Brevet FR2579627A1 — publié le 19861003

1-$ 2579627 Procédé d'électrosynthése d'alcools L'invention concerne un procédé d'électrosynthèse d'alcools par réduction électrochimique d'halogénures organiques en présence de dérivés carbonylés, procédé mis en oeuvre dans une cellule d'élec- trolyse en milieu solvant organique contenant un électrolyte indif- férent. Les alcools sont des composés couramment utilisés dans l'industrie chimique, notamment comme intermédiaires de synthèse; ils sont également utilisés en pharmacie, parfumerie, etc. Plusieurs procédés d'électrosynthèse d'alcools par réduction électro- chimique d'halogénures organiques en présence de dérivés carbonylés sont connus: - SHONO et collaborateurs, d'une part dans Tetrahedron Letters, Vol 22, pages 871-874 (1981) et d'autre part dans J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 259-260 décrivent un tel procédé dans le cas d'aldéhydes comme dérivés carbonylés. La cellule d'électrolyse comporte deux compar- timents séparés par un diaphragme en céramique et les électrodes sont en carbone. L'aldéhyde et l'halogénure organique sont introduits dans le compartiment cathodique, en milieu solvant (chloroforme ou N,N- diméthylformamide). La réaction n'est décrite que pour deux polyhalogénures particu- lièrement faciles à réduire (CC14 et CC13COOCH3). Les rendements varient entre 20 et 89 % selon les produits et les conditions opératoires. - KARRENBROCK et SCHAFER dans Tetrahedron Letters, N 17, pages 1521- 1522 (1978) décrivent également un tel procédé dans lequel la cellule d'électrolyse comporte deux compartiments séparés. Le dérivé carbonylé et l'halogénure organique sont introduits dans le compartiment catho- dique, en milieu N,N-diméthylformamide (DMF) comme solvant. La réac- tion n'est décrite que pour CCl4, polyhalogénure particulièrement facile à réduire. Dans le cas d'aldéhydes, les rendements varient entre 30 et 70 %. Dans le cas des cétones, les rendements sont nettement plus faibles (10 et 25 %). SATOH, SUGINOME, TOKUDA dans Bull. Chem. Soc. Jpn., 56, 1791-1794 (1983) décrivent I'électrosynthèse d'alcools tertiaires par réduction électrochimique d'halogénures allyliques ou benzyliques en présence d'acétone dans une cellule d'électrolyse non compartimentée; les électrodes sont en platine, la cathode pouvant également être en mercure ou en carbone. Seule l'utilisation d'hexaméthylphosphorotriamide (HMPT) comme solvant permet d'obtenir des rendements acceptables (13 A 53 % selon les conditions opératoires). L'utilisation de DMF ou de THF comme solvant au lieu d' HMPT est particulièrement inopportune, puisque, toutes conditions identiques par ailleurs, le rendement chute alors de 53 % à moins de 10 %. Or, 1' HMPT est un solvant particulièrement toxique et notamment cancérigène, ce qui exclut son utilisation dans un procédé industriel. Il n'existe donc pas, A la connaissance de la Demanderesse, de procédé simple, transposable A l'échelle industrielle, d'électrosynthèse d'alcools par réduction électrochimique d'halogénures organiques en présence de dérivés carbonylés dans une cellule d'électrolyse en milieu solvant organique contenant un électrolyte indifférent, ayant un rendement élevé et de portée suffisamment générale, c'est-à-dire applicable, en ce qui concerne les dérivés carbonylés, aussi bien aux aldéhydes qu'aux cétones dont il est connu que la réactivité est inférieure A celle des aldéhydes, et applicable A d'autres dérivés halogénés plus difficilement réductibles que les quelques polyha- logénures particulièrement faciles à réduire précités dans l'état de la technique. La présente invention a pour objet un tel procédé. Le procédé selon l'invention d'électrosynthèse d'alcools par réduction électrochimique d'halogénures organiques en présence de dérivés carbonylés dans une cellule d'électrolyse munie d'électrodes, en milieu solvant organique contenant un électrolyte indifférent est caractérisé en ce qu'on utilise une anode en un métal choisi dans le groupe constitué par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs alliages et en ce que les halogénures organiques présentent un atome ou un groupement fonctionnel stabilisateur de carbanions, fixé au carbone porteur de l'halogène. On a constaté, comme le montre la description qui va suivre, que de façon totalement inattendue, on obtient ainsi des rendements élevés alors que: 1) Ce procédé est très simple de mise en oeuvre puisqu'il peut être mis en oeuvre dans une cellule d'électrolyse à un seul compartiment, sans diaphragme ni fritté, ce qui est très important, notamment au stade industriel. 2) Ce procédé peut être mis en oeuvre avec des solvants relativement peu toxiques, utilisables et utilisés de façon courante dans l'in- dustrie (DMF par exemple). 3) Ce procédé a une portée relativement large et est applicable à l'électrosynthèse de nombreux alcools. Il est également à noter que, contrairement aux procédés décrits dans l'état de la technique pour lesquels on utilise une anode inerte, il n'y a pas, dans le procédé selon l'invention, dégradation du solvant à l'anode. Cette particularité est particulièrement intéressante et avantageuse. La cellule d'électrolyse est une cellule classique, bien connue de l'homme de métier, ne comportant qu'un seul compartiment. Cette possibilité d'utiliser une cellule à un seul compartiment est un avantage majeur comme cela a déjà été mentionné. Selon l'invention, les halogénures organiques présentent au moins un atome ou un groupement fonctionnel stabilisateur de carbanions, fixé au carbone porteur de l'halogène c'est-à-dire situé en position t> par rapport à l'halogène. Les atomes et groupements fonctionnels qui stabilisent les carbanions sont bien connus de l'homme de métier. On peut citer par exemple les halogènes, les groupements esters, cétoniques, allyliques, benzy- liques, alcoxy, nitrile. De façon préférée, les halogénures organiques utilisables dans le cadre de la présente invention répondent à la formule générale RX dans laquelle X représente un atome d'halogène et R représente - un groupement benzylique, substitué ou non substitué ! (Ar-C, Ar représentant un groupement aromatique) I - un groupement allylique, substitué ou non substitué \,1 (C=C-C) - un groupement"monohalogéné (-C-X), dihalogéné (-C'x) ou c4trihalogéné (CX3) I.0 - un groupement X ester (C-Co) I 3 00 - un groupement (cétonique (C - C) I \ A titre illustratif et non limitatif, on peut citer par exemple le chlorure de benzyle, le bromure de benzyle, le chlorure d'allyle, le 3chloro 2 méthyl propane, le 3-chloro 1 butène, le 1 chloro 1 méthyl acétate d'éthyle, le tétrachlorure de carbone, le dichlorophényl- méthane, le 1-phényl 3-chloro propène et le 1-méthyl 3 chloropropène. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les dérivés carbonylés répondent à la formule générale RI-C = O 1-z R2 dans laquelle R1 et R2, identiques ou différents, représentent: un atome d'hydrogène, - une chaîne aliphatique ou cycloaliphatique, substituée ou non substituée, saturée ou non saturée, - un groupement aryle, substitué ou non substitué, ou bien encore, R1 et R2, conjointement avec l'atome de carbone auxquels ils sont attachés, forment un cycle, saturé ou non saturé, substitué ou non substitué, comportant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes comme l'azote, l'oxygène, le phosphore ou le soufre. A titre illustratif et non limitatif, on peut citer par exemple l'acé- tone, la cyclohexanone, la méthyléthylcétone, l'acétaldehyde, la benzophénone et la dichlorobenzophénone. Selon une variante préférée, les alcools obtenus selon le procédé objet de la présente invention répondent à la formule générale R I R1-C-OH R2 dans laquelle R, R1 et R2 ont la signification précitée. De façon particulièrement préférée, lorsque les dérivés carbonylés sont des cétones, c'est-à-dire lorsque R1 et R2 sont différents de l'hydrogène, on obtient des alcools tertiaires. En règle générale, pour réaliser la présente invention, il est bien évident pour l'homme de métier que le dérivé carbonylé doit être plus difficilement réductible que l'halogénure organique et aucun des substituants portés par R1 et R2 ne doit être plus électrophile que le groupement carbonylé lui-même. Le procédé objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'on utilise une anode en un métal choisi dans le groupe constitué par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs alliages. On entend par "leurs alliages" tout alliage contenant au moins un des trois métaux précités à savoir le magnésium, l'aluminium et le zinc. Cette anode peut avoir une forme quelconque et notamment toutes les formes classiques d'électrodes métalliques bien connues de l'homme de métier (fil tortillé, barreau plat, barreau cylindrique, lit renou- velable, billes, toile, grille, etc.). De façon préférée, on utilise un barreau cylindrique de diamètre adapté aux dimensions de la cellule. Par exemple, pour une cellule dont le volume total est de 45 cm3, le diamètre du barreau est de l'ordre de 1 cm. Avant utilisation, il est préférable de nettoyer la surface de l'anode, chimiquement (par HCl dilué par exemple) ou mécaniquement (lime, toile Emeri par exemple) de façon à notamment retirer l'oxyde métallique souvent présent en surface du métal. La cathode est un métal quelconque tel que l'acier inoxydable, le nickel, le platine, l'or, l'argent, ou du carbone. Elle est constituée, de façon préférée, par une grille ou une plaque cylindrique disposée concentriquement autour de l'anode. Les électrodes sont alimentées en courant continu par l'intermédiaire d'une alimentation stabilisée. Les solvants organiques utilisés dans le cadre de la présente invention sont tous les solvants peu protiques usuellement utilisés en électro- chimie organique. On peut citer par exemple le DMF, l'acétonitrile, la tétraméthylurée (TMU), le tétrahydrofuranne (THF) et les mélanges THF-HMPT. De façon préférée, on utilise le DMF. L'acétone peut également être utilisée. Dans ce cas il joue à la fois le rôle de solvant et de dérivé carbonylé. Les électrolytes indifférents utilisés peuvent être ceux habituel- lement utilisés en électrochimie organique. On peut citer par exemple les sels dont l'anion est un halogénure, un carboxylate, un alcoolate, un perchlorate ou un fluoroborate et le cation un ammonium quater- naire, le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le zinc ou l'aluminium. Parmi ces sels, on-peut notamment citer les tétrafluoroborates de tétraalkyl ammonium (tétrafluoroborate de tétrabutylammonium par exemple), le perchlorate de tétrabutylammonium, les halogénures de tétraalkyl ammonium (le chlorure de tétrabutylammonium ou l'iodure de tétrabutylammonium par exemple), et le perchlorate de lithium. De façon préférée, la concentration en électrolyte indifférent dans le solvant organique est comprise entre O,O1 H et 0,5 M. De façon également préférée, la concentration en halogénures orga- niques dans le solvant organique est comprise entre 0,2 M et 2 t. Le rapport des concentrations dans le solvant organique entre le dérivé carbonylé et l'halogénure organique peut être quelconque. On utilisera de préférence un excès de dérivé carbonylé et notamment un rapport de concentrations compris entre 2 et 10. L'électrolyse est conduite 1) à une température généralement comprise entre - 20 C et + 30"C, 2) sous une densité de courant sur la cathode variant de préférence entre 0,1 et 10 A/dm2. On opère en général à intensité constante, mais on peut également opérer à tension constante, à potentiel contrôlé ou avec intensité et potentiel variables, 3) sous agitation de la solution, par exemple par l'intermédiaire d'un barreau aimanté, après avoir dégazé la solution par barbotage d'un gaz inerte, azote ou argon par exemple. Après passage d'une quantité de courant correspondant à 2 Faraday (2 X 96500C) par mole de dérivés halogénés (ou éventuellement jusqu'à transformation totale de ceux-ci); on arrête l'électrolyse. Pour vérifier la transformation totale des dérivés halogénés on prélève une aliquote de la solution. Après hydrolyse puis extraction à l'éther, on vérifie, par chromatographie en phase gazeuse (CPG), l'absence des dérivés halogénés de départ et la formation des alcools correspondants. A ce stade, le dosage des dérivés halogénés encore présents permet de connaître le taux de transformation de ces dérivés halogénés et le dosage des alcools de connaître le rendement en alcools formés. Le reste de la solution est alors hydrolysé (par exemple par l'eau, le chlorure d'ammonium ou l'acide chlorhydrique). L'alcoolate formé est alors transformé en alcool que l'on extrait ensuite selon les méthodes classiques, par l'éther par exemple. Après évaporation du solvant d'extraction et des produits légers, on isole l'alcool brut que l'on identifie par ses spectres RMN et IR, et dont la pureté est déterminée par CPG. On en déduit ensuite le ren- dement de la réaction en alcool pur isolé par rapport à l'halogénure organique de départ. L'alcool brut isolé est ensuite purifié soit par distillation, soit par séparation sur colonne de silice. L'alcool pur ainsi isolé (pureté vérifiée par CPG) est identifié, par ses spectres IR et RMN. L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs qui vont suivre. Pour réaliser ces exemples, on utilise une cellule d'élec- trolyse classique, constituée de deux parties. La partie supérieure en verre est équipée de 5 tubulures permettant l'arrivée et la sortie du gaz inerte, les prélèvements éventuels de solution en cours d'électrolyse, les passages électriques. La partie inférieure est constituée par un bouchon muni d'un joint, vissé sur la partie supérieure en verre. Le volume total de la cellule est de 45 cm3. L'anode est formée par un barreau cylindrique de 1 cm de diamètre. Elle est introduite dans la cellule par la tubulure centrale et se trouve ainsi située approximativement en position axiale par rapport à la cellule. Elle plonge dans la solution sur une longueur d'environ 2,5 cm. La cathode est constituée par une toile cylindrique disposée concen- triquement autour de l'anode. La surface "de travail" de la cathode est de l'ordre de 20 cm2. La cellule est plongée dans un bain thermostatique réglé à la tempé- rature choisie. Les conditions particulières opératoires (nature des électrodes, de l'électrolyte indifférent, du solvant utilisé, la température du bain etc. ) sont précisées par ailleurs pour chaque exemple...DTD: Exemple 1 Synthèse de diméthylbenzylcarbinol. L'anode est un barreau cylindrique de magnésium, de diamètre 1 cm. La cathode est une toile cylindrique en mousse de nickel, disposée concentriquement autour de l'anode. Sa surface apparente est de 20 cm2. On introduit dans la cellule 20 cm3 de DMF anhydre, 10 cm3 (soit 136 mmol) d'acétone, 3,29 g (26 mmol) de chlorure de benzyle et 0,78 g (2 mmol) de tétrafluoroborate de tétrabutylammonium. On fait barboter de l'azote dans la solution pendant 15 min environ puis on maintient l'azote à la pression atmosphérique au-dessus de la solution. On agite la solution à l'aide d'un barreau aimanté puis on plonge la cellule dans un bain thermostatique maintenu à - 20 C. Les électrodes sont alimentées en courant continu par l'intermédiaire d'une alimentation stabilisée et on impose une densité de courant constante, égale à 2 A/dm2 sur la cathode. Après passage de 2 Faraday par mole de chlorure de benzyle, on prélève une aliquote de la solution. Après hydrolyse puis extraction à l'éther, l'analyse par CPG montre que tout le chlorure de benzyle a été trans- formé et que l'on a formé du diméthylbenzylcarbinol de formule /CH3 C6H5 - CH2 - C OH CH3 Pour isoler l'alcool formé de l'ensemble de la solution, on évapore d'abord l'acétone en excès puis on hydrolyse par une solution aqueuse de chlorure d'ammonium, puis on extrait 3 fois par l'éther. Après évaporation de l'éther et des produits légers, on isole le diméthylbenzylcarbinol que l'on identifie par ses spectres RMN et IR. Ce diméthylbenzylcarbinol brut a une pureté de 70 %, déterminée par CPG. Parmi les impuretés on peut citer le bibenzyle, le toluène et le DMF et le diacétone alcool. Le diméthylbenzylcarbinol brut isolé est ensuite purifié par distil- lation. On obtient du diméthylbenzylcarbinol pur (pureté supérieure à 95 % d'après analyse par CPG), identifié par ses spectres IR et RMN. Le rendement en diméthylbenzylcarbinol pur ainsi obtenu est de 56 %. Exemples 2 à 32 - Synthèse de diméthylbenzylcarbinol On a réalisé les mêmes essais que celui décrit.à l'exemple 1 mais en modifiant certaines conditions opératoires, notamment la nature de l'anode. Les conditions opératoires, comparativement à celles de l'exemple 1, ainsi que les résultats obtenus sont précisés dans le tableau 1. On constate que les rendements obtenus sont relativement élevés, compris entre 50 et 70 % dans la majorité des cas. Ces rendements sont exprimés en alcool pur présent dans l'alcool brut isolé, par rapport au chlorure de benzyle de départ. Exemples 33 à 49 - Synthèse de divers alcools Les mêmes conditions générales opératoires de préparation, d'iso- lement, de dosages et de purification que celles suivies pour les exemples précédents ont été appliquées. Les indications relatives aux produits de départ et aux conditions particulières à chaque essai ainsi que les résultats obtenus sont précisées dans le tableau 2. Dans les exemples 44 à 49 réalisés avec le chlorure de benzylidène comme halogénure organique, les rendements en alcools purs isolés sont relativement plus faibles à cause de la formation en quantité importante (50 % environ par rapport au chlorure de benzylidène) de 1 phenyl 2 méthyl époxy 1-2 propane de formule CH3 C6H5 - CH- C cCH 3 obtenu par élimination d'HCl de l'alcool O 3 O CH3 C6H5 - CHCOl - C/ formé 51 - CH OH Les rendements en alcools formés sont donc en fait élevés (70 à plus de 90 %). Les valeurs indiquées au tableau 2 pour le rendement en alcool C6H5CHClC(CH3)2OH formé sont obtenues par addition des rende- ments obtenus en produits isolés pour ce même alcool et pour l'épo- xyde correspondant. Il s'agit donc d'une valeur minimale. Lors de ces essais (exemples 44 à 49), les 2 alcools formés et l'époxyde précité ont été isolés, purs (pureté vérifiée par CPG, supérieure à 95 %) à partir du produit brut obtenu par séparation chromatographique sur gel de silice. Les produits ont été identifiés par leurs spectres IR et RN. Dans les exemples 41 et 42, les alcools formés ont également été isolés du produit brut obtenu par séparation chromatographique sur gel de silice et identifiés par leurs spectres IR et RMN. Sauf indication contraire, les rendements indiqués sont ceux en alcools formés, par rapport à l'halogénure organique de départ. Pour l'exemple 43, on a utilisé une cellule de volume 250 cm3 et la surface de travail de la cathode est de 1 dm2. Revendications 1-Procédé d'électrosynthèse d'alcools par réduction électrochimique d'halogénures organiques en présence de dérivés carbonylés dans une cellule d'électrolyse munie d'électrodes, en milieu solvant organique contenant un électrolyte indifférent caractérisé en ce que - on utilise une anode en un métal choisi dans le groupe constitué par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs alliages - les halogénures organiques présentent un atome ou un groupement fonctionnel stabilisateur de carbanions, fixé au carbone porteur de l'halogène. 2-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dérivés carbonylés répondent à la formule générale Ri_ C = O R dans laquelle R1 et R2, identiques ou différents, représentent * un atome d'hydrogène * une chaine aliphatique ou cycloaliphatique, substituée ou non substituée, saturée ou non saturée * un groupement aryle, substitué ou non substitué ou bien encore, R1 et R2, conjointement avec l'atome de carbone auxquels ils sont attachés, forment un cycle, saturé ou non saturé, substitué ou non substitué, comportant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes. 3-Procédé d'électrosynthèse d'alcools tertiaires selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les dérivés carbonylés sont des cétones. 4-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les halogénures organiques répondent à la formule générale RX dans laquelle X repré- n atome dhalogène et R représente sente un atome d'halog6ne et R représente: - un groupement benzylique, substitué ou non substitué, - un groupement allylique, substitué ou non substitué, - un groupement d monohalogéné, x dihalogéné ou î trihalogéné, - un groupement U ester, - un groupement X cétonique. -Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le solvant organique est le N,N-diméthylformamide (DMF). 6-Procédé d'électrosynthése d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électrolyte indifférent est choisi dans le groupe constitué par les tétrafluo- roborates de tétraalkylammonium, les halogénures de tétraalkylam- monium, le perchlorate de tétrabutylammonium et le perchlorate de lithium. 7-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la concentration en électrolyte indifférent dans le solvant organique est comprise entre 0,01 et 0,5 M. 8-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la concentration en halogénures organiques dans le solvant organique est comprise entre 0,2 Met 2 M. 9-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport des concentrations dans le solvant organique entre le dérivé carbonylé et l'halogénure organique est compris entre 2 et 10. -Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la température d'électrolyse est comprise entre - 20 C et + 30 C.' 11-Procédéd'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la densité de courant sur la cathode est comprise entre 0,1 A/dm2 et 10 A/dm2. 12-Procédé d'électrosynthèse d'alcools selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électrolyse est conduite à intensité constante. 13-Procédé d'électrosynthèse de 1 phényl 2 methyl époxy 1-2 propane caractérisé en ce que l'on met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'halogénure organique étant un halogénure de benzylidène et le dérivé carbonylé l'acétone.