Design of original amphiphilic molecules derived from xylose originated from lignocellulosic biomass
Conception de molécules amphiphiles originales à partir de xylose issu de la biomasse lignocellulosique
Abstract
To follow the ecological transition and the awareness of ecological issues, chemistry has started to focus on the use of renewable resources, especially wood, as raw material for molecular design and as substitute for petrochemicals. Metropolitan France is a densely forested country (31% of the land is covered by forests), mostly hardwoods (62% of wood volume). Wood is a renewable and local resource of molecular building blocks for chemical syntheses.This thesis focused on xylose which is naturally present in various plants such as Beech. Moreover, Beech is one of the predominant hardwoods in the Grand Est region. This pentose, linked with biobased fatty amines, has been used in this work as raw material for the synthesis of amphiphilic compounds with surfactant, foaming and gelling properties. The synthetic pathways have been designed to minimize environmental impact and to follow the principles of Green Chemistry. The target molecules are bimodular compounds with amine link. They were obtained through reductive amination via catalytic hydrogenation in methanol with yields between 12% and 70%. All the compounds are surfactants and exhibit foaming properties. Only the long-chain compounds (C16 and C18) show gelling properties and allow to form hydrogels at concentrations lower than 5 w%.Regards to physicochemical properties, the long-chain compounds (from C14 to C18) seem to be the most promising products. The myristic compound (C14) exhibits the best foaming ability with the highest foaming capacity and a half-life time of foam above 24 hours. To a lesser extent, the palmitic derivative (C16) shows the same properties plus gelling properties in water. The stearic derivative (C18) also exhibits interesting gelling properties.Considering these results, applications in detergency or in cosmetics as surfactants, foaming agents or texturing agents seem to be possible.
Dans un contexte de transition écologique et de prise de conscience environnementale, la chimie s’est tournée vers l’utilisation de ressources renouvelables, et plus particulièrement la ressource bois ces dernières années, en tant que matière première pour la conception de nouvelles molécules ou en tant que substituts de composés pétrochimiques. En France métropolitaine, cette ressource est abondante (31% du territoire est recouvert de forêts), principalement des essences feuillues (62% du volume sur pied). Elle constitue donc une ressource renouvelable et locale de molécules plateformes pour la synthèse. Ces travaux de thèse s’intéressent plus particulièrement au xylose, pentose naturellement présent dans de nombreux végétaux ainsi que dans les bois de feuillus tels que le hêtre, essence prédominante dans la région Grand Est. Ce sucre, couplé à des amines grasses elles-aussi biosourcées, a été utilisé en tant que réactif pour la synthèse de molécules amphiphiles possédant des propriétés tensioactives, moussantes et gélifiantes. Les voies de synthèses ont été pensées pour limiter leur impact environnemental et respecter au mieux les principes de la chimie verte. Les composés cibles sont des composés bimodulaires à lien amine. Ils ont été obtenus par amination réductrice via une réduction par hydrogénation catalytique dans le méthanol avec des rendements allant de 12% à 70%. Tous les composés sont tensioactifs et montrent des propriétés moussantes dans l’eau. Seuls les composés en C16 et C18 permettent d’obtenir des hydrogels à des concentrations massiques inférieures à 5%. Les composés possédant de longues chaînes carbonées (C14 à C18) semblent les plus prometteurs en termes de propriétés physicochimiques. Le composé de type myristique (C14) présente le pouvoir moussant le plus important avec la plus forte capacité de mousse de la gamme et une stabilité de la mousse élevée (le temps de demi-vie de la mousse est supérieur à 24h). Dans une moindre mesure, le dérivé palmitique (C16) possède les mêmes propriétés auxquelles s’ajoutent des propriétés gélifiantes dans l’eau. Le dérivé de type stéarique (C18) présente également des propriétés gélifiantes intéressantes. Ces résultats laissent envisager des applications en détergence ou en cosmétique en tant qu’agents de surface, agents moussants ou agents texturants.