Brevet FR2564829A1 — publié le 19851129

PROCEDE DE PREPARATION D'ACIDES TRIFLUOROMETHYLES La présente invention a trait à un procédé de préparation d'acides trifluorométhylés. Elle concerne plus particulièrement la préparation d'acide trifluoroacétique et d'acide trifluorométhane- sulfônique. La première méthode de synthèse de l'acide trifluorométhane sulfonique a été décrite par Haszeldine en 1954 (J. Chem. Soc. 4228 (1954). Elle consistait à faire une oxydation du di(trifluorométhyl- thio) mercure (CF3S)2 Hg par une solution aqueuse d'eau oxygénée en présence de rayonnement. Cette méthode est absolument inexploitable industriellement, le sel de mercure n'étant pas disponible sur le marché et sa fabrication étant fort dangereuse car très toxique. D'autres procédés utilisant des intermédiaires tel que le bistrifluorométhyl- disulfure CF3S-SCF3 ont aussi été décrits (J. Chem. Soc. 2901 (1955)), ces méthodes comme la précédente ne sont pas transposables à l'industrie à cause de la très forte toxicité du bistrifluoro- méthyldisulfure CF3S-SCF3. c La seule méthode industrielle de fabrication de l'acide tri- fluorométhane sulfonique est une méthode de fluoration électro- chimique du chlorure de l'acide méthane sulfonique (J. Chem, Soc. 173 (i956)). Les méthodes électrochimiques conduisent de par la difficulté de la technologie à la production d'acide dont le prix est extrêmement élevé. Il est encore connu d'après le brevet US 4 221 734, un procédé de préparation d'acides carboxyliques perfluorés et d'acides sulfoniques perfluorés dans lesquels le radical alkyle contient au moins deux atomes de carbone par réaction d'halogénure de perfluoro- alkyle et de CO ou SO dans un solvant en présence de zinc. 2 2 Les exemples décrits concernent uniquement la condensation des iodures de perfluoroalkyle avec soit C02 soit S02. Un essai a été réalisé conformément.à l'exemple 2 du brevet US 4 221 734 en utilisant du bromure de trifluorométhyle comme halogénure d'alkyle. Un très faible rendement en trifluorométhyl- sulfinate de zinc brut est obtenu, de l'ordre de 5 % par rapport au zinc. Ce brevet ne décrit pas un procédé industriel permettant la mise en oeuvre d'un halogénure d'alkyle à un atome de carbone. La présente invention pallie les déficiences de l'art antérieur. I1 a maintenant été découvert un procédé de préparation d'acides trifluorométhylés caractérisé en ce que dans une première étape, on met en présence du dioxyde de carbone ou de soufre, un métal choisi parmi le zinc, l'aluminium, le manganèse, le cadmium, le magnésium, l'étain, le fer, le nickel et le cobalt dans un solvant aprotique polaire et dans une deuxième étape, on ajoute l'halogénure de trifluorométhyle, éventuellement en mélange avec le dioxyde de carbone et/ou de soufre, sous une pression supérieure à 1 bar. Les acides trifluorométhylés obtenus par le procédé selon l'invention sont l'acide trifluoroacétique et l'acide trifluoro- méthane sulfonique. On préfère parmi les métaux choisir ceux qui ne présentent qu'un seul degré d'oxydation et tout particulièrement ceux dont le - potentiel d'oxydo réduction est compris entre -0,8 et -2 volts. Ainsi sont particulièrement préférés le zinc, l'aluminium, le manganèse et le cadmium. Parmi ces derniers, d'un point de vue économique, il est avantageux de choisir le zinc et l'aluminium. Le métal est avantageusement utilisé sous forme dispersée de façon à assurer le meilleur contact avec les gaz mis en oeuvre dans le procédé de l'invention. Le solvant choisi doit, autant que possible, permettre de solubiliser le dioxyde de carbone ou de soufre, l'halogénure de trifluorométhyle ainsi que les sels de l'acide formé. Répondent à cette condition, les solvants aprotiques polaires et parmi eux préférentiellement: - l'acétonitrile - le diméthylformamide (D.M.F.) - le diméthylsulfoxide (D.M.S.O.) - le diméthylacétamide (D.M.A.) - l'hexaméthylphosphoramide (H.M.P.A.) - la N- méthylpyrrolidone (N.M.P.) Le diméthylformamide et le diméthylsulfoxide sont utilisés encore plus préférentiellement. L'halogénure de trifluorométhyle utilisé est choisi parmi le bromure et l'iodure de trifluorométhyle. Parmi ces halogénures est particulièrement préféré le bromure de trifluorométhyle, moins onéreux, car c'est un produit industriel utilisé dans la lutte contre l'incendie. En effet, ce composé est réputé pour son inertie chimique et il est particulièrement surprenant qu'en présence de zinc et de dioxyde de carbone ou de soufre, il réagisse pour former soit un sel de zinc de l'acide trifluoroacétique si on utilise C02, soit un sel de zinc de l'acide trifluorométhane sulfinique si on utilise SO2. Chacun de ces sels est déplacé de manière connue en soi par une base alcaline forte, choisie de préférence parmi la soude, la potasse, la chaux. Le sel alcalin obtenu de l'acide trifluoroacétique est déplacé directement par l'acide sulfurique tandis que le sel de l'acide trifluorométhane sulfinique est d'abord oxydé en sel alcalin de l'acide trifluorométhane sulfonique avant d'tre déplacé par l'acide sulfurique. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on met en présence lors de la première étape, le zinc, l'anhydride d'acide métalloidique et la base alcaline forte- de préférence sous forme solide puis l'halogénure de trifluorométhyle. Selon un mode encore plus préférentiel de l'invention, on opère en absence d'oxygène; pour cela, la première étape est effectuée sous vide ou sous atmosphère inerte. Selon le procédé de l'invention, on met en oeuvre préféren- tiellement un rapport molaire de l'halogénure de trifluorométhyle au métal d'au moins 2 et un rapport molaire du dioxyde de carbone ou de soufre au métal compris de préférence entre 1 et 3. L'halogénure de trifluorométhyle en excès peut être recyclé. La quantité de solvant mise en oeuvre est telle qu'il y ait de préférence entre 0,25 et 1 atome gramme de métal par litre de solvant. Ces quantités ne sont pas essentielles, elles seront adaptées à l'économie du procédé. La réaction étant exothermique, on maintient de préférence et seulement si cela est nécessaire la température entre 10 et 60 C. La pression réactionnelle est au minimum de un bar; on utilise de préférence une pression comprise entre un et 50 bars, l'homme de l'art adaptera la pression à l'appareillage utilisé. Il apparaît clairement à l'homme de l'art que le matériau constitutif du réacteur ne sera pas à base d'un des métaux utilisés dans le procédé de l'invention. Il est possible par exemple d'utiliser un réacteur en verre. Les acides trifluorométhylés obtenus par le procédé de l'invention sont utilisés comme intermédiaires de synthèse dans l'industrie pharmaceutique ou phytosanitaire ou comme catalyseurs (Brevet japonais N 58 128343). L'invention va être plus complètement décrite à l'aide des exemples suivants -qui ne doivent pas être considérés comme limitatifs de l'invention. Exemple 1 Préparation du trifluorométhylsulfinate de sodium Dans un flacon en verre épais, on place 300 ml de diméthylfor- mamide et 5 g (0,077 mole) de zinc. Le flacon est placé dans un appareil de Parr. On fait le vide dans le flacon puis on ajoute 10 g (0,15 mole) de dioxyde de soufre puis 40 g (0,27 mole) de bromotri- fluorométhane. La pression est alors de 2,6 bars. En quatre heures, sous agitation, elle redescend à 1,7 bar. On fait redescendre la pression à 0, 6 bar, puis on ajoute 20 g de dioxyde de soufre; la pression est alors remontée à 1,4 bar. En deux heures, elle redes- cend à 1 bar. Le flacon est alors ouvert. Le diméthylformamide est distillé à 50 C/3 000 Pa jusqu'à sec. On ajoute 300 ml d'eau puis de la soude en pastilles jusqu'à ce que le pH devienne légèrement basique. Les sels de Zn insolubles sont filtrés. L'eau est évaporée sous vide et le solide est extrait à l'acétate d'éthyle. Après évaporation de l'acétate d'éthyle, on obtient 8 g de solide brut. Ce sclide contient 66 % de trifluorométhylsulfinate de sodium (F / -87 ppm). Le rendement de la transformation du zinc en tri- F fluorométhylsulfinate de sodium est donc de 44 % par rapport au Zn. Une autre expérience sans deuxième addition de dioxyde de soufre a conduit à un rendement de 37 %. Transformation en trifluorométhylsulfonate de sodium 8 g de trifluorométhylsulfinate de sodium bruts sont dissous dans 25 ml d'eau oxygénée à 35 %. Après 5 heures, on constate par Ris du 19F que la transformation est totale. Il reste un seul signal à0F: -78 ppm. On ajoute alors 2 grains de pierre ponce. Le mélange est porté à ébullition. L'eau oxygénée est décomposée pour donner 2,3 litres d'oxygène. L'eau est évaporée et le solide est extrait à l'acétone pour donner après évaporation 7,2 g de trifluorométhyl- sulfonate de sodium brut. Transformation en acide trifluorométhanesulfonique 3 g de trifluorométhylsulfonate de sodium et 3 g d'acide sulfurique à 95 % sont portés à 140 C sous un vide de 100 Pa. On recueille 2,25 g de monohydrate d'acide trifluorométhanesulfonique (PF: 45 C). Ces 2,25 g sont neutralisés avec 12,6 ml de soude normale et on obtient, après séchage à 80 C/60 Pa, 2,3 g de trifluorométhylsulfonate de sodium. PF: 251 C, 0F: -78 ppm. Exemple 2 Préparation du trifluorométhylsulfinate de sodium Dans un flacon en verre épais, on place 100 ml de diméthyl- formamide, 3,5 g (0,054 moles) de zinc en poudre et 4 g d'hydroxyde de sodium en poudre. Le flacon est placé dans un appareil de Parr. On fait le vide. On ajoute 15-g de dioxyde de soufre puis 20 g (0,13 mole) de bromotrifluorométhane. La pression est alors de 2,7 bars. En deux heures, sous agitation, la pression est redescendue à 0,7 bar. Le flacon est alors ouvert, les solides sont séparés par filtration; le diméthylformanamide est distillé à 50 C sous 3 000 Pa. On ajoute alors 200 ml d'eau, le pH est ramené à 7 par addition de NaOH. Apres décantation, l'eau est évaporée sous pression réduite; le résidu est repris à l'acétate d'éthyle. Les solides sont éliminés par filtration et l'acétate d'éthyle évaporé sous pression réduite. Transformation en trifluorométhane sulfonate de baryum On ajoute 20 ml d'eau oxygénée à 35 %. On agite pendant 17 heures puis le mélange est porté à 100 C avec une pierre à ébullition jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dégagement d'oxygène. L'eau est évaporée sous vide, on verse 10 ml d'acide sulfurique à 98 % puis l'acide trifluorométhanesulfonique est distillé rapidement sous 100 Pa par chauffage à 130 C. Le distillat est dissous dans 100 ml d'eau. On ajoute de l'hydroxyde de baryum jusqu'à pH 7. Apres filtration, l'eau est évaporée sous vide. Le résidu est repris à l'acétone. Après évaporation de l'acétone, on obtient 6,4 g (0,015 mole) de trifluorométhane sulfonate de baryum. Rdt 55 % par rapport 2564829: au zinc. Exemple 3 Préparation de l'acide trifluoroacétique 3,25 g de zinc, 50 ml de diméthylformamide et 12 g de neige carbonique sont placés dans un flacon en verre épais. La pression dans le flacon disposé dans un appareil de Parr est abaissée jusqu'à 1 bar par dégagement de CO2. La pression est ensuite augmentée jusqu'à 2,7 bars par adjonction de bromotrifluorométhane. Sous agitation pendant 3 heures, la pression redescend à 0,8 bar. Le flacon est alors ouvert. Le diméthylformamide est distillé à C/3 000 Pa. Après traitement par la soude et extraction à l'acétate d'éthyle, on ajoute 5 ml d'acide sulfurique à 95 % au solide obtenu. Le mélange est porté à 145 C et on recueille par distillation 1, 15 g d'acide trifluoroacétique. (Rdt 20 % par rapport au zinc). Exemule 4 Preparation de l'acide trifluorométhane sulfonique Dans un flacon en verre épais, on place 100 ml de diméthyloz-mamide, 1,5 g (0,055 mole) d'aluminium en poudre. Le flacon est placé dans un appareil de Parr. On fait le vide puis on ajoute 15 g de dioxyde de soufre et 20 g (0,13 mole) de bronotrifluorométhane. La pression est alors de 2,7 bars. En deux heures, sous agitation, la pression est redescendue à 1,4 bars. Le flacon est alors ouvert, les solides sont séparés par filtration; le diméthylformamide est distillé à 50 C sous 3 000 Pa. On ajoute alors 200 ml d'eau, le pH est ramené à 7 par addition de soude. Après décantation, l'eau est évaporée sous pression réduite; le résidu est repris à l'acétate d'éthyle. Les solides scut éliminés par filtration. L'acétate d'éthyle est évaporé sous pression réduite. On ajoute 20 ml d'eau oxygénée à 35 Z; on agite pendant 17 heures puis le mélange est porté à 100 C avec une pierre à ébullition jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dégagement d'oxygène. L'eau est évaporée sous vide, on verse 10 ml d'acide sulfurique à 98 % puis l'acide trifluorométhanesulfonique est distillé rapidement à i1_3C sous 100 Pa. On obtient 3,9 g (0,022 mole) d'acide trifluoronéthane sulfonique monohydrate (Rdt: 40 % par rapport à 1'aluziniuz.- 2564829. Exemple 5 Préparation de l'acide trifluorométhanesulfonique Dans un flacon en verre épais, on place 100 ml de dim9thylformamide, 3 g (0,055 mole) de manganèse en poudre. Le flacon est placé dans un appareil de Parr. On fait le vide puis on ajoute 15 g de dioxyde de soufre et 20 g (0,13 mole) de bromotri- fluorométhane. La pression est alors de 2,7 bars. En deux heures, sous agitation, la pression est redescendue à 1,6 bar. Le flacon est alors ouvert, les solides sont séparés par filtration; le diméthylformamide est distillé à 50 C sous 3 000 Pa. On ajoute alors 200-ml d'eau, le pH est ramené à 7 par addition de soude. Après décantation, l'eau est évaporée sous pression réduite le résidu est repris à l'acétate d'éthyle. Les solides sont éliminés par filtration, l'acétate d'éthyle évaporé sous pression réduite. On ajoute 20 ml d'eau oxygénée à 35 %. On agite pendant 17 heures puis le mélange est porté à 100 C avec une pierre à ébullition jusqu' a ce qu'il n'y ait plus de dégagement d'oxygène. L'eau est évaporée sous vide, on verse 10 ml d'acide sulfurique à 98 % puis l'acide trifluorométhanesulfonique est distillé rapidement à 130 C sous 100 Pa. On obtient 2,5 g (0,014 mole) d'acide-trifluorométhanesulfonique monohydrate (Rdt: 25 % par rapport au manganèse). Exemple 6 Préparation de l'acide trifluorométhanesulfonique Dans un flacon en verre épais, on place 100 ml de diméthylformamide, 3 g (0,054 mole) de cadmium en poudre. Le flacon est placé dans un appareil de Parr. On fait le vide puis on ajoute g de dioxyde de soufre et 20 g (0,13 mole) de bromotrifluoro- méthane. La pression est alors de 2,7 bars. En deux heures, sous agitation, la pression est redescendue à 1 bar. Le flacon est alors ouvert, les solides sont séparés par filtration; le diméthylformamide est distillé à 50 C sous 3 000 Pa. On ajoute alors 200 ml d'eau, le pH est ramené à 7 par addition de soude. Après décantation, l'eau est évaporée sous pression réduite; le résidu est repris à l'acétate d'éthyle. Les solides sont éliminés par filtration, l'acétate d'éthyle évaporé sous pression réduite. On ajoute 20 ml d'eau oxygénée à 35 %. On agite pendant 17 heures puis le mélange est porté à 100 C avec une pierre à ébullition jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dégagement d'oxygène. L'eau est évaporée sous vide, on verse 10 ml d'acide sulfurique à 98 % puis l'acide trifluorométhanesulfonique est distillé rapidement à 130 C sous 100 Pa. On obtient ainsi 4,4 g (0,025 mole) d'acide trifluorométhane sulfonique monohydrate (Rdt: 45 % par rapport au cadmium). Exemple 7 Préparation de l'acide trifluoroacétique 3,25 g de zinc, 50 ml de diméthylformamide et 12 g de neige carbonique sont placés dans un flacon en verre épais. La pression dans le flacon disposé dans un appareil de Parr est abaissée jusqu'à 1 bar par dégagement de CO2. La pression est ensuite augmentée jusqu'à 2,7 bars par adjonction de bromotrifluorométhane contenant 1% en volume de SO2. Sous agitation pendant 2 heures, la pression redescend à 2 bars. On ajoute à nouveau du bromotrifluorométhane contenant 1% de SO2 jusqu'à 2,7 bars. On attend une heure, la pression redescend à 2,2 bars. Le flacon est alors ouvert. Le. diméthylformamide est distillé à 50 C/3 000 Pa. Après traitement par la soude et extraction à l'acétate d'éthyle, on ajoute 5 ml d'acide sulfurique à 95 % au solide obtenu. Le mélange est porté à 145 C et on recueille par distillation 1,70 g d'acide trifluoroacétique. (Rdt % par rapport au zinc). REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'acides trifluorométhylés caractérisé en ce que dans une première étape, on met en présence du dioxyde de carbone ou de soufre, un métal choisi parmi le zinc, l'aluminium, le manganèse, le cadmium, le magnésium, l'étain, le fer, le nickel et le cobalt dans un solvant aprotique polaire, dans une deuxième étape, on ajoute l'halogénure de trifluorométhyle éventuellement en mélange avec le dioxyde de carbone et/ou de soufre sous une pression supérieure à 1 bar. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'acide trifluorométhylé est choisi parmi l'acide trifluoroacétique et l'acide trifluorométhane sulfonique. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'halogénure de trifluorométhyle est le bromure de trifluorométhyle. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le métal est choisi parmi le zinc, l'aluminium, le manganèse et le cadmium. 5. Procédé selon la revendication 1 et la revendication 4 caractérisé en ce que le métal est dhoisi parmi le zinc et l'aluminium. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le solvant aprotique polaire est choisi parmi le diméthylformamide, le diméthylsulfoxide, l'acétonitrile, l'hexaméthylphosphoramide, le diméthylacétamide, la N méthylpyrrolidone. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport molaire de l'halogénure de trifluorométhyle au métal est d'au moins 2. 8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport molaire de l'anhydride d'acide au métal est compris entre 1 et 3. 9. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la quantité de solvant est telle qu'on ait entre 0,25 et 1 atome gramme de métal par litre de solvant. 10. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression réactionnelle est comprise entre 1 et 50 bars.