Brevet FR2625500A1 — publié le 19890707

La présente invention concerne un perfectionnrement à la préparation d'alcools secondaires et tertiaires. Elle se rapporte plus spécialement à l'obtention de tels alcools par l'action d'un composé organo-manganeux sur un composé porteur d'un groupe carbonyle. L'utilité des alcools secondaires et tertiaires est bien connue dans la synthèse de produits naturels; parmi les méthodes classiques de leur préparation, celles qui sont basées sur l'emploi de réactifs organométalliques sont très intéressantes, parce qu'elles permettent d'obtenir des ty- pes varies d'alcools tertiaires, utiles notamment dans le domaine pharmaceutique, ainsi que dans celui des aromes et parfums. La voie par composés organométalliques a fait l'ob- jet de nombreux travaux, comme, entre autres, ceux de BARBIER ("C.R. Acad. Sci. Paris, Vol. 128, p.110, 1899) qui décrivent la préparation d'alcools à-partir d'halogénures, de magnésium et de composés carbonylés. Cette réaction est une modification de celle de WAGNER et SAYTZEEF ("Justus Liebigs Ann. Chem. Vol. 175, p.351, 1875), utilisant le zinc, et se trouvant à l'origine du remarquable développe- ment de la chimie des organomagnésiens. L'utilisation du zinc a fait l'objet de travaux importants; il s'agit no- tamment de la réaction d'un o-bromoester et d'un composé carbonylé en présence de zinc. Cette réaction est communé- ment appelée réaction de Reformatsky. Des travaux récents décrivent ce même type de ré- action à partir de divers métaux tels que l'étain, le cérium ou les couples Zn/Cu, Zn/Cd, Zn/Pb dans la réaction de Reformatsky. Un progrès très net a été réalisé dans ce domaine par l'emploi d'organomanganeux, dont l'avantage réside dans leur sélectivité lors de l'attaque de molécules multifonc- tionnelles. Ainsi, selon G. CAHIEZ ("L'Actualité Chimique", Septembre 1984, p.27) les organomanganeux réagissent, comme de nombreux organométalliques, avec les aldéhydes et les cé- tones pour conduire aux alcools tertiaires,mais ils n'atta- quent pas les esters. Cette sélectivité est intéressante puisqu'elle est totale, même à température ambiante. Jusqu'à une période récente, les dérivés organo- manganeux étaient obtenus par échange métal-métal à partir des lithiens et magnésiens. Cette méthode de préparation interdit l'accès à des organomanganeux fonctionnels tels que X-MnCH2-CO2Et uniquement parce que le lithien ou magnésien de départ ne peut être obtenu. Cela met en évi- dence l'avantage qui consiste à préparer les composés orga- nomanganeux directement à partir du manganèse métallique et d'un halogénure organique. Récemment, HIYAMA et Coll. (Organometallics 1982, 1, 1249-1251) décrivent la réacti- vité du manganèse métal obtenu par réduction à l'aide d'hy- drure LiAlH4 du chlorure de manganèse (II), vis-à-vis de bromures allyliques; le réactif obtenu,traité par un aldé- hyde ou une cétone, conduit à l'alcool tertiaire correspon- dant. Selon une publication ultérieure (Chemistry Letters, p. 1237-38, 1983), l'utilisation de manganèse micronisé est économiquement plus intéressante. Cependant, l'obten- tion de bons rendements nécessite la mise en oeuvre de quan- tités excessives de réactifs: rapports métal/cétone ou aldéhyde = 7/1, halogénure-cétone ou aldéhyde = 6. De plus, la réaction exige 1 éq. d'iode pour un reflux pendant une douzaine d'heures. Il s'agit donc là d'un ensemble de condi- tions qui rendent l'exploitation industrielle de telles synthèses très hypothétique. La présente invention apporte une solution nou- velle qui permet deproduire toutes sortes d'alcools secon- daires ou tertiaires par l'action d'un halogénure organique, de manganèse métallique et d'un composé organique porteur d'un carbonyle, à des températures voisines de l'ambiante, et dans des bonnes conditions économiques. L'invention per- met, en effet, de produire les alcools voulus bien plus vite des et avec/rendements meilleurs qu'on ne pouvait le faire selon la technique antérieure. Le procédé suivant l'invention, qui consiste à faire réagir un halogénure organique avec un composé orga- nique, porteur d'au moins un groupe carbonyle au sein d'un solvant organique, en présence de manganèse métallique, et à hydrolyser ensuite le produit formé, est caractérisé en ce que la réaction avec le manganèse est initiée et activée par l'adjonction au milieu réactionnel de certains composés métalliques de groupe II à VIII de la Classification Péri0o- dique des Eléments, moins électropositifs que le manganèse. Ainsi, accélère-t-on la réaction par l'addition au milieu dans le solvant organique, d'un sel ou d'une combinaison organique de métal tel que par exemple Zn, Cd, Sn, Hg, etc. Ce sel est à anion tel que sa solubilité soit suffisante dans le milieu et qu'il puisse réagir avec le manganèse métallique (formation du couple métal/métal). Le chlorure de zinc s'est révélé être particulièrement actif et économique. Selon la nature des réactifs en présence, celle de la structure physique du Mn, et le sel métallique employé, la proportion de celui-ci peut varier entre des larges li- mites, en particulier entre 10 et 200% molaire par rapport au Mn et plus particulièrement entre 30 à 150%en équivalent molaire par rapport au métal. Dans une certaine mesure, le rendement en alcool à produire augmente avec la proportion de sel métallique activant employé. Bien que le procédé de l'invention soit de pré- férence réalisé avec le sel métallique activant, dissous dans le solvant utilisé, il peut néanmoins être conduit avec des sels partiellement solubles maintenus en dispersion, par exemple par agitation continuelle du milieu avec le manga- nèse. La granulométrie du manganèse employé est de 1 2000 microns et de préférence compris entre 10 et 500 microns. Il est même possible, pour des préparations à plus grandes échelles, d'utiliser des granulométries supérieures à 2000 microns. Les solvants, utilisables dans le procédé de l'invention, peuvent être choisis parmi tous ceux qui sont compatibles avec les réactifs en présence. On peut utili- ser certains éthers, comme le THF ou le diméthoxyéthane; conviennent également des esters, qui n'étaient pas emplo- yés jusqu'à présent, en particulier des acétates, propio- nates, etc. de méthyle, d'éthyle, et autres, de préférence n'ayant au total que 3 à 10 atomes de carbone. On peut éga- lement employer certains nitriles commel'acétonitrile ou amides comme le DMF. Le tétrahydrofurane, déjà utilisé dans la technique antérieure, convient parfaitement. Divers co-solvants peuvent être utilisés avec les solvants précités comme les solvants halogénés, notamment chlorure de méthylène, chlorobenzène, trichloroéthane, chloroalcanes, ou des hydrocarbures aliphatiques ou aroma- tiques. L'ensemble des réactions qui forment le procédé de l'invention peut être représenté de la façon suivante: OM R O- MnX (1) R-C-R1 + X R- Y + Mn > C - R2- y R1 (A) (B) (C) OH X 1 2 wl (2)... (C) + H20 2 R-C-R y+ Mn Il. R OH (D) La réaction (1) a lieu au sein d'un solvant, dans lequel sont de préférence solubles les deux réactifs (A) et (B).Le principe de l'invention réside en l'addition d'un composé activant "cM", d'un métal moins électropositif que le Mn, comme expliqué plus haut. L'organo-manganeux (C) peut être séparé du milieu réactionnel, pour être soumis à l'hydrolyse (2); on peut notamment évaporer le solvant après la réaction (1), et traiter le résidu à l'eau à la manière connue en soi. L'hydrolyse peut aussi avoir lieu directement, dans le sol- vant, après la réaction (1). Elle est en général effectuée en milieu acide, et le Mn est récupéré sous la forme de son sel MnX2. Le composé (A) est un aldéhyde lorsque R1 est un H, ou une cétone quand R et R1 sont des groupes hydrocarbo- nés; ceux-ci peuvent être aliphatiques, de préférence en C1 à C8, cycloaliphatiques surtout en C4 à C8, ou/et ary- liques, notamment phényles ou naphtyles pouvant porter des substituants alkyliques, alcényliques, halogènes ou autres. R, dans le cas d'aldéhyde, et R ou/et R1 dans celui de cétone, peuvent porter des fonctions 1lles que ester, nitrile éther, sulfure, halogénure, acétal. Ainsi, le réactif (A) peut être par exemple tel qu'acétaldéhyde, propionaldéhyde, butyraldéhyde, phénylacé- taldéhyde, benzaldéhyde, aldéhyde cinnamique, anisaldéhyde, etc. Il peut être constitué par une cétone du type acétone, dijropylcétone, méthyléthylcétone, méthylhepténone, cyclopentanone, méthylcyclohexanone, acétylpropionate de méthyle, acétophénone, benzophénone, menthone, naphtylméthyl- cétone, etc. Dans l'halogénure organique (B), X désigne un halogène, surtout Br. R2 est un groupehydrocarboné; Y représente un groupe fonctionnel, sa présence n'étant pas obligatoire. D'autre part, l'halogénure organique peut être allylique,propargylique, benzylique ou un"-halogénoester ou nitrile. Ainsi le composé (B) peut être,par exemple, Br-CH 2-CH=CH; Cl-C-CHCH=CH2;Br-CH2-C6H5; Br-CH2-C(CH)= CH2; Br-OH2-CO2Et; I-CH2-CH=C(CH3)2 ou autres. Les corps, cités plus haut, ne constituent que des exemples non limitatifs des composés (A) et (B), donnés seulement pour fixer les idées. Le procédé suivant l'invention peut être réalisé avec des rapports stoechiométriques des réactifs (A), (B) et Mn dans la réaction (1). Toutefois, il s'avère préféra- ble d'opérer avec uncertain excès de métal Mn et de com- posé (B) par rapport au composé carbonylé (A). En effet, les rendements en l'alcool secondaire ou tertiaire sont accruslorsque Mn et (B) sont en excès par rapport à la stoechiométrie. De façon générale, il est bon d'employer 1.à 3 atomes Mn et 1 à 2 moles de (B) par mole de composé carbonylé (A). Les proportions préférées se situent entre 1,2 et 1,6 atomes Mn et 1,1 et 1,5 moles d'halogénure (B). D'autre part, il est avantageux de travailler avec des solutions assez mais pas trop concentrées en composé (A), notamment solutions 0,3 à 2M et de préférence 0,5 à 1,6M. La température durant l'étape (1) du procédé peut être comprise entre 20 et 100 C, la marge de 30 à 60 C étant préférable. L'addition des réactifs doit être effectuée pen- dant un temps qui est en général de l'ordre de 1 à 6 heures, et très souvent de 3 1/2 à 4 1/2 heures; cela constitue un avantage'marqué sur la technique antérieure qui exigeait environ 12 heures ou plus. Grâce à l'addition de sel métal- lique activateur,la réaction se déclenche immédiatement, alors qu'elle commence seulement au bout de 2 heures environ dans le procédé connu à la poudre de Mn. L'invention est illustrée par des exemples non limitatifs, donnés plus loin, dans lesquels le mode opéra- toire que voici était appliqué. Le réacteur était constitué par un tricol de ml de contenance, muni d'un agitateur mécanique, monté de façon à mettre en mouvement la poudre de Mn que l'on plaçait dans le réacteur. Celui-ci comportait également un thermomètre et une tubulure d'amenée d'azote permettant d'assurer une atmosphère inerte, dans l'appareil, tout au long des opérations. Le réacteur était placé dans un bain d'eau maintenu à la température voulue. Le manganèse était à 98-99% en poudre grossière d'une granulométrie comprise entre 10 et 500 microns. Il était chargé dans le tricol, avec le sel métallique acti- vateur, et recouvert de solvant. La réaction était initiée par quelques gouttes d'halogénure organique (B), XR2y: dès quele métal a subi un changement de coloration, et qu'un échauffement s'est produit, on commençait à introduire pro- gressivement, à l'aide de pompes,les réactifs (A) et (B). A la finde cette introduction, qui durait quelques heures, on continuaità agiter le milieu durant 15 à 30 mnà la même tem- pérature,à laquelle a été opérée la réaction (1). On mélangeait ensuite le milieu réactionnel avec approxima- tivement son volume d'eau, à 20 C, légèrement acidifiée avec de l'HCl de façon à amener le pH de l'eau à 7 ou à une valeur un peu inférieure, pour dissoudre les sels métalli- ques présents. Le produit recherché était extrait à l'éther et lavé au bicarbonate de Na. Le rendement en alcool obtenu, par rapport au composé(A), était calculé à partir de la quantité d'alcool isolé par extraction et distillation. EXEMPLES 1 et 2 Preparation de l'allyl-4 heptanol-4 comparativement selon la technique antérieure et suivant l'invention En opérant comme indiqué plus haut, on fait réa- gir 1 mole de dipropyl cétone CH3CH2CH2-CO-CH2CH2-CH3 avec 1,1 mole de bromure d'allyle CH2=CH-CH2Br et 1,3 atomes de Mn métallique en poudre,. dans du tétrahydrofurane bien sec à la proportion de 0,7 litre de ce solvant pour les quantités susindiquées. La réaction a lieu à 60 C pendant 4 heures. EXEMPLE 1 Rien d'autre n'est ajouté au milieu réactionnel. A 60 C, la réaction ne se déclenche pas après 6 heures. L'analyse du milieu réactionnel ne permet pas de mettre en évidence la formation du produit attendu. EXEMPLE 2 Au mélange réactionnel, décrit plus haut, on a ajouté, au départ, 2,7 g de ZnCl2 par litre de solution, soit 0,02 mole. La réaction se déclenche dès qu'on commence à intro- duire les réactifs. Le rendement après 4 heures à 60 C, en l'alcool tertiaire est de 77% par rapportà la dipropyl-céto- ne. L'activation par le chlorure de zinc est donc remarqua- ble. EXEMPLE 3 Influence de la proportion de sel métallique activant On a préparé de l'allyl-6 undécanol-6 OH C H 1--C 5H CH il i CH2-CH=CH2 comme dans l'exemple 2, mais en remplaçant la dipropylcétone par la dipentyl-cétone (C5H11)2CO0, et le bromure par le chlorure d'allyle. Avec différentes proportions de ZnCl2 ajouté,en mol. ZnCl2 par mole de cétone, on a trouvé les rendements suivants sur la dipentyl cétone, déterminés à partir de l'alcool tertiai- re formé, isolé. moles ZnCl2 Rendement % par mole de cétone _ 0,02..................... 85 % 0,05..................... 89 0,10..................... 90 0,15..................... 95 EXEMPLE 4 Rôle de la température L'exemple 2 est répété à trois températures différentes pour le premier stade de la préparation, la concentration de la dipropyl cétone étant de 1,33 M dans le tétrahydrofurane. Les rendements sur la cétone, déterminés par chromatographie, sont: pour 50 C.................. 60 % .................. 77 70 .................. 85 EXEMPLE 5 Influence des proportions de réactifs Des préparations identiques à celles de l'exemple 4 sont effectués avec des proportions variables de bromure (B) et de Mn. Elles ont conduit aux rendements suivants indiqués par la chromatographie en phase vapeur. Moles CH2=CH-CH2Br Atomes Mn Rendement % par mole de cétone par mol. cétone 1,1 1,3 77% 1,3 1,4 84 1,4 1,5 90 EXEMPLE 6 Effet de la concentration en composé (A) En répétant l'exemple 2 avec les concentrations molaires variables de dipropyl cétone (composé A), on a trouvé les rendements suivants. Concentration de (A) Rendement % dans le milieu - réactionnel: 0,67M............. 76 % 1,33............. 79 1,70............. 75 Il existe donc un certain optimum. EXEMPLE 7 En remplaçant,dans l'exemple 5, le bromure d'allyle par le chlorure (1,1 mole), et en ajoutant 0,1 mol ZnCl2, au lieu de 0,02 mol. par mole de dipropyl cétone, on a pu atteindre les rendements de: 81 % avec 1,3 atomegr Mn/mole cétone et 94 % " 1,8 " " EXEMPLE 8 Application à une cétone-ester Dans les conditions générales de l'exemple 2, on a fait réagir 1 mole de oxo-8 dodécanoate de méthyle avec du chlorure d'allyle en présence de Mn et de 0,1 mole de ZnCl2, à 60_ C, pendant 4 h 1/4. On a ainsi obtenu, suivant la réaction CH3CH2CH CH2-C(CH2)6COOCH3 + CH2 =CH-CH2Cl + Mn OH CH3CH2CH2CH2-u- (CH2) 6COOCH3 CH2-CH=CH2 Le rendement en cet alcool tertiaire à groupe insaturé et groupe ester est de 67% sur la cétone de départ, lorsqu'on utilise 1,3 mol de chlorure d'allyle avec 1,5 atome Mn. On peut arriver à 76% en employant 1,6 mole de chlorure et 1,6 atome Mn. Cette préparation donne de très mauvais résultats si le milieu n'est pas additionné d'un sel de métal, notamment ZnCl2; ainsi l'invention permetelle l'obtention aisée d'alcools porteurs de deux autres fonctions. EXEMPLE 9 Application à des aldéhydes Suivant le mode opératoire de l'exemple 2, à 60 C, on a fait réagir 1 mole d'aldéhyde hexylique (heptanal normal) avec 1,3 mole de chlorure d'allyle et 1,3 atome de Mn, la concentration de l'aldéhyde dans le tétrahydrofurane étant 0,67 M. L'activateur ZnCl2 était présent à raison de 0,1 mole par mole d'aldéhyde. Apres 4 h 10 mn, le rendement en l'alcool secondaire OH CH3(CH2)5-CH-CH2-CH = CH2 était de 85% par rapport à l'aldéhyde de départ. EXEMPLE 10 Application à un halogénure à fonction ester Le mode opératoire précédent fut appliqué à la réaction (CH3CH2CH2CH2)2C0 + BrCH2COOC2H5 + Mn OH (C4H9)2-C - CH2COOC H5 et a conduit à un rendement de 23%. EXEMPLES 11 à 24 Dans le tableau annexé sont donnés les rendements en alcool secondaire ou tertiaire de quelques préparations faites à partir de divers composés carbonylés- (A) et halogénures organiques (B). Les formules de ces composés, ainsi que les proportions de (B) et de Mn par mole de (A) y sont indiqués. La température était de 60 C, la quantité de chlorure de zinc de 0,1 mole parmole de (A) et la durée de 4h à 4h 1/2. Le solvant est le THF. (Voir tableaux aux pages suivantes). / / / / /...._. o ta %0 HD HD cm HH=HO-HD H \I' >V6 ú ' l.. o-920 HO _-"'EHD ú EHD Id úH H zHD=H- ZHD/ O- =0 HO--. 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En outre, le sel dezinc a été remplacé par des sels de cadmium, de mercure ou d'étain. Voici les caractéristiques de ces essais. Essai n0 Nalngure- Carosé métallique Solvant oe3 1.0 C -C=CH-I-2Cl HgC12 0,1 mole THF CH3 a3 26 " HgCl 0,05 mole Acétate 2 d'éthyle 27 CdC12 0,1 mole THF 28 n SnCl4 0,1 mole THF 29 C6H5CH2C1 HgC12 0,1 mole THF " CdCl 0, 1 mole THF 31 CH2=C(CH3)CH2Br HgC12 0,1 mole THF 32 ZnCi2 0,05 mole Acétate d'éthyle Les rendements sont du même ordre que ceux de l'exemple 2. Revendications 1. Procédé de préparation d'alcools secondaires ou.tertiaires par l'action d'un halogénure organique sur du manganèse métallique, en présence d'un composé carbonylé au sein d'un solvant, suivie d'une hydrolyse, caractérisé en ce qu'un composé d'un métal de groupe II à VIII de la Classification Périodique des Eléments, moins électroposi- tif que le manganèse, est présent dans le milieu réaction- nel. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le composé d'un métal est celui de Zn, Cd, Hg ou Sn. 3.Procédé suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le composé d'un métal est un sel à anion organique ou inorganique, en particulier chlorure, bromure ou iodure notamment ceux de zinc. 4. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le composé d'un métal est une combinaison organométallique. 5. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la quantité de composé d'un. métal ajouté est d'environ 0,01 à 2 équivalents par rapport au métal et plus particulièrement 0,3 à 1,5 équivalents molaires. 6. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'on fait réagir 1 mole de cétone ou d'aldéhyde avec 1 à 2 moles d'halogénure organi- que et 1 à 3 atome-grammes de manganèse, la concentration préférée en cétone ou en aldéhyde, dans le milieu réaction- nel, étant de 0,3 à 2 M et particulièrement 0,5 à 1,6 M. 7. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le solvant est un éther, un ester, un nitrile, un amide ou une combinaison de ceux-ci avec un solvant chloré ou un hydrocarbure aliphatique ou aromatique. 8. Procédé suivant une des revendications précé-- dentes, caractérisé en ce que la réaction entre le composé carbonylé, l'halogénure organique et le manganèse a lieu entre 0 et 100 C et de préférence entre 50 et 80 C. 9. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le composé carbonylé est du type R-CO-R1 o R et R1 sont des groupes hydrocarbonés ali- phatiques, de préférence en C1 à C8, cycloaliphatique, sur- tout en C4 à C8 ou aryliques, notamment phényles ou naphty- les, pouvant porter des substituants alkyliques, alcéniques, alcyniques ou divers groupes fonctionnels tels que ester, amide ou nitrile, entre autres, R pouvant également être un hydrogène. 10. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'halogénure organique est 2 2 un composé X-R2-Y activé, X étant un halogène, R repré- sentant un groupe hydrocarboné, notamment alkyle, alcényle, alcynyle ou aryle, et Y un groupe fonctionnel tel que ester, nitrile ou amide. 11. Procédé suivant une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le solvant est de l'acétate d'éthyle.