The Impact of Diethyl Furan-2,5-dicarboxylate as an Aromatic Biobased Monomer toward Lipase-Catalyzed Synthesis of Semiaromatic Copolyesters - Université de Lille Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue ACS Applied Polymer Materials Année : 2022

The Impact of Diethyl Furan-2,5-dicarboxylate as an Aromatic Biobased Monomer toward Lipase-Catalyzed Synthesis of Semiaromatic Copolyesters

Résumé

Furan-2,5-dicarboxylic acid has been introduced in recent years as a green aromatic monomer toward the design of aromatic (co)polyesters with enhanced properties, i.e., polyethylene furanoate (PEF) that can definitely compete with its petroleum-based counterpart, i.e., polyethylene terephthalate (PET). In an attempt to produce biobased semiaromatic copolyesters in an efficient eco-friendly approach, we report herein the polycondensation of diethyl furan-2,5-dicarboxylate (DEFDC) with different aliphatic diols and diesters of variable chain length catalyzed by an immobilized lipase from Candida antarctica using a two-step polymerization reaction carried out in diphenyl ether. The influence of diol and diester chain length, the molar concentration of DEFDC, and the effect of enzyme loading were assessed via nuclear magnetic resonance (NMR), gel permeation chromatography (GPC), differential scanning calorimetry (DSC), and wide-angle X-ray scattering (WAXS). With high quantities of DEFDC, significant differences in terms of M̅n buildup were noticed. Only longer diols starting from octane-1,8-diol successfully reacted with up to 90% DEFDC as opposed to only 25% DEFDC reacting with short diols such as butane-1,4-diol. While varying the chain length of the diester, it was evident that shorter diols such as hexane-1,6-diol have better reactivity toward longer diesters, while dodecane-1,12-diol was reactive toward all tested diesters. The incorporation of long chain fatty dimer diols such as Pripol 2033 led to polyesters with higher M̅n and was successfully used to overcome the limitations of poor reactivity observed in the case of short diols in the presence of high furan content. The DSC results showed a pseudoeutectic behavior as a function of increasing the mol % of DEFDC, and a change in the crystalline phase was confirmed via WAXS analysis. Finally, this work showed the successful enzyme-catalyzed synthesis of several DEFDC biobased semiaromatic copolyesters with variable interesting properties that can be further optimized for possible applications in food packaging as well as other possibilities.
L'acide furane-2,5-dicarboxylique a été introduit ces dernières années en tant que monomère aromatique vert pour la conception de (co)polyesters aromatiques aux propriétés améliorées, comme le polyéthylène furanoate (PEF) qui peut définitivement concurrencer son homologue issu du pétrole, le polyéthylène téréphtalate (PET). Dans le but de produire des copolyesters semi-aromatiques d'origine biologique par une approche efficace et respectueuse de l'environnement, nous rapportons ici la polycondensation du furan-2,5-dicarboxylate de diéthyle (DEFDC) avec différents diols et diesters aliphatiques de longueur de chaîne variable, catalysée par une lipase immobilisée de Candida antarctica, en utilisant une réaction de polymérisation en deux étapes réalisée dans de l'éther diphénylique. L'influence de la longueur de chaîne des diols et des diesters, la concentration molaire de DEFDC, ainsi que l'effet de la charge enzymatique ont été évalués par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), chromatographie par perméation de gel (CPG), calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et diffusion des rayons X à angle large (WAXS). Sans DEFDC, ou à faible teneur, l'augmentation de la longueur du diol n'a pas eu d'effet négatif sur la masse moléculaire moyenne en nombre (Mn) des copolyesters aliphatiques préparés. En revanche, lorsque des quantités élevées de DEFDC (plus de 40 % molaire) ont été ajoutées dans le milieu réactionnel, des différences significatives en termes d'accumulation de Mn ont été remarquées. Seuls les diols plus longs à partir de l'octane-1,8-diol ont été mis en réaction avec succès avec jusqu'à 90% de DEFDC, par opposition à seulement 25% de DEFDC avec des diols courts tels que le butane-1,4-diol. Le Mn obtenu a montré une tendance à diminuer en fonction de l'augmentation du % d'alimentation en DEFDC, surtout avec les diols courts où la diminution du Mn était plus prononcée. En faisant varier la longueur de la chaîne du diester, il était évident que les diols plus courts tels que l'hexane-1,6-diol ont une meilleure réactivité vis-à-vis des diesters plus longs, tandis que le dodécane-1,12-diol était réactif vis-à-vis de tous les diesters testés. L'incorporation de diols dimères gras à longue chaîne tels que le Pripol 2033 dans le milieu réactionnel a conduit à des polyesters avec un Mn plus élevé et a été utilisé avec succès pour surmonter les limitations de la faible réactivité observée dans le cas des diols courts en présence d'une teneur élevée en furanes. Les résultats de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont montré un comportement pseudo-eutectique caractérisé par une diminution du point de fusion (Tm) en fonction de l'augmentation du % molaire de DEFDC, suivie d'une augmentation à un % molaire plus élevé deࣙࣙ DEFDC (≥ 50%) et un changement de la phase cristalline confirmé par une analyse de diffusion des rayons X à grand angle (WAXS). Enfin, ce travail a montré la synthèse réussie par catalyse enzymatique de plusieurs copolyesters semi-aromatiques biosourcés avec des propriétés intéressantes variables, à base de DEFDC.
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Dates et versions

hal-03758754 , version 1 (14-11-2023)

Identifiants

Citer

Kifah Nasr, Audrey Huret, Rosica Mincheva, Gregory Stoclet, Marc Bria, et al.. The Impact of Diethyl Furan-2,5-dicarboxylate as an Aromatic Biobased Monomer toward Lipase-Catalyzed Synthesis of Semiaromatic Copolyesters. ACS Applied Polymer Materials, 2022, ACS Applied Polymer Materials, 4 (2), pp.1387-1400. ⟨10.1021/acsapm.1c01777⟩. ⟨hal-03758754⟩
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