Brevet FR2134592A1 — publié le 19721208

L'hydroxycitronellal est un parfum remarquable largement employé dans l'industrie cosmétique et en savonnerie» Paul Z. Dedonkian, Perfumery and Flavoring Synthetic, Second Edition, 1967, page 182 le cite comme un ingrédient indispensable dans la plupart des compositions pour parfums. 5 L'hydroxycitronellal est habituellement préparé par hydratation de son dérivé bisulfitique en employant des solutions aqueuses contenant de 40 à 60 % d'acide sulfurique et à une température comprise entre -5 et 0°C pendant 5 à 12 heures. Le dérivé bisulfitique hydroxylé du citronéllal est alors décomposé pour former de l'hydroxycitronellal tandis que les sous-produits de 10 la réaction sont séparés par extraction avec m solvant. Cette méthode présente néanmoins maints désavantages qui la rendent impropre à une fabrication à grande échelle» Le brevet U.S. 3 060 237, le brevet britannique 923 901 et le brevet U.S. 2 902 495 suggèrent la préparation d'hydroxycitronellal au départ 15 de pinène. Le brevet U.S. 3 028 431 suggère l'emploi de l'époxy-7,8 diméthyl-2, 6 octanol-2 comme produit de départ. Toutefois le citronéllal est encore le produit brut le plus intéressant puisqu'il est accessible en grande quantité comme constituant principal de l'essence de citronelle, ainsi que d'autres essences volatiles telles que l'essence de citron, l*essence de lemon grass et 20 l'essence de mélisse. Le citronéllal peut aussi être obtenu à partir du citral par hydrogénation avec m rendement quantitatif. Verley, Bull. Soc. Chim. France 43 850 (1928), suggère l'hydratation de l'acétate énolique du citronéllal ainsi que la décomposition de l'acétate énolique d'hydroxycitronellyle en employant un alcali faible.' il ne donne 25 aucun détail expérimental, ni aucun exemple d'alcali faible et pas davantage de conditions opératoires. On considère généralement que les alcalis faibles sont l'hydroxyde d'ammonium et les sels faiblement alcalins tels que les sels d'ammonium» Il a été trouvé que les alcalis faibles soit ne donnent aucune réaction ou soit ne fournissent que des rendements tout à fait bas qui ne sont 30 pas satisfaisants pour un procédé commercial • La présente invention concerne un procédé de préparation de l'hydroxycitronellal (diméthyl-3r7 hydroxy-7 octanal) à partir du citronéllal et utilisant la voie de l'ester énolique ou du diester du citronéllal, lequel est hydraté et enfin saponifié pour former l'hydroxycitronellal. 35 La réaction d'hydratation utilise de l'acide sulfurique aqueux de concentration comprise entre 58 et 78 % et dans un intervalle de température compris entre environ - 20° et environ + 50°C. La réaction de saponification utilise un alcali fort en présence d'eau, ce qui conduit à la formation d'hydroxycitronellal et du sel alcalin correspondant. Cette réaction s'effectue à des températures s'étageant de la •v 72 15042 2134592 température ambiante jusqu'à la température de reflux et en ce dernier cas on obtient l'hydroxycitronellal avec un très bon rendement. Le terme "alcali fort" tel qu'utilisé ici inclut n* importe quelle base forte telle qu'un oxyde ou hydroxyde de métal alcalin ou de métal alcaline— terreux aussi bien que les sels de métaux alcalins ou alcalinoterreux tels que les carbonates et les bicarbonates, qui fournissent des bases fortes par hydrolyse en solution aqueuse. Les trois réactions qui sont combinées dans le procédé selon l'invention pour la synthèse de l'hydroxycitronellal sont les suivantes : (1) (a) GH- 10 (S ca3 ch3 R-C=0 > B-C=Û NaOAc ou ZOAc C-û-C-R + ECOOH I » H 0 CHg —3 ester énolique de citronellyle (b) CH. CHO CH3 CH3 CH3 A E-CaO > E-C=0 NaOAc ou EOAc ^ ô* /\ 0H3 OH. 0-C-E / S ^ 0-0-E 8 diester de citronellyle (2) (a) CH. n 1 » 1 C-O-C-R \ r U X* ch3 ch3 58-78 % 3 3 ester énolique d'hydroxycitronellyle 72 15042 2134592 (*) ch3 CH3 (3) (a) ch3 ch3 (b) HO —— ch3 ch3 0 58-78 % V°4 , Alcali fort Alcali fort V 4 gh3 ch3 Diester d'hydroxycitronellyle + sel alcalin CHO ch3 ch3 Hydroxycitronellal + sel alcalin CHO CH3 CH3 Hydroxycitronellal Dans les formules ci-avant R représente un radical inférieur 5 aliphatique d'un anhydride d'acide aliphatique inférieur tel que l'anhydride acétique (de préférence) ou d'un acide aliphatique inférieur (de préférence l'acide acétique) et le cation de l'alcali fort est un métal alcalin ou alca-linoterreux. La première réaction, la préparation de l'ester énolique ou du 10 diester de citronellyle est une réaction connue. L'anhydride d'acide aliphatique 72 15042 2134592 inférieur et le citronéllal sont chauffés à reflux en présence d'un sel alcali» d'un acide carboxylique aliphatique inférieur tel que l'acétate, le propionate, le butyrate ou le valérate de sodium ou de potassium. On peut utiliser n'importe quel anhydride d'acide aliphatique inférieur ayant jusqu'à 5 atomes de carbone 5 tel que l'anhydride acétique, l'anhydride propionique, l'anhydride butyrique, l'anhydride isobutyrique et l'anhydride valérique. On emploie un excès de l'anhydride compris entre 1,5 à 7 fois la quantité stoechiométrique. Le produit de la réaction peut être l'ester énolique de citronellyle, le diester ou le mélange des deux en n'importe quelle proportion selon la quantité d'anhy-10 dride présent. Quoique le diester conduise au même produit final que l'ester énolique, il est plus économique d'opérer avec l'ester énolique, aussi on préfère opérer par 1'intermédiaire de l'ester énolique. La quantité requise de sel alcalin d'acide organique tel que l'acétate de potassium ou l'acétate de sodium est habituellement de l'ordre 15 de 10 à 30 % en poids par rapport au citronéllal. La réaction s'effectue avec formation de quantité équimoléculaâre de l'acide libre de l'anhydride employé quand on forme le monoester et ce dernier est séparé par distillation de préférence en continu au fur et à mesure qu'il est formé car la présence d'acide libre semble favoriser un ac-20 croissement de la formation du diester et aussi provoque lacyclisation du citronéllal et de l'ester énolique en ester d'isopulégol qui n'est pas un produit recherché et par conséquent abaisse le rendement. Pour cette raison il est préférable d'effectuer la réaction à reflux ainsi on peut chasser l'acide du distillât (qui est alors recyclé) pendant le cours de la réaction. 25 A la fin de la réaction on fractionne le mélange réactionnel et obtient l'ester énolique et/ou le diester de citronellyle. Le but de l'estérification est de protéger .le groupe aldéhyde du citronéllal pendant la réaction d'hydratation qui est effectuée à l'aide d'acide sulfurique aqueux ayant une concentration comprise entre environ 58 30 et environ 78 % d'acide sulfurique, de préférence entre 60 et 70 %. La concentration de l'acide sulfurique est un facteur essentiel. Des solutions plus diluées sont peu efficaces et des solutions plus concentrées favorisent la production de sous-produits indésirables tels que polymères ou produits cyclisés. 35 La réaction d'hydratation peut être effectuée à une température comprise dans l'intervalle d'environ -20° à environ +50 °C. La réaction est habituellement terminée à peu près en 2 heures aux températures les plus basses et en quelques minutes aux températures les plus élevées. La réaction peut être effectuée en discontinu ou en continu. Par suite de la grande chaleur 72 15042 5 2134592 de réaction il est préférable d'opérer en continu à grande échelle. Dans le procédé continu, on mélange l'ester énolique et l'acide sulfurique et les introduit en continu dans le réacteur à une température relativement basse telle que la température ambiante. La vitesse de circulation à travers le 5 réacteur est réglée de façon à prévoir un temps de séjour dans le réacteur correspondant à la durée désirée de réaction, habituellement quelques minutes» Cette durée de réaction dépend de la température choisie, des caractéristiques du réacteur, des réactifs et de la concentration en acide. Sa discontinu, il est habituellement préférable, quoique non 10 indispensable, d'ajouter le diester ou l'ester énolique à la solution d'acide, sulfurique à la température désirée de réaction puisque la solution d'acide sulfurique se trouve dans le volume le plus grand. L'ester énolique ou le diestèr peuvent être ajoutés plutôt rapidement, environ en 15 minutes, après quoi on maintient la température de réaction jusqu'à ce que l'hydratation soit 15 complète. On traite alors le mélange réactionnel et on distille le produit de réaction. On effectue la saponification de l'ester énolique où. du diester hydroxylé en hydroxycitronellal à l'aide d'un alcali fort tel qu'une base forte comme un hydroxyde alcalin ou alcalinoterreux ou ses sels tel qu'un sel 20 alcalin ou alcalinoterreux. A titre de bases fortes on peut citer les hydro-xydes de métaux alcalins tels que 1*hydroxyde de sodium, 1'hydroxyde de potassium, ou 1'hydroxyde de lithium ; les hydroxydes et les oxydes de métaux alcalinoterreux tels que l'oxyde et l'hydroxyde de calcium, l'oxyde et 1*hydroxyde de baryum, et l'oxyde et l'hydroxyde de strontium. A titre de 25 sels alcalins on peut citer les carbonates alcalins tels que lès carbonates de sodium et de potassium, les carbonates de calcium, de irontium et de baryum, et les bicarbonates de sodium et de potassium. La quantité d'alcali fort requise est stoechiamétrique par rapport à la fonction ester de l'ester énolique ou du diester ou de leurs mélanges, aussi pour des rendements optimum 30 utilise-t-on une quantité stoechiométrique, mais des quantités inférieures ou supérieures à la stoechiométrie peuvent être utilisées. Si elles sont inférieures, le rendement est réduit de façon correspondante. Si elles sont supérieures, la base est gaspillée et peut attaquer le produit, ce qui conduit à une baisse du rendement. Dans le cas de sels de métaux alcalins ou alcalino-35 terreux, la quantité requise est de deux équivalents par mole d'ester énolique ou de diester et non d*un équivalent. Ainsi dans le cas des carbonates et bicarbonates de métaux alcalins il en faut respectivement une mole et 2 môles par mole d'ester énolique ou de diester et non 0,5 mole ou 1 mole. Ceci est tout-à-fait inattendu. Cependant les résultats obtenus quand cette quantité 72 15042 6 2134592 est utilisée sont comparables à ceux avec 1 mole (i équivalentX de base forte» On devrait s'attendre à des difficultés d'obtention d'un bon. rendement d'hydroxycitronellal par saponification de l'ester énolique ou du diester avec un alcali fort à cause de l'instabilité de cet aldéhyde en milieu 5 alcalin» Etant donné la sensibilité de l'hydroxycitronellal aux alcalis forts, le choix par Verley d'un alcali faible est tout-à-fait rationnel» Il est donc tout-à-fait surprenant que des résultats excellents puissent être obtenus selon l'invention par l'emploi d'alcalis forts et encore plus surprenant, à températures élevées» Un autre problème est celui de l'immiscibilité entre la 10 solution aqueuse caustique et l'ester énolique et/ou diester et donc la vitesse de réaction dépend dans une certaine mesure du degré d'agitation du milieu réactionnel» On a trouvé que des rendements élevés (92 à 95 ï) d'hydroxycitronellal à partir de l'acétate énolique et du diacétate énolique peuvent être obtenus en ajoutant progressivement une solution aqueuse d'alcali fort 15 dans un mélange bien agité et à reflux d'ester ety'ou de diester énolique et d'eau. La réaction s'effectue à basses températures avec une faible vitesse A température ambiante, à laquelle température on peut obtenir de bons rendements» La réaction s'effectue plus rapidement à températures 20 élevées jusqu'à environ 100°C. Une température élevée convenable est la température de reflux du milieu réactionnel. La réaction est habituellement terminée en une à quelques heures» Les exemples suivants illustrent l'invention. EXEMPLES 1 à 26 25 On a effectué une série d'hydratations de l'acétate énolique de citronéllal, du diacétate et de leurs mélanges selon lo mode opératoire suivant ; Dans les exemples 1 à 26 l'acétate énolique de citronellyle, le diacétate de citronellyle ou leurs mélanges avec jusqu'à 10 % de diacétate 30 sont ajoutés environ en 15 minutes à la solution d'acide sulfurique maintenue à la température réactionnelle indiquée dans les tableaux I, II, III et IV ci-après. La masse réactionnelle est maintenue à cette température pendant la durée de réaction décrite dans les tableaux, après quoi on traite le mélange réactionnel et distille le produit de réaction. Le tableau I donne 35 des exemples d'hydratation de l'acétate énolique de citronellyle. Dans l'exemple 8 on ajoute la solution d'acide sulfurique à l'acétate énolique. Les données numériques montrent que l'on obtient des rendements atteignant jusqu'à 92 % de la théorie. Dans tous les cas on forme environ 2 à 5 % d'acétate d'isopvlegyle et une petite quantité de résidu. 72 15042 7 2134592 Les tableaux II et III rassemblent des exemples d'hydratation de diacétate de citronellyle et de mélanges d'acétate énolique et de diacétate. Les données numériques montrent que aussi bien le diacétate que les mélanges de diacétate et de monoacétate réagissent avec un bon rendement. Par con-5 séquent il n'est pas indispensable de séparer ces deux composés à la fin de la réaction d'estérification. Le tableau IV rassemble les exemples 21 à 26 montrant l'hydratation des mélanges non distillés d'acétate énolique et de diacétate tels qu'obtenus à partir de la réaction dTacylation, après élimination de l'excès 10 d'anhydride acétique et en utilisant de l'acide sulfurique de titre compris entre 56 à 74 3*• Les données numériques montrent qu'on obtient des rendements optimum pour de l'acide sulfurique de titre compris entre 60 à 70 %, mais on obtient aussi de bons rendements avec de l'acide sulfurique ayant une concentration de 74 à 78 % et à des concentrations comprises entre 60 15 et 58 %, *mxw i ^RAm|ON_D|_L'AO|TATO_MOLjg^_DE_ÇITRÛ^I;LH;1K • • { : i • (f¥#wp. s ( • * « î t (s) Concentration 64 % Rapport pondéral sur l'acétate énolique 50 50 160 100 200 300 5 : 100 (2): ioo or 100 100 100 75 100 100 6/1 3/1 1,5/1 3/1 3/1 3/1 3/1 3/1 3/1 3/1 3/1 2/1 1,5/1 1,5/1 Température "G 20 20 20 20 20 20 20 20 20 10 0 10 10 0 Durée (heure# 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1/2 1/3 1/2 Produit Poids distillé (1) (g) 50 50,5 100,5 102 206 307 99,5 101,5 103 102,5 97 76,5 101 99,5 Analyse acétate énolique non transformé acétate énolique de l'hydroxycitronellal (%) t t ; Résidu ; (g) 0 0 18 2 9,5 0 0 5,5 3 15 2,5 7,5 2 91 92 75 97 93 85,5 95 96 91 95 76 92,5 89 90 « 1,5 ; 1.3 ♦ * 3 : i 3 s 5 ; 7*s î 4,5 ! 3,5 : " ^ 1 3 î s 4 l 2,5 î 3» 5 : 5 Rendement 86 87,5 88 91 90 89 89 91 92 91 80 90 90 85 dans tous les cas on forme 2 à 5 % d'acétate d'isopulégyle pendant: 1'hydratation ■ywsé dans l'eau glacée - pour tous les autres exemples versé dans «te solution ée carbonate ée S'Odiuta floida sulfurique .ajouté 1 l'.acétate énolique VI ro m ui o 4> ro 00 i PO fa Ul VD ro TABLEAU IV HYDRATATION (1) DE MELANGES MON DISTILLES (2) D'ENOL ET DE DIACETATE ( C ( Exemple ( ( ( ( C ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( 21 22 23 24 25 26 Concentration de l'acide sulfurique (%) 74 69 66 63 61 56 t t > Durée « i de t : réaction > t (heures)' : * ! ■* i Analyse du produit t Chromatographie gaz-liquide Rendement . Produit distlllable Poids du t non transformé : hydroxylé i : : calculé sur : les acétates : consommés Cg) résidu (g) : mono- t dl-t ester CH.. t mono-j ester di- ïïr t produits t chargés : 2 t 41 4 t > 8 * \ t 10 : » 56,5 55 : 60 t t 66 t t t 2 t 45,5 3 > 6,5 t » 9 : 70,5 '8,5 i 78 i 88 t t t 3 t 45 3 t 5,5 t t 1 t 77 15,5 t 88 : 92 t s î 2 t 47 .3,5 t : 4 « 5 | i 72 12,5 i 85 t 94 t t t 5 t 43 3,5 : 4,5 t t 6 t 68 13 : 76 t 84 : 4 > t : \ t i t . s : i 46 i»5 t 45 : t t • • : t 14 t t t • • s : 6,5 > t • • t 5 t en majeure partie de : l'acétate énolique non i transformé à côté de i 27 % d'acétate d'iso-: pulégyie : i (1) - tous les essais sont effectués à-20-25°C en utilisant 50 g de mélange et 300 g d'acide (2) - analyse de mélanges non distillés t 71 % de monoacétate ; 16,5 % de diacétate ; 3% de produit polymère ; 10 % de produit à bas point d'ébullltion y compris l'acétate d'isopulégyle VI ro i-^ ui o fV> i>o Ul vo i>o TABLEAU H HYDRATATION DU DIACETATE DE CITRCH8LLYLE Exemple Poids de diacétate h2so4 concen- s rapport tration t pondéral (%) t au di- t acétate Température (°C) Produit i Poids et analyse Durée t Poids du (heures)t distillât t brut (g) t t diacétate i hydroxy t t non trans- tdiacétate; Résidu t formé (%) t (7.) : (g) i s : Rendement tt) VI PO M VJ1 o 4> Exemple i Composition t des mélanges , acétate:diacétate sénolique (%) TABLEAU III ITO^TATIW-DE_MELMGES_D|iACETATE_^LI9lffi_ET_DE_DIACETATE «2S04 Poids du mélange (g) Concen-i rapport tration:pondéral (%) :au mé- » lange de : l'acétate et/ou :diacéta-:te Tempé-rature °C Produit : poids et analyse Durée tPoids du (heures)» distillât « (g) Produits non trans • formés ComposésîRésidu hydro- : (g) xylés ' (%) * Rendement (%) ro h-* 4> Ul VD ro 9 9 10 10 100 50 100 100 64 : 2 3/1 : -20 : • • 2 »; 100 64 : 3/1 S { : -20 t 2 : i 50 s : : . t t 64 ! 3/1 : -20 •• 1 t 102,5 64 t • m 3/1 î -20 ! ■ IL 2 • • : 99 t • fc'. : enol 3 84 di 2,5 . 6 enol >0 89 • di )° 7» 5 enol 7,5 . 81,5 di 1 . 7 enol Il»5 t 76 di *»2 0 2,5 2 3 90 90 94 85 72 15042 2134592 BXBHPLB 27 Hydratation continue de l'acétate énolique de citronellyle Le réacteur est un tube cylindrique en forme d*anneau fermé ayant environ une longueur de 245 cm et un volume de 200 cm3 avec orifices 5 d'infection pour l'acide sulfurique et l'acétate énolique, une zone de mélange avec use pompe à engrenages et un orifice de sortie pour l'évacuation du mélange réactionnel* Le réacteur est refroidi intérieurement et extérieurement par une circulation de mélange réfrigérant. La pompe tourne à 4QÇ tours fax minute et la vitesse de recirculation du mélange dans le 10 réacteur est de 65 en/seconde. Le temps de séjour moyen est compris entre 6 secondes et 6 minutes. La température de réaction est 18*C, la concentration de l'acide sulfurique est 69 %• Le rapport pondéral de l'acide sulfurique à l'acétate énolique est de 1,35 à1. Il y a 20 En suivant le mode opératoire des exemples 1 à 20 on prépare un mélange d'acétate énolique et de diacétate d'hydroxycitronellal. Ce 20 mélange est divisé en lots qui sont hydrolysés en présence d'alcali fort dans les conditions décrites par le tableau V. TABLEAU V Ex. HEA chargé . * Pureté : t : ■S 8 (mole) Basa (2) : : : : Durée (heures) jTempe-: î rature: —: : « :rann.rt: or ' Pour 11 !aPrès 11 5 : _ . . , -, s t i i î :addition : addition : distil-jRésidu Poids (mole) molaire , , , . , . * /~s : : de la : de la : lat : : : base : base : Distillât - Analyse : Distillation : par chromatographie : : gaz-liquide (%) ;Rende- -——; — : : ; ment hydroxy: : frac-citro- :HEA t tions nellal : : lourdes (oxi- : : mation): ; (g) ; (g) : sur 1» HEA % rv> vji o -p-l\3 28 : 92,5 : (1) 29 i 92,5 : (1) : 30 98 : 31 j 98 32 : 98 : • témoin1 98 G 98 témoin H 33 1 92,5 : 25 (0,108) 25 (0,108) 25 (0,115) ' 25 |(0,115) ; 25 .(0,115) ; 25 s (0,115) * 25 (0,115) 25 (0,108) ttaOH NaOH K„C0. KHC0„ ^ ® j 0 9 (0,1) î 0,9 reflux: : 4,5 g (0,112) 1,0 •reflux 4,6-4,7g (0,117) 1,02 . reflux 4,6-4,7g (0,117) 1,02 : 25 , j 17 g (0,115) 1,0 reflux5 : 8 g (0,057) 0 5 !?0-75 * .90-100 8 g (0,057) 1 0,5 25 22,5 g * i n (0,225) s ££ reflux : 1 1 1 1/2 3 1/4 1/4 1/12 1 6 d'un 1 3/4 2 5 20 0,5 : 87,5 18,5 1,5 : 93 18 2 î 94 15,5 ; 4» 5 : 87,5 • 19,5 * 1 î 94 3,5s 20 : 23,5 j 1,5 : 2-2,5 : : : 48 i 8 17,5-18 92,5 3,5 1 50 85 0 6 6 2 7 6 92 à 95 % 92 87 69 93 environ 50 faible 87-90 io ro i-* ui Ui vo ro 1) - 5 % d'acétate de citronellyle 2) - le poids global de l'ôau dans tous les essais est 100 g, c'est-à-dire 50 g avec HEA (acétate énolique d«hydroxy- citronellyle), 50 g pour dissoudre la base 3) - rapport molaire par rapport à la fonction acétate 4) - un excès de 100 % est nécessaire à l'obtention d'un bon rendement 72 15042 2134592 Les données numériques ci-avant montrent l'efficacité de 1*hydroxyde de sodium même à reflux, aussi bien qu'à la température ambiante (exemples 28 à 31). L'exemple 32 et les essais comparatifs 6 et H montrent qu'une molécule (2 équivalents) de carbonate de potassium par mole d'ester énolique est nécessaire pour un bon rendement. L'exemple 33 montre que 2 moles (2 équivalents) de bicarbonate de potassium sont nécessaires dans les mêmes conditions. 72 15042 2134592 REVENDICATION Procédé de préparation d'hydroxycitronellal caractérisé en ce que l'on traite un ester énolique d'alcanoïque inférieur et d'hydroxycitronellal ou un diester d'alcanoïque inférieur et d'hydroxycitronellal par l'eau et m alcali fort.