Brevet FR2483403A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne un procédé d'hy- droxylation par le peroxyde d'hydrogène des alkyl-phénols et de leurs éthers, en milieu superacide. Ce procédé permet d'introduire sur le noyau aromatique une nouvelle fonction phénol en position méta- par rapport à la précédente ou-à la fonction éther de phénol. Les procédés connus d'hydroxylation-radicalaire directe du phénol par le réactif de FENTON (peroxyde d'hydro- gène + ions ferreux) conduisent essentiellement à des mé- langes de pyrocatéchine et d'hydroquinone, c'est-à-dire que l'hydroxylation se fait préférentiellement en ortho- et en para- de la fonction phénol. Il ne se forme que de très fai- bles quantités de résorcine (hydroxylation en méta-). De même la photolyse de solutions aqueuses de peroxyde d'hy- drogène en présence de para-crésol à pH = 3 - 8 fournit principalement de la méthyl-4-pyrocatéchine (dihydroxy-3,4- méthyl-1-benzàne)} De tels procédés sont décrits par exem- ple dans l'ouvrage "Methoden der Organischen Chemie" (HOUBEN-WEYL), Vierte Auflage, 6/lc, pages 30 à 34. On a également étudié l'hydroxylation ionique des phénols au moyen de peroxyde d'hydrogène et d'acides carboxyliques, en présence d'un acide minéral fort. Il se forme intermédiairement un peracide organique, qui est un oxydant très puissant et qui a tendance à dégrader les di- phénols formés. Ce procédé donne également essentiellement les dérivés dihydroxylés en ortho- et en para-, et ne four- nit pratiquement pas de dérivé méta. D'autres procédés d'hydroxylation ionique du phénol utilisent comme catalyseur des acides minéraux forts, conduisant à la formation d'ions peroxonium. Ces procédés permettent de modifier dans une certaine mesure le rapport pyrocatéchine/hydroquinone, mais ne conduisent pas non plus à la formation de résorcine (voir par exemple i'article: "Hydroquinone et pyrocatéchine par hydroxylation directe du phénol", Chimie-Actualités, 3 novembre 1976, pages 47 à 49). Dans l'acide fluorhydrique anhydre comme solvant, le phénol est également hydroxylé par le peroxyde d'hydrogène en un mélange d'hydroquinone et de pyrocatéchine (J. Org. Chem., 35, 4028 - 1970). De m9me, l'hydroxylation ionique du para-crésol donne 20 % de méthyl-hydroquinone et 41 % de méthyl-4- pyrocatéchine (HOUBEN-WEYL, loc. cit. p. 34). -Des essais d'hydroxylation d'hydrocarbures aro- matiques par le peroxyde d'hydrogène en milieu superacide ont été rapportés par G. A. OLAH et ses collaborateurs ("Oxyfunctionalization of hydrocarbons-8-Electrophilic hydro- xylation of benzene, alkylbenzenes and halobenzenes with H202 in superacids", J. Org. Chem., 43, 865 - 1978). Le toluène conduit ainsi, avec un rendement de 67 %, à un mélange de crésols, qui présentent un rapport o/m/p = 71/6/23. C'est donc de manière tout-à-fait inattendue, au vu de l'art antérieur, que la demanderesse a découvert que les alkylphénols et leurs éthers peuvent 9tre hydroxylés préférentiellement, en méta- de la fonction phénol ou éther, par le peroxyde d'hydrogène dans un milieu superacide liqui- de, à des températures allant de O à - 80 C. La présence d'un ou plusieurs substituants alkyls sur le noyau aromatique du phénol ou de l'éther de phénol est nécessaire à la bonne marche de la réaction. Le phénol ordinaire, dans les mêmes conditions d'hydroxylation, ne conduit qu'à un mélange de diphénols, constitué principale- ment d'hydroquinone et de pyrocatéchine; il ne se forme que très peu de résorcine. De m9me, l'anisole conduit à un mé- lange de para-hydroxy-anisole et d'hydroquinone. - Les substituants alkyls portés par le noyau aro- matique du phénol ou de l'éther phénolique peuvent être des radicaux méthyl, éthyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, etc. ou des radicaux cycloalkyls, contenant de 6 à 10 atomes de carbone. Les radicaux alkyls liés au noyau aromatique par un carbone tertiaire, comme les radicaux tertio-butyls, sont exclus, car dans les conditions de la réaction, les composés phénoliques substitués par ces radicaux subissent une dé- composition, avec dans certains cas un déplacementdu substituant tertio-alkylé. Ainsi le para-tertio-butyi- phénol conduit à un mélange de phénol et d'hydroquinone, tandis que le ditertio-butyl-2,6-phénol donne un mélange de phénol, d'hydroquinone et de p-tertio-butyl-phénol. Le milieu superacide liquide dans lequel. se dé- roule la réaction est constitué par des produits comme "l'acide magique" FSO3H-SbF5, l'acide fluoroantimonique HF-SbF5, le complexe acide trifluorométhanesulfonique - pentafluorure d'antimoine CF3503H-SbF5, le complexe acide fluorhydrique trifluorure de bore HF-BF3, etc., qui ont des acidités estimées sur l'échelle.logarithmique de HAMMETT atteignant environ - 25, alors que les valeurs correspondan- tes d'acidité sont de - 11 pour l'acide sulfurique à 100 % et de - 10 pour l'acide fluorhydrique à 100 %. Ces super- acides liquides ont donc des acidités jusqu'à 10à 4 fois plus élevées que celles des acides minéraux forts habituels. Le peroxyde d'hydrogène utilisé dans le procédé selon l'invention est sous forme de solutions aqueuses com- merciales, dont le titre en H 202 peut aller de 20 à 98 % en poids. La proportion de superacide par rapport au substrat à hydroxyler peut varier dans de larges limites. Elle est en général d'autant plus élevée que la solution de peroxyde d'hydrogène est plus diluée. On travaille en général avec un excès de peroxyde d'hydrogène par rapport à la stoechio- métrie- La réaction d'hydroxylation sel-on l'invention est rapide et dure le plus souvent de-quelques minutes à une demi-heure. Elle conduit en général, avec de bons rende- ments, au dérivé métahydroxylé désiré, sans réaction secon- daire. Cependant dans le cas des éthers phénoliques, o la fonction phénol est substituée par un groupement éthyle ou un groupement supérieur, on observe parfois un clivage de la fonction éther, avec régénération de la fonction phénol. Le - radical détaché de la fonction éther peut dans certaines con- ditions alkyler le noyau aromatique, parfois en stisomérisant. C'est-ainsi que l'éther éthylique du p-crésol donne la méthyl- 2-éthyl-3-résorcine et que l'éther-n-propylique du p-crésol donne la méthyl-2-isopropyl-3-résorcine. On peut obtenir aussi parfois de faibles quantités de dérivé trihydroxylé en méta. Le mode opératoire général suivi pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention est très-simple:'dans un récipient en poly(tétrafluoréthylène), refroidi à la tempéra- ture désirée et muni d'tune agitation magnétique, on introduit successivement le superacide liquide, la solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène et le phénol ou l'éther de phénol à hy- droxyler. Le mélange homogénéisé est maintenu pendant le temps désiré à la température choisie, puis versé sur un mélange d'eau, de glace et de carbonate acide de sodium. Après neu- tralisation, la solution est extraite trois fois à l'éther. La phase éthérée est lavée -à l'eau jusqu'à neutralité, -puis séchée sur du sulfate de sodium anhydre. Après évaporation - de l'éther, le produit brut de la réaction est filtré sur un gel de silice et analysé par chromatographie en phase vapeur. Lorsque Ilon utilise comme superacide le complexe HF-SbF5, on le dilue en général d'un volume équivalent d'aci- de fluorhydrique anhydre. On utilise par exemple 1,7 cm3 d'acide fluorhydrique et 1,7 cm3 de complexe HF-SbF5 par millimole de phénol ou d'éther de phénol. Si l'hydroxylation est réalisée avec du peroxyde d'hydrogène à 95 % en poids, on utilise 1,4 équivalent de H202 pour les phénols (temps-de réaction de 30 minutes à - 410C) et 1,2 équivalent de H202 pour les éthers de phénol (temps de réaction de 5 minutes à - 41"C). Si l'on emploie pour l'hydroxylation une solution aqueuse de peroxyde d'hydrog6ne à 30 % en poids, on utilise les m8mes équivalents de H202 que précédemment, mais le rap- port molaire SbF5/substrat est porté à 16 - 17. Les temps de réaction sont aussi de 30 minutes à - 410C pour les phé- nols et de 5 minutes à - 41 C pour les éthers de phénols. Le complexe HF-BF est formé en faisant barboter à - 410C dans de l'acide fluorhydrique anhydre un courant de trifluorure de bore, jusqu'à saturation, pendant environ minutes. Les complexes CF3 50 3H-SbF5 et le complexe 3 3 5 FSO H-SbF sont formés en mélangeant à - 41 C les quantités 3 5 voulues d'acide sulfonique et de pentafluorure d'antimoine. Dans les tableaux suivants sont rassemblés divers exemples, qui illustrent l'invention sans la limiter. Le ta- bleau I concerne les exemples portant sur divers alkylphé- nols. Le tableau II concerne les exemples portant sur di- vers éthers d'alkylphénols. TABLEAU I N0 de Produit de Milieu Température Taux de l'exemple départ Superacide oC transformation Produits de la réaction 1 p-crésol HF-SbF5 - 41 78 méthyl-4-résorcine 2 diméthyl-2,4- HF-SbF5 - 41 90 diméthyl-4,6-résorcine (58 %) phénol diméthyl-2,4-résorcine (32 %) 3 diméthyl-3,4- HF-SbF5 - 41 88 diméthyl-4,5-résorcine phénol 4 diméthyl-2,6- HF-SbF5 - 41 TABLEAU II No de Produit de Milieu Température Taux de lexempledépart Superacide oC transformation Produits de la réaction 7 méthyl-4-anisole HF-SbF5 - 41 75 Hydroxy-3-méthyl-4-anisole 8 méthyl-4-anisole HF-SbF 0 75 Hydroxy-3méthyl-4-anisole i i ' i G i,,,!iii,,, i. ,..,ii i..i 9 méthyl-4anisoleCF3503H-SbF - 41 75 Hydroxy-3-méthyl-4-anisole i.i i, m,,i _ I i=iii méthyl-4-anisole HF-BF3 - 41 52 para-crésol (26 %) 3.. Hydroxy-2méthyl-4-anisole (10 %) Hydroxy-3-méthyl-4-anisole (16 %) il diméthyl-2,4HF-SbF5 - 41 84 Hydroxy-5-diméthyl-2,4-anisole anisole 5 12 diméthyl-3,4HF-SbF5 - 41 75 Hydroxy-5-diméthyl-3,4-anisole anisole 13 diméthyl-2,6HF-SbF 41 85 Hydroxy-3-diméthy'l-2,6-anisoie anisole À (55 %) Diméthyl-2, 4-résorcine (22 %) g. Dihydroxy-3,5-diméthyl-2,6-aniso- _ _.__ _ _ .___ _ _ _ _ _ _ _ le (.8 %) 14 éther éthylique HF-SbF5 - 41 68 méthyl-4 éthyl-5-résorcine du p-crésol éther n-propy- HF-SbF5 - 41 50 méthyl-4-isopropyl-5-résorciné lique du p- crésol N CO W- REVENDICATIONS 1 - Procédé d'hydroxylation des alkyl-phénols et de leurs- éthers, en position méta par rapport à la fonction phénol ou éther, caractérisé en ce que l'on fait réagir sur le composé phénolique une solution aqueuse de peroxyde d'hy- drogène en présence d'un superacide liquide, à une tempé- rature comprise entre O et - 80oC. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que -la solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène a une concen- tration pondérale comprise entre 20 et 98 %. 3 - Procédé selon l'une ou l'autre des 2, caractérisé ehn ce que le superacide plexe HF-SbF5. 4 -Procédé selon l'une ou l'autre des 2, caractérisé en ce que le superacide plexe CF3503H-SbF5. - Procédé selon l'une ou l'autre des 2, caractérisé en ce que le superacide plexe HF-BF3. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et liquide est le com- revendications 1 et liquide est le com- revendications 1 et liquide est le com- revendications i à 5, caractérisé en ce que le phénol ou l'éther phé-nolique de dé- part portent sur le noyau aromatique de 1 à 4 substituants alkyls ou cycloalkyls, non liés au noyau par un carbone ter- tiaire, contenant de I à 10 atomes de carbone et disposés de manière à-laisser au moins une position méta libre par rap- port à la fonction phénol ou éther. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à e 6, caractérisé en ce que l'éther phénolique de départ porte sur la fonction éther un radical alkyl ou cyclo- alkyl contenant de 1 à 10 atomes de carbone.