Brevet FR2580635A1 — publié le 19861024

La présente invention concerne un nouveau procédé de préparation de dérivés acryliques de l'urée, elle a plus particulièrement un nouveau procédé de préparation de dérivé acrylique de l'urée obtenu en particulier à partir d'urée et d'acrylamide. Certains dérivés acryliques de l'urée sont connus depuis longtemps. Les composés acryliques utilisés comme produits de départ sont le plus souvent l'acrylamide ou l'acrylonitrile. C'est ainsi qu'on a proposé (voir brevet Suisse CIBA N 316404) la préparation de l'acrylamido-méthylène-urée selon un procédé en deux étapes qui consiste en faire réagir d'abord, dans une première étape en milieu fortement acide du paraformaldéhyde avec de l'urée, la température du milieu réactionel pouvant s'élever jusqu'à 70 C, puis dans une deuxième étape à additionner à basse température de l'acrylonitrile sur le produit de réaction obtenu dans la première étape. Après neutralisation du milieu réactionnel, les auteurs affirment obtenir un produit de point de fusion égale à 130 - 131 C; le produit obtenu est décrit comme étant l'acrylamido-méthylène-urée dont la formule serait: CH = CH - C - NH - CH- NH- CO - NH Le procédé mis en oeuvre dans le brevet suisse peut se résumer de la façon suivante: lère étape Action de l'urée sur le formol en milieu sulfurique selon la réaction H2S04(98 %) NH2 C - NH + H- C- H >NH2- C- NH- CH O H 2Il 2 Il2 fi2 qui conduit à la monométhylolurée. 2ème étape Action de l'acrylonitrile sur la monométhylorurée en présence d'acide sulfurique selon la réaction H2S4(98 %) CH = CH- C -N + HO -CH - NH- C - NH2 2 2 2 CH2 = CH - C -NH -CH NH - C - NH 0 0 -'2 - qui devrait conduire à la formation d'acrylamido-méthylène-urée. Le point de fusion est la seule caractéristique du produit acrylique décrit dans le brevet suisse précipité, aucun résultat analytique permettant de confirmer la structure du produit est indiqué. Afin de vérifier le bien fondé du procédé mis en oeuvre, la demanderesse a réalisé des essais mettant en oeuvre les conditions opératoires du brevet antérieur: on a alors obtenu par cette méthode un produit dont le point de fusion est de 131 C, mais avec un rendement très faible voisin de 5 % et dont la composition, déterminée par analyse chromatographique en couche mince révèle la présence de plusieurs produits parmi lesquels on identifie l'urée, le bisacrylamido-méthane, mais pas d'acrylamido- méthylène-urée. La même méthode analytique réalisée sur un échantillon neutralisé, mais dilué, contenant tous les produits de la réaction révèle bien effectivement la présence, mais en très faible quantité, d'acrylamidométhylène-urée. En réalité le produit même s'il se forme en mettant en oeuvre le mode opératoire décrit dans le brevet suisse a peu de chance d'être isolé par la méthode décrite en raison de sa faible solubilité dans l'eau (inférieure à 2 % à 20 C) et de son insolubilité dans l'acétone. Sans vouloir être lié par des mécanismes chimiques théoriques, la demanderesse pense que la mise en oeuvre des conditions opératoires du brevet suisse conduit à un mélange de bisacrylamido-méthane et d'urée car il semble que la réaction de la lère étape en milieu sulfurique urée + formol 0 0 0 Il il NH2 CC-NH+ H-C- I ==NH 2 -NH-CH2 OH est une réaction équilibrée dans laquelle en réalité le formol réagit dans la deuxième étape avec l'acrylonitrile pour donner du bisacrylamidométhane selon la réaction H2SO4 H20 + H - C-H + 2 CH2 = CH - C-N CH2 = CH - C - NH - CH2 NH - C - CH = CH2 Le besoin se fait donc sentir de mettre au point un procédé permettant de fabriquer de véritables dérivés acryliques de l'urée à partir d'urée, de formol et d'acrylonitrile. La présente invention concerne un procédé de préparation de dérivé acrylique de l'urée, de formule: CH2 = CH - C-NH -CH2-NH --NH2 O O .1.0 -3 - à partir d'urée, de formol et d'acrylamide caractérisé en ce qu'on fait réagir dans une première étape dans un solvant non réactif l'acrylamide avec le formol à pH basique au moins égal à 7 et en ce que dans une deuxième étape on fait réagir le produit de réaction obtenu dans la première étape sur l'urée à pH acide au plus égal à 4,5 la quantité d'urée mise en oeuvre étant au moins égale à un équivalent molaire et de préférence supérieure à quatre équivalents molaires pour un équivalent calculé sur le produit de la réaction obtenue dans la première étape. La mise en oeuvre d'un tel procédé permet de préparer le dérivé acrylique de l'urée avec des rendements avoisinant 70 % et dont la structure chimique est confirmée par les méthodes analytiques usuelles: analyse élémentaire, spectre Infra-rouge et R.M.N. du proton et du 13 C. Le procédé de la présente invention consiste à faire réagir dans un solvant non réactif, l'acrylamide avec le formol à pH basique au moins égal à 7. Les solvants non réactifs qui conviennent pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention sont choisis parmi l'eau, le diméthylformamide; lorsqu'on utilise l'eau comme solvant le formol est introduit sous forme de solution aqueuse lorsqu'on utilise un solvant organique, le formol est introduit sous forme de paraformaldéhyde. On ajuste le pH à une vaieur au moins égale à 7 à l'aide, par exemple, d'amines aliphatiques tels que le triéthylamine pour des valeurs de pH inférieur à 7 on réduit la vitesse de formation du dérivé. Préférentiellement, cette première étape est conduite en présence d'un inhibiteur de polymérisation éther méthylique de l'hydroquinone par exemple. Cette première étape est conduite à une température qui dépend de la nature du solvant: si le solvant utilisé est de l'eau la température réactionnelle est voisine de 50 C, si le solvant mis en oeuvre est du diméthyl formamide, la réaction est conduite à une température voisine de 80 C. La deuxième étape du procédé objet de l'invention consiste ensuite à faire réagir le produit obtenu lors de la première étape avec de l'urée à pH acide au plus égal à 4,5. On a en effet trouvé que la mise en oeuvre du procédé réalisé à pH supérieur à 4,5 conduit à des taux de conversion voisin de zéro. Le pH est ajusté par exemple en utilisant de l'acide sulfurique concentré ou de l'acide chlorhydrique. La température réactionnelle de cette deuxième étape dépend aussi du solvant non réactif mis en oeuvre; si le solvant est de l'eau, la réaction est conduite à température ambiante, si le solvant est un solvant organique la réaction est conduite à une température voisine de 80 C. La quantité d'urée mise en oeuvre est au moins égale à un équivalent et de préférence supérieure à quatre équivalents molaires pour un équivalent calculé sur le produit de la réaction obtenu dans la première étape. On a en effet trouvé qu'il est préférable de mettre en oeuvre quatre équivalents molaires si l'on veut éviter la formation de [NN'bis (acrylamido-méthylène)- urée] comme impureté. Le produit obtenu selon le procédé, objet de l'invention, est polymérisable ou copolymérisable et condensable avec l'urée en présence de formol. Il convient particulièrement comme additif dans les aminoplastes et phénoplastes notamment ceux utilisés comme colles à bois; il peut aussi être utilisé comme agent réticulant. Les exemples suivants illustrent la présente invention; les quantités sont exprimées en parties en poids: Exemple I: Synthèse de l'acrylamido méthylène urée dans l'eau lère étape Dans un réacteur agité muni d'un condenseur à reflux, on introduit la charge suivante: - 20 parties d'acrylamide -22,8 parties d'une solution aqueuse de formol à 37 % - 0,2 partie de triéthylamine - 0,01 partie d'éther méthylique de l'hydroquinone. On maintient le milieu réactionnel à 50 OC pendant I heure. 2ème étape Après refroidissement du milieu réactionnel et maintient à 10 C, on ajoute 67,6 parties d'urée et 15 parties d'acide chlorhydrique concentré. Le pH du milieu réactionnel est alors de 1. Le milieu réactionnel est agité pendant 15 heures à température ambiante. Il se forme un précipité tout au long de la réaction. Après filtration et recristallisation dans l'eau, on obtient 27,5 parties d'acrylamide méthylène-urée. Le rendement de la réaction est de 67,5 %. Point de fusion: brunissement entre 265 - 270 C. L'analyse élémentaire donne les résultats suivants Trouvé Calculé - C 4 41,7141,95 - H: 6,28 6,29 - N: 29,24 29,37 Le spectre infra-?ouge permet de confirmer la structure du produit obtenu (ci-joint en annexe figure 1" Le spectre RMN permet de confirmer la structure de l'acrylamido-méthy- lène-urée (ci-joint en annexe figures 2 et 3). Exemple 2: Synthèse de l'acrylamido-méthylène-urée dans un solvant organique lère étape Dans le réacteur utilisé dans l'exemple 1, on introduit la charge suivante - 20 parties d'acrylamide - 200 parties de diméthylformamide - 9 parties de paraformaldéhyde (pureté 94 %) - 0,4 partie de triéthylamine - 0,010 partie d'éther méthylique de l'hydroquinone. Le milieu réactionnel est chauffé 6 heures à 80 C 2ème étape Au milieu réactionnel de l'étape 1 et refroidi à 20 C, on ajoute - 67,6 parties d'urée - I partie d'acide sulfurique concentré. On chauffe à 80 C pendant 2 heures. Après refroidissement, filtration et recristallisation, on obtient 8 parties d'un produit solide qui présente les caractéristiques suivantes Point de fusion: brunissement entre 265 - 270 C. Analyse élémentaire: Trouvé Calculé - C: 41,63 41,95 - H: 6,19 6,29 - N: 29,30 29,37 Les spectres Infrarouge et R.M.N. sont identiques à ceux de l'exemple 1. Ils confirment la préparation de l'acrylamido-méthylène-urée. Exemple 3 Les essais suivants ont été réalisés en faisant réagir le produit de la réaction obtenu dans la première étape des exemples I ou 2 avec de l'urée la réaction est conduite à différente température et à pH variable ainsi qu'en mettant en oeuvre différents rapports molaires du produit de réaction obtenu dans l'étape 1, et de l'urée additionnée dans l'étape 2. Le produit obtenu dans l'étape I a pour formule H 0 H 0 I Il I 1 H -C-H + H2C = C- C - NH2----.H2C = C- C- NH- CH2OH 0 N-méthylocrylamide (NMA) Le produit obtenu dans l'étape 2 est l'acrylamido-méthylène-urée obtenu selon la réaction H 0 0 I il II H2C = C- C- NH - CH2OH + HN2- C- NH2 Urée (U) -6- 0 O II H2C = CH - C - NH -CH2 - NH - C - NH2 AMU Les résultats suivants ont été obtenus pH [U] /[NMA]0 T C [NMAo] 4,2 1 40 1,6 0 3,2 1 40 1,56 2 1,8 I 40 1,5 22 3,3 4 40 1,3 4 2,6 4 40 1,3 20 1,7 4 40 1,3 70 2,1 6 40 1,1 60 2,7 4 60 1,3 63 [U]o / [NMA]o = rapport molaire urée départ N méthylolacrylamide départ % = taux de conversion au bout de 2 heures de réaction défini par la relation =[1 - [NMA]] X 100 [NMA]o Le dosage des groupes méthylol a été réalisé en mettant en oeuvre une méthode de dosage en retour iode-thiosulfate. Selon cette méthode on ajoute à une solution contenant 1 ml d'échantillon et 10 ml de soude 2 N, 50 ml d'une solution aqueuse d'iode N. L'iode en excès est dosé pour une solution aqueuse de thiosulfate (N) après addition de 20 cm3 d'acide O 635 7 - sulfurique 2 N Exemple 4 (Exemple comparatif) A titre comparatif on a réalisé l'exemple 3 du brevet suisse 316404 en mettant en oeuvre les mêmes conditions opératoires. On dissout 27 parties de paraformaldéhyde dans 180 parties d'acide sulfurique à 98 %. Le mélange réactionnel est chauffé à 70 C puis refroidit à une température inférieure à 10 C. On ajoute ensuite 54 parties d'urée. On maintient le milieu réactionnel à température ambiante pendant trois heures puis on additionne 47,7 parties d'acrylonitrile après avoir refroidi le milieu à une température de 15 C. On maintient le mélange réactionnel à température ambiante pendant I2 heures puis on le neutralise par addition d'une solution de soude à 50 % tout en refroidissant afin de maintenir le mélange à une température inférieure à C. Après neutralisation le sulfate de sodium formé précipite, il est alors filtré et lavé avec 400 parties d'acétone. Après élimination de l'eau sous vide à une température de 40 C. On élimine le sulfate de sodium qui a précipité par filtration et lavage à l'acétone. Le filtrat aqueux obtenu et l'acétone de lavage sont ensuite réunis et distillés. Il se forme alors un précipité que l'on sépare par filtration: on en recueille 6 parties. L'analyse par chromatographie sur couche mince permet de mettre en évidence la préence d'urée, de bisacrylamido méthane et de sulfate de sodium. Après refroidissement il se forme un précipité que l'on filtre: sa masse est de 5 parties, son point de fusion est de 131 C. Par chromatographie en couche mince on identifie de l'urée et du bisacrylamido-méthane. En prélevant un échantillon que l'on neutralise et dilue, on met en évidence des quantités infimes d'acrylamido- méthylène-urée Exemple 5 L'exemple 1 est répété en mettant en oeuvre dans la première étape 71 parties d'acrylamide 81 parties d'une solution de formol à 37 % 2 parties de triethylamine 0,04 partie d'éther méthylique de l'hydroquinone dans la deuxième étape parties d'urée Après traitement on recueille 101 parties d'un produit le rendement de la réaction est de 70,6 %. -8- L'analyse par chromatographie en couche mince permet de mettre en évidence la présence de N,N' bis acrylamido-méthylène-urée. Exemple 6 Une résine urée-formol présente les caractéristiques suivantes Viscosité à 20 C: 5,5 poises Extrait sec: 65 % pH: 8 F:0,55 NH2 Cette résine est modifée par 6,5 % d'acrylamido méthylène urée. On dispose alors d'une résine qui présente les caractéristiques suivantes: Viscosité à 20 C: 3,8 poises Extrait sec: 65 % pH: 8 F:0,55 NH2 Ces deux résines sont utilisées pour la fabrication de panneaux particules monocouches à partir de copeaux de bois en mettant en oeuvre les mêmes conditions opératoires: les résines sont durcies à l'aide d'une solution de chlorure d'ammonium. Le tableau suivant indique les caractéristiques des panneaux obtenus: Type résine Résine modifiée Résine non modifiée Résistance en traction (kg/cm2) 6,1 6,3 Gonflement à l'eau 12,1 12,4 V 20, % Absorption, % 60 62 Humidité panneau % 7,4 7,3 Formol perforateur 10,5 12,5 mg/100g 9 - Les mesures ont été déterminées selon les normes suivantes - Teneur en formol (perforateur): Norme EN 120 - Epaisseur, masse volumique et humidité Norme DIN 52361 - Traction V20: Norme DIN 68763 - Gonflement (%): Norme DIN 52364 - 10 - REVENDICATION 1) Procédé de préparation de dérivé acrylique de l'urée, de formule CH2 = CH- C- NH - CH2- NH- C- NH2 Il II 0 0 à partir d'urée, de formol et d'acrylamide caractérisé en ce qu'on fait réagir dans une première étape dans un solvant non réactif l'acrylamide avec le formol à pH basique au moins égal à 7 et en ce que dans une deuxième étape on fait réagir le produit de réaction obtenu dans la première étape sur l'urée à pH acide au plus égal à 4,5 la quantité d'urée mise en oeuvre étant au moins égale à un équivalent molaire et de préférence supérieure à quatre équivalents molaires pour un équivalent calculé sur le produit de la réaction obtenue dans la première étape. 2) Procédé selon 1 caractérisé en ce que le solvant non réactif est choisi parmi l'eau et le diméthylformamide. 3) Procédé selon 1 et 2 selon lequel la réaction est conduite à une température comprise entre 50 et 80 C.