Brevet FR2623496A1 — publié le 19890526

Procédé de synthèse d'halogénures d'acides carboxyliques par carbonylation dthalogénures orqaniques La présente invention est relative à un procédé de synthèse d'ha loqénures d'acides carboxyliques, plus particulièrement,d'halogé- nures d'acides carboxyliques aliphatiques secondaires ou tertiaires. Les halogénures d'acides carboxyliques sont des intermédiaires de synthèse utilisés dans de multiples domaines de l'industrie chimique, notamment en pharmacie, phytopharmacie et cosmétologie. On peut par exemple obtenir les halogénures d'acides carboxyliques par action du phosgène ou du chlorure de thionyle sur les acides carboxyliques correspondants. Toutefois le phosgène est un réactif dangereux avec les risques que cela implique lors d'une mise en oeuvre au stade industriel, et le chlorure de thionyle est relativement cher. On peut également obtenir les halogénures d'acides carboxyliques par action du monoxyde de carbone sur les dérivés halogénés correspondants, en général en présence d'un catalyseur. Ce procédé présente l'avantage de mettre en oeuvre, comme matière première, des dérivés halogénés moins chers que les acides correspondants. Les catalyseurs utilisés sont des catalyseurs métalliques, en général à base de platine, rhodium, palladium, fer ou aluminium. Le brevet européen EP 70463 décrit par exemple un procédé de synthèse d'halogénures d'acides carboxyliques par carbonylation des dérivés halogénés correspondants dans un solvant du type trichlo robenzène en présence de A1C13 ou Fez13 comme catalyseur. La pression en monoxyde de carbone est comprise entre 5 et 14 MPa. Les meilleurs rendements sont obtenus pour des températures voisines de ONC et dépendent de la pression en monoxyde de carbone et de la concentration du catalyseur. Ces procédés mettant en oeuvre un catalyseur métallique présentent l'inconvénient que ces catalyseurs peuvent générer des produits de décomposition. Or les exigences accrues en matière de qualité et pureté des chlorures d'acides carboxyliques obtenus, notamment dans le domaine pharmaceutique, nécessitent la recherche de nouveaux procédés et/ou catalyseurs. Le procédé-selon la présente invention apporte une solution au problème posé. I1 est notamment mis en oeuvre, en présence d'un acide sulfonique liquide, sans catalyseur métallique. Ce procédé est très propre, c' est-L-dire que, comparativement aux procédés jusqu'alors connus, il ne génère aucune impureté toxique et les produits secondaires formés sont très aisément éliminés. Ce procédé est de plus très économique du fait d'une part du faible coût des produits mis en oeuvre et d'autre part du recyclage possible de l'halogénure organique n'ayant pas réagi. I1 est mis en oeuvre par réaction d'un halogénure organique avec le monoxyde de carbone et est caractérisé en ce que la réaction a lieu en présence d'un acide sulfonique halogéné liquide et d'un solvant organique halogéne réciproquement insolubles. On entend par acide sulfonique halogéné liquide, un acide sulfonique halogéné liquide dans les conditions normales de température et de pression à savoir à la température ambiante sous une pression de 0,1 MPa. L'acide sulfonique halogéné liquide et le solvant organique halo-. géné sont réciproquement insolubles c'est-à-dire que l'acide sulfonique est insoluble ou pratiquement insoluble dans le solvant organique halogéné et que ce dernier est insoluble ou pratiquement insoluble dans l'acide sulfonique. Par "pratiquement insoluble" on doit comprendre wdont la solubilité est inférieure à environ 1 %". Sans que cela présente un intérêt particulier, on peut utiliser, selon l'invention, un mélange de plusieurs acides sulfoniques halogénés liquides. L'utilisation d'un acide sulfonique halogéné liquide et d'un solvant organique halogéné réciproquement insolubles permet, en fin de réaction d'obtenir deux phases l'une contenant l'acide sulfonique et l'autre le solvant organique. Après décantation, la phase contenant le solvant organique peut être facilement séparée. Outre le solvant organique halogéné, elle contient l'halogénure d'acide carboxylique formé et l'halogénure organique n'ayant pas réagi. De façon inattendue, on obtient en opérant ainsi de meilleurs rendements en produit isolé ; L'analyse par infra-rouge (fur) et résonance magnétique nucléaire du proton (RMN1H) montre que cette solution organique ne contient pratiquement pas de produits secondaires.Elle peut ainsi notamment être directement, c'est-à-dire sans aucun traitement particulier, utilisée pour des réactions ultérieures mettant en oeuvre l'halogénure d' acide carboxylique en vue de la préparation par exemple d'esters ou d'amides tel que le N-benzyl N-isopropylpivalamide, herbicide couramment appelé tebutam. On peut également procéder à l'isolement et à la purification de l'halogénure d'acide carboxylique, par exemple par distillation, en particulier lorsque le solvant organique halogéné utilisé possède un point d'ébullition favorablement placé par rapport à celui de l'halogénure d'acide carboxylique. Selon une variante préférée de l'invention la réaction entre l'halogénure organique et le monoxyde de carbone a lieu en l'absence de catalyseurs métalliques et plus particulièrement en l'absence de catalyseurs métalliques solides. Cette variante permet la combinaison de tous les avantages précités, notamment en ce qui concerne la récupération ou le recyclage des produits. Bien entendu, malgré le fait que ce serait alors un inconvénient, le procédé peut être mis en oeuvre en présence d'un catalyseur métallique, notamment en présence d'un catalyseur métallique solide. Selon une autre variante du procédé selon l'invention, le solvant organique halogéné et l'halogénure organique sont identiques. Le même composé organique halogéné joue alors la double fonction de réactif et de solvant. Comme exemples d'acides sulfoniques halogénés liquides on peut citer, sans que cette liste soit limitative, ClS03H, FS03H-SbF5 et 4FSO3H-SbF5 (acides magiques), ainsi que les acides fluoroalcanesulfoniques notamment les acides perfluoroalcanesulfoniques comme par exemple CF3S03H, CF3CF2S03R, l'acide perfluorobutanesulfonique et l'acide perfluorooctanesulfonique. De façon préférée, l'acide sulfonique halogéné liquide est choisi dans le groupe constitué par l'acide trifluorométhanesulfonique et l'acide chlorosulfonique. De façon également préférée, l'halogénure organique est choisi dans le groupe constitué par les halogénures secondaires alipha tiques et les halogénures tertiaires aliphatiques. De façon particulièrement préférée, l'halogénure organique répond à la formule générale dans laquelle x X représente un halogéne, de préférence le chlore ou le brome R1 représente l'hydrogène ou un groupement alkyle, ramifié ou non ramifié, comportant éventuellement au moins un motif -CR2X', X' représentant un halogène identique ou différent de X. R2 et R3 représentent des groupements alkyles, identiques ou différents, ramifiés ou non ramifiés, comportant éventuellement au moins un motif -CH2X', ou bien encore R2 et R3 forment, conjointement avec l'atome de carbone auquel ils sont fixés, un cycle aliphatique. Selon une variante, X et X' représentent le chlore ou le brome, R1 représente l'hydrogène ou un groupement Cn2X' ou un groupement alkyle inférieur et R2 et R3 représentent des groupements alkyles inférieurs. On entend par groupement alkyle inférieur' un groupement alkyle ayant au plus 4 atomes de carbone. Le solvant organique halogéné peut être par exemple le trichlorofluorométhane, le 1,2,2 trifluoro 1,1,2 trichloroéthane, le chlorure de méthylène, le chloroben:ène et le trichlorobenzène. On peut également utiliser des mélanges de ces solvants. Compte-tenu de son point de fusion élevé (+ 16 C), le trichlorobenzène ne peut être utilisé, aux températures inférieures à - 10 C, qu'en mélange avec un autre solvant. De façon particulièrement préférée, le solvant organique halogéné est choisi dans le groupe constitué par le tétrachlorure de carbone et le pentachloroéthane. La concentration en halogénure organique dans le solvant peut varier dans une large mesure. On utilise, de préférence, une concentration de l'ordre de 0,5 à 1 mol/l. La quantité d'acide sulfonique liquide par rapport à l'halogénure organique peut varier dans une large mesure, notamment entre 2 et 50 8 molaire. De façon préférée, le rapport molaire entre l'acide sulfonique liquide et l'halogénure organique est compris entre 0,35 et 0,50, suivant la température de réaction. Dans ces conditions et ce notamment avec l'acide trifluorométhane sulfonique, le rendement et la sélectivité en halogénure d'acide carboxylique passent, de façon inattendue, par un maximum. L'augmentation de la pression en monoxyde de carbone ou l'abais- sement de la température permet d'obtenir des rendements et une sélectivité plus élevés. On utilise de préférence une pression de l'ordre de quelques MPa et une température comprise entre OC et - 45in. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. Exemples 1 à 29 Synthèse du chlorure de pivaloyle par carbonylation du chlorure de tertiobutyle en présence d'acide trifluorométhanesulfonique Les essais 1 à 21 (tableau 1) ont été réalisés avec 45 mmol de chlorure de tertiobutyle dans un autoclave en acier inoxydable de 100 cm3, muni d'un chemisage en verre, équipé d'une réserve de 20 cm3 avec égalisation de pression, préalablement purgée à I'ar gon. L'agitation est assurée par un barreau aimanté (vitesse -de rotation 1100 t/min). Les essais 22 à 29 (tableau 2) ont été réalisés avec 450 mmol de chlorure de tertiobutyle dans un autoclave-en Rasteloy de 700 cm3 équipé d'une réserve de 300 cm3 avec égalisation de pression et d'un agitateur mécanique à pales. La vitesse d'agitation peut être réglée entre 100 et 1400 t/min. La température est assurée par un cryostat à circulation permettant de refroidir l'autoclave équipé d'une double enveloppe. On introduit successivement dans l'autoclave l'acide trifluorométhane sulfonique et le solvant organique. Le chlorure de tertiobutyle est placé dans la réserve. Après refroidissement de l'autoclave à la température choisie, on introduit du monoxyde de carbone jusqu'à la pression désirée. On additionne alors le chlorure de tertiobutyle à la vitesse voulue. La pression en monoxyde de carbone est réajustée chaque fois que sa consommation entraîne une baisse de pression de 0,1 à 0,2 MPa. A la fin de la réaction l'autoclave est dépressurisé en 30 à 60 minutes, puis ouvert sous argon. On décante alors les phases puis on sépare la phase organique, que l'on analyse par IR, RMN 1R et chromatographie en phase gazeuse (CPG) afin de déterminer le pourcentage de conversion, le rende- ment et la sélectivité. Dans l'exemple 29, la phase organique a été soumise à distillation ce qui a permis de récupérer le chlorure de pivaloyle pur, identifié par ses spectres IR et RMN. La pureté a été vérifiée par CPG. Les conditions opératoires spécifiques à chaque essai ainsi que les résultats obtenus sont regroupés dans les tableaux 1 et 2. Le taux de conversion correspond au rapport molaire halogénure organique transformé/halogénure organique engagé. La sélectivité correspond au rapport molaire chlorure d'acide forméZhalogénure organique transformé. Le rendement, qui correspond au rapport mo laire chlorure d'acide formé/halogénure engagé est donc égal au produit du taux de conversion par la sélectivité. Exemples 30 à 34 Carbonylation de divers dérivés halogénés en présence d'acide trifluorométhane sulfonique Ces essais ont été réalisés dans les mêmes conditions générales que pour les essais 1 à 21. La carbonylation a lieu dans le CC14 comme solvant en présence de 22,5 mmol de CF3S03H. (50 % molaire par rapport au dérivé halogéné). La pression en monoxyde de carbone est de 5 MPa et la température de - 25 C. Les conditions opératoires spécifiques à chaque essai ainsi que les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 3. Le taux de conversion, la sélectivité et le rendement ont la même définition que pour les exemples précédents. ExemDles 35 à 37 Synthèse du chlorure de pivaloyle par carbonylation du chlorure de tertiobutyle en présence de divers acides sulfoniques liquides Ces essais ont été réalisés dans le même autoclave et selon le même protocole que pour les essais 1 à 21 avec 45 mmol de chlorure de tertiobutyle, 22,5 mmol d'acide sulfonique, 40 cm3 de CCl4, à - 25*C, sous une pression en CO de 5 MPa, durant 60 min. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 4. Le taux de conversion, la sélectivité et le rendement ont la même définition que pour les exemples précédents. TABLEAU 1 - CARBONYLATION DU CHLORURE DE TERTIOBUTYLE. AUTOCLAVE DE 100 cm3 BSSAI CF3SO3H SOLVANT T Pco TAUX DE RENDEMENT SELECTIVITE N % a) (cm3) (en C) (en bar) CONVERSION (%) (%) (%) 1 35 CCl4(20) 0 10 41 5 12 2 35 CCl4(20) 0 25 44 9 20 3 35 CCl4(20) 0 50 48 18 37 4 35 CCl4(20) 20 50 51 11 21 5 35 CCl4(20) -15 50 62 24 39 6 2,5 CCl4(20) 0 50 10 1 10 7 10 CCl4(20) 0 50 14 7 50 8 20 CCl4(20) 0 50 38 13 42 9 35 CCl4(20) 0 50 48 18 37 10 45 CCl4(20) 0 50 47 17 36 11 50 CCl4(20) 0 50 69 19 27 12 35 - 0 50 55 6 11 13 35 CCl4(40) 0 50 47 22 47 14 35 CCl4(40) -15 50 54 27 50 15 50 CCl4(40) -15 50 70 36 51 16 50 CCl4(40) -25 50 77 42 54 17 50 CCl4(40) -25 75 80 47 59 18 50 CCl4(40) -25 50 75 32 43 19 50 CCl4(40) -45 50 62 50 81 20 50 CF2ClCFCl2 -25 50 61 29 47 (40) 21 50 CCl3CHCl2 -25 50 74 39 53 (40) a) pourcentage molaire par rapport au chlorure de tertiobutyle TABLEAU 2 - CARBONYLATION DU CHLORURE DE TERTIOBUTYLE.AUTOCLAVE DE 700 cm3 ESSAI CF3SO3H SOLVANT T Pco TEMPS DE TEMPS VITESSE TAUX DE RENDEMENT SELEC N % a) (400)cm3 (en C) (en bar) REACTION D'ADDITION AGITATION CONVER- (%) TIVITE (min) (min) (t/min) SION(%) (%) 22 20 CCl4 -25 50 60 5 700 48 31 65 23 20 CCl4 -25 80 60 5 700 61 43 70 24 20 CCl4 -25 50 60 20 700 47 33 70 25 20 CCl4 -25 50 60 5 200 44 30 68 26 20 CCl4 -25 50 30 5 200 42 24 57 27 20 CCl4 -25 50 60 5 1400 50 31 62 28 50 CCl4 -25 50 60 5 700 80 47 59 29 50 CCl3CHCl2 -25 50 60 5 700 82 45, 35b 55 a) pourcentage molaire par rapport au chlorure de tertiobutyle b) rendement en produit pur isolé TABLEAU 3 - CARBONYLATION DE DIVERS DERIVES HALOGENES.AUTOCLAVE DE 100 cm3 w n In cu ESSAI DERIVE HALOGENE jP CCl HALOGENURE sr wr F SELECTIVITE N' (45 ncol) (h) (cm ) CARBOXYLIQUE OBTENU 8 ~ COCl i N N > ~ ePS w i 44 2 34 > Br O 40 (CH3)3CCOBr 8 O U U 8 ,U f S Ú Q fX I S 8 ~ ~ U v ~ e o O o o O Ú N N Sr ao eWD UN U g U UN 8 1+ Ú H ~ SU0Y B ~ 8 8 ffi ~ 8 o N vr L tN f1 S1 TABLEAU 4 - CARBONYLATION DU CHLORURE DE TERTIOBUTYLE EN PRESENCE DE DIVERS ACIDES SULFONIQUES LIQUIDES ESSAI ACIDE SULFONIQUE TAUX DE RENDEMENT SELECTIVITE N LIQUIDE CONVERSION (%) (%) (%) 35 CF3SO3H 84 42 50 36 ClSO3H 81 38 47 37 4FSO3H-SbF5 80 18 23 Revendications 1. Procédé de synthèse d'halogénures d'acides carboxyliques par réaction d'un halogénure orqanique avec le monoxyde de carbone Ca- ractérisé en ce que la réaction a lieu en présence-d'un acide sulfonique halogéné liquide et d'un solvant organique halogéné réciproquement insolubles. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la réaction a lieu en l'absence de catalyseurs métalliques solides. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la réaction a lieu en l'absence de catalyseurs métalliques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'acide sulfonique halogéné liquide est choisi dans le groupe constitué par l'acide trifluorométhanesulfonique et l'acide chlorosulfonique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le solvant organique halogéné et I'halogé nure organique sont identiques. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le solvant organique halogéné est choisi dans le groupe constitué par le tétrachlorure de carbone et le pentachloroéthane. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'halogénure organique est choisi dans le groupe constitué par les halogénures secondaires aliphatiques et les halogénures tertiaires aliphatiques. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'halogénure organique répond à la formule générale dans laquelle . X représente un halogène, de préférence le chlore ou le brome . R1 représente l'hydrogène ou un groupement alkyle, ramifié ou non ramifié, comportant éventuellement au moins un motif -CH2X', X' représentant un halogène identique ou différent de X . R2 et R3 représentent des groupements alkyles,-identiques ou différents, ramifiés ou non ramifiés, comportant éventuellement au moins un motif -CH2X', ou bien encore R2 et R3 forment, conjointement avec l'atome de carbone auquel ils sont fixés, un cycle aliphatique. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que X et X' représentent le chlore ou le brome, R1 représente l'hydrogène ou un groupement alkyle inférieur, R2 et R3 représentent des groupements alkyles inférieurs. 10. Procédé selon l'une quelconque de revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport molaire entre l'acide sulfonique liquide et l'halogénure organique est compris entre 0,35 et 0, 50.