Brevet FR2286824A1 — publié le 19760430

L'invention concerne de nouveaux nitro-époxy-alcanes géminés et un procédé de leur préparation. Plus particulièrement, l'invention concerne la conversion de peroxynitrates de nitroalkyle vicinaux en nitro-époxy-alcanes géminés; en utilisant certains composés réagissants fortement al calins. Les nitro-époxy-alcanes géminés sont utiles campe intermédiaires pour préparer des analogues de 1 'acroléine, comme agents de durcissement des polymères à fonction amino et surtout comme intermédiaires de la préparation des alcanols et de leurs dérivés d'éthoxylation qui possèdent des propriétés tensio-actives. La préparation de peroxynitrates de nitroalkyle est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 282 983. On prépare ces composés par nitro-oxydation d'un alcène par le peroxyde d'azote et 1'oxygène. La séquence réactionnelle est la suivante : où R, R1 et R2 représentent un atome d'hydrogène ou un radical alkyle, sous réserve que, dans tous les cas, R ou R1 représente un radical alkyle renfermant de préférence 1 à 18 atomes de carbone. On utilisait essentiellement à ce jour les peroxynitrates de nitroalkyle comme intermédiaires dans la préparation des nitrates de nitroalkyle et des -nitrocétones. Pour accrottre l'utilité des nitrates de type peroxy, on a dépensé des efforts considérables pour transformer le radical peroxy relativement labile en des groupes fonctionnels plus stables. La Demanderesse a découvert un procédé re rquable de transformation des composés nitro alkylés peroxydés en une nouvelle catégorie de composés plus utiles. Ces composés renferment un radical nitro et un radical bpoxy sur les maies atomes de carbone géminés. Selon 1 'invention, on prépare des nitro-époxy-alcanes géminés selon le schéma réactionnel suivant où R R1 et R2 ont la meme définition que précédeent. En pratique, on traite le peroxynitrate de nitroalkyle de départ avec un composé réagissant fortement alcalin, à des températures relativement basses, jusqu'S ce qu'on obtienne le nitroépoxy-alcane géminé. On peut séparer le produit du mélange réactionnel, puis le purifier selon les techniques habituelles de purification ou l'utiliser sous forme du mélange réactionnel. En pratique, on préfère mettre des peroxynitrates de nitroalkyle en présence de solvants non aqueux tels qu'un hydrocarbure liquide, sous la pression atmosphérique et à des températures comprises entre -800C et environ +400C, au contact d'au moins un excès molaire d'un composé réagissant fortement alcalin tel qu'un hydroxyde de métal alcalin, un hydroxyde d'ammonium quaternaire, un alcoolate de métal alcalin, ou de l'ammoniac anhydre, jusqu'à ce que pratiquement la totalité de la matière vicinale de départ soit transformée en nitro-époxy-alcanes géminés. On sépare le solvant par filtration et on traite sous vide pour obtenir le produit. On peut effectuer une purification complémentaire par cristallisation, chromatograpBie, etc. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit. A - Peroxvnitrates de nitroalkvle vicinaux Ces composés, qu'on utilise comme matières de départ dans l'in- vention, doivent renfermer un radical peroxynitrate (02NOO-) et un radical nitro (-NO2) sur des atomes de carbone adjacents. La portion aliphatique de la molécule peut renfermer de 4 à 50 atomes de carbone ou plus, et de préférence de 4 à 20 atomes de carbone.On peut citer comme exemples de telles matières de départ, entre autres, le peroxynitrate de nitro-l hexyle-2, le peroxynitrate de nitro-4 nonyle-5, le peroxynitrate de nitro-5 nonyle-4, le peroxynitrate de nitro-l dodécyle-2, le peroxynitrate de nitro-7 pentadécyle-8, le peroxynitrate de nitro-8 pentadécyle-7, le peroxynitrate de nitro-l octadécyle-2, le peroxynitrate de nitro-3 eicosyle-4, le peroxynitrate de nitro-4 eicosyle-3, le peroxynitrate de nitro-l eicosyle-2, et leurs mélanges. B - Composés réaqissants fortement alcalins Ces composés sont constitués par des substances basiques ayant des PK13 relativement élevés dans des systèmes aqueux ou non aqueux. Par exemple, on peut utiliser, dans un environnement aqueux, les hydroxydes de métal alcalin tels que l'hydroxyde de sodium et l'hydroxyde de potassium, tandis qu'on peut utiliser, dans des milieux anhydres ou non protoniques, l'ammoniac et des alcoolates de métal alcalin. On peut utiliser des hydroxydes d' alkyl-anino- nium quaternaire inférieur dans des milieux aqueux ou non protoniques. La concentration des composés réagissants alcalins n'a pas de limites strictes et peut être comprise dans la gamme de 1,0 M à 10 X ou plus, à condition que le rapport molaire du composé réagissant alcalin à la matière de départ soit de 1/1 ou plus. Des composés réagissants basiques ne donnant pas de bons résultats sont des solutions aqueuses de bicarbonate de sodium et 1'ami moniaque. On réfère les hydroxydes de métal alcalin dans des systèmes aqueux et 1 'ammoniac dans des systèmes anhydres. C - Raprxrt du composé réagissant fortement alcalin au Peroxv- nitrate de nitroalkvle vicinal de départ On doit utiliser au minimum une mole de la "base" (composé réagissant fortement alcalin) par mole du peroxynitrate de nitroalkyle de départ, et on peut utiliser des rapports molaires atteignant 10/1 ou plus, sans nuire au rendement ni à la pureté. Cependant, comme l'utilisation de rapports très élevés de la base utilisée n'apporte pas d'avantages particuliers, il est préférable, pour des raisons économiques, d'utiliser des rapports de la base au peroxynitrate de nitroalkyle compris entre environ 1/1 et 5/1. D - Temrratures et pressions réactionnelles La température réactionnelle peut varier considérablement selon qu'on utilise un milieu aqueux ou un milieu non aqueux. Dans les milieux non aqueux, où des points de congélation bas des solvants tels que les éthers le permettent, on peut utiliser, avec de bons résultats, des températures réactionnelles comprises entre environ -80eC et une valeur inférieure à environ +400C. Des tetpera- tures réactionnelles plus faibles augmentent inutilement les durées réactionnelles, sont difficiles à maintenir et, appare-ent, n'apportent pas d'avantages. Des tewpEratures nettement superieu- res à 40tC provoquent une décomposition importante des peroxynitrates de nitroalkyle et favorisent des réactions secondaires indésirables. Dans les milieux aqueux, le point de congélation de la solution alcaline limite la température réactionnelle entre une valeur comprise entre plusieurs degrés en dessous de zéro et 400C. La gamme préférée des températures réactionnelles, dans les milieux aqueux ou les milieux non aqueux, est comprise entre une valeur juste supérieure à OQC et environ 300C. On peut, si on le désire, opérer sous des pressions supérieures à la pression atmosphérique sans qu'on obtienne un accroissement significatif du rendement. D'autre part, l'utilisation de pressions supérieures à la pression atmosphérique augmente les risques opératoires et nécessite un appareillage plus coûteux et plus élaboré. Pour ces raisons, on préfère opérer sous la pression atmosphérique ou à son voisinage dans le procédé de l'invention. E - Solvant Comme précédemment indiqu6, on peut lettre en oeuvre le procédé de l'invention dans des milieux aqueux ou non aqueux. Lorsqu'on utilise des composés réagissants alcalins minéraux tels que l'hydroxyde de potassium ou de sodium, il est pratique de les utiliser sous forme de leurs solutions aqueuses ou sous forme de mélanges de la base dans l'eau et des solvants non protoniques miscibles à l'eau. Lorsqu'on utilise l'ammoniac ou une base minérale, il est pratique de dissoudre l'ammoniac ou la base dans un solvant inerte tel que des éthers dialkyliques inférieurs et d'ajouter le peroxynitrate de nitroalkyle à la solution de la base organique ou de l'ammoniac dans le solvant inerte.On peut utiliser le peroxynitrate de nitroalkyle de départ sous une forme relativement pure, dépourvue de solvants, ou sous forme des mélanges réactionnels relativement bruts obtenus par nitro-oxydation. Dans ce dernier cas, le peroxynitrate de nitroalkyle peut renfermer des quantités importantes d'un solvant organique inerte tel qu'un alcane. Apparemment, la présence d'un solvant organique inerte non miscible à l'eau ne nuit pas au rendement, même lorsque la base est dans un milieu minéral. Les exemples de préparations qui suivent illustrent en détail le procédé de l'invention. Modes de réalisations Préparation de peroxynitrate de nitro-l dodécvle-2 utile comme matière de départ. En utilisant le mode opératoire décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3 282 983, on introduit dans un réacteur muni d'un thermomètre, d'un réfrigérant à reflux, d'un tube d'entrée de gaz, d'un dispositif d'agitation et d'un dispositif de chauffage, 0,068 mole de dodécène-l dans 120 ml d'hexane normal et on refroidit entre 0 et 50C. On fait passer de l'oxygène à travers un débitmètre à un débit de 56,5 ml/mn et on le fait passer sur du peroxyde d'azote puis dans la solution de dodécène-l jusqu'à ce que la totalité du peroxyde d'azote soit introduite dans le réacteur, ce qui demande environ 4 heures.Lorsque cette période s'est écoulée, on chasse par évaporation sous vide le solvant et l'excès de peroxyde d'azote et le spectre d'absorption infrarouge et le spectre de résonance magnétique nucléaire montrent que le produit consiste en le peroxynitrate de nitro-l dodécyle-2 utile comme matière de départ que l'on désirait obtenir. Exemple 1 PréParation du nitro-l énoxv-1,2 dodécane avec une solution aqueuse d'hvdroxvde de sodium Dans un réacteur de taille appropriée, muni d'un dispositif de chauffage, de réfrigération et d'agitation, on ajoute 150 ml d'une solution aqueuse 1,0 N d'hydroxyde de sodium. On refroidit la solution alcaline aqueuse en l'agitant entre O et 50C et on maintient la solution à cette température pendant la réaction ultérieure. On ajoute goutte à goutte en 5 mn, à la solution alcaline agitée et refroidie, le peroxynitrate de nitro-l dodécyle-2 préparé dans le mode de réalisation A. Lorsque l'addition est achevée, on extrait 3 fois le mélange réactionnel avec des portions de 40 ml d'éther éthylique et on obtient 13 g d'un produit solide après évaporation de l'éther.L'analyse par spectroscopie infrarouge et résonance magnétique nucléaire confirme que l'on a obtenu le nitro-l époxy-l,2 dodécane désiré. Exemple 2 PréParation du nitro-l énoxv-1,2 dodecane avec de 1' ammoniac anhvdre On introduit dans un réacteur renfermant un mélange agité de 150 ml d'éther éthylique et 0,23 mole d'ammoniac, maintenu à -730C, une préparation de peroxynitrate de nitro-l dodécyle-2 préparée à partir de 0,023 mole de dodécène-l et d'un excès de peroxyde d'azote, comme décrit dans le mode de réalisation A. Après avoir agité pendant 15 mn entre -730C et -790C, on évapore le mélange réactionnel à la moitié de son volume en le chauffant à la température ordinaire pour éliminer l'excès d'ammoniac. On sépare par filtration le nitrate d'ammonium précipité et on traite sous vide la solution du produit dans l'éther éthylique en obtenant un résidu huileux. On reprend l'huile dans 50 ml de chlorure de méthylène et on lave trois fois par des portions de 15 ml d'eau. Gn sèche le chlorure de méthylène et on le chasse sous vide en obtenant 4 g d'un produit à fonction époxy dont le spectre infrarouge et le spectre de résonance magnétique nucléaire montrent qu'il est identique au produit de l'exemple 1. ExemPle 3 Préparation du nitro-l éPoxv-1,2 hexane On introduit dans un réacteur renfermant un mélange agité de 300 ml d'éther éthylique et 0,26 mole d'ammoniac, maintenu à -700C, une préparation de peroxynitrate de nitro-l hexyle-2 préparée à partir de 0,033 mole d'hexène-l et d'un excès de peroxyde d'azote, comme décrit dans le mode de réalisation A. Après avoir agité à cette température pendant 15 mn, on évapore le mélange réactionnel à la moitié de son volume en le réchauffant à la température ordinaire pour chasser l'excès d'ammoniac. On sépare le nitrate d'ammonium précipité et on chasse l'éther éthylique sous vide en obtenant un résidu huileux pesant 3,26 g. On reprend 0,50 g du résidu huileux dans 50 ml de chlorure de méthylène et on lave trois fois avec des portions de 15 ml d'eau.On sèche le chlorure de méthylène et on le chasse sous vide en obtenant un produit dont l'analyse infrarouge et l'analyse en résonance magnétique nucléaire confirme qu'il consiste en le nitro-l époxy-1,2, hexane désiré. ExemPle 4 Prénaration du nitro-l érx > xv-1,2 octadécane On obtient une préparation de peroxynitrate de nitro-l octadécyle-2 à partir de 0,01 mole d'octadécène-l et d'un excès de peroxyde d'azote en utilisant le mode opératoire décrit dans le mode de réalisation A. On traite le produit solide maintenu à environ OOC avec 100 ml d'une solution aqueuse 1,0 N d'hydroxyde de sodium et on laisse le mélange réactionnel agité se réchauffer à 140C en 20 mn. A ce moment, on reprend le produit par 150 ml d'éther éthylique, on sépare la couche éthérée et on la sèche sur sulfate de sodium anhydre. Après avoir séparé par filtration l'agent déshydratant, on chasse l'éther sous vide en obtenant un produit solide à bas point de fusion. On recristallise un échantillon de ce produit solide dans le pentane en obtenant un produit solide fondant à 45-47 0C dont le spectre infrarouge et le spectre de résonance magnétique nucléaire confirment qu'il consiste en le nitro1 époxy-1,2 octadécane désiré. Exemple S PréParation du dodécanol-l On ajoute goutte à goutte en 10 mn une solution de 2,3 g (0,01 mole) de nitro-l époxy-l,2 dodécane (préparé comme dans l'exemple 1) dans 10 mi d'éther éthylique à une suspension agitée de 0,76 g (0,02 mole) d'hydrure de lithium et d'aluminium dans 60 ml d'éther éthylique, maintenue à 20-300C. On agite le mélange réactionnel pendant encore une heure. On ajoute lentement une petite quantité d'eau, et on verse le mélange dans de la glace pour détruire l'hydrure de lithium et d'aluminium n1 ayant pas réagi. On ajoute une solution aqueuse concentrée d'hydroxyde de sodium en quantité suffisante pour dissoudre les composés d'aluminium, et on extrait le mélange par l'éther éthylique. On isole un produit liquide de la solution éthérée, après élimination du solvant.Une portion du produit fournit après purification un solide à bas point de fusion dont le spectre infrarouge et le spectre de résonance magnétique nucléaire et le point de fusion confirment qu'il consiste en le dodécanol-l. Exemple 6 Préparation de l'octadécanol-l On reprend le mode opératoire de l'exemple 5 en réduisant 3,lg (0,01 mole) de nitro-l époxy-l, 2 octadécane (préparé comme dans l'exemple 4) dans de l'éther éthylique avec 0,02 mole d'hydrure de lithium et d'aluminium à 30-350C. La réaction s'achève après 3 heures et on purifie une partie du produit réactionnel pour le caractériser. Le spectre infrarouge, le spectre de résonance magnétique nucléaire et le point de fusion confirment que le produit consiste en l'octadécanol-l. Exemple 7 Préparation de l'heYxnol-l On utilise le mode opératoire de l'exemple 5 pour réduite 1,45 g (0,01 mole) ade nitro-l époxy-l,2 hexane (préparé comme dans l'exemple 2) dans l'éther éthylique à 20-300C avec 0,02 mole d'hydrure de lithium et d'aluminium. Après purification, le spectre infrarouge, le spectre de résonance magnétique nucléaire et l'indice de réfraction indiquent que le produit liquide est l'hexanol-l. Comme on le voit, les alcanols obtenus ci-dessus sont des produits bien connus qui sont utiles en soi et qu'on peut oxyder en les acides alcanoSques correspondants ou estérifier ou éthoxyler pour obtenir des produits à caractère tensio-actifs. Exemple 8 Ethoxylation des produits des exemples 5, 6 et 7 A - Dans un réacteur muni d'un dispositif de chauffage, de refroidissement et d'agitation, et d'une canalisation d'introduction d'oxyde d'éthylène, on ajoute îoe parties en poids du dodécanol-l purifié préparé dans l'exemple 5 et une partie en poids de sodium métallique. On introduit dans le mélange, 10 moles d'oxyde d'éthylène par mole de dodécanol-l en 6 heures, en maintenant la température réactionnelle entre 95 et 125 C. Après acidification, refroidissement et filtration, le produit renferme en moyenne 9 moles d'oxyde d'éthylène par mole de dodécanol-l. B - On reprend le mode opératoire précédent avec l'octadécanol-1 purifié préparé dans l'exemple 6, si ce n'est qu'on introduit en moyenne 12 moles d'oxyde d'éthylène par mole d'octadécanol-l du mélange réactionnel. C - Comme précédemment, on introduit en moyenne environ 6 moles d'oxyde d'éthylène par mole d'hexanol-l (préparé comme dans l'exemple 7) présent dans le mélange réactionnel. Des échantillons des produits A, B et C étudiés selon le protocole d'essai n D 1 173-53 des normes américaines ASTM (Standard Foam Test) montrent que ces produits ont des propriétés moussantes en solution aqueuse et conviennent comme agents tensio-actifs. Comme on le voit, le procédé et les produits de l'invention présentent de nombreux avantages importants. Par exemple, le procédé de l'invention permet une préparation directe de nouvelles compositions à fonctions nitro et époxy, dans des conditions modérées, avec de bons rendements, et sous une forme relativement pure. De plus, la préparation s'effectue par l'utilisation de divers composés réagissants fortement alcalins dans un environnement réactionnel aqueux ou non aqueux. Les produits de l'invention constituent une cat6gorie nouvelle de composés réagissants ayant ibux radicaux fonctionnels différents (nitro et époxy) sur le même atome de carbone. On peut utiliser ces produits comme intermédiaires de la préparation de cétones a,-insaturFes ainsi que des analogues de l'acroléine et de l'acide acrylique. Bien entendu, l'invention est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Nitro-l époxy-1, 2 alcanes caractérisés en ce qu'ils ont pour formule où R, R1 et R2 représentent chacun un atome d'hydrogène ou un radical alkyle, un au moins des symboles R et Rl représentant un radical alkyle. 2 - Composé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il renferme 4 à 40 atomes de carbone. 3 - Composé selon la revendication 1, caractérisé en ce que R ou R1 représente un radical alkyle renfermant 1 à 18 atomes de carbone. 4 - Nitro-l époxy-1,2 décante. 5 - Nitro-l époxy-l,2 hexane. 6 - Nitro-l epoxy-1,2 octadécane. 7 - Procédé de préparation des composés selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il consiste à faire réagir un peroxynitrate de nitroalkyle vicinal de formule où R, R1 et R2 ont les mêmes significations que dans le produit désiré, avec une quantité au moins équimoléculaire d'un composé réagissant fortement alcalin, à une température pouvant atteindre 400C. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on effectue a réaction dans un milieu non aqueux, à une température comprise entre -8G et +40 c. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu réactionnel est constitué d'un hydrocarbure liquide ou d'un éther. 10 - Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le composé réagissant alcalin est un hydroxyde ou un alcoolate de métal alcalin, un hydroxyde d'ammonium quaternaire ou de 1' ammoniac anhydre. Il - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on effectue la réaction dans un milieu aqueux à une température comprise entre O et +400C. 12 - Procédé selon la revendication ll, caractérisé en ce que le composé réagissant alcalin est un hydroxyde de métal alcalin. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que le peroxynitrate de nitroalkyle vicinal est le peroxynitrate de nitro-l hexyle-2, le peroxynitrate de nitro-4 nonyle-5, le peroxynitrate de nitro-5 nonyle-4, le peroxynitrate de nitro-l dodécyle-2, le peroxynitrate de nitro-7 pentadécyle-8, le peroxynitrate de nitro-8 pentadécyle-7, le peroxynitrate de nitro-l octadécyle-2, le peroxynitrate de nîtro-3 eicosyle-4, le peroxynitrate de nitro-4 eicosyle-3 ou le peroxynitrate de nitro-l eicosyle-2. 14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce qu'on utilise le composé réagissant alcalin et le peroxynitrate de nitroalkyle vicinal dans un rapport molaire de 1/1 à 5/1. 15 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que la température est comprise entre O et 300C.