Brevet FR2609986A1 — publié le 19880729

La présente invention concerne un procédé perfec- tionné de préparation d'alcanes sulfonamides et, plus parti- culièrement, de méthane- et d'éthane-sulfonamides. Il est connu d'obtenir du méthane sulfonamide ou ses homologues comme l'éthane- ou le butane-sulfonamide par réaction de chlorure de méthane sulfonyle ou de son homolo- gue correspondant, avec de l'ammoniac ou une amine primaire ou secondaire. Il se forme comme sous-produit, suivant le cas, du chlorure d'ammonium ou un chlorhydrate d'amine. Aussi a-t-on déjà préconisé d'effectuer cette réaction, en général, entre 10 et 90 C, et habituellement entre 50 et 70 C, en présence de certains diluants liquides tels que des alcools, de l'eau, des hydrocarbures alipha- tiques ou aromatiques éventuellement chlorés, comme le chlo- rure de méthylène et le dichloréthane. Dans cet ordre d'i- dées, la demande publiée de brevet français n 2 010 654 pro- pose, comme diluant, des nitroalcanes en C1-C4. Suivant l'art antérieur, on met d'abord le chloru- re d'alcane sulfonyle en solution dans le diluant, puis on introduit l'ammoniac ou l'amine dans le milieu liquide. La demande de brevet français précitée recommande de n'employer qu'un léger excès d'ammoniac ou d'amine, c'est-à-dire jusqu'à n'observer qu'une légère basicité du milieu réactionnel. Toutefois, cette manière de procéder présente de sérieux inconvénients. Tout d'abord, elle conduit à un amide renfermant divers produits secondaires indésirés, préjudicia- bles à la pureté du produit utile. Dans le cas particulier de l'ammoniac comme réactif azoté, on observe la formation, entre autres, de dialkyldisulfonamine R-SO2-NH-SO2-R, ce qui implique une consommation inutile de matières premières, allant au détriment d'un bon rendement en alcanesulfonamide, sans compter les difficultés supplémentaires de séparation engendrées par la présence de ces produits secondaires. En outre, au cours du processus de séparation et de récupération de l'alcane sulfonamide cherché, il est né- cessaire de chauffer le mélange réactionnel, par exemple, entre environ 50 et 80 C, surtout lorsque la réaction pro- prement dite a été conduite à des températures inférieures à 50 C. Ce chauffage a pour but de solubiliser tout alcane sulfonamide resté à l'état de précipité, dans le diluant, en mélange avec le sous-produit: chlorure d'ammonium ou chlorhydrate d'amine. C'est ce qui est notamment prescrit dans la demande de brevet français n 2 010 654. De plus, les diluants proposés pour réaliser la réaction sont insatisfaisants à bien des égards. En effet, les nitroalcanes de la publication précitée ont des carac- téristiques de solubilité insuffisantes à température am- biante vis-à-vis d'alcanes sulfonamides, ce qui nécessite comme on vient de l'indiquer, le maintien d'une température d'au moins 50 C afin de solubiliser le plus possible d'alca- ne sulfonamide. En outre, il est bien connu que les nitro- alcanes sont des solvants onéreux et d'une utilisation déli- cate en raison de leurs limites d'explosivité assez larges. Par exemple, celles du nitrométhane sont comprises entre 7,3 et 63%. De leur côté, les alcools ne constituent pas des milieux appropriés, n'étant pas suffisamment inertes chimi- quement, puisqu'ils provoquent la formation de dialkyléthers et des esters d'acide alcanesulfonique comme produits para- sites. Aussi, le sous-produit, constitué par le chlorhydrate d'amine est soluble dans les alcools, ce qui empêche sa sé- paration facile, par exemple par simple filtration ou cen- trifugation. L'eau comme diluant donne une quantité non négli- geable et indésirable d'alcane sulfonate d'ammonium. Enfin, l'utilisation d'hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques éventuellement chlorés, présente l'inconvé- nient de maintenir à l'état insoluble aussi bien les alca- nes sulfonamides que les sels sous-produits, ce qui, tout comme les alcools, ne permet pas une séparation des produits de la réaction par des moyens simples de filtration ou de centrifugation. La présente invention a pour but de remédier aux nombreux inconvénients de-l'art antérieur qui viennent d'ê- tre exposés, en permettant de disposer d'un procédé four- nissant des alcanes sulfonamides d'une pureté et avec un rendement élevés, tout en mettant en oeuvre des diluants chimiquement inertes facilitant la séparation et la récupé- ration du produit utile aux alentours de la température am- biante, par des moyens simples, c'est-à-dire sans avoir, à aucun moment du procédé, à n'élever la température du milieu réactionnel au-delà de 35 -40 C. Conformément au procédé de préparation de sulfona- mides d'alcanes comportant 1 à48 atomes de carbone, de la présente invention, on fait réagir le chlorure d'alcane sul- fonyle correspondant avec de l'ammoniac ou une alkylamine primaire ou secondaire renfermant 1 à 12 atomes de carbone, en présence d'un diluant liquide sensiblement anhydre et inerte chimiquement, puis séparation et récupération du sul- fonamide d'alcane désiré, procédé caractérisé en ce que l'on effectue d'abord une sursaturation du diluant par l'ammoniac ou l'alkylamine primaire ou secondaire avant sa mise en con- tact avec le chlorure d'alcane sulfonyle, et on maintient cette sursaturation tout au long de la réaction. La demanderesse a, en effet, trouvé que lorsqu'on introduit le chlorure d'alcane sulfonyle dans un milieu li- quide préalablement sursaturé en ammoniac ou en amine pri- maire, ou secondaire, on obtient un sulfonamide d'alcane beaucoup plus pur que celui que donne le procédé classique, ce qui se traduit par un point de fusion plus élevé du pro- duit désiré; cette pureté est confirmée par les analyses à l'infra-rouge, à la résonance magnétique nucléaire, la chro- matographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse. Dans le présent exposé, on entend par le terme de "sursaturation" une présence permanente d'au moins 40% molaires et, de préférence, de 60 à 80 % molaires, par rapport à la stoechiométrie de la réaction, d'ammoniac ou d'amine primaire ou secondaire, à l'état libre, dans le diluant au cours du procédé. Selon une forme de réalisation du procédé de la présente invention le diluant est constitué d'un ou de plu- sieurs monoalcoxyalcanes o l'alcoxy est en C1 à C3 et l'alcane en C1-C4. Selon une forme préférée de réalisation de l'in- 1iO vention, le diluant est constitué d'un ou de plusieurs dialcoxyalcanes o l'alcoxy est en C1-C2 et l'alcane en C1-C2. Un groupe particulièrement satisfaisant de di- luants de l'invention consiste en dialcoxyéthanes et, tout spécialement, le diméthoxyéthane, lequel est pratiquement inerte vis-à-vis des réactifs. La formation d'impuretés comme produits secondaires dans le milieu réactionnel est ainsi négligeable, du moins minime. En outre, le sel sous- produit (chlorure d'ammonium ou chlorhydrate d'amine) est essentiellement insoluble dans le diméthoxyéthane aux tem- pératures de réaction mises en oeuvre, de préférence entre et 30 C. Ainsi, le diméthoxyéthane contenant l'alcane sulfonamide,en solution,peut être récupéré par évaporation ou distillation, et recyclé comme diluant frais, 'tandis que le sulfonamide est intégralement recueilli exempt de sous- produit. La température de la réaction est généralement comprise entre 10 et 40 C, et est plus particulièrement de à 35 C, et de préférence de 20 à 30 C et encore mieux à/ Pendant toute la durée de la réaction, on intro- duit selon l'invention de l'ammoniac anhydre ou l'amine pri- maire ou secondaire, dans le diluant, avec un débit appro- prié. Il est avantageux d'incorporer alors le chlorure d'al- cane sulfonyle de manière progressive dans le diluant préa- lablement sursaturé du réactif azoté. La durée de la réaction est comprise entre 20 et minutes et, de préférence, entre 60 et 80 minutes. Il est opportun d'opérer la réaction avec un rap- port molaire ammoniac ou alkylamine primaire ou secondaire/ chlorure d'alcane sulfonyle d'au moins 2, et plus parti- culièrement, entre 3 et 5. Bien qu'on puisse opérer la réaction sous des pressions supérieures à la pression atmosphérique, il est commode et avantageux de s'en tenir à la pression atmosphé- rique. L'absence d'eau dans le milieu réactionnel est préférable, afin d'éviter des réactions secondaires indési- rables. Par conséquent, le milieu réactionnel devrait être sensiblement anhydre, c'est-à-dire ne contenant pas plus de 2% en poids d'eau. Au fur et à mesure que la réaction progresse, le sous-produit principal chlorure d'ammonium ou chlorhydrate d'amine - apparaît sous forme d'un précipité. Le mélange réactionnel,à ce stade, se présente comme une bouillie de cristaux du sous-produit principal dans le diluant conte- nant en solution l'alcane sulfonamide désiré. Il est soumis à une séparation liquide-solide, selon tout moyen classique, plus particulièrement par filtration ou centrifugation. Selon un trait particulier du procédé de l'inven- tion, cette séparation liquide-solide est réalisée à une température comprise entre 15 et 35 C, et de préférence de à 30 C. Il est approprié de mettre en oeuvre un rapport pondéral diluant/sulfonamide d'alcane de 2/1 à 20/1 et, plus spécialement, de 3/1 à 5/1. Le sulfonamide d'alcane est enfin séparé du di- luant par tous moyens classiques tels que, par exemple, dis- tillation ou simple évaporation sous pression atmosphérique ou sous pression réduite. On recueille l'alcane sulfonamide sous forme de poudre que l'on peut sécher. Si on le désire, on peut pousser la purification du sulfonamide par redistil- lation sous pression réduite. Les exemples suivants ont pour seul but d'illus- trer l'invention, et ils ne doivent donc pas être considé- rés comme limitant la portée de celle-ci. EXEMPLE 1 On fait passer de l'ammoniac anhydre dans 220 ml (191,4g) de diméthoxyéthane (DME) comme diluant, jusqu'à sursaturation, et l'on maintient cette sursaturation pen- dant toute la durée de la réaction de neutralisation qui est de 60 minutes. On introduit alors 28 g de chlorure de méthane sulfonyle (CMS) en 1 heure à l'aide d'une pompe do- gazeu seuse tout en maintenant un débit de 25 1/h d'ammoniac,/ce qui correspond à un excès d'ammoniac de 200% molaire par rapport à l'équimolarité de la réaction de neutralisation. La température de la réaction est maintenue à environ 20 C. On produit ainsi 22,59g de méthane sulfonamide (MSA) conte- nant 0,17% en poids d'ions chlore, et dont le point de fu- sion est de 91,3 C. Le rendement est de 97,4% en ce sulfo- namide, par rapport au chlorure de méthane sulfonyle engagé. Les mesures analytiques ne permettent de détecter que 500 p.p.m. en poids de méthyldisulfonamide. La pureté du pro- duit est supérieure à 98,5%. Les trois essais,qui suivent et qui ont été effec- tués d'après les méthodes de l'art antérieur, sont donnés à titre comparatif. A noter que dans les deux premiers essais, le diluant connu a été remplacé par le DME selon l'invention. 1er ESSAI On dissout 28g de chlorure de méthane sulfonyle (CMS) dans 220 ml de DME. On introduit alors de l'ammoniac gazeux dans ce mélange jusqu'à ce qu'il devienne légèrement basique, ce qui correspond à un excès d'NH3 d'environ 10 % molaire par rapport à la stoechiométrie de la réaction de formation du méthane sulfonamide. La température de réaction est d'environ 20 C. Au cours de la réaction, qui a la même durée que celle de l'exemple 1, on observe une précipitation du sous-produit chlorure d'ammonium. On filtre, et le gateau de NH4Cl est lavé avec 50 ml de DME, et le liquide de lavage est mélangé au filtrat. Le DME du filtrat est ensuite évapo- ré sous un vide partiel de 18 mm de Hg dans un évaporateur rotatif et récupéré pour être recyclé. On recueille 21,95 g de méthane sulfonamide dont le point de fusion est de 89,5 C. Le rendement est de 94,7% en ce sulfonamide par rapport au chlorure de méthane sulfonyle mis en oeuvre. L'analyse chro- matographique ionique révèle la présence de 0,2% en poids- d'ions chlore. En outre, l'analyse chromatographique couplée à la spectrométrie de masse met en évidence 3% en poids de méthane disulfonamide. La pureté du méthane sulfonamide n'est que de 95% contre plus de 98% pour le produit obtenu selon l'invention (exemple 1). 2ème ESSAI On répète le 1er Essai, sauf que l'on neutralise 56g de CMS, soit le double de la quantité du 1er Essai. On recueille44,5g de méthane sulfonamide (point de fusion 89 C) d'une pureté de 94,3% avec un rendement de 95,8 % en MSA. Les mesures analytiques indiquent la présence de 3,8% en poids de méthane disulfonamide (MSA). 3ème ESSAI On procède comme dans le premier essai de l'exem- ple 1 ci-dessus, sauf que l'on remplace le DME par le même volume de nitroéthane. On récupère ainsi 22,84 g d'un produit coloré en et gras. jaune / fondant à 870C. Sa teneur en ions chlore est de 0,25% et le rendement en méthane sulfonamide n'est que de % en moles La pureté du produit n'est que de 88 %, ce qui est très insuffisant. On remarque, de façon inattendue, que l'exemple 1, exécuté suivant le procédé de la présente invention, fournit du méthane sulfonamide d'une plus grande pureté et avec un rendement meilleur que ceux auxquels conduisent les méthodes connues. En outre, le DME, selon l'invention, paraît supé- rieur en efficacité comme diluant, par rapport au nitroétha- ne,d'un double point de vue: on observe une meilleure solu- bilité du MSA notamment à basses températures (15-40 C); tandis qu'aux températures supérieures à 50 C, les fortes concentrations de MSA dans le nitroéthane provoquent la dissolution de NH4C1, et favorisent la formation de produits secondaires indésirés. EXEMPLE 2 Le mode opératoire de l'exemple 1 est suivi, sauf que l'on met en oeuvre comme diluant du diéthoxyéther (DEE) sursaturé d'ammoniac, au lieu de DME. On règle le même ex- cès d'NH3 que dans l'exemple 1 tout au long de la réaction. On produit ainsi 20,3 g de méthane sulfonamide présentant un point de fusion de 90 C. La teneur en ions chlore est de 0,111%. La pureté du produit est de 98,5%, tandis que le rendement est de 87,4%. EXEMPLE 3 On introduit 42 g de chlorure d'éthane sulfonyle (CES) dans 330 ml de DME lequel a été préalablement sursa- gazeux turé d'ammoniac anhydre avec un débit/de 25 1/h de manière à établir un excès de 150 % molaire d'NH3 par rapport à la stoechiométrie de la réaction de neutralisation. L'intro- duction progressive de CES dure lh30 et la température du milieu réactionnel est maintenue à 20 C. La durée de réac- tion est de 90 minutes. On obtient ainsi 35 g d'éthane sulfonamide (ESA) ne contenant que 0,1 % d'ions chlore. Le rendement de l'o- pération est de 98,2% en ESA, et la pureté du produit est de 98 %. Les deux essais suivants ont été exécutés sui- vant des méthodes de l'art antérieur et sont donnés à ti- tre de comparaison. 1er ESSAI On répète l'exemple 3 sauf que la température est fixée à 50 C au lieu de 20 C. On obtient alors 36,1g de produit brut de composition suivante: Ethane sulfonamide...... 87% (31,4g) Ions chlore...........0,2% Ethane disulfonamide... 9,7% en poids(3,5g) Le produit est visqueux et très difficile à faire cristal- liser. Le rendement est de 88,1% en ESA (moles). 2ème ESSAI On applique le mode opératoire du 1er essai à la suite de l'exemple 1, mais avec du CES et avec les mêmes proportions de réactifs que ceux indiqués dans l'exemple 3. La composition du produit recueilli est ls aui- vante: Poids de produit brut 35,1 g Ethane Sulfonamide 82% (28,78g) Ions chlore 0,12% Ethane disulfonamide 15,6% (5,47g) Le rendement en ESA est de 80,75% en mole. On constate, ici aussi, de façon surprenante, que l'ESA préparé par le procédé de l'invention présente une pu- reté et un rendement supérieurs à ceux que l'on obtient par les procédés utilisant des températures supérieures à 40 C, et en n'introduisant l'NH3 qu'après avoir mis le CES en con- tact avec le diluant. EXEMPLE 4 Selon le mode opératoire de l'exemple 1, on intro- duit à 20 C, 28 g (0,244M) de CMS dans 220 ml du DEE (utilisé dans l'exemple 2). On produit ainsi 20,3 g de MSA, dont le point de fusion est de 90 C, et la pureté de 98,5%. Sa teneur en ions chlore est de 0,111%, tandis que le rendement est de 87,4%. EXEMPLE 5 En suivant le mode opératoire de l'exemple 1, mais en remplaçant l'NH3 par de la monométhylamine gazeuse anhydre, on établit un excès de 60 % molaire de CH3NH2 par rapport à la stoechiométrie pendant la durée de la réaction. On maintient le débit à 23 1/h de CH3NH2 dans le milieu réactionnel réglé à 20 C. On récupère ainsi 15,65g de chlorhydrate de monométhylamine et 24,84 g de N-méthyl méthane sulfonamide, soit un rendement de 93,4% en poids. Sa teneur en ions chlore est de 1 2%. La pureté globale du produit est de 97 %. Revendications 1. Procédé de préparation de sulfonamides d'al- canes pouvant comporter 1 à 48 atomes de carbone, dans lequel on fait réagir le chlorure d'alcane sulfonyle corres- pondant avec de l'ammoniac ou avec une alkylamine primaire ou secondaire, renfermant 1 à 12 atomes de carbone, en pré- sence d'un diluant liquide sensiblement inerte chimiquement, puis séparation et récupération du sulfonamide d'alcane dé- siré, caractérisé en ce que l'on effectue d'abord une sursa- turation du diluant par l'ammoniac ou l'alkylamine primaire ou secondaire, avant la mise en contact avec le chlorure d'alcane sulfonyle, et en ce que l'on maintient cette sur- saturation tout au long de la réaction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sursaturation correspond à au moins 40 % molaires et, de préférence, de 60 à 80 % molaires, d'ammoniac ou d'amine primaire ou secondaire, à l'état libre, dans le diluant, par rapport à la stoechiométrie de la réaction. 3. Procédé selon la revendication 1 Ou 2, carac- térisé en ce que le diluant est constitué par un ou plusieurs dialcoxyalcanes o l'alcoxy est en C1- C3 et l'talcane en Cl-C4. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le diluant est un ou plusieurs monoalcoxyal- canes o l'alcoxy est en C1-C3 et l'alcane en C1-C4. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la température de réaction est plus particulièrement de 15 à 35 C, et de préférence de 20 à 30 C. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la séparation et la récupération du sulfonamide d'alcane sont effectuées à une température com- prise entre 15 et 35 C et, de préférence, de 20 à 30 C. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport pondérai diluant/sulfonamide d'alcane est de 2/1 à 20/1 et, plus spécialement, de 3/1 à /1. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, à 7, caractérisé en ce que le diluant est le diméthoxy- éthane.