Brevet FR2193819A1 — publié le 19740222

La présente invention se rapporte à un procédé d'oxydation d'alkylpyridines de formule générale où R est un radical alkyle contenant de 1 à 2 atomes de carbone et m est un nombre entier compris entre 1 et 4, en acides pyridinecarboxyliques correspondants. Les acides pyridinemonocarboxyliques sont utilisés pour la préparation de produits pharmaceutiques, notamment l'acide nicotinique (ou acide 3-pyridinecarboxylique) est lui-même la vitamine antipellagre et l'acide isonicotinique (ou acide 4-pyridinecarboxylique) sous forme de son hydrazide est utilisé pour le traitement de la tuberculose. D'autre part, les acides pyridinedicarboxyliques servent à la fabrication de colorants et de pigments, tandis que l'acide 2,3,5,6-pyridinetetracarboxylique est particulièrement intéressant pour la préparation de résines. On connatt de nombreuses méthodes pour l'oxydation d'alkylpyridines en acides pyridinecarboxyliques. L'oxydation partielle de la 3-méthylpyridine par divers oxydants, tels que le permanganate ou le dichromate de potassium, donne de bons rendements en acide nicotinique, mais ces méthodes-ne sont pas applicables à l'échelle industrielle, à cause de leur coût élevé. L'oxydation par l'acide nitrique ou par l'acide sulfurique en présence de divers catalyseurs présente aussi des inconvénients (par exemple, durée de réaction assez longue, quantités importantes d'agent oxydant, températures élevées et formation excessive de sous-produits) qui nuisent à l'intérêt économique de ces méthodes. D'autre part, certains procédés applicables par exemple à la 3- ou 4-méthylpyridine ne sont pas applicables aux polyalkylpyridines,en raison des réactions de décarboxylation que subissent les acides pyridinepolycarboxyliques aux températures utilisées. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé d'oxydation d'alkylpyridines en acides carboxyliques correspondants à l'aide d'un agent oxydant particulièrement efficace, permettant d'opérer à tempéra ture peu élevée, en réduisant au minimum la décarboxylation et au tres réactions secondaires. Elle a aussi pour objet un procédé d'oxydation particulièrement souple, applicable aux alkylpyridines, quels que soient le nombre et la position des substituants alkyle. A cet effet, le procédé de la présente invention pour 1' oxydation d'alkylpyridines de formule générale où R représente un radical alkyle contenant de 1 à 2 atomes de carbone et m est un nombre entier compris entre 1 et 4, avec formation des acides pyridinecarboxyliques correspondants, consiste essentiellement à faire réagir l'alkylpyridine avec un sel de cobalt dans un rapport molaire inférieur à 2, tout en maintenant une concentration en ions cobaltiques telle que 2 x - A soit compris entre 0,1 et 1,5, x et A étant respectivement la molarité de ces ions cobaltiques et de ce sel de cobalt dans le mélange réactionnel, à une température comprise entre 20 et 1500C, dans un acide aliphatique carboxylique ayant de 2 à 4 atomes de carbone, en présence d'oxygène moléculaire à une pression partielle de 0,2 à 20 atmosphères. Un aspect important et inattendu de la présente invention est que la réaction entre l'alkylpyridine et le sel de cobalt ne se produit que lorsque ces deux réactifs se trouvent dans un rapport molaire suffisamment faible, de préférence à 2. En d'autres termes, il est nécessaire de limiter la quantité d'alkylpyridine par rapport au sel de cobalt ce qui, en pratique, ne peut etre réalisé qu'en faisant usage d'un solvant dans lequel les deux réactifs sont suffisamment solubles. Un tel solvant doit encore être relativement inerte dans les conditions de la réaction et ne pas interférer chimiquement avec celle-ci. Parmi les solvants qui satisfont à ces conditions, les acides aliphatiques carboxyliques ayant de 2 à 4 atomes de carbone, notamment l'acide acétique, sont particulièrement avantageux. Un autre aspect important de la présente invention est qu'en mettant l'alkylpyridine en contact avec un sel de cobalt dans le solvant et dans le domaine de température définis ci-dessus, une oxydation efficace ne se produit que si les concentrations molaires du sel de cobalt et de la partie cobaltique de celui-ci, désignées respectivement par A et x, sont telles que 2 x - A est compris entre 0,1 et 1,5. Ceci implique que non seulement le sel de cobalt doit être à une concentration d'au moins 0,1 quand il est sous forme entièrement cobaltique, c'est-à-dire quand x = A, mais qu'en plus une concentration élevée en ions cobaltiques n'est pas suffisante en elle-même pour assurer une oxydation active si la concentration totale en cobalt est trop élevée pour que la condition ci-dessus soit remplie.En fait, l'activité des ions cobaltiques est fortement réduite quand 2 x - A devient inférieur à 0,1, même pour de fortes valeurs de A, et elle est pratiquement négligeable quand 2 x - A = 0. Par conséquent, 2 x - A peut être considéré comme la concentration en espèce cobaltique active ou cobalt (III) actif et, à titre de simplification, sera d'ailleurs désignée par ces termes dans ce qui suit. Lorsque les concentrations du substrat, du sel de cobalt et de sa forme active satisfont aux conditions énoncées ci-dessus, ltoxydation des alkylpyridines s'effectue rapidement à des températures comprises entre 20 et 1500C, de préférence entre 40 et 80"C, ctest-à-dire à des températures modérées, inférieures à la température de décarboxylation des acides pyridinepolycarboxyliques. Cependant, pour que les alkylpyridines soient oxydées efficacement en acides correspondants, il faut encore que la réaction se déroule en présence d'oxygène moléculaire. A cet effet, on peut introduire dans la zone de réaction de l'oxygène pur ou tout autre gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air. Dans la plupart des cas, la pression partielle d'oxygène peut être comprise entre 0,2 et 20 atmosphères ou plus. Du fait que, dans le présent procédé, le sel de cobalt (III) agit comme un réactif, il se produit une réduction du cobalt (III) à sa valence inférieure. Il en résulte que la concentration du cobalt(III) actif, même lorsqu'elle est élevée au départ, tombe rapidement en-dessous de la limite requise pour une oxydation active. Pour obtenir des rendements élevés en acides pyridinecarboxyliques, il est donc nécessaire de régénérer le cobalt(III) par réoxydation de l'espèce cobalteuse produite au cours de la réaction. Ceci pourra se faire en continu ou par intermittence, dans le réacteur ou séparément.On peut recourir pour cela à des mo yens connus, par exemple à l'oxydation anodique ou à des agents chimiques, tels que l'ozone ou des composés perox idiques, ou encore à la cooxydation avec un aldéhyde de formule avec une cétone où R1 et R2 sont des radicaux alkyle inférieurs, contenant de 1 à 3 atomes de carbone. Une méthode particulièrement avantageuse consiste à introduire en continu, dans ia zone de réaction, de l'acétaldéhyde ou de la méthyléthylcétone àun débit contrôlé de façon à maintenir le niveau désiré en espèce cobaltique active. Parmi les sels de cobalt qui peuvent être utilisés dans le procédé de la présente invention, ceux d'acides carboxyliques conviennent particulièrement, car ils sont suffisamment solubles dans les milieux organiques. Bien que l'on puisse utiliser le sel cobaltique de n'importe quel acide carboxylique, les sels des acides gras inférieurs contenant de 2 à 4 atomes de carbone sont particulièrement avantageux, car leur forme cobaltique est facilement préparée à partir de la forme cobalteuse correspondante. De préférence, on utilise le sel cobaltique de I 'acide employé comme solvant. Les caractéristiques de l'invention ressortiront des exemples ci-après,qui sont donnés à titre d'illustration et sans caractère limitatif. Exemple 1 Dans un autoclave en acier inoxydable muni d'un agitateur mécanique, d'une enveloppe de chauffage, d'un serpentin de refroidissement, d'une conduite d'amenée et une autre d'évacuation de gaz, on a introduit 210 ml d'une solution contenant 0,120 mole de 2-méthylpyridine et 0,240 mole d'acétate de cobalt dans l'acide acétique. Le rapport molaire de I 'alkylpyridine au sel de cobalt était donc 0,50. D'autre part, le rapport des ions cobaltiques au cobalt total dans cette solution était de 0,91 de sorte que la concentration en cobalt(lil) actif telle que définie plus haut était d'environ 0,94 atome-gramme par litre. On a introduit de l'air dans la solution à un débit de 100 litres par heure, tout en agitant et maintenant la pression à 10 kg/cm2. Pour que la concentration en cobalt(lil) actif reste au-dessus de 0,1 atome-gramme par litre pendant la réaction, on a introduit de I 'acétaldéhyde dans le milieu réactionnel à un débit de 5 grammes par heure, sous forme de solution à 35ru6 en poids dans l'acide acétique. On a ensuite chauffé le mélange à 60"C pendant 6 heures. A la fin de l'essai, on a refroidi le mélange réactionnel et on l'a soutiré, après avoir relâché la pression de l'autoclave. La concentration en cobalt(lll) actif, déterminée sur une partie aliquote de ce mélange réactionnel était encore de 0,57 atome-gramme par litre, malgré la dilution de la solution initiale par la solution d'acétaldéhyde. Pour doser 1 'acide 2-Pyridinecarboxyl ique (ou acide picolinique) formé à partir de la 2-méthylpyridine, on a traité une autre partie aliquote du mélange réactionnel par une solution aqueuse de soude caustique. Après élimination par centrifugation du cobalt précipité sous forme d'hydroxyde, on a extrait la solution alcaline par de l'éther pour éliminer la 2-méthylpyridine n'ayant pas réagi. On a ensuite procédé au dosage de l'acide picolinique par spectrophotométrie U.V. Enfin, à partir d'une autre partie aliquote, on a déterminé la 2-méthylpyridine n'ayant pas réagi. Ces analyses ont montré que 95 6 de la 2-méthylpyridine de départ avaient été transformés avec une sélectivité de 100 % en acide picolinique. Exemple 2 On a répété le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, mais en rempla çant la 2-méthylpyridine par de la 3-méthylpyridine. L'analyse du mélange réactionnel a montré que la 3-méthylpyridine de départ avait été transformée complètement avec une sélectivité de 92 96 en acide nicotinique. Exemple 3 On a répété le mode opératoire décrit dans I 'exemple 1, mais en rempla çant la 2-méthylpyridine par de la 4-méthylpyridine. L'analyse du mélange réactionnel a montré que 95% de la 4-méthylpyridine de départ avaient été transformés avec une sélectivité de 94 % en acide isonicotinique. Exemple 4 On a répété le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, mais en rempla çant la 2-méthylpyridine par 0,060 mole de 3,4-diméthylpyridine. Cette dernière a été transformée complètement en un mélange contenant 85 9b d'acide 3,4-pyridinedicarboxylique et 15% d'acides monocarboxyliques correspondants. Exemple 5 On a répété le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, mais en rempla çant la 2-méthylpyridine par de la 4-éthylpyridine. L'analyse du mélange réactionnel a montré que 99% de la 4-éthylpyrîdine de départ avaient été transformés en un mélange d'acide isonicotinique (79%) et de 4-acétylpyridTne (2196). Exemple 6 Dans un autoclave équipé comme décrit dans l'exemple 1, on a introduit 210 ml d'une solution contenant 0,040 mole de 2,4,6-triméthylpyridine et 0,240 mole de propionate de cobalt dans l'acide propionique. On a opéré ensuite comme dans I 'exemple 1 excepté qu'on a chauffé le mélange réactionnel à 800C plutôt qu'a' 60 C. L'analyse a révélé que la 2,4,6-triméthylpyridine de départ avait été transformée en un mélange d'acide comprenant principalement I 'acide 2,4,6 pyridinetricarboxylique . REVENDICATIONS 1.- Procédé d'oxydation d'alkylpyridines de formule générale où R représente un radical alkyle contenant de 1 à 2 atomes de carbone et m est un nombre entier compris entre 1 et 4 avec formation des acides pyridinecarboxyliques correspondants, caractérisé en ce qu'on fait réagir I 'alkylpyridine avec un sel de cobalt dans un rapport molaire inférieur à 2, tout en maintenant une concentration en ions cobaltiques telle que 2 x - A soit compris entre 0,1 et 1,5, x et A étant respectivement la molarité de ces ions cobaltiques et de ce sel de cobalt dans le mélange réactionnel, à une température comprise entre 20 et 7500C, dans un acide aliphatique carboxylique ayant de 2 à 4 atomes de carbone, en présence d'oxygène moléculaire à une pression partielle de 0,2 à 20 atmosphères. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la température est comprise entre 40 et 800C. 3.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on effectue la réaction en présence d'un aldéhyde de formule où R1 est un radical alkyle inférieur. 4.- Procédé suivant les revendications I et 2, caractérisé en ce qu'on effectue la réaction en présence d'une cétone de formule où R1 et R sont des radicaux alkyle inférieurs contenant de 1 à 3 atomes de carbone.