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POLYACRYLATES A BlODEGRADABlLITE AMELIOREE
L'invention se rapporte aux polymères biodégradables et en
particulier aux polyacrylates à biadégradabilitÉi arnéliarée.
Les potyacrylates de l'invention peuvent être utilisés dans diverses
applications et en particulier dans les compositions détergentes.
De manière générale, les campositions~ détergentes font intervenir un
certain nombre de produits chimiques. Ceux-ci doivent être biodégradables
pour ne pas nuire à l'environnement. Traditionneüernent, les compositions
1o détergentes et les agents de nettoyage contiennent des phosphates. Ceux-ci
sont très efficaces et relativement non toxiqn,~es, cependant ils provoquent
l'eutrophisation des milieux aquatiques naturels.
Les phosphates ont été en partie rennplacés dans les formulations
pour la détergence par des polymères tels que les polyacides acryliques ou
les copolymères à base d'acide acrylique et d'anhydride maléfique.
Bien que #es polyacrylates utilisés actuellement ne posent pas ce
problème, leur absence de biodégradabilité rapide provoque une
accumulation dans fie milieu naturel (Swift,palymer Degradation and Stabüity
45, 215 - 23 i , 19941.
2o On ne connaît pas de toxicité associée a priori à ces polymères,
mais leur effet à long terme est incertain, et cette incertitude a contribué à
la mise en place de nombreux travaux de recherche destinés à améliorer leur
biodégradabilité.
Il est clairement établi que les polymères hydrophiles, comme
Z5 l'alcool poiyvi.nylique sont rapidement dégradlés par les micro-organismes
tMacromol. Chem. Phys. 196, 3437, 19953. ll est égaiement connu que Iss
polyacides acryliques de masse moyenne t:n poids inférieure à 1000
présentent une meilleure biodégradabilité que leurs homologues supérieurs
(Swift, Ecoiogical Assesment of Poiymer 15, 291 - 306, 1997).
30 EP 0497611 décrit fia préparation de te~rpolymères biodégradables et
des compositions les contenant. Ces terpofymé:res sont à base d'acétate de
vinyle, d'acide acrylique et d'anhydride maléfique. ils présentent des masses
moyennes en poids inférieures à 20 000.
US 5318719 décrit une nouvelle classe de matériaux biodégradables
35 basée sur le greffage de polymères contenant des fonctions acides sur un
support biodégradable à base de potyoxyalkylène.
D'autres travaux indiquent que fie:; chaînes comportant des
hétéroatomes sont plus tacüement dégradées que les chaînes carbonées.
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Ainsi, US 4923941 décrit des copolymères biodégradables contenant des
fonctions acides carboxyliques et des hétérocycles, ainsi que les
compositions de détergents les contenant.
La demanderesse vient maintenant de trouver qu'on peut améliorer
s la dégradabilité des polymères précédemment. décrits en insérant dans la
chaîne principale des sites de fragilité. Ces sites seront rapidement rompus
par les micro-organismes du milieu naturel, pour conduire aux séquences
acryliques de masse suffisament faible pour être facilement biodégradables.
La demanderesse a trouvé que le fait d'insérer dans une chaîne
1o acrylique des centres riches en électrons, tels que les doubles lïaisons,
rend
la chaîne acrylique plus fragile vis-à-vis des rnicro-organismes et améliore
ainsi sa biodégradabilité.
II est par ailleurs bien connu que si les chaînes carbonées sont très
résistantes chimiquement, et biologiquement, ceci n'est vrai que dans le cas
1s des chaînes saturées. En effet, si une chaîne comporte des liaisons
multiples
(riches en électrons), celles-ci, facilement oxydables, et chimiquement
réactives, constitueront les premiers sites de coupure de la molécule. Parmi
les liaisons multiples, les doubles liaisons carbone-carbone apparaissent
comme les plus facilement utilisables.
2o L'invention concerne les polymères hydrophiles à biodégradabilité
améliorée, en particulier les polyacrylates contenant des sites riches en
électrons facilement oxydables.
Les polymères de l'invention contiennent
- de 70 à 99 % en poids de motifs dérivés par polymérisation d'au
2s moins un monomère A portant une fonction acide carboxylique ou une
fonction équivalente
- de 1 à 30 % en poids de motifs dérivés par polymérisation d'au
moins un monomère B portant un groupe riche en électrons ou une fonction
susceptible d'introduire un groupe riche en électrons dans la .chaîne
3o principale
- de 0 à 29 % en poids de motifs dérivés par polymérisation d'au
moins un monomère C copolymérisable avec A et B, mais différent de A et
de B.
Ils peuvent contenir aussi un agent de transfert (imitateur de chaîne.
35 Quelque soit les monomères A, B et C , ie polymère final doit rester
hydrophile.
Le monomère A est choisi dans le groupe consfiitué de monomères
portant au moins un acide carboxylique et leurs dérivés tels que les sels et
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les anhydrides d'acides. A titre indicatif et non limitatif on peut citer
l'anhydride maiéique, l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide
itaconique, l'acide fumarique, l'acide maléfique, et leurs sels.
Le monomère A préféré selon l'invention est l'acide acrylique.
Le monomère B est choisi dans le groupe constitué
par les monomères portant deux doubles liaisons conjuguées
tels que le butadiène, l'isoprène, le chloropr~:ne, le diméthylbutadiène, le
cyclohexandiène, l'acide butadiène carboxylique et l'acide butadiène
dicarboxylique, et
1o par les monomères portant une triple liaison tels que
l'acètylène, l'acide acètylène carboxylique et l'acide acètylène
dicarboxylique.
Le monomère B préféré de l'invention eat !'isoprène.
Le monomère C, différent de A et de B, est choisi dans le groupe
1s contenant les monomères copolymèrisables avec A et B tels que les
monomères vinyliques, acryliques, styrèniques et leurs dérivés.
La répartition dans le polymère final, des sites fragiles apportés par
le monomère B, dépend à la fois de la rÉiactivité relative propre aux
différents monomères présents, et au rapport des concentrations relatives
2o en-monomère A, monomère B et éventuellement autres monomères C.
Les polymères de l'invention peuvent être linéaires ou ramifiés. Ils
peuvent être aussi partiellement réticulés.
Les polyacides acryliques partiellement neutralisés et réticulés à
l'aide d'une molécule contenant au mains deux fonctions réactives avec les
25 acides carboxyliques et contenant les sites fragiles décrits précédemment
constituent un parfait exemple de polymères ramifiés à biodégradabilité
ameliorée selon l'invention.
Parmi ces derniers on peut citer les produits généralement utilisés
comme absorbants de liquides aqueux et désignés souvent par super
30 âbsorbants (SAP).
Les polymères de l'invention peuvent être obtenus par la
polymérisation conjointe
de 70 à 99 % en poids d'au moins, un monomère A,
de 1 à 30 % en poids d'au moins un monomère B, et
3s de 0 à 29 % en poids d'au moins un monomère C.
Les monomères A, B et C sont ceux décrits précédemment.
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La polymérisation peut être conduite f;n solution dans un saluant
organique ou en présence d'eau. A t'stre indicatif sont décrits ci-après ces
deux modes de synthèse pour l'obtention d'un produit linéaire
- en présence de solvant organique
La polymérisation a Lieu dans fe tétrahy~drofuranne (THF). Lorsque la
polymérisation est réalisée en batch le mélange des monomères est introduit
dans le suivant, ainsi que l'initiateur fazo-bis-isobutyronitrile, AIBN) et le
cas
échéant un agent de transfert tel que l'acide thiogiycolique (ATG) ou un
autre thiol.
Après dégazage et mise sous azote, la réaction est déclenchée par
élévation de ta température à 70°C.
Les monomères A, B et éventuellement C peuvent être introduits en
continu à l'aide d'une pompe doseuse dans le réacteur tout au long de la
réaction avec pour objectif de mieux répartir le; monomère fonctionnel tout
au long de fa chaîne et d'obtenir ainsi un polymère plus homogène en
composition.
Après réaction et concentration du THF à l'évaporateur rotatif, le
polymère est précipité, et séché à l'étuve sous vide.
en présence d'eau
Sont introduits dans l'eau; le mélange des monomères, l'initiateur
(persulfate de potassium, K2S208) et le cas échéant un agent de transfert
tel que l'acide thioglycolique tATG) ou un autre thiol.
Après dégazage et mise sous azote, la réaction est déclenchée par
élévation de la température à 70 ou 80°C.
Après polymérisation, le produit est récupéré par évaporation et
séchage sous vide.
La biodégradabilité des produits obtenus est examinée de la manière
suivante
Evaluation de la dégradabilité
3o Pré-screening oxydatif
Ce test est destiné à évaluer la sensibilité des nouveaux
enchaînements à l'action de dégradations oxydative des enzymes
microbiennes.
Dans !a mesure où les enzymes d'oyxdation ne sont ni faciles à
mettre en oeuvre, ni disponibles commercialement, la méthode de test
décrite ci-après utilise des complexes méta111iques, anaiogues d'enzymes
d'oxydation et en particulier ie TPEN N,N,N',N' tétraméthylpyridine 1,2-
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éthylène diamine ou N,N,N';N' tétrakis-i2 pyridylméthyl) éthane 1,2
diamine.
N --~
:, ~ . /,y .
,.y~~ v
%.
N
N associé au Fe III.
5 Les conditions réactionnelles utilisées pour le test de dégradabilité
sont les suivantes
Polymères à tester : 1 mg/ml (volume de l'essai 10 ml)
TPEN associé à Fe ill : 0,05 mM
TPEN libre : 0,5 mM
H202 : 100 mM
pH : ~
Température : 50° C
Durée : 4 h
L'évaluation du niveau de dégradation obtenu est faite par
chromatographie liquide dans les conditions suivantes
Colonne : TSK 3000 Tosohaas
Eluant : H3CCOONa 0,1 M
Débit : 0,5 mllmin.
Injection : 25 ,ul après filtration à 0,22 ,u
2o Détection : Réfractomi3tre différentiel
Acquisition donnée : Peaknet Dionex.
L'étalonnage de la colonne est réalisé grâce à des étalons de
polyacrylates (Polymer Laboratories).
La dégradabilité du polymère dans les conditions du test est
mesurée par ie déplacement du pic observé en chromatographie liquide vers
les masses moléculaires plus faibles.
Ce déplacement est quantifié à travers un indice de dégradabilitê
11000 défini de la façon suivante
- Masse initiale du polymère : Ma
- Masse finale du polymère : nte
- Nombre de coupures
- Degré polymérisation initial : Dp = N
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- avec Mmono ~ masse du monomère "nnoyen"
- indice de dégradabilité :I~ooo - ~x Iooo
Soit : Ilooo = (.~-I}x MME°° xi000
Dégradation microbiologique
Cultures expérimentales
Des cultures Candida tropicalis sont réalisées sur milieu liquide
comprenant de l'extrait de malt (20 g.l-1 ) et incubées à 30°C sous
agitation
axiale pendant 48 heures.
Ces cultures sont centrifugées à 18000 rpm pendant 15 minutes, le
Io culot est lavé avec du tampon phosphate 0,1 M pH6 et à nouveau
centrifugé comme décrit précédemment. Ceate dernière opération est
réalisée une deuxième fois afin d'éliminer efficacement tout substrat
résiduel.
Méthode de Warburg
L'évaluation de ia respiration de C. t~opicalis sur un polyacrylate
s'effectue dans des fioles de Warburg (contenance totale de 3 ml)
comprenant 1,3 ml de tampon phosphate 0,1 pH6, 1 ml de suspension de
levure (environ 3 mg poids sec) et 0,5 ml dle polyacrylate à 1,12 g.l-1
(concentration finale de 200 ppm).
2o Des tests témoins sont effectués en parallèle
- une fiole ne contenant que du tampon phosphate (2,8 ml) permet
de mesurer les variations de pression atmosphérique
- la respiration endogène est mesurée dans une fiole ne contenant
que du tampon phosphate (1,8 ml) et la suspension de levure (1 ml)
- la respiration due à des contaminants éventuellement présents
dans la solution d'acrylate est également évaluée par un test comprenant
l'acrylate (0,5 ml) et le tampon phosphate (2,3 ml).
Les fioles sont soumises à agitation dans un bain-marie à 30°C.
Les mesures de variations de pression dues à l'apparition de C02,
3o révélateur du métabolisme de l'acrylate par la IE;vure, sont effectuées
toutes
les 15 minutes.
Cultures de C. tropicalis sur polyacrylate
Deux types de culture sont mises en oeuvre . des cultures
comprenant exclusivement le polyacrylate comme source de carbone et des
cultures l'associant à !'extrait de levure. Le premier cas permet de révéler
l'utilisation du composé par le microorganisme. Le second vise à optimiser
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cette utilisation afin d'augmenter le rendement de dégradation en favorisant
le développement de ia levure.
Dans les deux cas, ces milieux comportent un milieu minéral
classique ~MgS04 ; 7H20 3 g ; CaCl2 2H20 0,1 g : NaCI 1 g ; FeS04
7H20 0,1 g ; ZnS04 7H20 0,1 g ; CoCi2 0,'1 g ; CuS04 5H20 10 mg ;
AIK (S04)2 12 H20 10 mg ; H3B03 10 mg~ ; Na2Mo04 2H20 2 mg ;
q.s.p. 1 I eau distillée] associé à du tampon phosphate 0,1.M ; pH6 dans les
proportions 2/98. Le poiyacrylate est à une concentration finale de 500
Ppm
lo L'extrait de levure éventuellement ajouté possède une concentration
finale de 200 ppm. Cette concentration peut être augmentée jusqu'à 500
ppm si le développement reste trop faible. Les fioles sont incubées à
30°C
sous agitation transversale et sont repiquées au bout d'une semaine. Les
cultures se poursuivent alors pendant 15 jours dans les mêmes conditions.
Evaluation de l'aptitude à la complexation du calcium
Le principe de ce test consiste à mesurer l'aptitude d'un polymère
donné à empêcher la formation d'un précipité de CaS04 à partir de sulfate
de sodium et de chlorure de calcium.
Le protocole utilisé est le suivant
Deux solutions aqueuses sont préparées. à partir d'eau distillée, pour
contenir les sets suivants
Solution A : CaCl2, 2H20 64,9 g/I -~ MgCl2 0,5 g/I
Solution B : Na2S04 62,7 g/I
Dans un flacon de 500 ml, on introduit 400 ml d'eau distillée à
laquelle on ajoute 50 ml de solution A, progressivement, en agitant, et
ensuite 50 ml de solution B. Dans un flacon servant de témoin, on n'ajoute
plus sien, tandis que dans les autres flacons, on ajoute une certaine quantité
d'agent antitartre. Au temps t = 0, après hornogénéisation des solutions,
on prélève quelques ml de solution et an y dose le calcium et le magnésium.
3o Les flacons sont bouchés puis laissés au repos pendant 7 jours. On prélève
alors quelques mf de Piqueur surnageante et on redose le calcium et le
magnésium.
La concentration des fans est mesurée par spectrométrie d'émission
à l'aide de la technique ICP (Inductiveiy Coupledl Plasma).
Les résultats obtenus sont exprimés en ppm de calcium dans les
solutions au temps 0 et après 7 jours de contact.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée.
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Exemple 1 (comparatif)
Copolymère acide acrylique (AA)/monomère vinylique en phase
solvant
Dans un ballon bicot de 100 ml muni d'un réfrigérant et d'une
arrivée d'azote, on introduit 50 ml de tétralhydrofuranne (THF), 5,76 g
d'acide acrylique, 0,98 g d'anhydride maléfique:, 2 g d'éthylène-glycol-vinyl-
éther (EGVE~, 0,296 g d'azo-bis-isobutyronitrüe (AIBN).
Le mélange réactionnel est dégazé par une succession de cycles de
vide et d'azote, puis placé dans un bain d'huile thermostaté à 70°C.
to Après 12 heures de réaction, le mélange réactionnel est concentré à
l'évaporateur rotatif puis précipité (2 fois), filtrES (fritté 5), et séché à
l'étuve
sous vide (5.10-2 bar) pendant un minimum de six heures.
Résultats .
Rf. Composition TC A ent transfertAmorceur 1
BG AA80/AM10/EGVE10 68 (reflux)non AIBN 56
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Dégradabilité oxydative
ts Dans tes conditions du test, le produit obtenu présente un indice de
dégradabilité 11000 égale à 56, ce qui esi: un résultat supërieur aux
polyacrylates de référence dont le 11000 se sütue entre 18 et 26 dans les
mêmes conditions.
De même, un copolymère commercial de méthyl-vinyl-éther et
2o d'anhydride maléfique, le Gantrez, présente un 11000 de 46,5 ce qui
confirme bien la dégradabilité des copolymères polycarboxyliques-vinyliques.
Enfin, un homopolyimère d'alcool polyvinylique présentant une très
bonne biodégradabilité présente un i 1000 de 212,1 que l'on peut donc
considérer comme la borne supérieure dans les conditions du test.
25 Exemple 2
Copolymère AA/isoprène en phase soiv<~nt
1. Synthèse en batch à reflux du solvant (68°c)
Dans un tube de Schlenck de 100 ml, on introduit 20 ml de
tétrahydrofuranne, 2,88 g d'acide acrylique, 0,68 g d'isoprène, 0,082 g
3o d'AIBN et 0,131 g d'acide thioglycolique (ATG) comme agent de transfert si
nécessaire.
Le mélange réactionnel est dégazé par une succession de cycles de
vide et d'azote, puis placé dans un bain d'huile thermostaté à 70°C.
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Après 12 heures de réaction, le mélange réactionnel est concentré à
!'évaporateur rotatif puis précipité. (2 fois), filtré (fritté 5), et séché à
l'étuve
sous vide (5'" 10'2 bar) pendant un minimum de. six heures.
Deux produits, ont été préparés selon ce mode. Ils portent les
références BG 70 et BG 115.
2. Synthèse en semi continu en réacteur sous pression (70°c ; 2,5
bars)
Dans un réacteur en inox de 500 ml pouvant tenir à une pression
minimale de 5 bars muni d'un barreau aimanté ~d'agitat'ton, on introduit 0,6g
1o d'AIBN, 33,58 d'acide acrylique et 90g de THF.
Le réacteur est fermé hermètiquement par un couvercle à 8 vis
surmonté d'un rnanomàtre et d'une vanne utilisable pour !'introduction de
liquides et pour le dégazage du réacteur.
On monte la pression à 2,5 bars dans le réacteur par introduction
~s d'azote.
On pèse dans un flacon, thermostaté par un bain de glace 7,5 g
d'isoprène et 180 g de THF. On place !e flacon rempli sur une balance pour
suivre la diminution de masse correspondant à 'la quantité introduite dans le
réacteur. Le flacon est relié à une pompe doseuse, elle même reliée au
2o réacteur. On purge les tuyaux de raccordement, on place le réacteur dans
un bain d'huile thermostaté à 70°c et agité magnétiquement. La pression
risque d'augmenter un peu, elle ne doit pas dépasser 5 bars. Puis on
commence à introduire le mélange THFlisoprène; dans le réacteur. L'addition
va durer 180 min et la réaction va encore être maintenue â 70°c pendant
25 17 heures supplémentaires
En fin de réaction le réacteur est placé dlans un bain de glace afin de
diminuer la pression interne, après 30 minutes il est dégazé.
Le mélange réactionnel est concentré à l'évaporateur rotatif puis
précipitë (2 fois), filtré (fritté 5), et séché à l'étuve sous vide (5 *' 10'2
bar)
3o pendant un minimum de six heures.
Le produit obtenu porte la référence CL 56.
Résultats
Rf. Composition TC Aient 'transfertAmorceur9
BG 70 AA80/Isopr20 68 (reflux?non AIBN 48,6
BG115 AA80/Isopr20 68 (refluxoui AIBN 62,4
CL 56 AA80/Lsopr20 70 non AIBN 50
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Dégradabilité oxydative
Dans les conditions du test, les produits obtenus présentent un
indice de dégradabilité 11000 qui se situe entrf; 48,6 et 62,4, ce qui est un
résultat supérieur aux polyacrytates de référence dont le 11000 se situe
5 entre 1$ et 26 dans tes mêmes conditions. Ceci est vérifié avec ou sans la
présence d'un agent de transfert. Ces résultats montrent que la
dégradabilité de ce type de copolymère dans te test d'oxydation est d'un
niveau tout à fait équivalent aux structures décrites dans l'exemple 1
correspondant à EP 497611.
to Dégradabilité microbiotogique
Le copolymère AAllsoprène (BG70) a~ par ailleurs été évalué en
dégradation microbiologique dans les conditions décrites précédemment.
Deux types de résultat ont été obtenus.
a - Test de respiration
i5 Le copolymère a été utilisé comme substrat carboné pour des
cultures de Candida tropicales, cornparativerx~ent à du glucose substrat
témoin facilement métabolisé, et à un polyacryl;ate de référence.
~.es rs oe respiraicon
vapeu obtenues sons: les
suivantes
, Composition Respiration, ,ul 02/h.g
Rfrence de cellules
Glucose - 17,3
BG70 AA80/Isoprne20 5,1
Norasol 4500 Homopolymre AA 0
Comparativement à un polyacrylate standard qui ne provoque
2o aucune respiration, te copolymère avec l'isoprène présente un taux
spécifique de respiration proche de 30 % de celui du glucose, ce qui indique
une nette amélioration de la biodégradabilité.
b - Test d'assimilation
Le copolymère a étë utilisé comme substrat carboné pour des
2s cultures de Candida tropicales de durée plus importante, et analysé en
chromatographie liquide de façon comparative, après 15 jours de culture.
L'analyse de ces résultats montre qu'environ 72,5 % du copolymère
a été dégradé par le micro-organisme au cours des 15 jours de culture. Le
lavage de fa biomasse, par des solutions salines ne révèle aucune trace de
3o polymère, preuve qu'il y a bien eu biodégradation, et non adsorption du
polymère sur celle-ci.
Comptexation
Les copolymères obtenus sont solubilisés dans la soude 0,1 IVI avant
analyse, puis ramenés au pH du test. Le niveau de calcium mesurable après
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7 jours de contact indique l'aptitude du polymère évalué à inhiber sa
précipitation sous forme de CaS04. Le tableau ci-après indique que l'effet
persiste jusqu'à 0,25 pprn de copolymère AA/isoprène dans les conditions
du test, et jusqu'à une valeur voisine pour le polyacrylate de référence,
alors
pu'aucun effet n'est mesuré pour le témoin.
Rfrence ppm Teneur en Ca2 + en Teneur en Ca2~
ppm + en
t = 0 m t = 7 'ours
0,05 _ 1590
2260
BG70 0,25 2290 2290
0,5 2290 2270
0, 3 1860 890
Norasof 0,4 1780 1530
4500
1 1790 1680
Tmoin 1930 940
Ces résultats permettent de conclure que les nouveaux polymères
AAlisoprène manifestent vis-à-vis du calcium uin pouvoir équivalent â celui
d'un polyacrylate de référence comme le Noraso~l 4500.
