Synthèses éco-compatibles de nouveaux fongicides

par chimie radicalaire

UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE

DE COMPIÈGNE

École doctorale des Sciences pour l’ingénieur

ÉCOLE SUPÉRIEURE DE CHIMIE ORGANIQUE ET MINÉRALE

THÈSE DE DOCTORAT

Pour l'obtention du titre de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE TECHNOLOGIE DE COMPIÈGNE

Discipline : Sciences chimiques

Présentée et soutenue par

Claire IMBS

Le 18 décembre 2018

SYNTHÈSES ÉCO-COMPATIBLES DE NOUVEAUX FONGICIDES

PAR CHIMIE RADICALAIRE

Directrice de thèse : Dr. Estelle LÉONARD-BANASZAK, TIMR, EA4297 UTC/ESCOM, Compiègne

Composition du jury :

Rapporteurs : Pr. Philippe BERTUS, Université du Mans, Le Mans Pr. Philippe JACQUES, Gembloux Agro-Bio Tech – University of Liège, Gembloux (Belgique)

Examinateurs : Dr. Muriel BILLAMBOZ, Yncrea Hauts de France, Lille Dr. Magali DELEU, Gembloux Agro-Bio Tech –

University of Liège, Gembloux (Belgique)

« Le rôle de l’infiniment petit est infiniment grand » Louis PASTEUR

À ma famille, À mes amis,

REMERCIEMENTS

Ce travail a été effectué au sein du laboratoire de Transformations Intégrées de la Matière Renouvelable (TIMR), dirigée par le Pr. André Pauss, puis par le Pr. Isabelle Pezron.

Je tiens à les remercier chaleureusement pour leur accueil et leur soutien tout au long de ma thèse.

Ces travaux ont été réalisés et financés par l’Ecole Supérieure de Chimie Organique et Minérale (ESCOM Chimie) de Compiègne, dirigée par le Dr. Georges Santini, puis par le Dr. Gérard Bacquet. Je leur exprime ma profonde gratitude pour leur accueil au sein de l’Ecole et leur accompagnement.

Je remercie respectueusement les membres de ce jury, le Pr. Philippe Bertus, le Pr. Philippe Jacques, le Pr. André Pauss, le Dr. Muriel Billamboz, le Dr. Magali Deleu et le Dr. Antoine Fayeulle, d’avoir accepté d’évaluer ce travail.

Je tiens tout particulièrement à remercier ma directrice de thèse, également directrice scientifique de l’équipe, le Dr. Estelle Léonard-Banaszak, pour son encadrement, son soutien et ses encouragements en toute situation.

Estelle, je n’oublierais jamais ton sang-froid et ta patience, merci d’avoir si bien repris ma thèse et d’avoir cru en moi tout au long de ces trois années.

Je remercie également le Dr. Antoine Fayeulle, qui m’a chaleureusement accueillie et formée aux techniques de microbiologie au sein du laboratoire d’Activités Microbiennes et Bioprocédés (MAB), dirigé par le Pr. André Pauss.

Merci Antoine de m’avoir si patiemment formée, encadrée et d’avoir gérer tous les aspects microbiologiques de ma thèse. Merci également pour le temps passé aux corrections et relectures nécessaires au manuscrit.

En outre, mes remerciements vont naturellement au Dr. Muriel Billamboz pour m’avoir recrutée, accueillie et avoir encadré mon début de thèse. Merci Muriel d’avoir malgré tout géré avec brio mon changement de thèse.

Mes remerciements vont également au Dr. Audrey Bertault-Drelich pour m’avoir formée et permise de réaliser des tests physico-chimiques au sein de l’équipe Interfaces et Milieux Divisés (IMiD).

Je remercie bien évidemment toutes les personnes ayant participé au bon déroulement de cette thèse, entre autres M. Franck Merlier pour les analyses HRMS et Mme Véronique Dessaux pour tous les aspects administratifs.

Je remercie également tous les organisateurs de la Fête de la Science m’ayant permise de vulgariser la Recherche au sein du Kid’s Lab de BASF. Mmes Fabienne Famchon,

Mes remerciements vont, en outre, à toutes les personnes de l’ESCOM et de l’UTC ayant été à mes côtés durant ces trois années de recherche. L’équipe de recherche et d’enseignement de l’ESCOM, les Drs. Claire Ceballos, Gérald Enderlin, Denis Luart, Nicolas Thiébault, Victorien Jeux et Vincent Terrasson. Merci également à France Higueres, pour ses conseils et encouragements dans la gestion du laboratoire. Une pensée pour tout le personnel administratif, Christine, Claudia, Emilie, Nathalie, Sophie, Emmanuelle, Alexia, Jean-Luc, ainsi qu’à Sarah, partenaire de cours de fitness et de zumba endiablés.

Enfin, j’adresse un grand merci à tous les doctorants, post-doctorants, ingénieurs et techniciens que j’ai eu le plaisir de rencontrer à l’UTC. Hélène, Aurélien, Nesrine, Antoine, Manel, Nicolas, Cristina, Rémy, Nina, Benjamin, Lorine, Franco, Anca, Yantao, Laurine et Aurélie. Également un grand merci aux habitués de la pause du midi, Elias, Edvina, Hervé, Alla et Erwann. Une pensée pour les stagiaires, Joséphine, Monika, Élodie et Andréa, je vous souhaite une très bonne continuation à toutes.

Une pensée particulière au Dr. Sarra Tadrent, ma « copine de galère » m’ayant accompagnée, toujours avec le sourire, tout au long de cette thèse.

Je termine ces remerciements par une grosse pensée à ma famille, merci de m’avoir soutenue et d’avoir toujours cru en moi. Merci à mes parents et mes grands-parents, ma sœur et mon filleul, ainsi qu’au reste de ma famille, oncles, tantes et cousins, toujours présents de près ou de loin.

Merci à mes amis alsaciens, les 89’s, Sophie, Julien et Théophile, mais également Célia, Sidonie et Cyrielle, merci d’avoir rendu mes retours en Alsace si agréables.

Une pensée pour mes amis picards, merci aux écuries du Transloy et du Mont-Hubert pour m’avoir permise de continuer à vivre ma passion. Merci Steffie, Aurélien, Alexe, mais également Laure et tant d’autres.

RÉSUMÉ

Les travaux de recherche présentés ici ont pour objectif la synthèse de fongicides innovants de la manière la plus éco-compatible qu’il soit. Pour cela, plusieurs axes de réflexion ont été étudiés. Tout d’abord, la synthèse d’un intermédiaire de fongicides bien connu, l’o-crésol1, a été réalisée à partir d’un substrat naturel, le salicylaldéhyde2. Les conditions expérimentales ont été éco-conçues afin de correspondre au mieux aux exigences de la chimie verte. Des solvants et des réactifs classés verts ont été utilisés, comme l’éthanol, l’eau et l’acide acétique3

par exemple, ainsi que des techniques alternatives comme l’activation par micro-ondes (Schéma 1).

Dans un second temps, des synthèses éco-compatibles de nouveaux fongicides ont été réalisées. Le salicylaldéhyde, substrat naturel de référence, a été mis à réagir avec différents alcools afin de réaliser des réactions d’éthérifications réductrices. Les molécules obtenues sont composées d’une partie phénolique portant un groupement alcoxyle en position 2. Ce groupement alcoxyle se compose d’une longueur de chaîne variable ayant une influence sur les propriétés fongicides des produits synthétisés (Schéma 1).

Troisièmement, des réactions d’homo- et d’hétéro-couplages pinacoliques ont été réalisées entre divers aldéhydes, aromatiques et aliphatiques, afin d’obtenir des diols vicinaux, appelés pinacols, symétriques ou non (Schéma 1).

Dernièrement, les propriétés fongicides et anti-oxydantes de toutes les molécules obtenues de manière stable, référencées ou non, ainsi que les substrats de départ, ont été testés. Les tests microbiologiques ont été réalisés sur une gamme de diverses souches fongiques.

Schéma 1 : Résumé des travaux réalisés. En noir, les substrats de départ. En rouge les couplages pinacoliques.En vert, les éthérifications réductrices.En bleu, la synthèse de

l'o-ABSTRACT

INNOVATIVE FUNGICIDES GREEN SYNTHESES BY RADICAL CHEMISTRY

The purpose of this research is to synthesize innovative fungicides by the most eco-compatible way. Several hypotheses have been investigated. First, an extensively studied molecule, intermediate of fungicides, o-cresol1, has been achieved from a natural substrate, salicylaldehyde2. The experimental conditions have been eco-designed in the aim to best match green chemistry requirements. Green solvents and reactants have been used, as ethanol, water and acetic acid3 for example, as well as alternative technologies like microwaves activation (Schema 1).

Secondly, novel fungicides green syntheses have been carried out. Salicylaldehyde, a natural substrate model, reacted with various alcohols in the aim to perform reductive etherification reactions. In this way, products were composed of phenolic part with an alkoxyl group at the 2nd position. These alcoxyl groups have various chain lengths, playing a key role in fungicidal ability (Schema 1).

Then, homo and hetero pinacol coupling reactions have been achieved with various aromatic or aliphatic aldehydes to obtain symmetrical and asymmetrical vicinal diols, called pinacols (Schema 1).

At last, fungidal and antioxidant properties of all stable obtained molecules, referenced or not, as well as starting materials, have been evaluated. Microbiological studies have been carried out with various fungal strains.

Schema 1 : Investigated studies abstract. Black is for starting materials. Red is for pinacol coupling. Green is for reductive etherifications. Blue is for o-cresol synthesis and derivated.

Key-words: Fungicide – Microwaves – Natural substrate – Pinacol coupling – Clemmensen

TABLE ALPHABÉTIQUE DES ABRÉVIATIONS

AAO = Activité Anti-Oxydante ACN = Acétonitrile

AcOEt = Acétate d’Éthyle

AEMF = Alcool 5-(ÉthoxyMéthyl)Furfurylique AHB = Alcool 2-HydroxyBenzylique

BMP = 2-(ButoxyMéthyl)Phénol

CCM = Chromatographie en Couche Mince CMI = Concentration Minimale Inhibitrice CPME = CycloPentyl Méthyl Ether

DMP = 2-(DécyloxyMéthyl)Phénol DO = Densité Optique

DPPH = 2,2-DiPhényl-1-PicrylHydrazine. EAR = Efficacité Anti-Radicalaire

EEF = Ether EthylFurfurylique EMP = 2-(ÉthoxyMéthyl)Phénol Éq = Équivalents

FF = FurFural

GC = Chromatographie en phase Gazeuse HEB = 2-(2-HydroxyÉthoxy)Benzaldéhyde HMF = 5-HydroxyMéthylFurfural

HMP = 2-(HexyloxyMéthyl)Phénol

ICP-MS = Spectrométrie de Masse à Plasma à Couplage Inductif (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)

IDM = Inhibiteurs de la DéMéthylation IR = Infra-Rouge

NA = Non atteinte

REACH = Registration, Evaluation, Authorization and restriction of CHemicals RMN = Résonance Magnétique Nucléaire

SDHI = Inhibiteurs de la succinate déshydrogénase (Succinate DesHydrogenase Inhibitors) SQR = Succinate-coenzyme Q Réductase

THF = TétraHydroFurane Ts = Tosyle

TsCl = Chlorure de Tosyle

TsOPEGMe = Sulfonate de 2-[2-(2-méthoxyéthoxy)éthoxy]éthyl-4-méthylbenzène UV = Ultra-Violet

SOMMAIRE

REMERCIEMENTS ... 7

RÉSUMÉ ... 9

ABSTRACT ... 10

TABLE ALPHABÉTIQUE DES ABRÉVIATIONS ... 11

SOMMAIRE ... 13

INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 17

A. Concepts de chimie verte et de développement durable ... 17

B. Fongicides agricoles et phénomènes de résistance ... 19

PARTIE I – Recherche bibliographique ... 21

A. Champignons et fongicides ... 21

1) Généralités sur les champignons ... 21

2) Espèces fongiques étudiées... 22

3) Traitements actuels contre les phytopathogènes étudiés ... 29

4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires ... 37

B. Synthèses chimiques ... 38

1) Choix des substrats naturels ... 38

2) Choix des réactions ... 43

3) Choix de la technique ... 48

4) Choix des paramètres de chimie verte utilisés ... 50

5) Évaluation des activités anti-oxydantes des composés ... 52

PARTIE II – Développement et optimisation des voies de synthèses des composés antifongiques ... 55

A. Synthèses chimiques réalisées ... 56

1) Réactions de couplages pinacoliques... 56

2) Réactions d’éthérifications réductrices ... 63

3) Réactions de réductions de type Clemmensen en absence de mercure ... 80

4) Travail sur le groupement phénolique ... 85

5) Résumé des caractères éco-compatibles des produits obtenus ... 87

2) Évaluations des activités anti-oxydantes du salicylaldéhyde, de l’o-crésol et du

dérivé polyéthylène glycol ... 90

3) Évaluations des activités anti-oxydantes des éthers issus des réactions d’éthérifications réductrices ... 93

4) Évaluations des activités anti-oxydantes des pinacols issus des réactions de couplages pinacoliques ... 96

5) Bilan des évaluations des activités anti-oxydantes ... 99

C. Bilan des composés obtenus et des voies de synthèses optimisées ... 101

PARTIE III – Evaluations des activités antifongiques ... 105

A. Déroulement des tests - Mesure de la densité optique ... 105

B. Déroulement des tests - Calcul des inhibitions ... 107

C. Exemple d’un test général ... 108

D. Évaluations générales des activités fongicides des composés ... 110

1) Évaluations des activités fongicides du salicylaldéhyde, de l’o-crésol et du dérivé polyéthylène glycol ... 111

2) Évaluations des activités fongicides des éthers issus des réactions d’éthérifications réductrices ... 114

3) Évaluations des activités fongicides des pinacols issus des réactions de couplages pinacoliques ... 118

4) Bilan des évaluations générales des activités fongicides ... 120

E. Évaluations des activités fongicides des composés sélectionnés à l’aide de gammes de concentrations ... 124

1) Évaluations à l’aide de gammes de concentrations de l’o-crPEGMe, du 2-(butoxyméthyl)phénol et du 2-(hexyloxyméthyl)phénol ... 124

2) Évaluations à l’aide de gammes de concentrations des pinacols issus des réactions de couplages pinacoliques ... 136

F. Bilan des évaluations des activités fongicides des composés testés ... 141

Conclusion générale et perspectives... 145

PARTIE IV – PARTIE EXPERIMENTALE ... 151

A. Synthèses chimiques ... 151

1) Produits chimiques et solvants ... 151

2) Réacteur à micro-ondes ... 151

3) Analyses par chromatographie en couche mince (CCM) ... 151

4) Traitements par sonification ... 151

6) Analyses par chromatographie en phase gazeuse (GC) ... 152

7) Analyses par spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) ... 153

8) Analyses par spectroscopie infrarouge (IR) ... 153

9) Analyses par spectroscopie ultra-violet (UV)... 153

10) Analyses par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) ... 153

11) Protocoles et caractéristiques des produits synthétisés ... 155

B. Évaluations en microbiologie ... 166

1) Appareils utilisés ... 166

2) Milieu de culture : milieux liquides ... 166

3) Origines des souches fongiques utilisées ... 167

4) Conservation des souches : milieux solides... 168

5) Préparation des inocula pour les tests en microplaques... 168

6) Tests d’inhibition en microplaques ... 170

BIBLIOGRAPHIE ... 175

TABLE DES GRAPHES ... 187

TABLE DES SCHÉMAS ... 189

TABLE DES TABLEAUX ... 191

ANNEXES ... 194

A. Caractérisation des composés synthétisés ... 194

1) (4-Bromophényl)-4,8-diméthylnona-3,7-diène-1,2-diol (1) ... 194 2) (4-Bromophényl)hept-3-ène-1,2-diol (2) ... 196 3) 2-(Hydroxyphényl)hept-3-ène-1,2-diol (3) (Sali-hex)... 198 4) 1,2-bis(2-hydroxyphényl)éthane-1,2-diol (4) (Sali-diol) ... 201 5) 2-Méthylphénol / o-crésol (5) ... 202 6) 1-[2-[2-(2-Méthoxyéthoxy)éthoxy]éthoxy]-2-méthyl-benzène (7) (o-crPEGMe) .. 204 7) 2-(Éthoxyméthyl)phénol (8) (EMP) ... 207 8) 2-(Butoxyméthyl)phénol (9) (BMP) ... 209 9) 2-(Hexyloxyméthyl)phénol (10) (HMP)... 211

B. Résultats des tests microbiologiques ... 214

1) Résultats des évaluations générales des activités fongicides des composés... 214 2) Résultats des évaluations des activités fongicides des composés à l’aide de gammes

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Né en 1972 à Stockholm lors du Premier Sommet des Nations Unies sur l’Homme et l’Environnement, le concept de chimie verte est lié à la prise de conscience de la communauté internationale de l’impact des activités humaines sur l’environnement. Toutefois, ce ne sera qu’une quinzaine d’années plus tard que les conséquences de l’ère industrielle, ayant provoquée le rejet totalement anarchique de substances chimiques et de déchets dans la nature durant de nombreuses années, seront réellement comprises. En effet, la publication en 1987 d’un rapport intitulé « Our Common Future » de la Commission Brundtland, Commission Mondiale sur l’Environnement et le Développement, donnera naissance au développement durable4. La notion de développement durable a été créée dans le but de pouvoir répondre au maximum aux besoins actuels de l’Humanité tout en permettant aux générations futures de pouvoir faire de même.

Le concept de chimie verte est une nouvelle façon de concevoir la chimie dans le but de diminuer les déchets et les rejets de substances nocives, de réduire l’utilisation d’énergie et d’augmenter l’efficacité des synthèses. Chimie plus respectueuse de l’environnement, elle est basée sur douze principes établis par les chimistes Paul Anastas et John Warner en 19985 (Tableau 1).

Parmi les nouvelles techniques utilisées en chimie verte se trouvent les méthodes d’activation dites alternatives. Ce sont principalement l’activation par ultrasons, appelée sonification, et l’activation par micro-ondes6. Ils permettent tous deux une réduction de la puissance de chauffage nécessaire (gain d’énergie de 89 % pour des réactions de Suzuki par micro-ondes par rapport à un chauffage conventionnel7), accompagnée d’une importante réduction des temps de réaction. Selon la nature des synthèses chimiques effectuées, l’une ou l’autre méthode d’activation sera plus appropriée. Dans ces travaux, c’est l’activation par micro-ondes qui a été exploitée, en accord avec le 6ème principe de la chimie verte, l’économie d’énergie (Tableau 1). Les raisons de ce choix et les détails de ce mode d’activation sont pleinement expliqués dans la partie B. Synthèses chimiques (page 38).

La chimie, domaine extrêmement varié, se base essentiellement sur des ressources fossiles, carbonées, et non-renouvelables. Le remplacement de l’utilisation de ces ressources fossiles par l’utilisation de ressources renouvelables a entraîné l’avènement de la chimie du végétal, actuellement une priorité pour la France, située dans les premiers rangs internationaux en tant que producteur de biomasse (Source : HCCA Haut Conseil de la Coopération Agricole)8. La chimie du végétal est une partie essentielle de la chimie verte. En effet, les matières végétales représentent la principale option de remplacement des matières carbonées fossiles. De plus, une réglementation européenne, REACH (Registration,

Tableau 1 : Les douze principes de la chimie verte5.

Principes Descriptions

1 Prévention Privilégier la réduction des déchets à la place d’investir dans des étapes de traitements et/ou d’assainissements.

2 Économie d’atomes Établir des voies de synthèses optimisant l’utilisation des matériaux de départ et intermédiaires.

3 Synthèses chimiques moins nocives

Établir des voies de synthèses minimisant la formation et l’utilisation de matières nocives, toxiques et/ou polluantes.

4 Conception de produits chimiques plus sûrs

Améliorer à son maximum l’efficacité du produit tout en diminuant sa potentielle dangerosité.

5 Réduction des solvants et auxiliaires

Réduire, voir supprimer, autant que possible les solvants et autres produits nécessaires lors de la production.

6 Amélioration du rendement énergétique

Développer des voies de synthèses nécessitant des températures et pressions proches de celles ambiantes.

7 Utilisation de matières premières renouvelables

Réduire autant que possible l’utilisation de matières fossiles non renouvelables.

8 Réduction de la quantité de produits dérivés

Limiter, voir faire disparaître, l’apparition de produits secondaires persistants lors des synthèses.

9 Catalyse Améliorer les conditions de synthèse à l’aide de catalyseurs sélectifs dès que possible.

10 Conception de substances non-persistantes

Produire des produits biodégradables et non toxiques autant que possible. Inclure leur dégradation dans les processus de fabrication.

11 Analyse en temps réel de la lutte contre la pollution

Prévenir la formation de pollution en suivant en temps réel les synthèses. Détecter et quantifier de manière analytique les éventuels polluants dès leur apparition.

12 Chimie essentiellement sécuritaire afin de prévenir

les accidents

Choisir les matériaux et établir des voies de synthèse minimisant tout risque d’accident comme les explosions ou les rejets de produits dangereux par exemple.

En effet, la part des produits chimiques actuellement utilisés ayant subi une évaluation toxicologique, éco-toxicologique et physico-chimique est estimée à seulement 10 %.

Cette réglementation incite ainsi les entreprises à améliorer leurs connaissances de la nature de leurs produits, à réfléchir sur leurs rôles exacts et à d’éventuelles manières de les remplacer lorsqu’ils présentent des toxicités non réglementaires9

. La chimie du végétal est une excellente opportunité pour répondre de manière favorable à cette réglementation. C’est pourquoi l’utilisation de substrats naturels a été privilégiée dans ces travaux (voir 1) Choix

des substrats naturels, page 38).

La protection des cultures agricoles remonte à l’Antiquité, époque où les pertes engendrées par les maladies, mauvaises herbes et insectes entraînaient déjà famines et carences alimentaires. Les moyens de lutte employés étaient rudimentaires, comme par exemple l’application de bouillies composées de soufre et de cuivre permettant de limiter le développement de moisissures10. De ce fait, l’utilisation de moyens chimiques sophistiqués n’a fait son apparition qu’au début du XXème

siècle11.

Les premiers produits phytosanitaires, de nature biologique et chimique, ont permis principalement de lutter contre certains insectes et champignons. En 1943, la France a mis en place une première réglementation de ces produits, n’autorisant que les produits efficaces sur des cultures spécifiques et sans danger pour l’Homme et l’Environnement. Aujourd’hui, les recherches en biologie et chimie organique permettent continuellement d’améliorer leur efficacité tout en limitant autant que possible leur toxicité et leur persistance. Depuis presque 70 ans, leur efficacité a été multipliée par 34 tandis que leur toxicité a été divisée par 8 (Source : UIPP Union des Industries de la Protection des Plantes). La réglementation évolue continuellement. Ainsi, sur quatre molécules utilisées avant 1993, trois d’entre elles n’ont plus l’autorisation d’être utilisées actuellement car elles ne répondent pas aux exigences réglementaires actuelles (toxicité trop forte, activité trop faible, impact trop néfaste sur l’Homme et l’Environnement) (Source : UIPP Union des Industries de la Protection des Plantes).

Les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent principalement sur la conception de fongicides, c’est-à-dire des produits phytosanitaires, appelés aussi pesticides, dont le rôle et de contrôler, repousser, voire éliminer totalement les champignons phytopathogènes.

Les champignons phytopathogènes sont des parasites de plantes s’attaquant aussi bien aux parties aériennes des végétaux qu’aux racines s’ils sont présents dans le sol. Ils représentent la classe de micro-organismes provoquant les impacts économiques les plus importants. Ils peuvent entraîner des pertes drastiques de cultures, voire leur destruction

chez les cellules animales13. La paroi est une cible de fongicides à privilégier afin de perméabiliser la cellule.

La vacuole quant à elle a pour rôle le maintien de l’homéostasie du champignon. Sa dégradation entraîne donc la mort de la cellule, et donc du champignon. Les champignons présentent également une adaptabilité génétique rapide qui entraine l’apparition fréquente de phénomènes de résistance aux fongicides. Ces derniers se doivent donc d’être sans cesse plus innovants (voir A. Champignons et fongicides, page 21).

Dans ce contexte, les travaux présentés ici traitent de la conception éco-compatible de nouvelles molécules fongicides naturels dans le but d’apporter une contribution aux problèmes récurrents de résistance fongique tout en répondant aux exigences de la chimie verte, principalement au 7ème principe avec l’utilisation de matières premières renouvelables (Tableau 1).

PARTIE I – Recherche bibliographique

1) Généralités sur les champignons

Les champignons, aussi appelés mycètes, sont des micro-organismes eucaryotes, pluricellulaires ou unicellulaires, qui ne sont ni des animaux, ni des végétaux. Ils forment un règne à part, celui des Fungi, avec des morphologies du thalle de type filamenteuses (moisissures) ou sous forme de cellules rondes isolées (levures). Leur métabolisme, hétérotrophe, est basé sur la décomposition de matières organiques, d’origine animale ou végétale. Pour cela, différentes stratégies écologiques ont été sélectionnées : ils sont majoritairement saprotrophes s’ils décomposent la matière organique et ainsi, se nourrissent de matière organique non vivante. Ils peuvent aussi être symbiotiques dans le cas où ils vivent en association obligatoire avec un ou plusieurs autres organismes dont les bénéfices de la relation sont réciproques. Enfin, ils peuvent également être des parasites biotrophes s’ils parasitent les tissus sains de leurs hôtes, ou des parasites nécrotrophes s’ils provoquent la mort des tissus qu’ils parasitent ensuite. Les champignons parasites sont principalement des parasites de végétaux, entraînant des conséquences écologiques et économiques à échelle mondiale14–16.

Les moisissures sont des champignons filamenteux qui, lorsque les conditions de vie sont optimales, peuvent synthétiser des métabolites secondaires de nature variée, dont des mycotoxines dangereuses pour la santé humaine17,18. Organismes ubiquitaires, ils ont un rôle écologique primordial dans le recyclage de la matière organique. Estimés à 1,5 million d’espèces dans le monde, leur diversité est telle qu’ils peuvent tout aussi bien être pathogènes et dangereux que nécessaires. L’utilisation de champignons filamenteux dans la production d’aliments de manière empirique remonte aux débuts de l’agriculture. D’autre part, les problèmes de contaminations alimentaires par des moisissures restent un problème pour le secteur de l’agro-alimentaire, de la cosmétique, et plus généralement un problème de santé publique. Si dans la plupart des cas, les champignons provoquent des pathologies légères chez l’Homme, comme des mycoses, des allergies ou des pneumonies fongiques, ils peuvent devenir réellement dangereux pour des patients préalablement immunodéprimés19. En France, 35 876 cas de mycoses dites « invasives » ont été recensées entre 2001 et 2010, causant la mort de 9 889 patients. Ce chiffre est en hausse constante en raison de l’augmentation du nombre de patients immunodéprimés20.

Les levures font également partie des champignons microscopiques. Au contraire des moisissures, les levures sont non filamenteuses, unicellulaires, et incapables de produire des mycotoxines, mais elles peuvent parfois être pathogènes pour l’Homme. Capables de vivre en

carbonique et parfois en composés aromatiques. Toutefois, ce phénomène n’est pas spécifique des levures et peut aussi être observé chez certains champignons filamenteux21.

2) Espèces fongiques étudiées

Dans le règne des champignons, nous nous sommes intéressés à certaines espèces comme modèles d’étude afin de déterminer le potentiel fongicide de nos molécules. Ainsi, neuf souches fongiques, dont une levure, ont été utilisées dans ces travaux

Diversité phylogénétique

Les espèces étudiées ont été choisies en fonction de leur diversité phylogénétique afin de représenter différents taxons et ainsi de pouvoir avoir une idée du spectre d’activité des composés synthétisés. Les taxons sont des ensembles d’être vivants ayant des caractéristiques communes relatives à leurs liens de parenté. Le rôle de des taxons est principalement de classifier le monde du vivant22. Les relations phylogénétiques des champignons étudiés sont décrites dans le Tableau 2 et illustrés par le Schéma 2.

En effet, des champignons proches du point de vue phylogénie pourraient, par exemple par des physiologies proches, présenter des sensibilités ou des résistances similaires aux mêmes composés. Ainsi, nous constatons que Geotrichum candidum, la seule levure parmi les champignons étudiés, est dans une sous-division à part des autres champignons, celle des Saccharomycotina. Ainsi, nous pouvons émettre l’hypothèse que son comportement face aux fongicides peut être différent de celui des champignons filamenteux. Les autres champignons se divisent ensuite en différentes classes. Nous pouvons observer des relations phylogénétiques proches entre Aspergillus oryzae et Penicillium ochrochloron, champignons de la même famille, les Aspergillaceae. Il en est de même pour Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum, appartenant à la même famille également, celle des Sclerotiniaceae.

Nous pouvons supposer que leurs sensibilités face aux fongicides peuvent être similaires. Ensuite, Paecilomyces variotii appartient au même ordre qu’Aspergillus oryzae et Penicillium ochrochloron, celui des Eurotiales (Tableau 2).

Ces relations sont illustrées par l’arbre phylogénétique (Schéma 2, page 24). La différence de sous-divisions est bien visible entre la levure et les champignons filamenteux. Ensuite, même si les champignons peuvent appartenir à la même famille, comme Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum ou Aspergillus oryzae et Penicillium ochrochloron, l’arbre permet d’observer que ces champignons n’ont pas les mêmes distances phylogénétiques entre eux (Schéma 2, page 24).

Tableau 2 : Taxonomie des espèces fongiques étudiées (Source : MycoBank).

Règne Sous-domaine Division Sous-division Classe Sous-classe Ordre Famille Genre Espèce

Fungi Dikarya Ascomycota

Pezizomycotina

Leotiomycètes Leotiomycetidae Hélotiales Sclerotiniaceae

Botrytis cinerea

Sclerotinia sclerotiorum

Sordariomycètes Hypocreomycetidae Hypocréales Nectriaceae Fusarium solani

Eurotiomycètes Eurotiomycetidae Eurotiales

Aspergillaceae

Aspergillus oryzae

Penicillium ochrochloron

Trichocomaceae Paecilomyces variotii

Dothideomycètes

Pleosporomycetidae Pleosporales Pleosporaceae Alternaria alternata

Dothideomycetidae Capnodiales Cladosporiaceae Cladosporium cladosporioïdes

Schéma 2 : Arbre phylogénétique basé sur des alignements multiples de séquences ITS1/2

(Source : Genbank) issues de souches appartenant aux espèces étudiées.

Parmi ces champignons, certains sont des pathogènes de végétaux, d’autres peuvent être des pathogènes opportunistes pour l’Homme très communément trouvés dans les sols ou des moisissures saprotrophes, tandis que d’autres encore sont des champignons utilisés pour la fermentation de fromages ou pour la production de diverses enzymes (Tableau 3).

Les souches fongiques choisies pour leur pathogénicité végétale sont Botrytis cinerea, Sclerotinia sclerotiorum, Fusarium solani, et Alternaria alternata (Tableau 3). Ils appartiennent à la même sous-division, celle des Pezizomycotina (Tableau 2) et sont relativement proches d’un point de vue phylogénétique (Schéma 2).

Botrytis cinerea

Botrytis cinerea, champignon parasite nécrotrophe, est appelé communément « pourriture grise », car c’est l’apparence de la maladie qu’il provoque sur diverses plantes23,24. Les cibles agricoles sont les cultures de tomates, fraises, oignons25, haricots26, légumes en tout genre, ainsi que les pépinières et les plantes d’ornements. Le nombre total de plantes touchées dépasse les 230 espèces dans le monde27. Ce pathogène est donc dit à large spectre. Les pertes économiques liées à sa présence sont estimées entre 10 et 100 milliards de dollars annuels, entraînant ainsi des instabilités d’approvisionnement alimentaire. Parmi les cultures les plus impactées se trouvent celles des tomates, dont les pertes colossales peuvent avoir lieu avant et après les récoltes, ainsi que les vignes28–31.

Les variations génotypiques et phénotypiques sont très importantes chez ce pathogène. À cela s’additionnent des changements de populations induites par des expositions à divers fongicides. Ainsi, des phénomènes de résistance à différents traitements utilisés ont été observés pour ce champignon (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37). Si les infections peuvent être réduites par des méthodes de culture

appropriées, la réponse chimique est quasi indispensable pour tenter de l’éradiquer totalement (voir 3) Traitements actuels contre les phytopathogènes étudiés, page 29).

Tableau 3 : Morphologies des champignons étudiés et rapports aux activités humaines.

Espèce Morphologie du thalle Rapport aux activités

humaines

Botrytis cinerea Champignon filamenteux Pathogène de végétaux

Sclerotinia sclerotiorum Champignon filamenteux Pathogène de végétaux

Fusarium solani Champignon filamenteux Pathogène de végétaux

Aspergillus oryzae Champignon filamenteux Production d’enzymes et d’alcool

Paecilomyces variotii Champignon filamenteux Contaminant alimentaire

Penicillium ochrochloron Champignon filamenteux Production d’enzymes

Alternaria alternata Champignon filamenteux Pathogène de végétaux

Cladosporium

cladosporioïdes Champignon filamenteux Pathogène humain

Geotrichum candidum Levure Fromages

Sclerotinia sclerotiorum

Le second pathogène végétal, non moins important que Botrytis cinerea, est Sclerotinia sclerotiorum, un parasite nécrotrophe. Appartenant tous deux à la famille des Sclerotiniaceae, de l’ordre des Hélotiales, ils sont phylogénétiquement très proches. Ce

haricots, les pois chiches, les arachides, les pois secs, les lentilles, divers légumes, les oignons et les tulipes33. La maladie qu’il provoque est appelée « pourriture molle », « pourriture blanche » ou sclérotiniose. Les espèces touchées sont aussi bien des cultures agricoles que des mauvaises herbes. Ainsi, il est parfois volontairement utilisé pour limiter l’expansion de mauvaises herbes, mais son usage doit se faire très prudemment dû à l’important potentiel de dissémination du champignon. Les pertes économiques annuelles induites peuvent être, par exemple, de plus de 200 millions de dollars américains pour les USA33. Les principaux pays touchés, en plus des USA, sont le Canada, l’Australie et la Chine34

. L’utilisation intensive de fongicides est incontournable pour tenter de contrôler le champignon et les maladies qu’il provoque (voir 3) Traitements actuels contre les phytopathogènes étudiés, page 29). Toutefois, comme dans le cas de Botrytis cinerea, de nombreux phénomènes de résistance apparaissent34 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37).

Fusarium solani

Le troisième champignon phytopathogène étudié est Fusarium solani, champignon parasite nécrotrophe. Le genre Fusarium, grand groupe de champignons filamenteux, regroupe les plus importants agents phytopathogènes transmis par le sol35,36. Fusarium solani touche de nombreuses cultures de fruits, comme la mangue37, la tomate38, ou la fraise39 ; de légumes, comme les pois chiches40, les asperges41 ou le concombre42 ; de céréales, ainsi que plusieurs plantes ornementales. L’orchidée par exemple, une des plantes ornementales les plus prisées au monde, est lourdement touchée par le genre Fusarium, et par Fusarium solani en particulier43. Plus rarement, le champignon peut aussi causer des pathologies humaines, dans le cas de patients immunodéprimés. C’est le cas de pathologies comme la péritonite fongique spontanée44, la kératite45, une affection très sévère des yeux, ou des syndromes myélodysplasiques46.

Alternaria alternata

Alternaria alternata, champignon parasite nécrotrophe, provoque lui aussi de nombreuses phytopathologies, dont par exemple le Mildiou d’Alternaria, une des maladies les plus destructives pour les cultures de pistaches en Californie47,48. La « pourriture noire », ou alternariose, maladie provoquée par ce champignon, touche principalement les cultures de tomates49,50. Le champignon affecte également d’autres plantes comme les oliviers51 ou les cultures de tabac52. En plus de la phytopathogénicité, Alternaria alternata peut aussi toucher l’Homme en causant par exemple des allergies53

, qui elles-mêmes peuvent entraîner des pathologies comme la rhinite ou des formes sévères d’asthme.

Aspergillus oryzae

Aspergillus oryzae est un champignon filamenteux saprotrophe très utilisé dans des procédés de fabrication de produits fermentés53. On le retrouve dans la production de catalyseurs en chimie organique54–56 ou d’enzymes diverses57–59.

Paecilomyces variotii

Le champignon saprotrophe Paecilomyces variotii est également utilisé à diverses fins, comme par exemple la synthèse d’alkaloïdes60

ou d’autres produits chimiques variés61,62, le traitements de polluants63,63 ou la production de biocarburants64. Toutefois, il peut provoquer de manière extrêmement rare des pathologies humaines comme la péritonite continue en dialyse péritonéale ambulatoire par exemple65, des kératites, des endophtalmies et des atteintes sinusiennes et cutanées chez des patients immunodéprimés. Il est également un contaminant fréquemment retrouvé dans l’alimentation.

Penicillium ochrochloron

Penicillium ochrochloron, champignon saprotrophe, est retrouvé dans les domaines de la production d’enzymes, et plus particulièrement la chitinase66,67,68,66

, ainsi que dans la dégradation de polluants69. Ce champignon produit des métabolites secondaires présentant des activités antimicrobiennes70.

Cladosporium cladosporioïdes

Cladosporium cladosporioïdes est un champignon pigmenté, saprotrophe, pathogène aussi bien des animaux que des humains. Chez ce dernier, il peut provoquer des allergies entraînant ensuite des rhinites et/ou des formes sévères d’asthme53. Des cas de calculs pulmonaires ont été aussi été reportés71, ainsi que des affections comme la phaeohyphomycose sous-cutanée72, la chromomycose cornéenne73 et diverses mycoses74. En ce qui concerne les animaux, des cas de dermatites phaeohyphomycotiques chez le panda75 et d’encéphalites mycosiques suivies de néphrites chez le chien76

ont été observées. Toutefois ce champignon est également utilisé dans la production d’oligosaccharides77, la bioremédiation78 et la synthèse de nanoparticules79,80.

Geotrichum candidum

Geotrichum candidum, aujourd’hui classé comme une levure saprotrophe, a longtemps été considéré comme étant à l’interface entre la levure et la moisissure. Cet organisme se retrouve dans divers fromages à pâte molle, pressée ou persillée81–83. Participant au bon développement de ces derniers, il évite l’apparition d’autres champignons non souhaitables, comme le Mucor par exemple. L’activité enzymatique de Geotrichum candidum joue un rôle crucial dans la flaveur des fromages84.

3) Traitements actuels contre les phytopathogènes étudiés

Fongicides utilisés couramment contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum

Le marché mondial actuel des fongicides visant Botrytis cinerea est de l’ordre de 15 à 25 millions de dollars annuels durant ces dernières années85. Actuellement, les connaissances au sujet des cycles biologiques, de la pathogénicité et de l’épidémiologie de ce champignon sont considérés comme complètes. Botrytis cinerea est un champignon avec un risque de résistance accrue par ses caractéristiques biologiques entraînant une sélection naturelle plus efficace86 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37). C’est un champignon présentant une tolérance vis-à-vis des fongicides chlorés à base de nitrobenzène87. Par la suite, il a rapidement développé une résistance aux fongicides systémiques à base de benzimidazole88, puis aux composés de type dicarboxymides30,89 (Tableau 4).

Tableau 4 : Formules chimiques de quelques fongicides connus auxquels Botrytis cinerea est

résistant30,88,89.

Benzimidazoles

Bénomyl Carbendazim Thiophanate-méthyl

Dicarboxymides

Iprodione Procymidone Vinclozolin

Teldor® est un fongicide commercialisé par Bayer® composé majoritairement de fenhexamide, une molécule active de la famille des hydroxyanilides (Tableau 5). Le

Tableau 5 : Noms et formules chimiques des principaux fongicides actuellement utilisés

contre Botrytis cinerea. En rouge, fongicides auxquels des phénomènes de résistance par Botrytis cinerea ont été observés en France. *Fongicides utilisés contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum86. Pourcentages massiques.

Nom Formule chimique

Teldor® (Bayer)90 * Cantus® (BASF)91 Scala® (BASF)92 * Botryl Jardin® / Switch® (Syngenta®)93 * Cockpit® / Japica® 94 * Kenja® 95,96 Mevalone® 97

C’est un fongicide spécifique de Botrytis cinerea, mais des phénomènes de résistance ont déjà été observés en France (Tableau 5)29,86 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37).

Le Cantus®, fourni par BASF®, est composé de 50 % en volume de boscalide, molécule de la famille des carboxamides, sous-groupe des nicotinamides. Cette molécule, également utilisée contre Sclerotinia sclerotiorum, est active sur une enzyme essentielle de la chaîne respiratoire, la succinate déshydrogénase. L’action de ce fongicide entrave donc le processus respiratoire du champignon ainsi que la production d’énergie sous forme d’ATP. Cette molécule agit également négativement sur la production d’acides aminés, de lipides et d’acides gras essentiels au fonctionnement des champignons. Toutefois, des phénomènes de résistance à ce fongicide existent actuellement en France (Tableau 5)29,91 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37).

Le Scala®, provenant lui aussi de BASF®, se compose à 40 % de pyriméthanil, molécule du groupe des anilino-pyrimidines. Utilisé contre toutes les souches de Botrytis, c’est un fongicide de contact dont le mécanisme d’action n’est pas encore entièrement connu. À priori sans effet sur la faune, et particulièrement sur les abeilles, les premières hypothèses suggèrent que la molécule inhiberait la synthèse de la méthionine, un acide aminé essentiel à tout organisme vivant. De plus, la pyriméthanil entraverait la sécrétion d’enzymes nécessaires au prélèvement de nutriments par le champignon92. Pour ce 3ème fongicide aussi, des phénomènes de résistance par Botrytis cinerea existent en France (Tableau 5)29,92.

Botryl®, ou Switch®, est un fongicide composé de fluodioxonil et de cyprodinil. Le cyprodinil est une molécule de la famille des anilino-pyrimidines comme le pyriméthanil contenu dans le Scala®. Le cyprodinil agit également au niveau de la synthèse des acides aminés et inhibe la croissance du mycélium. Le fluodioxonil est un phénylpyrrole, il inhibe la croissance des spores et du mycélium, ainsi que la pénétration du champignon dans la plante. Ce fongicide n’est pas toxique pour les insectes. Il est utilisé principalement contre Botrytis cinerea, mais aussi contre Sclerotinia sclerotiorum (Tableau 5)29,93,98.

La molécule mépanipyrime, commercialisée sous le nom de Cockpit® ou Japica®, est également un fongicide de la famille des anilino-pyrimidines. Utilisé contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum, son mode d’action est identique à Botryl®, Switch® ou Scala® (Tableau 5)24,99.

Kenja® est principalement composé d’isofetamid, une molécule de la famille des amides de thiophène. Utilisé contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum, il inhibe la succinate déshydrogénase comme Cantus®, bien qu’il émerge d’une nouvelle classe de composés chimiques (Tableau 5)95,96.

Enfin, un produit de biocontrôle récent, le Mévalone®, est composé de trois terpènes volatiles et naturels, le géraniol, le thymol et l’eugénol. Ces trois molécules sont encapsulées dans des cellules de levures afin de les stabiliser. La paroi cellulaire des levures libère

En ce qui concerne Sclerotinia sclerotiorum, le produit de biocontrôle le plus utilisé n’est pas de nature chimique, mais de nature fongique également. En effet, Contans®

WG, commercialisé par Bayer, est une préparation phytosanitaire composée de spores d’un champignon, Coniothyrium minitans, lui-même parasite de Sclerotinia sclerotiorum. Ce produit est donc autorisé en agriculture biologique. Il fonctionne par inhibation de la croissance mycélienne de Sclerotinia sclerotiorum, ainsi que de la production de spores100–102.

Parmi les traitements chimiques, trois classes sont utilisées contre Sclerotinia sclerotiorum, il s’agit des fongicides inhibiteurs de la succinate déshydrogénase (SDHI), de type Boscalide (Tableau 5, page 30, Cantus®), des inhibiteurs de la déméthylation (IDM) et des inhibiteurs externes de la quinone (QoI)103. Toutefois, ils ne sont pas efficaces dans tous les cas. Dans l’exemple du sclérotinia du soja, aucun traitement chimique n’est homologué actuellement.

On peut noter ici que plusieurs fongicides, comme Cantus®, Switch®, Cockpit® et Kenja®, sont utilisés contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum (Tableau 5, page 30). Cela est cohérent avec notre hypothèse formulée lors des rapprochements phylogénétiques des champignons. Ces deux espèces appartiennent à la même famille, leurs sensibilités face aux fongicides peuvent donc être similaires dans certains cas.

Classes de fongicides : Cas des SDHI, IDM et QoI

Les inhibiteurs de la succinate déshydrogénase (SDHI) sont des fongicides à large spectre utilisés depuis les années 60 contre divers types de moisissures. Les cultures protégées peuvent être des cultures de céréales, de fruits et de légumes, des semences, mais aussi des pelouses publiques ou des terrains de golf103,104. Leur rôle principal est d’inhiber la succinate déshydrogénase chez les champignons phytopathogènes. La succinate déshydrogénase, appelée aussi complexe de la chaîne respiratoire II ou succinate-coenzyme Q réductase (SQR), est un complexe universel de flavoprotéines essentiel à la chaîne respiratoire. Présente dans les membranes mitochondriales des eucaryotes et la membrane plasmique de certaines bactéries, son rôle est de convertir, par oxydation, le succinate en fumarate, réaction couplée à la réduction de l’ubiquinone en ubiquinol105

. D’un point de vue chimique, les SDHI sont des carboxamides106, il en existe deux types, les cis-crotoanilides et les méthyl-pyrazoles (Tableau 6)107. Les SDHI posent actuellement deux de types de problèmes. Le premier est un problème général de santé publique, tandis que le second est un problème de résistance aux fongicides auprès de Sclerotinia sclerotiorum et Botrytis cinerea108 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37). Leur action devrait normalement inhiber seulement les succinate déshydrogénases des champignons. Toutefois, plusieurs études récentes démontrent que les SDHI ne sont pas aussi spécifiques et peuvent agir contre la succinate déshydrogénase des vers de terre et la succinate déshydrogénase humaine, entrainant un réel problème au niveau écologique et pour la santé humaine. En effet, la succinate déshydrogénase étant un complexe universel, la spécificité des SDHI n’est pas garantie. Une perte d’activité de la succinate déshydrogénase provoque une accumulation de

Tableau 6 : Structures chimiques des principaux inhibiteurs de la succinate déshydrogénase (SDHI). En rouge, molécules dont des phénomènes de résistance ont déjà été observés109–113.

Classes de

molécules 1966 1970 1973 1979 1981 1990 2007 2010

De graves maladies neurologiques ainsi que la formation de tumeurs ou de cancers ont été associées aux SDHI chez l’Homme114

. En ce qui concerne les champignons, des phénomènes de résistance apparaissent vis-à-vis des SDHI, particulièrement chez Botrytis cinerea, Sclerotinia sclerotiorum et Alternaria alternata109 (voir 4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires, page 37).

Les inhibiteurs de la déméthylation (IDM) représentent 25 % du marché mondial des fongicides, ils agissent en entravant la biosynthèse des membranes cellulaires fongiques. Ils inhibent une enzyme, la 14 α-déméthylase, un cytochrome P450 appelé CYP51. Cette enzyme est nécessaire à la synthèse d’un stérol, l’ergostérol, spécifique aux champignons115,116

. D’un point de vue chimique, ils sont divisés en deux groupes, les triazoles et les imidazoles (Tableau 7).

Tableau 7 : Structures chimiques des principaux IDM115,116.

Les inhibiteurs externes de la quinone (QoI) agissent, comme les SDHI, au niveau de la chaîne respiratoire. Ce sont des inhibiteurs du complexe mitochondrial III, l’ubiquinol-cytochrome c réductase. La majorité d’entre eux sont des strobulines (Tableau 8). Ces fongicides agissent au niveau de la sporulation et de la croissance mycélienne103,113.

Dans le cas de Fusarium solani, le champignon est présent dans les sols et attaque les plantes par la racine. La stratégie de lutte mise en place est donc une désinfection des sols. Parmi les traitements actuels, Mycostop® est un fongicide biologique constitué de bactéries, des Streptomyces. Ces bactéries sécrètent des enzymes qui dégradent les parois cellulaires du champignon117. Un second fongicide biologique est Rootshield®, composé d’un champignon bénéfique, le Trichoderma harzianum118. Nous constatons un manque de moyens chimiques efficaces pour lutter contre ce champignon, un des phytopathogènes les plus virulents32.

Tableau 8 : Structures chimiques des principaux inhibiteurs externes de la quinone (QoI)103,113.

Strobilurines

Alternaria alternata a déjà été déclaré résistant à un certain nombre de SDHI109,119. Les traitements actuels sont similaires à ceux utilisés contre Botrytis cinerea et Sclerotinia sclerotiorum. Filan®, commercialisé par BASF, est composé de 50 % de Boscalide et 50 % de Dimoxystrobine, une alliance entre un SDHI et un QoI (Erreur ! Source du renvoi

introuvable., page 34, et Tableau 8)113. Les traitements utilisés sont en général des mélanges de SDHI, de QoI et/ou d’IDM.

Bilan

En conclusion, les fongicides actuels présentent des structures chimiques variées, mais certains points restent en commun. Il apparait que la présence d’un noyau aromatique est nécessaire à l’activité fongicide. Beaucoup de produits portent également des fonctions halogènes. Responsables ou non de l’activité de la molécule, les halogènes posent un problème d’éco-compatibilité. Un produit semble être particulièrement intéressant structurellement, il s’agit du Mévalone®_{, mélange d’un alcool linéaire ramifié insaturé et de} deux noyaux phénoliques substitués (Tableau 5, page 30). Les structures chimiques sont simples, constituées de terpènes, et sont des produits naturels sans halogènes.

4) Phénomènes de résistance aux produits phytosanitaires

Les fongicides agissent généralement en ciblant un site d’action particulier des champignons pathogènes, une protéine dans la majorité des cas, essentiel à l’évolution de l’organisme. L’exemple type est celui des IDM.

La résistance biochimique peut alors apparaître de quatre manières différentes. La première est une modification par mutation génétique de la protéine fongique ciblée, rendant alors le pesticide inefficace puisque la protéine cible n’est plus reconnue. La seconde possibilité est une surexpression du site d’action, les doses de fongicides deviennent donc insuffisantes et doivent être augmentées de manière drastique. Une troisième manière de résister pour le champignon est le développement d’une voie métabolique permettant d’éliminer le pesticide avant qu’il agisse. Ce type de résistance est appelé la détoxification, le fongicide est donc inefficace puisqu’il est éliminé avant de pouvoir agir sur sa cible. Il a été, par exemple, observé chez Botrytis cinerea en réaction aux hydroxyanilides (Teldor®,

Tableau 5, page 30). Enfin, la dernière résistance se produit par l’excrétion de flux causée par

la surexpression de protéines de transport, éliminant rapidement le produit quelle que soit sa nature. Toutefois, ce dernier type de résistance est le moins fréquent chez les phytopathogènes. Nous constatons que ces quatre types de résistances sont d’origine génétique12.

La lutte contre l’apparition de résistances se fait principalement en alternant plusieurs fongicides de classes chimiques différentes.

Dans notre étude, les champignons développant le plus de souches résistantes aux fongicides sont Botrytis cinerea, Fusarium solani, Penicillium ochrochloron et Aspergillus oryzae108,110,120.

1) Choix des substrats naturels

En regard des inhibiteurs externes de la quinone (QoI) (Tableau 8, page 35), différents substrats ont été identifiés comme ayant la possibilité d’avoir des similarités architecturales post-réactionnelles.

Aldéhydes et alcools naturels

Un matériau naturel est un matériau totalement ou partiellement d’origine végétale. En chimie verte, l’utilisation de substrats naturels est une nécessité pour répondre aux impératifs de développement durable. Les différents substrats choisis pour les synthèses suivantes sont donc, pour la majorité, naturels.

Le premier substrat naturel est un terpène, le citral, appelé aussi géranial, un aldéhyde naturel provenant de l’abricot, du citron, de l’orange et de plusieurs huiles essentielles121

. Le second aldéhyde, un dérivé d’acides gras, linéaire également, est le trans-hex-2-ènal, localisé dans le soja, le concombre, le sureau noir, le cassis, la pomme, la fraise ou la cerise122,123. Enfin, le dernier aldéhyde, le plus utilisé dans ces travaux, est un aldéhyde aromatique, le salicylaldéhyde. C’est un aromatisant provenant du sarrasin et de la cannelle2

. Il est produit industriellement par une réaction de Reimer-Thiemann à partir de phénol et de chloroforme en présence de d’hydroxyde de sodium ou de potassium sous chauffage124

(Schéma 3).

Schéma 3 : Structures chimiques des aldéhydes naturels utilisés comme substrats.

Trois alcools linéaires ont également été choisis comme substrats dans ces travaux, l’éthanol, le butanol et l’hexanol. L’éthanol est l’alcool le plus courant, il provient de la fermentation de différents fruits, généralement de raisins, à l’aide d’enzymes en anaérobie125. Le butanol, alcool composé d’une chaîne à quatre atomes de carbone, est également le fruit d’une fermentation microbienne126

. Enfin, les alcools composés d’une chaîne à six atomes de carbone sont les plus fréquents dans le raisin. Ainsi l’hexanol est issu de l’hexanal, lui-même issu de l’acide linoléique, acide gras saturé provenant lors de la fermentation des fruits127 (Schéma 4).

Schéma 4 : Structures chimiques des alcools naturels utilisés comme substrats.

Cas de l’o-crésol

L’o-crésol est un métabolite urinaire mineur du toluène, c’est une molécule composée d’un noyau benzénique portant une fonction hydroxyle et un groupement méthyle en position vinylique (Schéma 5).

Schéma 5 : Structure chimique de l'o-crésol128.

Son utilisation commerciale majeure est dans la désinfection, c’est donc un composé toxique dont les empoisonnements peuvent se produire par les voies respiratoires, par voie cutanée ou par voie orale. L’o-crésol agit sur les cellules en dénaturant les protéines, entrainant leur précipitation128. C’est un composé intermédiaire des voies de synthèses de fongicides1. Il est produit par milliers de tonnes mondiales annuelles. L’o-crésol est un composé biodégradable, sa constante de dégradation dans le sol est estimée à 2,3 % par jour. Toutefois, l’o-crésol n’est pas biosourcé. 60 % du marché actuel provient d’extractions à partir de goudrons et de pétrole et 40 % de synthèses par alkylation entre du phénol et du méthanol128.

Les synthèses industrielles d’o-crésol sont réalisées par méthylation à l’aide de phénol et de méthanol, nécessitant un chauffage à des températures comprises entre 300 et 460 °C pour des rendements de 60 à 85 %128.

Schéma 6 : Voie de synthèse de l'o-crésol à partir de salicylaldéhyde129.

Dans ce cas, l’utilisation du dihydrogène est problématique du à son caractère inflammable et explosif130. Il est tout de même intéressant de noter que l’utilisation de dihydrogène permet de répondre au principe d’économie d’atomes exigé par la chimie verte.

La réduction de Wolff-Kishner est réalisée par Jaisankar et al.131 sous irradiations micro-ondes en présence d’une base forte, de l’hydroxyde de potassium, et d’hydrazine, réducteur dont l’efficacité est améliorée par le milieu basique. L’o-crésol est obtenu à 80 %, mais l’hydrazine est un composé inflammable, corrosif et toxique132

(Schéma 7).

Schéma 7 : Voie de synthèse de l'o-crésol à partir de salicylaldéhyde131.

La synthèse de l’o-crésol à partir de salicylaldéhyde n’est pas une réaction économiquement intéressante, car le salicylaldéhyde est un produit plus onéreux que l’o-crésol. Toutefois, la réaction sera optimisée dans ces travaux comme réaction modèle de la réduction de Clemmensen en absence de mercure sur des aldéhydes.

Les différentes conditions réactionnelles référencées à ce jour pour les synthèses de l’o-crésol à partir du salicylaldéhyde (Schéma 8) sont résumées dans le Tableau 9.

Schéma 8 : Synthèse de l'o-crésol à partir du salicylaldéhyde.

Tableau 9 : Résumé des conditions réactionnelles utilisées et des rendemens correspondants

pour la synthèse de l'o-crésol à partir de salicylaldéhyde.

Référence Conditions expérimentales Rendements en

o-crésol 133 NaBH4, Amberlite IRA 400, Ni(OAc)2, MeOH, reflux,

2-3 h 98 %

134 H2, Complexe de Rhodium, β-Cyclodextrine, THF,

t.a., 24 h 98 %

131

N2H4, KOH, MW, 2 min, 150 W 80 %

135 HCO2H, HCO2Na, Complexe de Ruthénium, H2O, N2,

80 °C, 32 h 70 %

129

HCO2K, 5 % Pd/C, H2O, EtOH, 20 °C, 2h. 70 %

136

PhNH2, NaBH4, MeOH, TiCl3, Li, THF, 0 °C, 22 h 48 %

Les travaux de Zahalka et al.134 et Bandgar et al.133 présentent des synthèses de l’o-crésol à partir du salicylaldéhyde avec d’excellents rendements à 98%. Toutefois, dans le premier cas le borohydrure de sodium dégage du dihydrogène par réaction avec l’humidité

Les travaux de Huang et al.135 et Baidossi et al.129 permettent d’obtenir de l’o-crésol avec des rendements de 70 %. Le ruthénium compris dans les complexes est actuellement supposé d’être cancérigène. La synthèse de Baidossi et al.129

est, quant à elle, correcte du point de vue de l’éco-compatibilité.

Enfin, les travaux de Talukdar et al.136 ne forment de l’o-crésol qu’à 48 % en utilisant du borohydrure de sodium.

Dans ces travaux, nous allons tenter d’une part de synthétiser de manière éco-compatible de l’o-crésol à partir d’un aldéhyde naturel, le salicylaldéhyde, et d’autre part de fonctionnaliser les différents aldéhydes naturels selon les réactions décrites ci-après.

2) Choix des réactions

La réaction de couplage pinacolique

Le couplage pinacolique est une réaction radicalaire ayant lieu entre deux composés carbonylés afin d’obtenir un pinacol. Les substrats utilisés peuvent être identiques ou différents, selon que la réaction soit un homo- ou un hétéro-couplage. Le premier réactif nécessaire est le magnésium afin de transférer un électron à chaque liaison carbonyle. Cela produit deux groupements cétyles qui réagissent ensuite ensemble afin de former une liaison C-C. Les atomes d’oxygène des anciennes fonctions carbonyles, sous forme d’anions à cette étape, réagissent avec les atomes d’hydrogène de l’eau afin d’obtenir une molécule non chargée, le pinacol souhaité (Schéma 9).

Schéma 9 : Mécanisme réactionnel du couplage pinacolique137.

Au niveau des conditions réactionnelles, les travaux de Billamboz et al.138,139 nous démontrent que les meilleurs rendements sont obtenus avec du zinc en excès138, de l’acide acétique et de l’eau ou de l’éthanol comme solvant139

. Parmi les substrats utilisés se trouvent le trans-hex-2-ènal, le citral et le 4-bromobenzaldéhyde. Pour ce dernier substrat, la comparaison entre le chauffage conventionnel et l’activation par micro-ondes montre que le rendement est drastiquement réduit par l’utilisation des micro-ondes138.

La réaction d’éthérification réductrice

La réaction d’éthérification réductrice consiste à synthétiser un éther à partir d’un aldéhyde et d’un alcool par réduction de la fonction aldéhyde (Schéma 10).

Schéma 10 : Éthérification réductrice entre un aldéhyde et un alcool.

Le mécanisme réactionnel de cette réaction n’est pas encore connu à ce jour. Toutefois, plusieurs hypothèses ont été faites à ce sujet. Les travaux de Zhao et al.140 ont mis en évidence le passage par un intermédiaire oxocarbénium dont le mécanisme réactionnel est décrit ci-après (Schéma 11).

Schéma 11 : Chemin réactionnel hypothétique de l'éthérification réductrice140.

Parmi les éthérifications réductrices déjà connues à ce jour, les travaux de Bruniaux et al. réalisés dans l’équipe ont mis en évidence la possibilité d’effectuer des alkylations réductrices en flux continu en présence de palladium et de dihydrogène à une pression d’une bar. Ces réactions ont été effectuées uniquement sur les substrats aliphatiques141.

Le même type de réaction a été réalisé par Balakrishnan et al.142 entre du HMF et de l’éthanol en présence d’Amberlyst-15, d’un catalyseur au palladium, sous dihydrogène durant 24 h à 75 °C. Le produit de l’éthérification sans modification de l’hydroxyle est obtenu avec un rendement de 43 %142 (Schéma 12).

Le travail sur du furfural permet de s’affranchir de l’éthérification du groupement hydroxyle. Ainsi, du furfural et de l’éthanol, placé pendant 2 heures à 60 °C sous dihydrogène en présence de palladium sur charbon permettent d’obtenir l’éther éthylfurfuryle à 83 %143 (Schéma 12).

Schéma 12 : Schéma global des différents exemples d'éthérifications réductrices publiés141– 146

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Un autre cas d’éthérification réductrice a été reporté dans les travaux de Kalutharage et al.144 à partir d’un noyau benzaldéhyde plus ou moins substitué en para. Le couplage a été effectué avec du butan-2-ol dans un mélange toluène/eau à 110 °C pendant 12 h avec des rendements compris entre 85 et 98 %. Comme pour les travaux de Li et al.145, la réaction s’effectue sous dihydrogène en présence de catalyseur (Schéma 12).

Des conditions plus douces ont été utilisées dans les travaux de Mochalov et al.146 où l’éthérification d’une cétone et d’un alcool a été réalisée en présence de borohydrure de