Valorisation du glucose/cellobiose par oxydation en phase liquide

Glucose/cellobiose valorization through liquid phase oxidation

• Auteur / Autrice : Maher Elhallal
• Direction : Mickaël Capron
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des materiaux - UCCS
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : VAALBIO

Mots clés

Mots clés libres

Catalyse heterogene

Oxidation

Phase liquide

Heterogenous catalysis

Oxydation

Liquid phase

Résumé

L'objectif principal de ce projet est la synthèse directe de l'acide glucuronique à partir de la cellulose, une réaction difficile. L'acide glucuronique est un élément constitutif biosourcé qui peut conduire par exemple à l'acide hyaluronique après copolymérisation avec des unités de D-N-acétylglucosamine, à des tensioactifs après greffage d'amines ou à des polymères incluant de nouveaux nylons et des polyesters hyperbranchés résultant en une fibre vraisemblablement biodégradable. La synthèse de l'acide glucuronique à partir de glucose non protégé est réputée simple en raison de la faible réactivité du groupe hydroxyle sur le carbone C6 du glucose, comparée à la réactivité du carbone anomérique conduisant à la production d'acide glucuronique. En fait, l'acide glucuronique est produit par l'oxydation enzymatique aérobie du glucose en position C6. Cependant, la séparation des microbes, la faible productivité et sélectivité du procédé, et l'élimination/recyclage des eaux usées limitent la production pratique. Dans ce projet, nous proposons d'étudier la réaction en un pot qui couple la dépolymérisation de la cellulose en glucose avec l'oxydation du glucose en acide glucuronique. On peut mentionner que cette voie permet également d'obtenir des oligosaccharides oxydés, qui sont également des composés intéressants et trouvent de nombreuses applications dans les cosmétiques par exemple. Pour développer cette réaction en un seul pot, l'oxydation du glucose en acide glucuronique sera tout d'abord étudiée en présence de catalyseurs hétérogènes dans le but de remplacer ou au moins de réduire les métaux nobles souvent utilisés (Au, Pd, Pt...) par des alternatives de métaux non nobles tout en gardant la meilleure sélectivité possible vers l'acide glucuronique. Les principaux défis seront de contrôler la sélectivité de la réaction d'oxydation afin d'éviter la formation d'acide gluconique, et de synthétiser des catalyseurs à base de métaux non nobles tolérants à l'eau. A la fin du projet, la réaction en un pot de la cellulose en acide glucuronique sera réalisée en combinant le catalyseur développé avec le prétraitement de la cellulose par broyage de billes et/ou ultrasons. La dépolymérisation de la cellulose (première étape de la réaction one pot) est en effet déjà étudiée à l'IC2MP en utilisant des procédés non thermiques tels que le broyage de billes en présence d'un catalyseur acide solide recyclable ou en utilisant des ultrasons à haute fréquence en l'absence de catalyseur. L'IC2MP sera un potentiel partenaire de ce projet.

The main objective of this project is the direct synthesis of glucuronic acid from cellulose, a challenging reaction. Glucuronic acid is a bio-based building block that can lead for example to hyaluronic acid after copolymerization with D-N-acetylglucosamine units, to surfactants after amines grafting or to polymers including new nylons and hyperbranched polyesters resulting in a presumably biodegradable fiber. The synthesis of glucuronic acid from non-protected glucose is far to be simple due to the low reactivity of the hydroxyl group on the C6 carbon of glucose, compared to the reactivity of the anomeric carbon leading to the production of gluconic acid. Actually, glucuronic acid is produced via the aerobic enzymatic oxidation of glucose at the C6 position. However, microbe separation, low process productivity and selectivity, and the disposal/recycling of wastewater limit practical production. In this project, we propose at the end to study the one pot reaction that couples the depolymerization of cellulose to glucose with the oxidation of glucose to glucuronic acid. One can mention, that from this route, oxidized oligosaccharides can also be obtained, which are also interesting compounds and find many applications in cosmetics for instance. To develop this one pot reaction,firstly the oxidation of glucose to glucuronic acid will be studied in the presence of heterogeneous catalysts with the aim of replacing or at least reducing the noble metals often used (Au, Pd, Pt ) by non-noble metal alternatives while keeping the best possible selectivity towards glucuronic acid. The main challenges will be to control the selectivity of the oxidation reaction in order to avoid the formation of gluconic acid, and to synthesize non noble metal catalysts tolerant to water. At the end of the project, the one pot reaction of cellulose to glucuronic acid will be performed combining the catalyst developed with cellulose pre treatment as ball milling and/or ultrasounds. Cellulose depolymerization (first step of the one pot reaction) is indeed already investigated at IC2MP using non thermal processes such as ball milling in the presence of a recyclable solid acid catalyst or using high frequency ultrasounds in the absence of catalyst. IC2MP would be a partner of this project.