Brevet FR2522653A1 — publié le 19830909

_ L'invention concerne de nouvelles diamines aroma- tiques halogénées ayant pour squelettes hydrocarbonés des structures méthyldiphénylméthane ou polyméthyldiphénylméthane substituées par un ou plusieurs atomes d'halogènes Ces ami- nes sont utilisables comme agents d'extension de chatne dans la synthèse de polyuréthannes, ou comme agents de réticula- tion de résines époxydes, ou comme intermédiaires de synthèse en chimie organique, par exemple dans le domaine phytosani- taire. La synthèse de ces diamines fait appel à deux éta- pes réactionnelles à partir d'un mélange d'isomères aromati- ques halogénés: l'une de nitration, l'autre d'hydrogénation. L'action d'acide nitrique concentré en présence d'acide sul- furique peut conduire principalement à des isomères de di- nitration dans lesquels chaque noyau aromatique porte une fonction nitrée. Les fonctions nitrées sont ensuite hydrogénées en amines correspondantes. Les structures hydrocarbonées, sont préparées par réaction de condensation de FRIEDEL et CRAFTS en présen- ce de trichlorure d'aluminium ou de trichlorure ferrique, d'un chlorure de benzyle halogéné éventuellement substitué par un groupement méthyle, avec une molécule de toluène éven- tuellement halogénée ou de xylène halogénée les différents isomères aromatiques halogénés ainsi obtenus répondent à la formule générale suivante: (X) (X) A CH 2 avec (H 3 C) (CH) 3 y 2 - X = Cl ou Br W= 1 ou 2 x= O à 2 y 1 ou 2 z =Oou 1 et W différent de 1 si x = y = z = 1 Ils se présentent sous forme de mélanges d'iso- mères qui sont séparés du milieu de réaction de condensation par distillation. Parmi les hydrocarbures aromatiques servant de base à l'invention, la synthèse des isomères de (chloro ou bromo-benzyle) toluène peut se faire de différentes façons: F A VINGIELLO et J G VAN DOT dans le J Amer Chem Soc, 73, 5070, ( 1951) et J BLACKWELL et W J HICKINBOTTOM dans le J Chem Soc, 1405 ( 1961) ont décrit l'obtention de ces produits par réduction des cétones ou des alcools correspon- dants, mais de telles méthodes nécessitent de partir de composés élaborés et co Oteux Le brevet français 2 237 866 décrit la préparation avec un rendement de 46 % de méthyl-2 chloro-4 ' diphénylméthane par condensation du chlorure d'orthométhylbenzyle sur le chlorobenzène en présence d'un catalyseur complexe de fluorure de bore et d'acide phospho- rique; cette réaction peut être étendue au mélange des iso- mères du xylène, cependant, la monochloration des xylènes est assez peu sélective, car le deuxième méthyle a tendance à se chlorer également; de plus, dans l'étape de condensation de FRIEDEL et CRAFTS, le chlorobenzène est désactivé et la ciné- tique de réaction est lente Il est cependant préférable de faire réagir le chlorure de chloro-benzyle,obtenu par chlo- ration photochimique ménagée de monochlorotoluène sur le toluène en présence de catalyseurs utilisés dans de telles réactions, par exemple A TAKEMATSU, K SUGITA, R NAKANE dans le Bull Chem Soc Japan, 51, 2082 ( 1978) ont essayé le trifluorure de bore hydraté L'intérêt de ce procédé rési- 3 - de dans le fait qu'on utilise le toluène comme seule matière première hydrocarbonée; on obtient ainsi un mélange de six isomères correspondant à la formule recherchée Il se forme à c 8 té, 10 à 15 % de produits de condensation à trois noyaux qu'on élimine lors de la distillation Le mélange des iso- mères de (chloro ou bromo-benzyle) toluène ainsi préparés est ensuite dinitré. La synthèse d'autres hydrocarbures aromatiques de structure (polychloro)-méthyldiphénylméthane ou (poly- chloro)(polyméthyl)-diphénylméthane est connue et décrite dans le brevet français 2 432 199 et le certificat d'addi- tion 2 449 954; la chloration photochimique ménagée des chloroxylènes ou chlorotoluènes conduit aux chlorures de benzyle chlorés sur le noyau et substitués ou non par un méthyle qui peuvent se condenser sur des molécules de chloro- toluènes ou chloroxylènes en excès en présence de chlorure d'aluminium ou de chlorure ferrique Les produits désirés sont séparés par distillation du milieu réactionnel et récupérés sous forme de mélanges d'isomères Ces réactions de condensation peuvent se faire entre 200 C et la température de reflux des mélanges; un excès important de chlorotoluènes ou chloroxylènes favorise l'obtention de produits à deux noyaux. L'étape de dinitration est effectuée de façon connue au moyen d'un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique concentrés à au moins 85 % et de préférence au moins 95 % L'acide nitrique peut être placé en quantités stoechiométriques par rapport au composé aromatique, on utilise ainsi deux moles d'acide par mole de diphénylméthane substitué Il est cependant avantageux d'opérer en présence d'un excès d'acide nitrique pouvant aller jusqu'à 20 % par rapport à la stoechiométrie L'acide sulfurique peut être utilisé en quantité équimolaire par rapport à l'acide nitri- que, mais on peut le placer en excès ou en défaut La réac- -4- tion de nitration s'effectue entre O et la température d'ébullition des mélanges, habituellement entre On et 500 C, le composé aromatique étant de préférence solubilisé dans un solvant tel que le chlorure de méthylène La phase orga- nique, supérieure, est ensuite séparée des acides, neutralisée et évaporée à sec Il est recommandé de travailler dans un réacteur muni de moyens d'agitation et de régulation de tem- pérature et d'introduction de gaz inertes. Le mélange brut obtenu peut 9 tre hydrogéné tel quel Il peut aussi 8 tre purifié, s'il contient une petite proportion de produits de coupure oxydante ou de mononitra- tion Pour ce faire on peut, par exemple, le dissoudre dans la quantité minimum de chlorure de méthylène, puis précipiter en ajoutant du méthanol ou de l'éther, un produit solide qui ne contient plus que des isomères de dinitration. La deuxième étape constitue l'hydrogénation des dérivés nitrés en amines correspondantes Cette étape s'ef- fectue habituellement dans un réacteur résistant à la pres- sion et possédant les moyens de contr 8 le et régulation clas- siques L'hydrogénation peut être chimique, mais on préfère opérer sous pression d'hydrogène, en présence d'un catalyseur à base de nickel, palladium, platine, ruthénium et autres. Dans ce cas, on utilise un réacteur d'hydrogénation permet- tant de travailler sous des pressions pouvant atteindre 100 bars La réaction peut s'effectuer sans solvant à une température o le dérivé nitré est fondu, ou dans des solvants classiques d'hydrogénation tels que les alcools, le dioxanne, les éthers de l'éthylène glycol et autres On utilise préfé- rentiellement un catalyseur constitué de palladium déposé sur support à des teneurs comprises entre 1 et 10 %, ce qui permet d'opérer à des températures comprises entre 30 et 1000 C et des pressions de 20 à 50 bars Le rapport molaire dérivé dinitré est palladium -5- de préférence compris entre 200 et 3 000 Après réaction et filtration du catalyseur, le solvant éventuellement uti- lisé est évaporé et le mélange des isomères de diamines ob- tenues peut être utilisé tel quel ou distillé Les diamines de l'invention répondent à la formule générale suivante: (x) w (x) H N CH 2 avec (H 3 C) NH 2 (CH) 3 y X = C 1 ou Br w = 1 ou 2 x= O à 2 y= 1 ou 2 z = O ou 1 et W différent de 1 si x = y = z = 1 Des diamines aromatiques halogénées et notamment le dichloro-3,3 ' diamino-4,4 ' diphénylméthane sont utilisées industriellement dans la fabrication d'élastomères poly- uréthannes dans des procédés comportant deux étapes: on fait d'abord réagir un polyéther ayant un degré de fonctionnalité de 2 à 6 et une masse de 400 à 6 000 ou un polyester difonc- tionnel de masse 1 000 à 3 000 avec un diisocyanate en excès pour former un prépolymère liquide dans lequel des fonctions isocyanates sont bloquées dans des liaisons de type uréthanne On mélange ensuite à pression atmosphérique, le prépolymère avec l'amine fondue pour réaliser l'extension de chaîne; la présence d'atomes d'halogènes sur les noyaux -6aromatiques diminue la réactivité de l'amine et permet d'emp cher la prise en masse immédiate du polymère Les fonctions amines réagissent sur les groupements isocyanates libres pour former des urées et l'on a ainsi des enchaîne- ments mixtes, de nature souple par les polyéthers, et, rigide par les fonctions uréthannes et urées De tels pro- cédés permettent d'obtenir des élastomères de structure contrôlée, mais ils exigent de travailler avec des amines à l'état fondu et il est donc intéressant de disposer de produits dont le point de fusion est le plus bas possible. Or, le point de fusion du dichloro-3,3 ' diamino-4,4 ' diphénylméthane est ainsi de 125 C, ce qui nécessite de le chauffer à cette température Par contre, les nouveaux pro- duits selon l'invention sont particulièrement intéressants, car ils se présentent sous forme de mélanges d'isomères à point de fusion abaissé. Les amines de l'invention sont solubles dans des polyols courts et des polyols de masses plus élevées com- prises entre 400 à 6 000 On peut ainsi atteindre des con- centrations supérieures à 15 % en poids, ce qui permet de produire des élastomères dturéthannes en une seule étape en faisant réagir directement ces solutions avec des diiso- cyanates. Ces amines peuvent 9 tre également utilisées comme agents de réticulation des résines époxy comme par exemple du diglycidyl éther du bisphénol A. Les analyses sur les dérivés dinitrés et les ami- nes sont effectuées par chromatographie en phase gazeuse. Dans le cas des produits de nitration, est utilisée une co- lonne en inox d'1/8 ", longue de 1,5 mètre, emplie d'un support chromosorb W 80-100 mesh H P commercialisé par Johns Manville Prod imprégné à 2 % de phase silicone XE-60 commercialisé par Applied Science Laboratories Inc; lors -7- de l'injection, la colonne est à 1000 C et au bout de 5 minu- tes est portée à 220 'C. Dans le cas des amines, est utilisée une colonne en verre de 2 mètres, emplie de support chromosorb W N A W. 60-80 mesh commercialisé par Johns Manville, imprégné à % de KOH et 5 % d'Apiézon N commercialisé par Apiezon Products Limited, en opérant en isotherme à 2201 C. Les identifications et déterminations de structure sont faites par couplage avec la spectrométrie de masse et, sur les produits purifiés, par résonance magnétique nucléaire du proton et du 13 C. EXEMPLE 1 On dissout 22 g ( 0,1 mole) des isomères de chloro- benzyltoluène dans 40 ml de chlorure de méthylène; en mainte- nant la température autour de 101 C sous agitation, on verse en une demiheure un mélange de 15,5 g d'acide nitrique à 98,7 % et de 20 ml d'acide sulfurique à 96 % Dès la fin de l'addition, on porte à reflux pendant 3 h 30 en maintenant l'agitation, puis refroidit Deux phases se séparent, l'une inférieure acide, l'autre supérieure organique On extrait la phase organique et lave deux fois les acides avec du chlorure de méthylène On réduit les différentes fractions organiques, neutralise sur carbonate de potassium et évapore le solvant On récupère ainsi 30,5 g d'un produit jaune clair visqueux dont l'analyse par chromatographie gazeuse couplée avec la spectrométrie de masse met en évidence les isomères de (nitro-chlorobenzyle)-nitrotoluène. On place 20 g de ce mélange d'isomères dans l'au- toclave précédemment décrit et ajoute 200 ml de méthanol ainsi que 0,2 g de catalyseur constitué de palladium déposé sur charbon à 5 % Après avoir balayé le réacteur avec de l'azote, on y introduit 40 bars d'hydrogène et le chauffe, sous agitation, jusqu'à 60 a C Après 3 h 20 de réaction, on 8 - laisse refroidir, décomprime et récupère le mélange réac- tionnel qu'on filtre pour éliminer le catalyseur Le métha- nol est évaporé à sec et on obtient 16 g d'un produit brun-foncé très épais L'analyse par couplage de la chroma- tographie gazeuse avec la spectrométrie de masse montre qu'il s'agit des isomères d'(amino-chlorobenzyle)-amino- toluène correspondant à la formule générale donnée dans le descriptif, dans laquelle X = C 1, W = 1, x = O, y = 1 et z = O. EXEMPLE 2 On dissout 138 g du mélange d'isomères de chloro- benzyltoluènes préparés dans l'exemple 1 dans 240 ml de chlorure de méthylène En opérant de la même façon que dans l'exemple 1, on additionne un mélange de 93 g d'acide ni- trique à 98,3 % et de 120 ml d'acide sulfurique à 96 % On chauffe à reflux pendant 4 h 30 puis refroidit et extrait la phase organique On évapore le solvant jusqu'à la limite de solubilité des isomères de dinitration puis on ajoute du méthanol et précipite ainsi un solide blanc qu'on filtre et lave au méthanol On récupère après séchage 21,5 g de solide blanc de point de fusion 183 i C L'analyse par chro- matographie gazeuse met en évidence la présence nettement majoritaire d'un isomère de dinitrochlorobenzyltoluène que l'étude en résonance magnétique nucléaire identifie com- me étant le dinitro-3,3 ' méthyl-4 chloro-4 ' diphénylméthane: Cl CH 2 02 N NO -9- Le filtrat méthanolique contient le reste de cet isomère majoritaire ainsi que les autres isomères de dinitra- tion. g du précipité sont hydrogénés suivant le mo- de opératoire décrit dans l'exemple 2 à l'aide de 200 ml de méthanol et 0, 4 g de catalyseur Pd sur charbon à 5 % On récupère, après évaporation du méthanol, 16 g de produit brun-foncé, pâteux, constitué essentiellement de diamino-3,3 ' méthyl-4 chloro-4 ' diphénylméthane. EXEMPLE 3 Dans un réacteur agité de 250 ml, on place, sous atmosphère d'azote, 25,1 g ( 0,1 mole) d'un mélange d'isomè- res de (chlorobenzyl)-chlorotoluène synthétisés à partir de chlorotoluènes selon la description faite dans le brevet français no 2 432 199 On ajoute 40 ml de chlorure de méthylène et introduit en une demi-heure entre 5 et 150 C un mélange de 13,5 g d'acide nitrique à 98,3 % et 20 ml d'acide sulfurique à 96 % On chauffe ensuite à 42 C pendant 3 h 30 puis refroidit et laisse décanter On récupère la phase organique supérieure et lave par du chlorure de méthylène la phase acide inférieure Les extraits organiques de souti- rage et de lavage sont mélangés, neutralisés avec du carbo- nate de potassium et séchés à l'aide de sulfate de sodium. On obtient une solution limpide de couleur orangée qu'on évapore à sec On recueille ainsi 32 g de liquide orangé très visqueux correspondant au mélange d'isomères de (nitro- chlorobenzyl)-nitro-chlorotoluène. On hydrogène un échantillon de 15 g de ce liquide, dans un autoclave en acier inox muni d'une agitation magné- tique, en présence de 0,15 g de catalyseur palladium sur charbon à 5 % (ENGELHARD) et 150 ml de méthanol En opérant à 35 barset 50 C, la réaction dure 1 h 30, puis on décharge le réacteur et récupère après évaporation du solvant 13,5 g d'un solide orangé de point de fusion 45-47 C L'analyse - par chromatographie gazeuse montre qu'il s'agit des isomères de la diamine attendue, répondant à la formule générale des diamines de l'invention dans laquelle X = Cl, z = O, w = x = y = 1. EXEMPLE 4 On dissout 35 g du mélange liquide d'isomères de (nitro-chlorobenzyl)nitrochlorotoluène préparés d'une façon identique à la synthèse décrite dans l'exemple 3 On dissout ce liquide dans le minimum de chlorure de méthylène et ajou- te de l'éther éthylique jusqu'à formation d'un précipité blanc floconneux qu'on recueille par filtration Après lavage à l'éther et séchage, ce produit blanc de point de fusion: 1580 C est analysé par résonance magnétique nucléaire Il s'agit d'un mélange enrichi d'isomères dont le constituant majoritaire correspond à la formule suivante: 0 N CH Cl CH 2 O C NO 2 Ce précipité blanc est hydrogéné dans les conditions décrites dans l'exemple 1 pour conduire aux amines correspon- dantes. EXEMPLE 5 27,9 g ( 0,1 mole) des isomères de (chloro- paraméthylbenzyle)-chloroparaxylène préparés par réaction de condensation de FRIEDEL et CRAFTS de chloro-paraméthylbenzyle sur le chloroparaxylène, sont dissous dans 40 ml de chlorure 11 - de méthylène On maintient la température autour de 100 C, agite et introduit en une demi-heure un mélange de 15,5 g d'acide nitrique à 9 B,7 % et de 20 ml d'acide sulfurique à 96 % On porte à reflux pendant 3 h 30, puis refroidit On récupère la phase organique supérieure et lave les acides avec du chlorure de méthylène Les phases organiques sont rassemblées et traitées avec du carbonate de potassium, puis le solvant est évaporé On récupère ainsi 36 g de pro- duits de dinitration. On hydrogène 20 g de ce mélange suivant le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, avec 0,2 1 de méthanol et 0,4 g de catalyseur Pd/charbon à 5 % On récupère, après distillation du méthanol, 16,5 g d'un produit cristallisé rougeâtre de point de fusion 73 C, correspondant essentielle- ment aux isomères d'(amino-chloro-paraméthyl-benzyle)-amino- chloro-paraxylène de formule générale: CH HN 3 2 ci H 3 l CH 2 NH 2 ci CH 3 EXEMPLE 6 A 200 g de polyadipate d'éthylène glycol d'indice d'hydroxyle 56, préalablement déshydraté sous vide à 130 C, on ajoute, à 100 C, 29,2 g d'un mélange d'isomères de 80 % de toluène diisocyanate 2,4 et de 20 % de 2,6 (TDI) On main- tient ce mélange sous agitation à 100 C pendant 1 h On ob- tient de cette manière un prépolymère à fonctions isocyanates réactives On introduit, sous agitation, 12,1 g d'un mélange d'isomères à l'état fondu d'(amino-chlorobenzyl)-aminochloro- 12 - toluène dont la préparation est décrite dans l'exemple 3. On met sous vide pendant 30 secondes Le mélange de réaction liquide est ensuite coulé dans un moule préchauffé o il se solidifie en quelques minutes Après 24 heures de chauf- fage à 1000 C, on obtient un élastomère de polyuréthanne ayant d'excellentes propriétés. EXEMPLE 7 A un polyéther triol propoxylé, puis éthoxylé sur une base triméthylolpropane (Io '= 35 OE = 14 %; OH OE + OP % OH primaire = 77), on ajoute le mélange d'isomères d'ami- nes obtenu suivant l'exemple 3 à raison de 100 g de polyol pour 7,5 g d'amines Ce mélange homogène est additionné, à température ambiante et sous agitation, à 17,8 g de T D I. On met sous vide 30 secondes et on coule le mélange réac- tionnel dans un moule qui est porté à 120 C pendant 12 heu- res On obtient un élastomère polyuréthanne possédant de bonnes propriétés mécaniques. EXEMPLE 8 On utilise une résine de diglycidyl éther du 'bisphénol A (DGEBA) commercialisée par la société CIBA-GEIGY sous la référence GY 250 possédant les caractéristiques suivantes: 5,3 fonctions époxy/kg; 0,5 éq Cl/kg; 0,5 fonction OH/kg La réticulation est effectuée avec le mélange des isomères de diamines préparé à l'exemple 5 dans les conditions suivantes: mélange de 100 g de DGEBA addition- né de 35,8 g d'amine portée à 80 C On coule le mélange obte- nu dans un moule de dimensions intérieures 12 x 1,5 x 1 cm permettant d'obtenir un barreau de résine La réticulation nécessite un étuvage de 2 h à 100 o C puis 2 h à 1500 C Après démoulage on obtient un barreau présentant de bonnes pro- priétés mécaniques. 13 - REVENDICATIONS 1 Diamines aromatiques halogénées de formule: (X) H 2 N (H C) 3 z (X)x w NH CH 2 (CH 3)y o X représente un atome de chlore ou de brome avec: W = 1 ou 2 x= O à 2 y = 1 ou 2 z = O ou 1 et W différent de 1 six = y = z = 1. 2 Diamines aromatiques halogénées selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'il s'agit des isomères d'(amino- chlorobenzyl)-aminotoluène. 3 Diamines aromatiques halogénées selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'il s'agit des isomères d'(amino- chlorobenzyl)-aminochlorotoluène. 4 Diamines aromatiques halogénées selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'il s'agit des isomères d'(amino- chloro-paraméthylbenzyle)-amino-chloroparaxylène. Procédé de fabrication des diamines aromatiques halogénées selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les 14 - composés de formule: (x) (x) x w CH 2 (H 3 C)z (CH) 3 y o X représente un atome de chlore ou de brome avec: w = 1 ou 2 x= O à 2 y= 1 ou 2 z O ou 1 et W différent de 1 si x = y = z = 1, sont successivement dinitrés puis hydrogénés. 6 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la nitration s'effectue au moyen d'un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique de concentration supérieure à 85 %. 7 Procédé selon l'une des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que l'hydrogénation s'effectue en présence de palladium comme catalyseur. 8 Application des diamines aromatiques halogénées selpn l'une des revendications 1 à 7 comme agents d'extension de cha Snes dans la synthèse des polyuréthannes. 9 Application des diamines aromatiques halogénées selon l'une des revendications 1 à 7 comme agents de réticulation des résines époxy.