Brevet FR2554447A1 — publié le 19850510

La présente invention concerne un procédé de pré- paration d'urées cycliques, de structure imidazolidinique, et son application. Les urées cycliques de structure imidazolidinique et particulièrement la dihydroxy-4,5 imidazolidinone-2, ci- après désigné DHEU, et la dihydroxy4,5 diméthyl-1,3 imidazolidinone-2, ci-après désignée DMeDHEU, sont des matières premières couramment employées pour préparer des apprêts textiles destinés aux traitements infroissables irrétrécissables des tissus cellulosiques.. Ces dernières années, ces apprêts ont acquis une importance industrielle considérable, si bien que des recherches se poursuivent constamment pour en obtenir de plus performants, moins coûteux, ne jaunissant pas lors des traitements au chlore, stables aux lavages ménagers, dépourvus d'effets secondaires susceptibles d'affecter les qualités du tissu apprêté. Une solution à ce problème est de pourvoir fabriquer à faibles prix, ces urées cycli- ques de structure imidazolidinique pures soit en solution aqueuse, soit à l'état cristallisé. Il est connu d'accéder à ces urées cycliques de structure imidazolidinique par condensation du glyoxal avec une urge de formule générale (I) RNH - CO - NHR (I) dans laquelle R représente un atome d'hydrogène ou un radi- cal alkyle en C1 - C4. De telles urées cycliques de formule générale (II) HOCH CHOH | N (II) R-N N-R dans laquelle R a la signification donnée précédemment, telles que la DHEU, la DMeDHEU sont connues et décrites sous forme cristallisée (Sidney L. Vail et al, J. Org. Chem., 1965, 30, 2179-2182). Ces auteurs ont même pu isoler à l'état cristal- lisé la cis et la trans DMeDHEU. Mais ces urées cycliques de formule générale (II) sont obtenues à l'état cristallisé avec de faibles rendements même après de longues durées de condensation entre le glyoxal et l'urée de formule générale (I). En effet, on sait que la condensation du glyoxal avec l'urée est complexe et que, selon les conditions opé- ratoires, le processus de cyclisation est susceptible-de s'arrêter au stade d'addition primaire dihydroxylé cherché (Sidney L. Vail et al., Amer. Dyestuff Reporter, 1961, 550-553; brevets des Etats-Unis d'Amérique N 2 731 472, No 3 260 565, N 3 304 312) ou de se poursuivre soit par une double cyclisation jusqu'au glycolurile: tétrahydro- imidazo/ -4,5-d 7imidazole- (1H,3H)dione-2,5 (J. NEMATOLLANI et al, J. Org. Chem., 1963, 28, 2378-2380; H. BILTZ, Ber., 1907, 40, 4808) soit par une double condensation symétri- que avec du glyoxal non transformé jusqu'au bis (dihydroxy- 4,5 oxo-2 imidazolidinyl-1)-1,2 dihydroxy-1,2 éthane (E. KANTSCHEV et al, Textilveredlung, 1981, 16, 414-417). D'autres déviations sont également observées comme la formation d'hydantoine (H. PAULY et al, Ber., 1930, 63, 2063-2069) ou la dégradation du glyoxal selon Cannizzaro. De plus, les urées cycliques de formule générale (II) présentent une isomérie géométrique cis-trans au niveau des atomes de carbone substitués par les groupe- ments hydroxyle et il est admis, aujourd'hui, que la con- densation du glyoxal avec une urée de formule générale (I) n'est pas stéréosélective, et qu'il se forme, tout au moins dans un premier temps, autant d'isomère cis que d'isomère trans, puis que cet équilibre est déplacé vers la forme trans la plus stable (Sidney L. Vail et al, J. Org. Chem., 1965, 30, 2179-2182). En conséquence, dans les procédés de préparation d'urées cycliques de formule générale (II) par condensa- tion du glyoxal avec l'urée convenablement substituée, le rendement en urée cyclique cherchée, d'une part, et sa - propension à cristalliser dans son milieu réactionnel, d'autre part, dépendent de très nombreux facteurs dont le principal, reconnu comme tel dans l'état de la techni- que, est le pH de la condensation qui doit être soit com- pris entre 4 et 8 (J. G. FRICK et al, Ing. and Eng. Chem., Product Research and Development, 1982, 21, 599-600) soit stablisé à une valeur comprise entre 4 et 6,8 par un tam- pon en quantité adéquate (brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 295 846). Or, la Demanderesse a découvert avec étonnement, que l'emploi, en quantité catalytique, d'acide ortho- phosphorique, dans les procédés connus de préparation d'urées cycliques de formule générale (II) par condensa- tion en milieu aqueux, à pH compris entre 4 et 7 et à une température inférieure à 60 C, de glyoxal avec une urée convenablement substituée, de formule générale (I) amé- liore la vitesse de la condensation attendue, réduit de manière significative les vitesses des réactions secon- daires parasites et permet d'augmenter les rendements en urée cyclique cherchée pure soit cristallisée, soit brute en solution dans son milieu réactionnel. La présente invention concerne donc un procédé de préparation d'urées cycliques de formule générale (II) par condensation de glyoxal avec une urée de formule géné- rale (I), en excès ou non, en milieu aqueux présentant un pH compris entre 4 et 7 et à une température comprise entre C et 60 C, caractérisé par le fait qu'il est effectué en présence d'une quantité catalytique d'acide ortho- phosphorique. Selon l'invention, le procédé a tout spécialement pour objet la préparation d'urées cycliques de formule générale (II) dans laquelle R représente un atome d'hydro- gène ou un radical méthyle. La quantité d'acide orthophosphorique utilisée dans le procédé selon l'invention peut varier dans des proportions assez importantes selon les paramètres réac- tionnels et/ou la nature des réactifs. L'expérience montre que la vitesse réactionnelle est d'autant plus rapide que la concentration en acide orthophosphorique est plus élevée. Toutefois, à partir d'une concentration supérieure à 150 mmoles d'acide orthophosphorique par mole de glyoxal engagé, le rendement en urée cyclique cherchée, isolée à l'état cristallisé n'est plus modifié et a même tendance à diminuer si cette concentration augmente. En conséquence, un bon compromis est trouvé lors- qu'on met en oeuvre le procédé selon l'invention avec de 2 à 150 mmoles d'acide orthophosphorique par mole de glyoxal engagé. Selon des conditions préférentielles de réalisa- tion de l'invention pour la préparation d'urées cycliques de formule générale (II) dans laquelle R représente un atome d'hydrogène ou un radical méthyie, le procédé ci- dessus décrit, est réalisé en présence de 20 à 60 mmoles d'acide orthophosphorique par mole de glyoxal engage. Les études réalisées par suivi des vitesses de condensation entre le glyoxal, ci-après désigné G, et l'urée, ci-après désignée U, d'une part, et entre le glyoxal et la N,N'-diméthylurée, ci-après désignée DMeU, d'autre part, effectuées soit sans catalyseur, soit en présence de substances tampons telles que l'acide citrique et ses sels, l'acétate de sodium, soit enfin en présence d'acide ortho- phosphorique ont permis de mettre en évidence un double avantage d'une catalyse à l'acide orthophosphorique, selon l'invention, à savoir: une accélération de la vitesse de la réaction de condensation attendue et deuxièmement, un ralentissement de la vitesse de la condensation parasite de l'urée cyclique formée de formule générale (II) dans laquelle R représente un atome d'hydrogène avec du glyoxal non transformé. Ces vitesses réactionnelles ont été déterminées, sur des prises d'essais prélevées à intervalles réguliers dans les milieux réactionnels, soit par analyse thermique différentielle, ATD, soit par chromatographie liquide à haute pression,HPLC, soit par dosage chimique du glyoxal libre. On a ainsi mis en évidence les faits expérimentaux suivants mentionnés dans le tableau ci-après et recueillis, d'une part, dans la condensation d'une mole de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids avec une mole d'urée, effectuée à pH = 6 et à 40 C soit sans catalyseur, essai désigné a, soit en présence de 7,14 mmoles d'acide citrique monohydraté et de 48,8 mmoles d'acétate de sodium, essai désigné b, soit enfin en présence de 28,5 mmoles d'acide orthophosphorique en solution à 85 % en poids dans l'eau; d'autre part, dans la condensation d'une mole de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids avec 1,07 mole de N,N'-diméthylurée, effectuée à pH = 6 et à 40 C soit sans catalyseur, essai d, soit en présence de 4,7 mmoles d'acide citrique monohydraté et de 39 mmoles d'acétate de sodium, essai e, soit enfin en présence de 28,5 mmoles d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids, essai f. TABLEAU DHEU DMeDHEU essai essai essai essai essai essai a b c d e f AH kcal./mole 4,9 4,5 5,1 8.0 9g5 12,7 EA 19,1 23,2 19,8 25,6 14,8 15,5 kcalJmole l5oge k 23 30 26 30 16 18 s-1 constante de vitesse k 0,0015 0, 0025 0,0097 0,00029 0,0076 0,01 l, mole-lmin-. vitesse relative rel1ative1 1,7 6,5 1 26 34 On constate donc, à l'analyse de ce tableau, une nette accélération de la vitesse de condensation du glyoxal avec, soit l'urée, soit la N,N'-diméthylurée, lorsque celle- ci est effectuée selon l'invention en présence d'acide orthophosphorique et que cet effet catalytique est encore significatif lorsque cette condensation est réalisée en présence de substances tampons telles que le couple acide citrique-acétate de sodium. Par ailleurs, on a déterminé l'influence de l'acide orthophosphorique sur la vitesse de la condensa- tion secondaire, parasite, du glyoxal sur la DHEU qui est l'une des réactions secondaires redoutées. Pour ce faire, on a fait réagir à pH = 6 et à 40 C, une mole de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids avec une mole de DHEU, soit sans catalyseur, essai g, soit en présence de 60 mmoles d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids, essai h,. Selon l'essai g, la constante de vitesse est de 6,1 102 moles. l1.min1 et selon l'essai h, elle -2 1 - est de 1,2102 mole.l1.min1, soit 5 fois moins rapide. On remarque également qu'en l'absence d'acide orthophosphorique, cette réaction secondaire est environ fois plus rapide que la réaction principale glyoxal sur urée alors qu'en présence de quantité catalytique d'acide orthophosphorique elle n'est que de 1,2 fois plus rapide. On a donc mis ainsi en évidence le double avantage de la catalyse à l'acide orthophosphorique men- tionné précédemment. L'expérience montre également que la vitesse de condensation du glyoxal avec l'urée de formule générale (I) est d'autant plus rapide que la température du milieu réactionnel est plus élevée. Toutefois, au-dessus de 60"C, plus la température s'élève, plus le milieu réactionnel se colore, ce qui entratne au niveau de l'urée cyclique de formule générale (II) formée, l'apparition de colora- tions parasites et un rendement stationnaire ou même parfois plus faible que celui obtenu à une température inférieure à 60 C. Comme attendu, on constate aussi qu'en effec- tuant le procédé selon l'invention avec un excès d'urée de formule générale (I) par rapport au glyoxal engagé, on favorise simultanément la consommation de glyoxal et le rendement en urée cyclique cherchée. Toutefois, un excès trop important d'urée libre dans le milieu réaction- nel est nuisible, d'une part, à la cristallisation de l'urée cyclique cherchée, et, d'autre part, à l'emploi du milieu réactionnel brut à la préparation d'apprêts textiles. En conséquence, et ainsi qu'il est connu par ailleurs, le procédé selon la présente invention est réalisé avec un rapport molaire glyoxal sur urée de for- mule générale (I) compris entre 0,6 et 1. Selon des con- ditions préférentielles, ce rapport molaire glyoxal sur urée de formule générale (I) est de 0,75 lorsque R repré- sente un atome d'hydrogène et de 0,935 lorsque R repré- sente un radical méthyle. Dans ce type de condensation, l'influence du pH est également connue et importante. Un pH inférieur à 4 favorise la bicondensation de l'urée de formule géné- rale (I) avec le glyoxal pour conduire à des structures bicycliques de type glycolurile et un pH supérieur à 7 conduit à des urées cycliques de formule générale (II) colorées ainsi qu'à une dégradation du glyoxal par réac- tion de Cannizzaro. Le procédé selon l'invention est donc mis en oeuvre à un pH compris entre 4 et 7 et préférentiellement à un pH compris entre 5,8 et 7,0. Les urées cycliques de formule générale (II) sont solubles dans l'eau: la DHEU présente une solubilité dans l'eau à 20 C de 28 g dans 100 g d'eau et la DMeDHEU une solubilité dans les mêmes conditions de 64 g dans g d'eau. Quant aux réactifs: le glyoxal et l'acide orthophosphorique ils sont commercialisés en solution aqueuse, le premier habituellement à 40 % en poids et le second communément à 85 % en poids. Les urées de formule générale (I) sont aussi solubles dans l'eau. En consé- quence, le procédé selon la présente invention effectué en milieu aqueux est mis en oeuvre au départ de ces réac- tifs commerciaux sans introduction supplémentaire d'eau et en fin de réaction, si l'on désire isoler à l'état cristallisé l'urée cyclique de formule générale (II) cher- crée, il est généralement nécessaire d'éliminer sous vide à une température inférieure à 50 C une partie de l'eau apportée par la solution aqueuse de glyoxal utilisée. Soit à l'état cristallisé, soit à l'état brut c'est-à-dire en solution dans leur milieu de préparation, les urées cycliques de formule générale (II) obtenues selon le procédé de l'invention peuvent être utilisées, entre autres, pour l'obtention d'apprêts textiles ainsi qu'il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 260 565. En particulier, elles peuvent être éthéri- fiées par un alcanol de formule générale (III) R1OH (III) dans laquelle R1 représente un radical alkyle en C1 - C4, selon des méthodes connues en soi, pour conduire à des urées cycliques de formule générale (IV) R1OHC CHOR1 I i (IV) R-N N-R 0 dans laquelle R et R1 conservent les significations pré- citées. Ces urées cycliques de formule générale (IV) sont des matières premières utilisables à la fabrication d'apprêts textiles. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la des- cription suivante et des exemples donnés à titre illus- tratif et nullement limitatif. EXEMPLE 1 On chauffe à 400C, sous agitation, à pH = 5,8 la solution suivante obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 678 g (4,67 moles) de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids, - 12,6 g (109 mmoles) d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids, - 15 g (176 mmoles) d'hydroxyde de sodium en solution aqueuse à 47 % en poids, - 440 g (5 moles) de N,N'-diméthylurée. A ce stade, selon l'acidité de la solution aqueuse commerciale de glyoxal utilisée, il est parfois nécessaire de moduler la quantité de soude introduite de manière à obtenir le pH de 5,8. Après 4 heures de chauffage à 40 C, on obtient une solution limpide présentant une concentration pondé- rale en glyoxal libre de 0,2 %, soit 40 mmoles et un taux de transformation de 99,1 %. Une analyse chromatographique du milieu réactionnel par HPLC révèle qu'il ne contient, outre de l'eau et des produits minéraux, que de la DMDHEU cherchée, 59 % environ, soit 4,63 moles, du glyoxal, 0,2 %, soit 40 mmoles et de la DMeU, 2,84 %, soit 370 mmoles. Le milieu réactionnel est alors abandonné à la température ambiante pendant 15 heures. La DMeDHEU cherchée cristallise spontanément. On l'essore, puis on la sèche en étuve ventilée à 50 C à poids constant. On isole ainsi un premier jet de 500 g (3,42 mo- les) de DMeDHEU, présentant un point de fusion de 142 C. Les eaux-mères, soit 645 g, sont concentrées à 445 g sous vide à une température inférieure à 50 C, puis elles sont abandonnées à la cristallisation pendant heures. On isole ainsi un deuxième jet de 95 g (0,65 mo- le) de DMeDHEU présentant un point de fusion de 1420C, sans dépression en mélange avec le premier jet. Les deux jets sont réunis et on obtient ainsi 595 g (4,07 moles) de dihydroxy-4,5 diméthyl-1,3 imidazo- lidinone-2, trans, incolore, cristallisée, présentant un point de fusion de 142 C et un spectre de résonance magné- tique nucléaire du proton à 60 MHz en solution dans l'eau lourde en accord avec la structure proposée: 4,9 ppm, s, 2H (CH); 2,9 ppm, s, 6H (N-CH3). Ce produit présente une solubilité à 20 C de 64 g dans 100 g d'eau. Le rendement global s'établit à 87,2 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. Exemple comparatif 1A On chauffe à 40 C, sous agitation, à pH = 5,8 la solution suivante obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 678 g (4,67 moles) de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids, - 4,62 g (22 mmoles) d'acide citrique mono- hydraté, - 15 g (182 mmoles) d'acétate de sodium anhydre, - 440 g (5 moles) de N,N'-diméthylurée. A ce stade, si nécessaire, on ajuste le pH à ,8 par addition de soude à 47 % en poids. Après 4 heures de chauffage à 40 C, la solution limpide obtenue présente une concentration en glyoxal libre de 2,95 % en poids, soit 579 mmoles et un taux de trans- formation de 87,8 %. Le milieu réactionnel est ensuite traité comme dans l'exemple 1 et on isole ainsi 50 g (0,343 mole) de DMeDHEU, incolore cristallisée, présentant un point de fusion de 142 C, soit un rendement de 7 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. Exemple comparatif lB On chauffe à 40 C, sous agitation, à pH = 5,8 la solution suivante obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 678 g (4,67 moles) de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids, - 12,6 g (109 mmoles) d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids, - 4,62 g (22 mmoles) d'acide citrique mono- hydraté, - 15 g (182 mmoles) d'acétate de sodium anhydre, - 15 g (176 mmoles) d'hydroxyde de sodium en solution aqueuse à 47 % en poids, - 440 g (5 moles) de N,N'-diméthylurée. A ce stade, si nécessaire, on ajuste le pH à 5,8 en modulant la quantité de soude introduite. Après 4 heures de chauffage à 40 C, la solution limpide obtenue présente une concentration en glyoxal libre de 0,2 % soit 40 mmoles et un rendement de transformation de 99,1 %. Le milieu réactionnel est ensuite traité comme dans l'exemple 1 et on isole ainsi 300 g (2,05 moles) de DMeDHEU, incolore, cristallisée, présentant un point de fusion de 142 C, soit un rendement de 44 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. EXEMPLE 2 On chauffe à 50 C, sous agitation, à pH = 7, une solution obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 145 g (1 mole) de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids, - 6,6 g (57 mmoles) d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids, - 80 g (1,33 mole) d'urée, - qs d'hydroxyde de sodium en solution aqueuse à 47 % pour obtenir un pH = 7. Après 2 heures de chauffage à 50 C, la solution limpide obtenue présente une concentration nulle en glyoxal libre. Le milieu réactionnel est ensuite abandonné heures à la température ambiante. La DHEU cherchée cris- tallise spontanément, on l'essore puis on la sèche à poids constant en étuve ventilée à 50 C. On isole ainsi un premier jet de 73,2 g (0,62 mole) de DHEU cristallisée, incolore, présentant un point de fusion de 140 C. Par concentration des eaux-mères à 120 g sous vide à une température inférieure à 50 C, on isole un deuxième jet de 12 g (0,1 mole) de DHEU cristallisée, inco- lore, présentant un point de fusion de 140WC, sans dépres- sion en mélange avec le premier jet. Les deux jets sont réunis. On obtient ainsi ,2 g (0,72 mole) de dihydroxy4,5 imidazolidinone-2, trans, cristallisée, présentant un point-de fusion de 142 C et un spectre de résonance magnétique nucléaire du proton à 60 MHz dans l'eau lourde en accord avec la structure proposée: 5,1 ppm, s, 2H (CH). Le rendement s'établit à 72 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. La DHEU présente une solubilité aqueuse à 200C de 28 g dans 100 cm3 d'eau. EXEMPLE 3 On chauffe à 40 C, sous agitation, à pH = 6,0, une solution obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 725 g (5 moles) de glyoxal en solution à 40 % en poids dans l'eau; - 33 g (286 mmoles) d'acide orthophosphorique en solution aqueuse à 85 % en poids; - 34,5 g (405 mmoles) d'hydroxyde de sodium en solution aqueuse à 47 % en poids; - 300 g (5 moles) d'urée. Si nécessaire, à ce stade, on modifie la quantité de soude introduite de manière à obtenir le pH = 6,0 choisi. Après 5 heures de chauffage, on obtient une solution limpide-présentant une concentration pondérale en glyoxal libre de 2,5 % soit 471 mmoles. On abandonne ensuite le milieu réactionnel à la température ambiante, puis on le traite comme dans l'exemple 2. On isole ainsi 252 g (2,13 moles) de trans DHEU présentant un point de fusion de 142 C. Le rendement global s'établit à 42,6 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. - Exemple comparatif 3A - On chauffe à 40 C, sous agitation, à pH = 6,0 une solution obtenue en mélangeant dans l'ordre: - 725 g (5 moles) de glyoxal en solution aqueuse à 40 % en poids; - 8,2 g (39 mmoles) d'acide citrique monohydraté; - 20,1 g (245 mmoles) d'acétate de sodium anhydre; - 300 g (5 moles) d'urée. A ce stade, en fonction de l'acidité de la solu- tion aqueuse commerciale de glyoxal, on ajuste si néces- saire, le pH à 6,0 par addition de soude à 47 % en poids. Après 5 heures de chauffage, on obtient une solu- tion aqueuse limpide présentant une concentration pondérale en glyoxal libre de 3,3 %, soit 600 mmoles. On abandonne ensuite le milieu réactionnel à la température ambiante, puis on le traite comme dans l'exemple 3. On isole ainsi 122 g (1,034 mole) de trans DHEU présen- tant un point de fusion de 142 C. Le rendement s'établit à 20,7 % de la théorie calculée par rapport au glyoxal mis en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'urées cycliques de formule générale (II) HOCH CHOH R-N N-R dans laquelle R représente un atome d'hydrogène ou un radical alkyle en C1 - C4, par condensation en milieu aqueux, à pH compris entre 4 et 7 et à une température comprise entre 40 C et 60 C, de glyoxal avec, un excès ou non, d'une urée de formule générale (I) RNH - CO - NHR (I) dans laquelle R a la signification ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en présence d'une quantité catalytique d'acide orthophosphorique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la quantité catalytique d'acide orthophos- phorique utilisée est comprise entre 2 mmoles et 150 mmoles par mole de glyoxal mis en oeuvre. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que l'urée de formule générale (I) utilisée est l'urée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que l'urée de formule générale (I) utilisée est la N,N'-diméthylurée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé par le fait que la quantité cata- lytique d'acide orthophosphorique utilisée est comprise entre 20 mmoles et 60 mmoles par mole de glyoxal mis en oeuvre. 6. Application du procédé selon la revendication 1, dans la préparation d'apprêts textiles.