Brevet FR2597511A1 — publié le 19871023

FONCTIONNALISATION DE IODO-POLYFLUOROALCANES PAR REDUCTION ELECTROCHIMIQUE ET NOUVEAUX COMPOSES FLUORES AINSI OBTENUS La présente invention concerne la fonctionnalisation de iodo-polyfluoroalcanes et, plus particulièrement, la préparation de composés contenant une chalne perfluorée et au moins une fonction acide ou alcool par réduction électrochimique de iodo-polyfluoroalcanes. Les alcools polyfluorés du type RFCH2CH20H o RF désigne un radical perfluoroalkyle sont des précurseurs d'agents de traitement de surfaces et de matériaux et peuvent être préparés à partir des iodo-1 perfluoroalkyl-2 éthanes RFC2H4I suivant diverses voies, par exemple, par action d'un amide en solution aqueuse (publication 15 JP 72-37520) ou par action d'un oléum sulfurique (brevet US 3 283 012) ou encore par formation dans le tributylphosphate d'un organozincique intermédiaire qui est ensuite oxydé, puis hydrolysé (brevet FR 2 521 987). La synthèse de ces alcools par réduction électrochimique des composés RFC2H4I n'a pas encore été envisagée. La préparation d'acides perfluoroalcane-carboxyliques RFCOOH ou sulfoniques RFS03H a déjà fait l'objet de nombreux travaux, en raison de l'intérêt de ces acides en tant que précurseurs d'agents tensio-actifs. Leur synthèse a d'abord été effectuée à partir respectivement des chlorures d'acides alcane-carboxyliques et 25 -sulfoniques par électrofluoration dans l'acide fluorhydrique anhydre (brevet US 2 519 983) . Cependant, cette technique bien adaptée à la préparation des acides de faible masse moléculaire fournit des rendements très faibles dans le cas des molécules de masse élevée. Pour pallier cet inconvénient, CALAS et al. (J. 30 Electroanal. Chem., 1978, 89, 363-372) ont proposé la réduction électrochimique des iodures de perfluoroalkyle RFI sur nappe de mercure polarisée en présence de SO2 ou CO2 qui permet d'accéder aux acides perfluoroalcane-sulfoniques ou -carboxyliques avec des rendements respectifs de 70 % et 90 %. Malheureusement, l'utilisa35 tion du mercure rend rédhibitoire la transposition de cette méthode à l'échelle industrielle. p0 L'invention a maintenant pour objet un procédé de fonctionnalisation de iodo-polyfluoroalcanes par réduction électrochimique, caractérisé en ce que cette réduction est effectuée dans un solvant du type formamide sur une cathode de carbone, éventuellement en présence d'eau et/ou d'anhydride sulfureux. Comme iodo-polyfluoroalcanes utilisables selon l'invention on peut mentionner - les iodures de perfluoroalkyle RI, c'est- à-dire les composés de formule CF I (1) n 2n+l dans laquelle n est un nombre entier allant de 2 à 16, la chaîne perfluorée pouvant être linéaire ou ramifiée - les diiodo-a, w perfluoroalcanes de formule i-(CF2)p-I (2) o pest un nombre entier pair allant de 4 à 12; et - les iodo-1 perfluoroalkyl-2 éthanes de formule C F -CHCHI i(3) nF2n+i 2 2 o n a la même signification que précédemment. Le solvant dans lequel est effectuée la réduction électro20 chimique selon l'invention peut être le formamide lui-même ou un dérivé N- substitué de ce dernier, comme le méthylformamide ou, de préférence, le diméthylformamide. Ce solvant peut être utilisé seul ou en mélange avec de l'eau, à condition que la proportion d'eau n'excède pas 70 Z en volume et reste de préférence inférieure à 30 25 Z en volume. Comme il est expliqué plus loin, la teneur en eau du solvant joue un r8le important sur la nature des dérivés fluorés fonctionnels formés conformément au procédé selon l'invention. La cathode de carbone utilisée selon l'invention peut être constituée par des fibres de carbone, tissées ou non tissées, ou par 30 une plaque de carbone vitreux. Lorsqu'on met en oeuvre une cathode en fibres de carbone, il est parfois souhaitable (notamment dans le cas des RFI) d'opirer en présence d'un activateur choisi parmi l'alcool allylique, l'alcool propargylique, les iodo-2 perfluoroalkyl-3 propanols (brevets FR 2 486 521 et 2 486 522) et les dichloro35 1,1 perfluoroalkyl-2 éthylènes (brevet FR 2 559 479). La concentration en activateur peut aller jusqu'à 10 % en volume par rapport au mélange solvant, mais est de préférence comprise entre 0,02 à 0,2 Z. L'activateur préféré est l'alcool allylique. L'anode est de préférence identique à la cathode, mais elle peut aussi être constituée par tout matériau usuel pour électrode, par exemple, nickel, platine, or, plomb, etc... Pourvu qu'il ait un potentiel de réduction plus négatif que celui du iodopolyfluoroalcane, l'électrolyte support dont le r8le est d'assurer le passage du courant peut être choisi parmi tous les sels minéraux ou organiques connus à cet effet (cf. par exemple "Organic Electrochemistry" par M.M. BAIZER, 1973, p. 227-230) et, 10 plus spécialement, parmi les halogénures, perchlorates ou arylsulfonates de métaux alcalins (de préférence lithium) ou de tétraalkylammonium (radicaux alkyle en C1 à C4). La concentration en électrolyte support peut aller de 0,01 à 1 mole par litre de mélange solvant. La réduction électrochimique selon l'invention peut être 15 effectuée en intensiostatique ou en potentiostatique dans les différents types de cellules habituels. Bien qu'on puisse opérer dans une cellule à compartiment unique, on préfère conduire l'opération dans une cellule à deux compartiments pour éviter la libre circulation entre la cathode et l'anode; le séparateur est en 20 général réalisé en une matière inerte, par exemple, en porcelaine, verre fritté, cellulose, alumine, polytétrafluoréthylène poreux ou membrane échangeuse d'ions. La nature des dérivés fluorés fonctionnels obtenus dépend non seulement du iodo-polyfluoroalcane de départ, mais aussi des 25 conditions opératoires mises en oeuvre et notamment de la teneur en eau du solvant. Ainsi, lorsqu'on part d'un iodure de perfluoroalkyle CnF2n+l I et qu'on opère en présence d'anhydride sulfureux, la réduction selon l'invention conduit principalement à l'acide perfluo30 ro-carboxylique: Cn_1F2nl-COOH si le formamide contient moins de 0,2 Z en volume d'eau. Pour des teneurs en eau supérieures à 0,2 % en volume, on obtient un mélange de l'acide Cn lF2n 1-COOH et de l'acide CnF2n+1-SO2H, la proportion de ce dernier augmentant rapidement jusqu'à 95 Z environ quand la teneur en eau atteint 20 % en 35 volume. Au-delà de cette teneur, il se forme presque exclusivement l'acide CnF2n+l-SO2H, mais le rendement chimique diminue ensuite rapidement. Par conséquent, si l'on désire former un acide perfluo- 15 20 30 rocarboxylique, on utilisera avantageusement un formamide ayant une teneur en eau aussi faible que possible tandis que, pour obtenir un acide perfluoro-sulf inique, on opérera avantageusement en présence d'anhydride sulfureux dans un formamide de teneur en eau supérieure à 5 % en volume et, de préférence, comprise entre 10 et 20 Z. La réduction des diiodo-a, w perfluoroalcanes I (CF2)pI, effectuée en présence d'anhydride sulfureux dans un formamide à teneur en eau élevée (par exemple 10 % en volume) conduit à la formation de l'acide disulfinique HO2S-(CF2)p-S02H. En l'absence d'anhydride sulfureux et avec une teneur en eau inférieure à 0,2 Z en volume, on obtient l'acide iodocarboxylique I-(CF2)p_1-COOH; de plus, si l'on poursuit la réduction aprés addition d'eau et d'anhydride sulfureux, cet acide iodo- carboxylique est alors transformé en le diacide mixte: HO2S-(CF2)p_1-COOH. Ces acides iodo-carboxyliques, disulfiniques et carboxy-sulfiniques sont des produits nouveaux et, comme tels, font partie de la présente invention. Lorsqu'on part d'un iodo-1 perfluoroalkyl-2 éthane CnF2n+lCH2CH2I et opère en l'absence d'anhydride sulfureux et avec une teneur en eau inférieure à 0,2 Z en volume, la réduction selon l'invention conduit à un mélange constitué par l'alcool CnF2n+CH 2CH20H et l'oléfine Cn2n+iCH=CH2 correspondants, la proportion d'alcool étant d'autant plus grande que la densité de courant appliquée et la teneur en électrolyte support sont faibles. L'emploi d'un formamide ayant une teneur en eau plus élevée entraine la formation concomitante du perfluoroalkyl-éthane C nF2n+C2 H5 correspondant. Les exemples suivants illustrent l'invention sans la limiter. EXEMLE I On utilise une cellule électrochimique en verre séparée, à l'aide d'un verre fritté de porosité 3 ou 4 et de diamètre 30 mm, en deux compartiments anodique et cathodique de capacités respectives 12 et 24 ml. Les deux électrodes sont en fibres de carbone et sont constituées chacune de 5 cm de mèche de 10000 brins de 3 um de diamàtre. A raison de 11 ml dans le compartiment anodique et de 16 ml dans le compartiment cathodique, on introduit dans la cellule un mélange comprenant 22,5 ml de diméthylformamide, 2,5 ml d'eau, 0,1 g de chlorure de lithium, 5 m1 d'alcool allylique et 4 g d'anhydride sulfureux. On introduit ensuite dans le compartiment cathodique 11,15 g (0,025 mole) de iodure de perfluorohexyle, puis on applique entre les deux électrodes un courant électrique de 50 mA correspondant à une DDP de 12 volts. La réduction est effectuée en intensiostatique. Le catholyte est constamment agité au moyen d'un barreau magnétique et un faible courant d'anhydride sulfureux gazeux est maintenu dans le compartiment anodique pendant toute la durée de l'électrolyse afin d'éviter la diffusion du C6F13I. Aprés 14 heures de réaction (ce qui correspond à un rendement Faradique de 95 %), on traite le catholyte par 20 ml d'une solution aqueuse à 10 % d'acide sulfurique, puis ajoute 10 ml de perfluorooctane et sépare la phase organique. Apres évaporation du perfluorooctane, on obtient 9 g d'acide perfluorohexanesulfinique 20 C6F13SO2H et 0,23 g d'acide perfluorohexanoIque C5FllCOOH, soit des rendements de 95 % et 3 Z respectivement. On obtient le même résultat si on remplace les électrodes en fibres de carbone par des électrodes en carbone vitreux sous forme de disques de 30 mm de diamètre ou si on remplace le chlorure 25 de lithium par une quantité molaire équivalente de chlorure de zinc, de iodure de tétrabutylammonium ou de perchlorate de tétrabutylammonium ou encore si on fait varier la quantité de chlorure de lithium de 0,05 à 1 g. On obtient aussi le même résultat en opérant à des inten30 sités différentes, à savoir 25 mA, 75 mA et 100 mA, mais la durée d'électrolyse est alors respectivement de 28 heures, 10,5 heures et 7 heures. Le tableau suivant indique les rendements en acides perfluorohexanesulfinique et perfluorohexanoIque obtenus lorsqu'on fait varier la teneur en eau du milieu d'électrolyse. T A B L E AU I (*) Diméthylformamide deshydraté sur hydrure de calcium, puis soumis à un courant d'azote gazeux. 2(- wv r&VIIIOn opère comme à l'exemple 1, mais en l'absence d'anhydride sulfureux et sans addition d'eau en utilisant 25 ml d'un diméthylformamide deshydraté sur CaR2 (catholyte: 14 ml, anolyte: 11 mi). Aprés 43 heures d'électrolyse, on obtient l'acide perfluorohexanoique C5F1lCOOR avec un rendement de 95 %. EXEMPLES 3 à 6 On opère comme à l'exemple 1, mais en remplaçant l'alcool allylique par le meme volume d'alcool propargylique (exemple 3), de 30 l'iodhydrine C6F13CH2-CHI-CH2OH (exemple 4) ou de perfluorooctyl-2 dichloro-l,1 éthylène C8F17-CH=CCl2 (exemple 5) ou par 2,5 ml de ce dernier composé (exemple 6). 25975 11 Les rendements en acides perfluorohexanesulfinique et perfluorohexanolque sont indiqués ci-dessous: Ex. 3 Ex. 4 Ex. 5 Ex. 6 C6F13S02H..... 78% 72% 25% 75% C5F1lCOOH..... 9 % 15 % 62 % 10 % EXEMPLE 7 On opère comme à l'exemple 1, mais en remplaçant le diméthylformamide par le même volume de formamide ou de N-méthylformamide. Les rendements en acides perfluorohexanesulfinique et perfluorohexanolque sont identiques à ceux obtenus à l'exemple 1. EXEMPLE 8 On opère comme à l'exemple 1, mais en remplaçant le diméthylformamide par 25 ml de formamide et en utilisant seulement 15 0,5 ml d'eau. Les rendements en acides perfluorohexanesulfinique et perfluorohexanolque sont alors respectivement de 75 et 20 %. EXEMPLE 9 On opère comme à l'exemple 1, mais en remplaçant le iodure 20 de perfluorohexyle par la même quantité molaire de iodure de perfluorobutyle ou de perfluorooctyle. Dans le premier cas, on obtient les acides perfluorobutanesulfinique C4F9SO2H et perfluorobutanolque C3F7COOH avec des rendements respectifs de 95 et 3 %. Dans le second cas, on obtient 25 les acides perfluorooctanesulfinique C8F17S02H et perfluorooctanolque C7F15COOH et les mêmes rendements. Si on remplace les 22,5 ml de diméthylformamide et les 2,5 ml d'eau par 25 ml de diméthylformamide déshydraté sur hydrure de calcium (teneur en eau d'anhydride sulfureux. -! - 15 3OD : À, 25975 11 EXEMPLE 10 On utilise une cellule électrochimique en verre séparée, au moyen d'un verre fritté de porosité 3 ou 4 et de diamètre 15 mm,' en deux compartiments anodique et cathodique de capacités respectives 3,5 et 7,5 ml. Les deux électrodes sont en fibres de carbone et sont constituées chacune de 1,5 cm de mèche de 10000 brins de 3 pm de diamètre. A raison de 3 ml dans le compartiment anodique et 4,5 ml dans le compartiment cathodique, on introduit dans cette cellule un mélange comprenant 6,3 ml de diméthylformamide, 0,7 ml d'eau, 0,03 g de chlorure de lithium, 1,5 il d'alcool allylique et 1 g d'anhydride sulfureux. On introduit ensuite 1,75 g de diiodo-1,4 perfluorobutane I(CF2)4I dans le compartiment cathodique, puis on applique entre les deux électrodes un courant électrique de 5,5 mA correspondant à une différence de potentiel de 4 V. Le catholyte est agité au moyen d'un barreau magnétique et un faible courant d'anhydride sulfureux gazeux est maintenu dans le compartiment anodique pendant toute la durée de l'électrolyse. Après 40 heures de réaction (correspondant à un rendement Faradique de 95 Z), on traite le catholyte comme à l'exemple 1. On obtient ainsi 1,2 g d'acide perfluorobutane-disulfinique-1,4: HO2S(CF2)4S02H, soit un rendement de 95 %. Les caractéristiques RMN 19F (référence: CC13f) et RMN 1H (référence: tétraméthylsilane) de cet acide sont les suivantes: CF2-CF: e = 125,1 ppm CF2-C2: CF2-SO2H: 6 = 132,5 ppm -'2 2 SO2: 6 = 9,8 ppm On obtient un résultat analogue, mais en un temps plus court (9 heures), en appliquant un courant électrique de 25 mA. EXEMPLE 11 On opère comme à l'exemple 10, mais en l'absence d'anhydride sulfureux et sans addition d'eau en utilisant 7 ml d'un diméthylformamide déshydraté sur CaH2 (teneur en eau Après 36 heures de réaction et distillation sous vide, on obtient avec un rendement de 65 Z l'acide I(CF2)3COOH dont les caractéristiques RMN 19F et 1H sont les suivantes: CF -I: 6 = 66,5 ppm C-2 CF2-COOH: 6 = 117,3 ppm CF2-CF2-CF2: 6 = 119,3 ppm 5 COOH: 6 = 10 ppm EXEMPLE 12 On répète l'exemple 11, mais après les 36 heures de réaction on ajoute au milieu électrolytique 0,05 g d'anhydride sulfureux et 0,7 ml d'eau, puis on poursuit la réaction pendant 27 10 heures supplémentaires. On obtient ainsi 0,45 g d'acide perfluorobutane-disulfinique-1,4 et 0,6 g du diacide mixte HO2S(CF2)3COOH. Rendements: 35 % et 60 Z respectivement. Les caractéristiques RMN 19F et 1H du diacide HO02S(CF2)315 COOH sont les suivantes: CF -COOH: 6 = 118,1 ppm CF2-CF2-CF2: 6 = 122,2 ppm CF2-SO2H: 6 = 132,4 ppm S021i: 5 = 9,8 ppm COOH: 6 = 9,6 ppm EXEMPLE 13 On utilise la même cellule et les mêmes électrodes qu'à l'exemple 1 et on introduit dans la cellule un mélange comprenant 25 ml de diméthylformamide préalablement deshydraté sur hydrure de 25 calcium (teneur en eau compartiment anodique et 14 ml dans le compartiment cathodique. On introduit dans ce dernier 5 g de iodo-1 perfluorohexyl-2 éthane C6F13CH2CH2I, puis on applique entre les deux électrodes un 30 courant électrique de 12 mA correspondant à une DDP de 4 V, tout en maintenant le catholyte sous agitation au moyen d'un barreau magnétique placé dans le compartiment cathodique. Après 69 heures de réaction, on dissout le catholyte dans ml de perfluorooctane, laisse décanter, sépare la phase organique 35 fluorée et y ajoute 20 ml d'eau. Apres évaporation du perfluoroocta- ne et distillation sous pression réduite, on recueille 2,5 g de perfluorohexyl-2 éthanol C6F13C2H40H (Eb20: 87 C) et 1,1 g de perfluorohexyl-éthylène C6F13CH=CH2 (Eb760: 110 C). On obtient le même résultat si on utilise seulement 0,01 g 5 de chlorure de lithium. Les tableaux Il et III suivants indiquent les produits et les rendements obtenus lorsqu'on répète l'exemple 13 en faisant varier l'intensité de courant (Tableau II) ou en modifiant la nature de la membrane séparant les compartiments cathodique et anodique (Tableau III). O10 T A B L E A U II Conditions opératoires: Produits obtenus: I DDP C6F13C2H4 OH C6F13CHCH 6 13 24 6 13CRC2 12 mA 4 V 68 Z 32 % mA 5 V 55 Z 45 % mA 10 V 50 Z 50 Z T A B L E A U III Produits obtenus: Membrane C6 F13C2H4OH C6F13CH=CH2 C6F13C2H5 Verre fritté 68 % 32 % Alumine 60 % 40 % Cellulose 85 % - 15 % Teflon poreux (1j) 85 % 15 % - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de fonctionnalisation de iodo-polyfluoroalcanes par réduction électrochimique, caractérisé en ce que cette réduction est effectuée dans un solvant du type formamide sur une cathode de carbone, éventuellement en présence d'eau et/ou d'anhydride sulfureux. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le solvant est le diméthylformamide. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on opère en présence d'un activateur choisi parmi l'alcool allylique, l'alcool propargylique, les iodo-2 perfluoroalkyl-3 propanols et les dichloro-l,1 perfluoroalkyl-2 éthylènes. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'activateur 15 est l'alcool allylique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'iodo-polyfluoroalcane de départ est un composé de formule: n 2n+1-I dans laquelle n est un nombre entier allant de 2 à 16, la chatne 20 perfluorée pouvant être linéaire ou ramifiée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'iodo-polyfluoroalcane de départ est un diiodo-a, w perfluoroalcane de formule: I-(CF2)p-I dans laquelle p désigne un nombre entier pair allant de 4 à 12. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'iodo-polyfluoroalcane de départ est un iodo-1 perfluoroalkyl-2 éthane de formule: CnF2n+ -CH2CH2-I o n a la même signification que dans la revendication 5. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on opère en présence d'eau, la proportion volumique d'eau n'excédant pas 70 Z et étant de préférence inférieure à 30 Z en volume par rapport au mélange solvant. 9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8, dans lequel la concentration du milieu en activateur varie de 0,02 à 10 Z en volume par rapport au mélange solvant. 10. Les composés de formules: HO2S-(CF2)p-S02H I-(CF2)p_-COOH 0 il 2 p-l HO2S-(CF2)p 1-COOH dans lesquelles p est un nombre entier pair allant de 4 à 12.