Les précurseurs de parfums sont des molécules peu ou non odorantes, de préférence non volatiles, qui libèrent de façon contrôlée des composés odorants volatiles à la suite d'une réaction chimique telle que la photolyse, l’oxydation, l’hydrolyse ; dans des conditions de la vie quotidienne, soit des conditions douces (pression atmosphérique, température ambiante ou s’en approchant).
Généralités Les précurseurs de parfums sont utilisés dans le domaine de la parfumerie, que ce soit dans les parfums, mais aussi, voire surtout, dans des produits cosmétiques ou ménagers comme les lessives, les assouplissants… et permettent le relargage une grande variété de composés odorants: des alcools, des esters, des composés carbonylés (aldéhydes, cétones) (voir figure 1 dans la section galerie) en fonction du précurseur choisi. Ces molécules peuvent se distinguer en deux catégories :
les , qui sont les précurseurs qui libèrent un seul composé odorant à la fois. les , qui sont les précurseurs pouvant générer plusieurs composés odorants différents.
Le mécanisme de libération du composé odorant est généralement le suivant : le précurseur est formé du composé odorant (volatile) et du substrat, liés par une liaison covalente. À la suite d'une réaction chimique dans des conditions de réaction douces, la liaison covalente va être rompue, provoquant la libération du composé odorant et l’obtention du substrat (voir figure 2 dans la section galerie). Parmi les nombreuses réactions chimiques enclenchant la libération du composé odorant, la rupture d’une liaison covalente entre le substrat et la partie volatile odorante du précurseur par l’effet de la température est la première à avoir été étudiée.
Il s’agit par ailleurs d’un domaine de recherche assez jeune, les premiers brevets ayant été déposés dans les années 1980. Les premiers précurseurs étaient généralement assez simples chimiquement, avec, par exemple, l'utilisation d’esters ou d’acétals pour relarguer, respectivement, des alcools ou des aldéhydes parfumés. Il existe une analogie dans le domaine pharmaceutique avec les prodrogues.
Intérêts En comparaison aux composés volatiles odorants traditionnels, dits , les précurseurs de parfums présentent une durée de perception plus longue après application. Dans le cas de certains précurseurs, la forme conjuguée présente une longévité plus importante et une plus grande résistance aux conditions de stockage par rapport à la forme libre du composé volatil. C’est le cas par exemple des aldéhydes odorants qui peuvent subir une oxydation ou une polymérisation selon les conditions de stockage. Le conditionnement sous forme de précurseur d’aldéhyde permet donc d’éviter ces dégradations et de rallonger la durée de vie du produit..
Types de relargage Hydrolyse non-enzymatique L'hydrolyse de précurseurs de parfum est une méthode de relargage contrôlé d'alcool odorants volatiles. Il en existe deux types, l'hydrolyse enzymatique et l'hydrolyse non-enzymatique. Les méthodes de relargages par hydrolyse non-enzymatique se distinguent des réactions d’hydrolyses enzymatiques par le large panel de volatils pouvant être concernés par une même réaction. En effet, les enzymes utilisées pour l’hydrolyse enzymatiques sont particulièrement sélective vis-à-vis des molécules dont elles catalysent la réaction.
Les méthodes d’hydrolyses non-enzymatiques utilisent la participation des groupes fonctionnels proches de la liaison hydrolysée, au sein de la même molécule. Cette catalyse par groupes fonctionnels proches est appelée catalyse intramoléculaire.
Par exemple, pour le relargage d’alcools odorants, le substrat et la substance volatile sont liés par une fonction ester portée par un cycle benzylique. En position ortho, un groupe nucléophile protoné, proche du groupe ester, catalyse l’hydrolyse de l’ester. En milieu neutre ou légèrement basique, le précurseur est hydrolysé et relargue un alcool odorant. Cette méthode a pu être appliquée pour des benzoates et également des maléates et des succinates, permettant le relargage d’alcools par changement du pH d’acide à légèrement basique.
Le relargage par hydrolyse non-enzymatique est principalement utile lorsque le produit est conditionné en solution aqueuse et soumis à un changement de pH. Ces produits peuvent être soit conditionnés en solution acide (pour le gel douche et le shampooing), soit en solution basique (pour le savon). La réaction d’hydrolyse est déclenchée lors du rinçage, pendant lequel le pH du milieu devient neutre. D’autres types de précurseurs conviennent à ce type de relargage : les esters inorganiques, les siloxanes, les acétals, les imines.
Hydrolyse enzymatique Le relargage des composés volatiles peut également se faire au contact des enzymes de la peau ou au contact des enzymes bactériennes présentes sur la peau. On distingue trois types de relargage enzymatique, toutes correspondant à un mécanisme d'hydrolyse.
Relargage en présence de glycoside (précurseur) Cette méthode permet de relâcher des alcools à partir de glycosides, en particulier de monosaccharides et disaccharides grâce à l’action des enzymes glycosidases. L’intérêt de l’utilisation de ce précurseur ne se réduit pas uniquement à diminuer la volatilité du substrat dans l’air mais permet également un meilleur stockage et transport dû à une meilleure solubilité du précurseur dans l’eau par rapport au composé volatile hydrophobe. Ce qu’il faut savoir c’est que l’on trouve des glycosidases dans la peau, les plantes, les bactéries et les champignons.
Relargage par enzyme β-Lyase et aminoacylase Ces enzymes sont responsables des mauvaises odeurs dans le corps, en comprenant comment leur mécanisme fonctionne, on peut les utiliser pour séparer le volatile du substrat. Le clivage du précurseur (voir figure 5 dans la section galerie) amène à la formation de plusieurs composés : l’ammoniac, le pyruvate et en fonction du précurseur utilisé, un alcool, un thiol ou un acide carboxylique.
Le clivage du carbamate (2) par une aminoacylase forme les composés suivants : un dioxyde de carbone, de la glutamine (acide aminé) et un alcool.
Relargage par hydrolase Les hydrolases sont présentes sur la peau ou dans les bactéries cutanées. Elles peuvent hydrolyser les triglycérides ce qui les rend utiles dans les produits d’entretien pour leur action détachante. Elles sont également utilisées pour déclencher le relargage par hydrolyse de certains précurseurs.
Elles servent à relarguer des alcools à partir d’esters carboxyliques, de carbonates, de sulfates, sulfites, phosphates. De même, pour relarguer des aldéhydes et cétones à partir d’énolates d’ester et des oximes à partir de carbonates d’oximes.
Photolyse La lumière du soleil est une source d'énergie naturelle des plus abondantes et importantes impliquées dans les processus biologiques comme la photosynthèse par exemple. La lumière possède des propriétés corpusculaires, cela permet aux photons d'interagir avec la matière.
Généralement, on applique du parfum sur des surfaces exposées à la lumière du jour. De ce fait, des précurseurs photosensibles peuvent être utilisés pour la libération contrôlée de composés volatils. Pour pouvoir améliorer l'efficacité de cette réaction de relargage dans des conditions douces, celle-ci doit pouvoir se faire avec la lumière naturelle. Il est également fréquent d’utiliser une solution polaire en présence d’oxygène en fonction de la réaction photochimique visée.. Lorsqu'on effectue une irradiation avec de la lumière UV : aux environs de 350–, l'arrachement radicalaire d’un atome d’hydrogène en position gamma dit “γ-hydrogène” forme un intermédiaire qui se nomme: 1,4-biradical (voir figure 7 dans la section galerie). Ce dernier va se décomposer pour donner les produits finaux de la réaction. Selon l'absence ou la présence d’oxygène dans le milieu réactionnel, un dégagement gazeux respectivement de CO ou de CO2 est observé. En fonction de la structure du précurseur, et de la réaction photochimique, on obtient les aldéhydes et/ou les cétones correspondant à la suite d'une irradiation avec une lampe au xénon dans des conditions expérimentales ou à la lumière du soleil dans des conditions de la vie quotidienne. La 2-oxo-2-phenylacetate et la 2-Cyclohexyl-2-oxoacetate (voir figure 8 dans la section galerie) ont été proposés comme étant des précurseurs appropriées pour les applications recherchées en parfumerie grâce à leur forme très similaire et avantageux offrant un relargage efficace. Il existe une corrélation entre la quantité de composé odorant libérée et l’intensité de la lumière. Le citronellal est un bon exemple qui illustre ce phénomène de libération. En effet, la libération de cette molécule est davantage importante entre 12-13h, heure suivie d’une luminosité solaire maximale.
La photoisomérisation est un procédé photochimique entraînant l'isomérisation de la molécule. Autrement dit, l'arrivée d'un photon a pour effet de transformer l'isomère cis en isomère trans ou inversement, par une rotation autour de la double liaison. On retrouve dans le Tonkarose, le o-Hydroxy cinnamate de l'isomère E, suivie d’une chaîne carbonée. À la suite d’une exposition à la lumière solaire, le o-Hydroxy cinnamate s’isomérise donnant l'isomère Z, suivie d’une lactonisation intramoléculaire nous donnant la coumarine qui est odorante et d’un alcool (voir figure 6 dans la section galerie). Expérimentalement, les composés ont été testés en présence et en l’absence de la lumière solaire, seuls les échantillons placé sous la lumière solaire ont pu émettre une odeur.
Oxydation L’oxydation permet la libération de composés carbonylés (volatiles) tels que des aldéhydes ou des cétones parfumés par une rupture oxydante d’une liaison C=C au sein du précurseur de départ, notamment dans des conditions de réactions douces.
Il existe deux voies principales différentes de libération de composé odorants impliquant une réaction d’oxydation : l’autoxydation et la photo-oxydation.
L’auto-oxydation implique l’oxygène atmosphérique O2, dans des conditions douces. Celui-ci réagit avec le précurseur de parfum organique lors de la réaction radicalaire en chaîne. Lors de l’étape (3), le radical capte un atome d’hydrogène sur un autre composé organique, produisant le produit primaire : un hydroperoxyde, ainsi qu’un nouveau radical libre alkyle qui va répéter l'étape (2), poursuivant ainsi la chaîne. L’hydroperoxyde formé peut alors subir différentes réactions en fonction de sa structure, pouvant libérer une grande variété de composés parfumés. En fonction du choix du composé organique de départ, tous les composés produits lors de la réaction peuvent être d’intérêt olfactif. Les composés les plus sensibles à l’auto-oxydation sont ceux pouvant céder facilement des hydrogènes pour pouvoir former des radicaux libres, tels que les composés benzyliques, allyliques et éthérés. En effet, les radicaux alkyles qui en résultent sont stabilisés par effet mésomère. Le cas de l'éther divinylique illustre de nombreuses voies de fragmentation existantes suivant l’obtention du produit primaire : un couple d'isomères d'hydroperoxydes allyliques. Ici, un seul des deux isomères obtenus pour illustrer les différentes réactions de décomposition. La fragmentation peut se produire via des voies homolytiques ou hétérolytiques :
Par fragmentation homolytique, il y a formation d’un radical alcoxyle (1) par rupture de la liaison O-O du peroxyde. Par β-scission sont obtenues un composé carbonylé ou un ester, ainsi qu’un radical alkyle, pouvant réagir avec l’oxygène pour former un radical peroxyle, et éventuellement former des composés carbonylés supplémentaires. Le radical alcoxyle (1) peut également prélever un hydrogène, formant un hémiacétal (ci-dessous) qui va se décomposer en un aldéhyde parent (2), utilisé pour la synthèse de l’éther divinylique, et un aldéhyde parfumé.