Brevet FR2444030A1 — publié le 19800711

La présente invention a pour objet un procédé de carboxylation réductrice par voie électrolytique de composés hétérocycliques azotés comportant au moins un atome d'azote triplement lié dans l'hétérocycle,et de nouveaux composés hétérocycliques azotés comportant au moins un groupe ester d'acide carboxylique obtenus par ledit procédé. Plus spécifiquement la présente invention concerne un procédé de carboxylation réductrice de composés hétérocycliques azotés comportant au moins un atome d'azote triplement lié dans l'hétérocycle, caractérisé-en ce que l'on électrolyse ledit composé hétérocyclique dans le compartiment cathodique d'une cellule d'électrolyse divisée en deux compartiments-par un diaphragme, entre les électrodes de laquelle est établie une différence de potentiel, au sein d'un électrolyte cons titué par une solution d'un sel conducteur dans un solvant aprotique et en présence de gaz carbonique. Par "composés hétérocycliques azotés comportant au moins un atome d'azote triplement lié dans l'hétérocycle" on désigne des composés hétérocycliques comportant au moins un motif de formule Lorsque ces composés comportent deux ou plus de deux atomes d'azote hétérocycliques triplement lié dans l'hétérocycle, ces derniers peuvent être portés par le même cycle ou par des cycles differents. Plus spécifiquement' encore la présente invention a pour objet un procédé de carboxylation réductrice de composés hétérocycliques azotés de formule générale dans laquelle - R1 et R2 représentent un atome d'hydrogène ou forment ensemble et avec les atomes de carbone qui les portent un cycle benzènique - Z1 représente un atome d'azote ou un groupe CH - Z2 représente un atome d'azote ou un groupe CR3 où R3 est un atome d'hydrogène ou un lien valentiel - Z3 représente un atome d'azote ou un groupe CR4 où R4 est un atome d'hydrogène ou un radical pyridyle ou bien est une chaîne -CH=CH-CH=CH- formant un cycle benzènique avec l'atome de carbone vicinal du cycle lorsque Z2 est un groupe CR3 où R3 est un lien valentiel, un au plus des symboles Z1, Z2 et Z3 représentant un atome d'azote. Comme exemple de composés hétérocycliques de formule (II), on peut citer la pyridine ; la quinoléine ; la dibenzopyridine ; le bipyridyle-2,2' ; la diazine-1,4 (pyridine) ; la benzodiazine-1,4 (quinoxaline) ; la diazine-1,3 (pyrimidine) ; la benzodiazine-1,3. La carboxylation cathodique réductrice des composés hétérocycliques azotés donne naissance à des composés hétérocycliques comportant un ou des groupe (s) carboxylate(s) lié(s) à l'azote et/ou un ou des groupe(s) carboxylate(s) lié(s) à un ou des atomes) de carbone du cycle. Ces composés sont des intermédiaires en synthèse organique. Le procédé de carboxylation des composés hétérocycliques azotés constituent en particulier un procédé d'obtention d'esters d'acides carbamiques à structure hétérocyclique Au cours de l'élec- trolyse il se forme un carbamate dérivé du sel support que l'on transforme in situ en ester par les procédés usuels. On peut par exemple traiter le catholyte par un halogénure d'alkyle inférieur (bromure ou chlorure d'alkyle en C1-C4). La présente invention a également pour objet les produits nouveaux ci-après obtenus par carboxylation réductrice dans lesquelles R représente un radical alkyle ayant de 1 à 4 atomes de carbone. Comme solvant aprotique utilisable comme constituant du catholtrte on peut utiliser des composés non polaires ou polaires, ces derniers étant préférés. Comme exemples de solvants convenant à la mise en oeuvre de l'invention on peut citer : des amides comme le diméthylformamide, le diméthylacétamide, les N-alcoylpyrrolidones comme la N-méthylpyrrolidone, des sulfoxydes (diméthyl- ou diéthylsulfoxyde), des nitriles (acétonitrile). A titre de sel support destinés à rendre le milieu conducteur on fait appel de préférence à des sels d' ammonium quaternaire d'acides minéraux ou organiques quelconques. Ces sels peuvent être représentés par la formule générale [(R)4 - N+] n An dans laquelle - R représente un radical hydrocarboné ayant de 1 à 20 atomes de carbone et de préférence de 1 à 10 atomes de carbone. R représente de préférence des radicaux alkyles tels que méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle, t-butyle, n-pentyle, éthyl2 hexyle, décyle ; des radicaux cycloalkyles ; cyclopentyle, cyclohexyle ; des radicaux aryles : phényle, toluyle ; des radicaux arylalkyles : benzyle, phényl-2 hexyle.Les divers radicaux R peuvent être identiques ou différents - n est un nombre entier égal à 1 ou 2 - A représente un anion dérivé d'un acide minéral ou organique quelconque. De préférence A représente un anion halogénure chlorure, bromure, un anion sulfate ; un anion sulfonate tel que méthanesulfonate, éthanesulfonate, benzènesulfonate, toluènesulfonate, naphtalènesulfonate ; un anion carboxylate (acétate, propionate, butyrate, benzoate). Comme exemples spécifiques d'ammonium quaternaire on peut citer le bromure de tétraéthyîazsonium, le chlorure de tétraméthylammonium, le sulfate de tétrabutylammonium, le méthanesulfonate de tétra-n-propylammonium. La concentration du sel support dans le solvant n'est pas critique. Elle doit être suffisante pour assurer la conductibilité électrique du mil ieu. En général une concentration en sel support comprise entre 1 x 10-2 mole et 1 mole par litre convient bien. La nature de l'anolyte n'est pas critique et on peut utiliser toute solution conductrice. Pour des raisons de commodité on utilise dans la pratique la même solution que celle constituant le milieu conducteur du catholyte Au cours de l'électrolyse, le sel d'ammonium quaternaire est oxydé à l'anode. Dans le cas où il s'agit d'halogénure il y a formation d'halogenes. Pour éviter un dégagement de ces derniers, on introduit de préférence dans l!anolyte un composé susceptible de les fixer et en particulier une oléfine. A cet égard le cyclohexène convient particulierement bien. La nature de la cathode et de l'anode n'est pas critique. On peut donc faire appel a des électrodes en graphite, plomb, mercure, acier ou platine. Pour la cathode on utilise de préférence l'acier ou le plomb et pour ltanode le platine ou le graphite. Les diaphragmes utilisables pour séparer les compartiments cathodique et anodique peuvent être choisis parmi les matériaux couramment employés à cet effet dans le domaine de l'électrolyse. On peut donc faire appel à des substances poreuses de nature variée telle que l'amiante ou le nolytétrafluoroéthylène fritté ou à des membranes échangeuses d'ions. On utilise de préférence des membranes cationiques à base de polymères ou copolymères sulfonés (polymères fluorosulfonés, polymères et copolymères du styrène sulfonés). La température à laquelle est conduite la réaction peut varier entre O et 1000C et la densité de courant entre 0,1 et 10 A/dm2 bien que l'on puisse sortir de ces limites. La gaz carbonique est introduit dans le compartiment cathodique de façon continue pendant toute la durée de l'électrolyse. Le débit n'en est pas critique. Généralement il est fixé de façon à saturer le catholyte en C02 sous pression normale. La concentration du composé hétérocyclique azoté dans le catholyte n'est pas critique ; de préférence elle est comprise entre 0,05 mole~1 et 3 moles-11. - Les exemples suivants illustrent l'invention et montrent comment elle peut être mise en pratique. EXEMPLE 1 L'électrolyseur est constitué de deux électrodes planes d'épaisseur 5 mm - une anode en graphite - une cathode en acier inoxydable - une membrane échangeuse d'ions sous forme de feuille plane est disposée entre les deux électrodes parallèlement à ces dernières à une distance de 4 mm de chacune d'elles. La membrane échangeuse d'ions, commercialisée sous la marque NAFION 315 est un polymere perfluoré sulfoné L'ensemble membrane-électrode est monté à la manière d'un filtre presse avec des joints périphériques rectangulaires en polyéthylène délimitant une surface utile sur les électrodes de 0,7 dm2. De part et d'autre des électrodes,des flasques en polytétrafluoroéthylène munies de tubulures permettent d'alimenter par la partie inférieuré et de recueillir par la partie supérieur les électrolytes circulant de façon continue dans les compartiments compris entre la membrane et les électrodes. Deux plaques de serrage en acier inoxydable et des serre-joints permettent de rendre l'ensemble étanche. Les électrolytes sont pompés de façon continue avec deux pompes en polytétrafluoroéthylène à partir dtun réservoir relié à l'atmosphère. Les électrolytes traversent la cellule à co-courant de part et d'autre de la membrane et reviennent ensuite dans les réservoirs d'anolyte et de. catholyte respectivement. Dans le circuit d'électrolyte en contact avec la cathode on charge une solution obtenue en dissolvant 8,30 g de pyrazine dans 330 ml d'une solution à 0,15 M/l de bromure de tétraéthylammonium dans 1' acétonitrile. Dans le circuit d'électrolyte en contact avec l'anode on charge 850 ml d'une solution à 0,25 M/l de bromure de tetraéthylammonium-dans l'acétonitrile à laquelle on ajoute 35 ml de cyclohexène. Après avoir mis les électrolytes-en circulation à température ambiante on sature le catholyte de gaz carbonique. Le catholyte ainsi obtenu contient alors 0,179 mole de C02/l et 420 ppm d'eau. On électrolyse pendant 4 h avec un courant d'une intensité de 1 ampère en saturant-continuellement le catholyte par du gaz carbonique La température est de 260C dans le catholyte et la tension d'électrolyse passe de 3,7 V au début à 5,2 V en fin d'électrolyse. Le catholyte est ensuite vidangé, l'acétonitrile évaporé sous vide et le résidu redis souks dans 250 ml de diméthylformamide (DMF) auquel on ajoute 35 ml de bromure d'éthyle. On agite la solution ainsi obtenue pendant 75 mn à température ambiante. On refroidit alors à 50C et filtre le bromure de tétraéthylammonium précipité.Le filtrat est concentré sous vide vers 500C puis on ajoute 350 ml de DMF et la solution est concentrée à nouveau jusqu'à obtention d'un residu huileux que l'on traite par 100 ml. d'acétate d'éthyle et 70 ml d'eau. La phase aqueuse est réextraite par 100 ml d'acétate d'éthyle.Les phases acétate d'éthyle sont réunies et séchées sur sulfate de sodium, Par évaporation de l'acétate d'éthyle, on obtient 12,80 g d'une poudre solide (F = 490C) dont l'analyse montre qu'il s'agit de dihydro-1,4 pyrazine dicarboxylate 1-4 d'éthyle pratiquement pur - analyse I.R. : bande 1710 cm1 ; bande C = C : 1650 cm-I - analyse RMN (CDCl3) : triplet centré sur 1,3 ppm quadruplet centré sur 4,25 ppm CH=CB -: bande centrée à 6 ppm - spectrométrie de masse les masses principales trouvées sont 81 109 125 153 170 198 226 Ce produit a ainsi été obtenu avec un rendement de 75,9 Z par rapport au courant électrique ayant traversé la cellule. EXEMPLE 2 On procédé comme à l'exemple 1 mais avec des électrolytes ayant la composition suivante Catholpte : 5 g de pyrazine dissous dans 250 ml d'une solution à 0,2 mole/l de bromure de tétraéthylammonium (BrTEA) dans le diméthylformamide (DMF). Acolyte : 20 g de cyclohexène sont dissous dans 750 ml de DMF à 0,2molil de BrTEA dans le DMF. Après saturation du catholyte avec du gaz carbonique, une analyse montre que celui-ci titre 0,10 mole/litre de C02 et 950 ppm d'eau. On électrolyse pendant 3 h avec un courant de 1 A à 26"C. La tension varie de 5,1- V à 7,15 V. On obtient après rinçage 288 mi de catholyte final. On ajoute 25 ml de bromure d'éthyle à 232 ml du catholyte final précédent. En procédant exactement comme à l'exemple 1 on obtient 6,05 g de dihydro-1,4 pyrazine dicarboxylate-1,4 d'éthyle pratiquement pur qui est ainsi obtenu avec un rendement sur le courant électrique de 59 Z. EXEMPLE 3 On procède comme à l'exemple 1 avec les électrolytes suivants Catholyte : 15 g de pyridine dans 400 ml d'une solution à 0,1 mole/litre de bromure de tétraéthylammonium dans le DMF (Teneur en eau : 520 ppm). Anolyte : 40 ml de cyclohexène dans 900 ml d'une solution de bromure de tétraéthylammonium à 0,25 mole/litre dans le DMP. On électrolyse pendant 5 h à 27C avec un courant de 1 A avec une tension variant de 5,35 V à 12,4 V. En fin d'essai le catholyte est soutiré, 40 mi de bromure d'éthyle sont ajoutés ; on agite pendant 1 h 30 mn à 250C et filtre le bromure de tétraéthylammonium. Le traitement est poursuivi comme à l'exemple 1, toutes les opérations étant conduites sous atmosphère d'argon. On obtient ainsi 21,2 g dlune huile rouge dont analyse montre qu'il s'agit essentiellement de dihydro-1,4 pyridine dicarboxylate-1,4 d'éthyle - analyse RMN (CDCl3) triplet centré à 125 ppm quadruplet centré à 4,18 ppm singulet à 2,97 ppm : : doublet centré sur 4,72 ppm N-CH= : doublet centré sur 6,81 ppm - spectrométrie de masse les masses principales trouvées sont 80 108 124 152 224 225. Ce produit a été obtenu ainsi avec un rendement supérieur à 90 z par rapport au courant électrique utilisé. EXEMPLE 4 On procède comme à l'exemple 1 avec les électrolytes suivants (latholyte: 20,1 g de quinoxaline dans 280 ml d'une solution à 0,2 moleîl de BrTEA dans le DMP. hnolythe: 30 ml de cyclohexène dans 850 ml d'une solution à 0,25 mole/l de BrTEA dans le DMP. On électrolyse pendant 4 h avec un courant de 1 À sous une tension comprise entre 4,7 et 11,2 V à 250C. Les carboxylates formés sont estérifiés par addition de 20 ml de bromure d'éthyle et agitation pendant 1 h 30 mn à température ambiante. En procédant comme à l'exemple 1, on isole finalement 23 g d'une huile de couleur rouge. Par chromatographie sur colonne on montre que les deux constituants principaux sont 1 ) - le dihydro-1,4 quinoxaline dicarboxylate-1,4 d'éthyle obtenu avec un rendement de 25 % par rapport au courant électrique - analyse RMN : (CDC 13) triplet centré à 1,32 ppm quadruplet centré à 4,29 ppm CH = CH : singulet à 6,37 ppm protons aromatiques : multiplets autour de 7,1 et 7,7 ppm. - Spectrométrie de masse les masses principales trouvées sont 131 159 175 203 248 276 20) - le quinoxaline carboxylate-2 d'éthyle en quantité équivalente au produit précédent. EXEMPLE 5 On procède comme à l'exemple 1 avec les électrolytes suivants Catholyte : 12,5 g de bipyridyle-2,2' dissous dans 250 ml d'une solution à 0,2 molellitre de BrTEA dans le DME. Anolyte : 25 ml de cyclohexène dissous dans 750 ml d'une solution à 0,2 mole/litre de BrTEA dans le DMF. Après saturation du catholyte par C02 celui-ci titre 0,1-14 mole de C02/l et 340 ppm d'eau. On électrolyse pendant 3 h avec un courant de 1 A à 250C sous une tension variant de 5,2 V à 9,1 V. En procédant comme dans l'exemple 4, on obtient un solide rouge orangé pesant 19,2 g. Celui-ci est épuisé à l'hexane pour en extraire le bipyridyle-2,2' n'ayant pas été transformé. Le solide restant est purifié par- chromatographie sur une colonne de silice avec un mélange acétate d'éthyle/chlorure de méthylène comme éluant. On obtient ainsi 6,6 g d'un solide jaune pâle fondant à 1400C. L'analyse montre qu'il s'agit du (pyridyle-2')-2 dihydro-1,4 pyridine dicarboxylate-4,5 d'éthyle de formule - analyse I.R. (KBr) : N-H : 3345 cm'l 1670 cm-1 et 1730 cm1 - analyse RMN (CDCl3) triplets centrés sur 1,2 ppm quadruplet centré sur 4,13 ppm multiplet centré sur 4,4 ppm - CH = C : multiplet centré à 5,83 ppm multiplet centré à 7,17 ppm - spectrométrie de masse les masse principales trouvées sont 156 201 229 - Microanalyse.: en accord avec la formule précédente. Ce produit a été ainsi obtenu avec un rendement de 39 Z par rapport au courant électrique. EXEMPLE 6 On procède comme à l'exemple 1 avec les électrolytes suivants Catholyte : 15,1 g de quinoléine sont dissous dans 250 nil d'une solution de BrTEA à 0,2 mole/l dans le DMF. Acolyte : 30 ml de cyclohexène sont dissous dans une solu tion s0,25 mole/l de BrTEA dans le DMP. On électrolyse pendant 4 h avec un courant de 1 A à 250C avec une tension comprise entre 6,3 et 10 V en saturant constamment le catholyte de C02. En procédant comme dans les essais précédents, en opèrant sous atmosphère d'argon, on obtient 20,75 g d'une huile rouge qui est purifiée par chromatographie sur colonne. On isole ainsi deux produits 1 ) - le dihydro-1,4 quinoléine dicarboxylate-1,4 d'éthyle : - analyse RMN triplet centré sur 1,3 ppm quadruple t centré sur 3,25 ppm CH-COO : multiplet autour de 4,4 ppm CH = : doublet centré sur 6,2 ppm protons aromatiques : bande large autour de 6,8 ppm - spectrométrie de masse les masses principales trouvées sont 130 158 202 275 Ce produit est obtenu avec un rendement de 32 Z par rapport au courant électrique. 20) - Le dihydro-1,4 quinoléine carboxylate-4 d'éthyle - Spectrométrie de masse les masses principales trouvées sont 102 129 202 203. Ce produit est obtenu avec un rendement de 28 Z par rapport au courant électrique. REVENDICATIONS 10) Procédé de carboxylation réductrice de composés hétérocycliques azotés comportant au moins un atome d'azote triplement lié dans l'hétérocycle caractérisé en ce que l'on électrolyse ledit composé hétérocyclique dans le compartiment cathodique d'une cellule d'électrolyse divisée en deux compartiments par un diaphragme, entre les électrodes de laquelle est établie une différence de potentiel, au sein d'un électrolyte constitué par une solution d'un sel conducteur dans un solvant aprotique et en présence de gaz carbonique. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on électrolyse des composés hétérocycliques de formule générale dans laquelle - R1 et R2 représentent un atome d'hydrogène ou forment ensemble et avec les atomes de carbone qui les portent un cycle benzènique - Z1 représente un atome d'azote ou un groupe CH - Z2 représente un atome d'azote ou un groupe CR3 où R3 est un atome d'hydrogène ou un lien valentiel - Z3 représente un atome d'azote ou un groupe CR4 où R4 est un atome d'hydrogène ou un radical pyridyle ou bien est une chaîne -CH=CH-CH=CH- formant un cycle benzènique avec l'atome de carbone vicinal du cycle lorsque Z2 est un groupe CR3 ou R3 est un lien valentiel, un au plus des symboles Z1, Z2 et Z3 représentant un atome d'azote. 30) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le solvant aprotique'utilisé est un solvant polaire pris dans le groupe constitué par les amides, les N-alcoylpyrrolidones, les sulfoxydes, les nitriles. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce que le sel support est un sel d'ammonium quaternaire de formule générale [(R)4 - N+|An- dans laquelle - R représente un radical hydrocarboné ayant de 1 à 20 atomes de carbone, - n est un nombre entier égal à 1 ou 2, - A représente un anion dérivé d'un acide minéral ou organique. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acolyte est une solution d'un sel support dans un solvant polaire aprotique. 60) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diaphragme est une membrane cationique. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les carboxylates dérivés du sel support formé au cours de l'électrolyse sont transformés en les esters d'alkyles correspondant par traitement par un halogénure d'alkyle inférieur. 80) Nouveaux composés obtenus par le procédé de carboxylation réductrice de composés hétérocycliques azotés selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisés en ce qu'ils répondent aux formules générales dans lesquelles R représente un groupe alkyle ayant de 1 à 4 atomes de carbone.