Brevet FR2492814A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne un procédé pour la synthèse de composés hydrogénés et/ou fluorés du type polyoxyéthylène-alkyl- éther. Elle a également pour objet les composés de ce type et leur application à titre d'agents tensio-actifs non ioniques. Les procédés utilisés jusqu'à présent pour la synthèse d'agents tensioactifs fluorés non ioniques de formule générale RF(CH2)x(OC2H4)nOH dans laquelle RF est une chaîne fluorée,sont basés sur la condensation de l'oxyde d'éthylène sur l'alcool fluoré de formule RF(CH2)xOH. Le produit de la réaction de condensation est un mélange d'agents tensio-actifs présentant une répartition plus ou moins large du nombre n de motifs éther. Les produits purs,c'est-à-dire les composés fluorés ayant un nombre n de motifs éther bien défini,peuvent ensuite être obtenus par distillation. Cependant,les rendements ne sont que de l'ordre de 20 à 30% environ /R. TATEMATSU et alo Yakagaku (1976),25 po287 et Yakagaku(1980)29, p.23_7. Cependant,la séparation par distillation ou chromatographie des composés fluorés ayant un nom- bre n élevé de motifs éther est très difficile à réaliser et il est donc pratiquement impossible d'obtenir un composé fluoré répondant à la formule ci-dessus,ayant un nombre de motifs n bien défini lorsque n est supérieur ou égal à 6. Dans le brevet FR 73.39.533,il est indiqué que les tensio- actifs fluorés de type polyoxyéthylène-fluoroalkyl éther peuvent être facilement préparés par éthoxylation des alcools fluorés, mais que la séparation des différents produits d'éthoxylation avec des valeurs élevées de n (n étant le nombre de motifs oxyde d'éthylène)est difficile à réaliser et qu'en conséquence l'indice n correspond à une valeur moyenne (page 7,1er paragraphe). Les homologues hydrogénés de ces composés fluorés,c'est-à- dire les composés de formule RH(OC2H4)nOH dans laquelle RH est une chaîne alkylée peuvent être obtenus par éthoxylation selon un procédé analogue à celui défini ci-dessus ou par addition de type Williamson d'un polyalcool sur un alcool ou par éthérifi- cation d'un tosilate. Ces procédés permettent d'obtenir un nombre de motifs éther bien défini avec des rendements de l'ordre de 20 à 50%o A cet effet,on pourra se référer à l'article de SHICK "Non ionic surfactants"M. Dekker NoYo 1966o Cependant,aucun de ces procédés d'addition de type Williamson ou d'éthérification d'un tosilate n'a été, à la connaissance du demandeur,mis en oeuvre pour l'obtention d'agents tensio-actifs fluorés non ioniques. Pour certaines applicationsil est nécessaire d'obtenir des composés fluorés du type polyoxyéthylènefluoro-alkyl-éther ayant un nombre bien défini de motifs éther. La présente invention permet l'obtention de tels composés fluorés avec en général des rendements d'au moins 30%. Le procédé selon l'invention pour la synthèse de composés hydrogénés et/ou fluorés de type polyoxyéthylène-a!kyl-éther de formule générale: RzCH2-(0C2H4)n OH dans laquelle: Rz est une chaîne hydrocarbonée,fluorocarbonée ou fluorocar- bonée partiellement hydrogénée et n est un nombre entier au moins égal à 1,consiste: l)à faire réagir de la trisdiméthylaminophosphine sur un alcool de formule H(OC2H4)nOH en présence de tétrachlorure de carbo- ne pour former le chlorure du monosel d'oxyphosphonium de formule: H(OC2H4)n O (NMe2)3'Ci[ en opérant dans un milieu dans lequel le glycol est soluble et dans lequel le monosel précipite et a une température suffisamment faible pour que le chlorure du monosel soit stable; 2)à substituer l'anion chlorure par un autre anion pour obtenir un monosel stable à une température supérieure à 0 C; 3)à effectuer une substitution nucléophile sur le sel dVoxyphosphonium du polyoxyéthylèneglycol ainsi formé par un 2 2492814 alcoolate de formule RzCH OM Par "chaîne fluorocarbonée" on désigne dans la présente description les chaînes alkyles linéaires ou ramifiées complètement fluorées. A titre d'exemples non limitatifs de chaînes fluorocarbonées partiellement hydrogénées on pourra citer notamment les chaînes fluorocarbonées hydrogénées en bout de chaîne. La première étape du procédé de l'invention consiste en la formation du chlorure du monosel d'oxyphosphonium par réaction de la trisdiméthylaminophosphine sur un polyéthylèneglycol. Il importe d'opérer dans un milieu qui permet de solubiliser le glycol et dans lequel le monosel précipite immédiatement après sa formation. Le choix du milieu réactionnel dépend donc du glycol mis en oeuvre et du monosel formé. On indiquera à titre d'exemple que le tétrahydro- furanne convient comme milieu réactionnel pour les polyéthylène- glycols ayant 1 à 5 motifs éther. Pour un nombre de motifs éther supérieur à 5 on utilise avantageusement un mélange tétrahydrofuran- ne/éther. On opère avantageusement à une température comprise entre -20 et -40'C et sous atmosphère inerte,par exemple sous at- mosphère d'azote. A une température supérieuresil se forme égale- ment du monoselmais celui-ci n'est alors pas stable et se décompose immédiatement. En général,on utilise avantageusement environ un équivalent molaire d'alcool de formule H(OC2H4)nOH pour environ un équivalent molaire de trisdiméthylaminophosphine (TDAP)en présence d'un excès de tétrachlorure de carbonepar exemple environ 2 à 5 équivalents molaires de tétrachlorure de carbone. Il est nécessai- re d'ajouter lentement la trisdiméthylaminophosphine au mélange constitué de l'alcool,du tétrachlorure de carbone et du solvant. Après la fin de l'addition de-TDAP on maintient avantageusement le milieu réactionnel à la même température jusqu'à l'achèvement complet de la réaction,par exemple pendant 30 minutes environ.. Le mélange réactionnel ainsi obtenu est ensuite jeté dans de l'eau et lavé à l'éther avant mélange avec une solution aqueuse de l'anion que l'on désire substituer. On utilise de préférence une solution aqueuse d'un excès d'hexafluorophosphate de potassium,contenant par exemple 2 équivalents molaires de ce sel. Le sel d'oxyphosphonium ainsi formé est ensuite extrait du mélange réactionnel à l'aide d'un solvant organique,par exemple le chlorure de méthylène et est en- suite séché. On a déjà utilisé ce type de réaction pour la fabrication de sels d'alkyloxyphosphonium ou de sels d'alkyloxytrisdialkylamino- phosphoniumo A titre de références bibliographiques concernant ce type de réactions,on citera par e:emple les articles ci-après: -BoCASTRO et C. SELVE dans Bull. Soco Chim. Fr 1974 p.3009 intitulé "sels d'alkyloxyphosphonium-"Préparotion de propanols bisubstitués en 2 et fonctionnalisés en 3"; -R.BOIGEGRAIN et palo dans Tetrahedron Letters, nh30 intit le p.2529-2530, 1975P'sels d'alkyloxyphosphonium monoactivation sélec- tive des diols-l, n biprimaires symétriques dans les réactions de substitutions nucléophiles"; -le brevet FR 73 17 883 concerne aussi l'obtention de sels d'alkyloxytrisdialkylaminophosphonium fonctionnels. La troisième étape du procédé de l'invention consiste en une substitution nucléophile sur le sel d'oxyphosphonium de polyoxy- éthylèneglycol ainsi obtenu par un alcoolatefluoré de formule Rz(CH2)OM,dans laquelle M est un cation,par exemple le sodium. L'alcoolate fluoré en solution dans un solvant organique aprotique est mis à réagir par chauffage avec le sel d'oxyphosphonium de polyoxyéthylèneglycol.On opère avantageusement à une température comprise entre 50 et 100 C,par exemple à 60 C pendant 8 et 48 heures,notamment pendant 24 heures,sous atmosphère inerte et agita- tion. Les solvants de type éther, mono- ou poly -éter à point exemple d'ébullition élevé sont particulièrement appropriés,tels que par/ le diméthoxyéthane,le dioxane,ce dernier étant particulièrement préféré. On peut également utiliser les mélanges de tels solvants. On utilise en général environ 1 équivalent molaire d'alcoolate fluoré pour I équivalent molaire de sel d'oxyphosphonium de poly- oxyéthylèneglycol. Le mélange réactionnel ainsi obtenu est évaporé et le résidu est extrait avec par exemple de l'éther. La phase organique résultante est ensuite lavée et séchée,puis les produits formés sont préparés par chromatographieo L'éluant chromatographi- que peut être par exemple l'acétate d'éthyle ou un mélange acétate d'éthyle/méthanol. Le procédé selon l'invention peut être représenté par le schéma réactionnel ci-après: lsolvant H(OC2H)OH + P(N 2Me)3 C+Cl - 4 n 2 3 4 2)KPF6 H(OC2i4)n Od (N Me2)3 PF6 + CHCl3 + KCl solvant Rz CH2 OM + H(OC2f4)i O (N M2)3 MFe -- Rz CH2 (0C2H4)n OH + HMPT +MPF6 Les composés de départ mis en oeuvre dans le procédé de l'invention,à savoir le polyoxyéthylèneglycol de formule H(OC2H4)n OH et l'alcoolate fluoré Rz CH2 OM sont obtenus selon des moyens classiques. Par exemple,le polyoxyéthylèneglycol H(OC2H4)nOH est obtenu par condensation d'oxyde d'éthylène avec un glycol ou par un procédé analogue / "Non Ionic Surfactants" edoMo SHICK M. DEKKER 1966 7. L'alcoolate fluoré peut être obtenu par réaction d'un méthy- late,par exemple du méthylate de sodium en solution méthanolique avec l'alcool fluoré de formule Rz CH2 OH et évaporation sous vide du solvant, par exemple le méthanolo La présente invention concerne également les composés obtenus par le procédé ci-dessus. Elle concerne ainsi,à titre de produits nouveaux,les composés fluorés de formule RF CH2 (OC2H4) OH dans laquelle n est supérieur ou égal à 6 et RF est une chaîne fluorocar- bonée ou fluorocarbonée partiellement hydrogénée. Les composés selon l'invention possedent les propriétés caractéristiques des agents tensio-actifs non ioniques et conviennent en conséquence comme agents tensio-actifs non ioniques. La présente invention a donc également pour objet l'application des composés fluorés définis ci-dessus comme agents tensio-actifs. Grâce à ces propriétés tensio-actives non ioniques les composés selon l'invention peuvent être utilisés notamment comme agents émulsionnants. L'invention va être maintenant décrite plus en détail par les exemples illustratifs non limitatifs ci-après: EXEMPLE 1 Ao Préparation du monosel d'oxyphosphonium de tétraoxyéthXylène- glycol. Dans un réacteur muni d'un agitateur magnétique et d'une ampoule à brome,on a introduit un équivalent (9,71g) de tétra- oxyéthylèneglycol et 2,5 équivalents ( 19,23g)de tétrachlorure de carbone dans 25 à 50 ml de solvant anhydre (tétrahydrofuranne), l'ampoule contenant une solution d'un équivalent (8,16g)de trisdimé- thylaminophosphine (TDAP)o L'ensemble du montage réactionnel a été placé sous atmos- phère d'azote avant d'être refroidi à environ -40 Co On a additionné alors lentement la TDAP. L'addition a duré 3 heures et une fois l'addition terminée on a laissé réagir 30 minutes au plus. Le mélange réaîtiQnnel a alors été jeté sur 100 ml d'eau et le réacteur a étéultérieurement deux fois et le réacteur a été/ultérieurement deux fois. 24928 1 4 La phase aqueuse a été lavée à l'éther avant mélange avec une solution aqueuse de 2 équivalents (18,4g)d'hexafluorophosphate de potassium. L'extraction du sel d'oxyphosphonium a été effectuée ensuite par lavage au chlorure de méthylène.Cette phase organique a été séchée sur Na2SO4 avant évaporation au rotavapor. On a obtenu 23,3g du monosel H(OC2H4)40 (N Me2)3 PF6 sous la forme d'un liquide visqueux. B-Synthèse du composé fluoré de formule C7F15C.H2( oc2H4)40. On a tout d'abord préparé l'alcoolate fluoré de formule C7F15CH20 Na; 0,25g de sodium a été ajouté à 50 ml de méthanol. A cette solution méthanolique de 1,1 équivalent de méthylate de sodium,on a ajouté 1,2 équivalent (4,8g) de l'alcool fluoré C7F15CH20H. L'évaporation sous vide du solvant a permis l'obtention du fluoroalcoolate,que l'on a solubilisé ultérieurement dans 50 ml de dioxane en présence d'un équivalent du sel d'oxyphosphonium du tétraoxyéthylèneglycol obtenu selon le mode opératoire ci-dessus. La solution ainsi obtenue a été chauffée 24 heures à 60 C sous atmosphère d'azote et agitation magnétique. Après réaction le mélange réactionnel a été évaporé et le résidu a été extrait à l'éther. Cette phase organique a été lavée avec une solution acide HC12N (3 x 100 ml)et séchée sur MgSO4.Les produits de réaction ont été séparés chromatographiquement en utilisant de l'acétate d'éthyle comme éluanto La chromatographie a été réalisée sur silice (120g)o On a ainsi obtenu 2,3g d'un liquide jaunâtre dont l'analyse élémentaire était la suivante: C F H C7F15CH2(OC2H4)40H trouvé 33,15 49,08 3,38 calculé 33,34 49,45 3,32 De plus,ce composé présentait les caractéristiques physico- chimiques ci-après: -point de trouble -indice hydrophile- liphophile HLB 3,65 -n21 1,375 -rendement: 40% par rapport au glycol mis en oeuvre. SpectH RCMNGH1H Spectre RMN 1H RFCH2(OC2H4)nOH RF = C7F15 Solvana b c Solvant CDC13 SPP /TMS a: triplet détriplé 4,08 ppm Sppm/H b: massif 3,69 ppm c: 3,24 4 5 Constante de couplage JHF: 14,1 Hz jHF = 1,6 Hz a a EXEMPLE 2 a a Synthèse du composé fluoré de formule C7F15CH2(OC2H4)5OH On a opéré selon le même mode oputoire qu'a l'exemple 1(A) pour former le monosel d'oxypto splzonium de pentaoxyéthylène glycol en utilisant les ingrédients ci-après: Pentaoxyéthylèneglycol 11,9 g TDAP 8,15g CC14 19,25 g KPF6 18,5 g La température d'addition du TDAP était de -35 C;celle-ci a été effectuée pendant 3 heures et le solvant utilisé était le tétrahydrofuranne. On a obtenu 25g du monosel H(OC2H4)50O (N(Me)2)3PF6(liquide visqueux). On a ensuite fait réagir 5,45g de ce monosel d'oxyphosphonium avec l'alcoolate fluoré de formule CF15CH20 Na,obtenu en faisant réagir 0,25g de sodium avec 50 ml de méthanol,puis avec 4,75g du composé de formule C7F15CH2OH selon le mode opératoire défini à l'exemple.1(B). La solution de l'alcoolate fluoré C7F15CHONa dans 24 92814 le dioxane 50 ml avec le monosel d'oxyphosphonium de pentaoxy- éthylèneglycol a été chauffée pendant 24 heures à 60 Co Le résidu extrait à l'éther a été lavé-mt séché sur MgSO4,Après chromatogra- phie sur silice (120g;éluant:acétate d'éthyle/méthanol 95/5),on a obtenu 2,4g d'un liquide jaunâtre qui présentait les caractéristi- ques physicochimiques ci-après: -point de trouble: ( 0 C -indice hydrophile-lipophile HLB: 3,98 -nD = 1,382 -rendement/glycol: 38,7% EXEMPLE 3 Synthèse du composé fluoré de formule C7F152(0C2H4) 6OH On a opéré sensiblement selon le même mode opératoire que celui décrit à l'exemple 1 en utilisant les ingrédients ci-après: 0,26g de sodium dans 50 ml de méthanol 4,82g de C/15CH20H ml de diQxane ,899 de monosel d'oxyphosphonium de l'hexaoxyéthylèneglycolo Le monosel de l'hexaoxyéthylèneglycol a été obtenu en faisant réagir les composés ciaprès selon le mode opératoire de l'exemple 1(A): Hexaoxyéthylèneglycol 2, 82g TDAP 1,63 g CCL4 3,85 g KPF6 3,68g dans les conditions ci-après: Température d'addition -28 C solvant tétrahydrofuranne/éther 3/1 Temps d'addition: 3 Ho On a obtenu 5,40g du monosel de l'hexaoxyéthylèneglycol sous la forme d'un liquide visqueuxo La réaction de substitution nucléophile a été réalisée pendant 24 heures à 62 Co Après extraction, lavage,séchage et chromatographie sur silice (120g; éluant;acétate d'éthyle/ méthanol 95/5),on a obtenu 2,6 g d'un liquide jaunâtre dont l'analyse élémentaire était la suivante: C F H C7F15CH2(OC2H4)60H trouvé 36,13 43,55 4x13 calculé 36,15 42,89 4710 point de trouble HLB 4,31 nD21 1,389 rendement/glycol 39,1 % Spectre RMN Solvant CCI4 pm/TMS a= 4709 ppm b = 3,59 ppm c=3170 4.5 Constante de couplage JHF = 14,0 Hz JHF = 1,6 Hz EXEMPLE 4 a a Synthèse du composé fluoré de formule C6F13CH(OC2H4)r5OH On a opéré sensiblement selon le même mode opératoire que celui décrit à l'exemple 1 en utilisant les ingrédients ci-après: 0, 25g de sodium dans 50 ml de méthanol 4,2 g de C6F13CH2H ml de dioxane ,4 gdu monosel d'oxyphosphonium de pentaoxyéthylèneglycol1 La réaction de substitution nucléophile a été réalisée pendant 24 heures à 60 C;après traitement du résidu et chromatographie (120g de silice;éluant:acétate d'éthyle/méthanol 95/5)on a obtenu 2,20g d'un liquide jaunâtre dont l'analyse élémentaire a permis d'identifier le composé de formule C6F13CH2(OC2H)50H. Ce composé présentait les caractéristiques physico-chimiques ci-après: point de trouble -J 0 C HLB: 4,85 nD: 1,385 Spectre RMN Solvant CDC3 pp TMS a = 4,11 ppm ppm/H b = 3,66 ppm Rendement /glycol: 39% J = 14 Hz HF - a EXEMPLE 5 Synthèse du composé fluoré de formule C F CH O ' C6F13 2(OC2H4)60H On a opéré sensiblement selon le même mode opératoire que celui décrit à l'exemple 1 en utilisant les ingrédients ci-après: 0,25 g de sodium ml de méthanol 4,2 g C F13CH20 H ml de dioxane ,9 g du monosel d'hexaoxyéthylèneglycol. On a chauffé le milieu réactionnel à 60 C pendant 24 heures. Après traitement du résidu et chromatographie (120g silice;éluant: acétate d'éthyle/méthanol 95/5),on a obtenu 2,35 g d'un liquide jaunâtre présentant les caractéristiques ci-après: point de trouble en solution aqueuse à 1% = 10,5 C HLB = 5,18 nD = 1,393 Spectre RMN dans CDC1 3 ppm/TMS a = 4,14 ppm b = 3,63 ppm JH4F =14,0 Hz Rendement/glycol 38 2% a Analyse élémentaire C H trouvé 36,85 4, 52 calculé 37,14 4,43 RE VWEDIC.T IO S 1. Procédé pour la synthèse de composés fluorés du type polyoxyéthylènealkyl-éther de formule générale: RF- CH2-(OC2H4)n OH dans laquelle: RF est une chaîne fluorocarbonée ou fluorocarbo- née partiellement hydrogénée n est un nombre entier au moins égal à 1, con- sistant 1) à faire réagir de la trisdiméthylaminophos- phine sur un alcool de formule H (OC2H4)n OH en présence de tétrachlorure de carbone pour former le chlorure du monosel d'oxyphosphonium de formule: H (OC2H4)n O (NMe2)3, CT en opérant dans un milieu dans lequel le glycol est soluble et dans lequel le monosel précipite et à une température suffisamment faible pour que le chlorure du monosel soit stable; 2) à substituer l'anion chlorure par un autre anion pour obtenir un monosel stable à une température supé- rieure à 0 C; 3) à effectuer une substitution nucléophile sur le sel d'oxyphosphonium du polyoxyéthylène-glycol ain- si formé par un alcoolate de formule RF CH20 M. 2. Procédé selon la revendication 1, caracte- risé en ce que la première étape est réalisée dans un sol- vant ou un mélange de solvants organiques anhydres à une tem- pérature comprise entre - 20 et - 40 C. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise du tétrahydrofuranne un, ou/mélange tétrahydrofuranne/éther comme solvant organique. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à3, caractérisé en ce que l'on utilise l'anion hexafluorophosphate dans la seconde étape. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations I à 4, caractérisé en ce que la substitution nucléo- phile sur le sel d'oxyphosphonium de la polyoxyéthylène- glycol par l'alcoolate de formule RF(CH2)0M est réalisée par mélange dudit alcoolate en solution dans un solvant or- ganique aprotique avec le sel d'oxyphosphonium de polyo- xyéthylèneglycol, puis chauffage pendant 8 à 48 heures à une température comprise entre 50 et 100 0C. 6. Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'alcoolate est un alcoolate fluoré et en ce qu'il est utilisé en solution dans un éther à point d'ébul- lition élevé, notamment le dioxane. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que l'on utilise au cours de l'étape (1) environ un équivalent molaire d'alcool de for- mule H (OC2H4)nOH pour environ un équivalent molaire de tris- diméthylaminophosphine en présence d'environ 2 à 5 équiva- lents molaire de tétrachlorure de carbone et en ce qu'on u- tilise au cours de l'Etape (3) environ 1 équivalent molaire d'alcoolate fluoré pour environ i équivalent molaire de sel d'oxyphosphonium de polyoxyéthylèneglycol. 8. A titre de produits nouveaux les composés fluorés de type polyoxyéthylène-fluoro-alkyl-éther de for- mule générale: RF (CH2) (OC2H4)n OH dans laquelle RF est une chaîne fluorocarbonée ou fluorocarbo- née partiellement hydrogénée; n est un nombre entier au moins égal à 1. 9. Composés fluorés selon la revendication 8, ca- ractérisés en ce que n est supérieur ou égal à 6. 10. Application des composés selon l'une des revendications 8 ou 9, à titre d'agents tensio-actifs non ioniques.