Brevet FR2647789A1 — publié le 19901207

- 1 - COMPOSES PHOTOCHROMIQUES DE TYPE INDOLINO-SPIRO-OXAZINE, LEUR PROCEDE DE PREPARATION, COMPOSITIONS ET ARTICLES PHOTOCHROMIQUES CONTENANT DE TELS COMPOSES La présente invention concerne de nouveaux composés photochromiques du type indolino-spiro-oxazine, leur procédé d'obtention, ainsi que des compositions et articles à propriétés photochromiques renfermant au moins un desdits composés photochromiques. De manière générale, les composés de la présente invention peuvent être utilisés avantageusement dans la fabrication de toute lentille optique, une lentille optique désignant notamment une lentille ophtalmique, une lentille de contact ou une lentille de protection solaire. Le photochromisme est un phénomène réversible bien connu, illustré par exemple par un composé qui change de couleur quand il est exposé à des radiations lumineuses dont certaines appartiennent au domaine de l'U.V., notamment les radiations solaires, et qui reprend sa couleur initiale lorsqu'on interrompt l'exposition lumineuse. De tels composés sont utilisés par exemple dans la fabrication de lentilles pour lunettes de protection solaire ou dans d'autres applications o intervient le besoin de faire varier la transparence d'un article en fonction de l'intensité lumineuse environnante. Ils peuvent être appliqués sur un support transparent ou incorporés dans un matériau organique polymérisé transparent en combinaison avec une très grande variété de compositions polymériques. Un certain nombre de composés photochromiques organiques comportant dans leur formule un groupe indolino- spiro-oxazine ont déjà été proposés. Ils ont rencontré des succès divers dans la pratique. -2- Ainsi, les brevets américains US 3 562 172 et 3 578 602 ont divulgué l'effet photochromique'de certains composés appartenant à la famille des indolino-spiro- naphtoxazines, tandis que le brevet américain US 4 215 010 décrit des indolino-spironaphtoxazines dont le cycle naphtalène est substitué par des groupements méthoxy, éthoxy ou un atome d'halogène. Des composés photochromiques analogues comportant un cycle pyridobenzène au lieu du cycle naphtalène des composés ci-dessus sont décrits dans'le brevet américain US 4 720 547, ainsi que dans la demande internationale WO 87/00524. Cette dernière donne pour ces composés une formule générale impliquant dans la partie oxazine un groupe hétéro-aromatique comportant 1 ou 2 atomes d'azote inclus dans 2 ou 3 cycles, conformément à une formule générale du type suivant: R 4 t Ri (R5)m (1) dans laquelle le cycle A est un hétérocycle aromatique à six chaînons, comportant un ou deux atomes d'azote. Toutefois les seuls composés particuliers qui aient été préparés et essayés dans cette demande de brevet comportent comme groupe hétéroaromatique un groupe pyridobenzène, benzopyridobenzène ou dipyridobenzène. L'invention apporte des perfectionnements à ce genre de composés photochromiques, par une amélioration des propriétés recherchées dans leurs applications les plus courantes, notamment pour ce qui concerne la compatibilité avec les matériaux organiques de lentilles transparentes de protection solaire et la persistance de la coloration recherchée en cas d'exposition de longue durée à la -3- lumière. Dans ce but, l'invention a pour objet des nouveaux composés photochromiques spécialement sélectionnés dans le cadre des formules générales rappelées ci-dessus. Ils se caractérisent en ce qu'ils répondent à la formule d'une indolinospiro-oxazine comportant une partie indolinique et une partie oxazine o la partie oxazine comporte un hétéro cycle insaturé à six chaînons bi-aza de type pyrimidine dans un noyau de type quinazoline. Les différents cycles des parties indoline et oxazine de la molécule peuvent porter des substituants divers n'affectant pas les propriétés photochromiques globales des composés. Plus particulièrement, les nouveaux composés selon l'invention présentent avantageusement la formule développée suivante: (R N N 4 S a N N R1 (R5)m n dans laquelle: n varie de O à 4, m prend les valeurs 1 ou 2, R1 représente: i) un groupe alkyle de 1 à 16 atomes de carbone tel qu'un groupe méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n- butyle; ii) un groupe allyle, phényle, arylalkyle tel qu'un groupe benzyle, phényle mono et di-substitué par des substituants du type alkyle ou alkoxy de 1 à 6 atomes de - 4 - carbone; iii) un groupe alicyclique tel qu'un groupe cyclohexyle, éventuellement substitué; iv) un groupe hydrocarbure aliphatique comportant dans sa chaîne un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N ou S, notamment une fonction acide, ester ou alcool; R2 et R3 peuvent chacun et indépendamment l'un de l'autre représenter un groupe C1_8 alkyle, phényle, phényle mono et disubstitué par des groupes C1_4 alkyle et/ou C1_5 alkoxy ou peuvent être combinés pour former une chaîne cyclique de 6 à 8 atomes de carbone (incluant le carbone spirannique 3 de l'hétérocycle indolinique); R4 et R5 peuvent chacun et indépendamment l'un de l'autre représenter: i) un atome d'hydrogène, une fonction amine NR'R", o R' et R" représentent chacun et indépendamment un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, cycloalkyle, phényle ou un dérivé substitué de.celui-ci; R' et R" peuvent se combiner pour former un cycloalkyle pouvant être substitué et contenir un ou plusieurs hétéroatomes; ii) un groupe R, OR, SR, COR ou COOR dans lequel R représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle de 1 à 6 atomes de carbone ou un groupe aryle ou hétéroaryle; iii) un atome d'halogène, un groupe Cl_4 monohaloalkyle, un groupe C1_4 polyhaloalkyle tel que CF3, l'halogène étant notamment Cl, Br; iv)-N02, CN, SCN; chacun des substituants R4 pouvant être présent sur l'un quelconque des atomes de carbone convenables de la partie indoline du composé photochromique, en position 4, 5, 6 et 7, quand l'autre est un atome d'hydrogène, alors que quand n = 2, il est préférable que les substituants soient présents en position 4 et 5, 5 et 6, 4 et 6 ou 6 et 7. De préférence: - R1 est un groupe C1_4 alkyle, phényle ou benzyle; - R2 et R3 sont choisis parmi les groupes C1_5 alkyle tels que méthyle et éthyle ou un groupe phényle, ou sont combinés pour former un groupe cyclohexyle; - chacun des groupes R4 est choisi parmi le groupe constitué par hydrogène, C1_2 alkyle, chlore, fluor, brome, iode, C1_2 trihaloalkyle et C1_5 alkoxy; - et R5 est un atome d'hydrogène ou un groupe C1_4 alkoxy ou une amine tertiaire ou un halogène. Parmi les composés selon l'invention sont particu- lièrement intéressants les composés dans lesquels: - la partie oxazine est de type pyrimido-benzène, - R1 est un groupe C1_4 alkyle tel que méthyle, éthyle, isopropyle ou n-butyle; - R2 et R3 représentent chacun et indépendamment l'un de l'autre un groupe méthyle, éthyle ou phényle; - R4 est un atome d'hydrogène, un groupe méthyle, méthoxy ou chloro; - et R5 est un atome d'hydrogène. La présente invention a également pour objet un procédé de préparation des composés indolinospiro-oxazine photochromiques représentés par la formule (II). Il exploite pour une part un schéma général de synthèse des hétérocycles de type (I) qui est connu et qui consiste à réaliser la condensation d'une base de Fischer ou composé alkylidène-2 indolinique sur un composé hydroxynitroso-hétéro-aromatique. Cependant les composés intermédiaires hétéro-aromatiques nécessaires pour aboutir aux composés selon l'invention sont en eux-mêmes nouveaux et ils n'ont jamais été synthétisés à ce Jour. Conformément à l'invention, le composé quinazoline convenable peut être préparé à partir d'un composé hydroxy- 3 benzaldéhyde, substitué éventuellement par un ou plusieurs radicaux R5 tels que définis pour la formule II, par un procédé qui comporte la nitration de ce composé, la réaction de l'hydroxy-3 nitro-6 benzaldéhyde obtenu avec de - 6 - la formamide pour obtenir le dérivé benzylidène- bisformamide correspondant, la transformation de celui-ci en hydroxy-6 quinazoline, et la nitrosation de ce dernier composé. Dans leur mise en oeuvre pour la préparation de compositions photochromiques, les composésselon la présente invention peuvent être dissous dans un solvant convenable tel que le toluène ou l'éthanol afin d'obtenir une solution photochromique. Ces mêmes composés photo- chromiques peuvent également être dissous au sein d'un polymère, d'un copolymère ou d'un mélange de polymères en solution dans un solvant organique convenable. Ils entrent ainsi dans la constitution de compositions selon la présente invention, qui peuvent être appliquées ou introduites dans ou sur un matériau polymère organique transparent pour obtenir un article transparent photochromique. Préférentiellement, ce matériau est un matériau de qualité optique, plus particulièrement un matériau convenable pour la fabrication de lentilles ophtalmiques. Ils peuvent aussi entrer dans des compositions photochromiques faisant également l'objet de la présente invention qui peuvent être utilisées directement dans la constitution de films plastiques photochromiques, de plaques et de lentilles telles que des lentilles pour lunettes de soleil, viseurs, optiques de caméra et filtres. Des exemples de compositions appropriées, conformément à l'invention, pour la fabrication de matériaux et articles transparents photochromiques, comportent un ou plusieurs des composés photochromiques de la présente invention en combinaison avec un ou plusieurs des polymères suivants: polymère d'un monomère de polyolallylcarbonate, poly-acrylate, polyalkylacrylates tels que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), acétate de cellulose, triacétate de cellulose, propiono et butyro-acétate de - 7 cellulose, acétate de polyvinyle, alcool polyvinylique, polyuréthanes, polycarbonates, polyéthylènetéréphtalate, polystyrène, copolymères de styrène et de méthacrylate de méthyle, acrylonitrile, polyvinylbutyral. La quantité de composé photochromique (ou de composition contenant ce composé) appliquée ou introduite sur ou dans le matériau polymère n'est pas d'importance critique et elle dépend généralement de l'intensité de couleur désirée sous irradiation et de la méthode utilisée pour incorporer ou appliquer le composé photochromique. Cette dernière peut être choisie parmi les nombreuses méthodes applicables aux composés photochromiques de l'art antérieur, parmi lesquelles notamment la dissolution ou la dispersion du composé dans la composition de base du matériau, ou la réalisation d'une couche photochromique en surface ou à l'intérieur d'un matériau support transparent. D'une manière générale, plus on ajoute de composé photochromique, plus la coloration sous irradiation sera importante. Une telle quantité peut être décrite comme une quantité photochromique. De façon usuelle, la quantité de composé photochromique incorporée au matériau optique est de 0,01 à 20 % en poids, et préférentiellement de 0,05 à % en poids, par rapport au poids total de matériau optique. On obtient ainsi des effets photochromiques qui se traduisent par l'apparition d'une coloration sous exposition à des radiations appartenant au domaine de l'U.V., avec retour à la couleur ou la transparence originelle lorsqu'on interrompt l'exposition aux radiations U.V. Ce changement de coloration peut se renouveler un très grand nombre de fois, comme il est demandé pour des lunettes de protection solaire. De plus, la coloration persiste pendant tout le temps de l'exposition au rayonnement solaire mieux que dans le cas des composés photochromiques de l'art antérieur. L'invention sera maintenant plus complètement illustrée au moyen d'exemples particuliers de mise en oeuvre non limitatifs. EXEMPLE I - Phase I Etant rappelé que l'on sait préparer des indolino- spirooxazines de formule I, par exemple à partir d'un composé méthylène-2indolinique et d'un composé nitroso-5 hydroxy-6 hétéroaromatique, on décrit dans cette première phase la préparation d'un composé intermédiaire de type nitroso-5 hydroxy-6 quinazoline, conformément au schéma réctionnel A ci-après, o R5 a la même signification que dans la formule II des composés photochromiques de l'invention: CHO CHO HC(NHCHO) R 22 (R5) 2 OH OH (V) (i) (5 n( 5)n / NO HO OHN Ny N (A) (R n (3(A(R (y (ii Le composé de départ présente la formule V, o R5 est H dans l'exemple particulier. On aJoute lentement 3 g d'hydroxy-3 benzaldéhyde (formule V) à 30 ml d'acide nitrique (d = 1,17, solution à 28 %). La température de la solution est maintenue entre C et 45 C. A la fin de cet ajout, l'hydrolyse est terminée et le mélange réactionnel est alors laissé au repos à la température ordinaire. Un précipité Jaune est ainsi obtenu; il est filtré puis traité à reflux dans du - 9 - benzène (20 ml) pendant 15 à 20 mn. La partie insoluble est extraite et recristallisée dans l'eau. On obtient l'hydroxy-3 nitro-6 benzaldéhyde (formule VI) avec un rendement final de 25 %. F = 167 C (C7H5N04, M = 167). Dans l'étape suivante, on fait barboter HCl gazeux activement dans un mélange de 4 g d'hydroxy-3 nitro-6 benzaldéhyde et 30 ml de formamide. Quand la température atteint 100 C, on arrête le barbotage gazeux et on laisse la solution au repos à la température ordinaire pendant une nuit. La matière solide est lavée à l'éther puis introduite dans 10 ml d'eau glacée et le pH est ajusté à 3 par NaOH 6N. Le produit brut est purifié par recristallisation dans l'eau. Rendement 84 %, F = 244 C (C9H9N305, M = 239). A un mélange de 2 g d'hydroxy-3 nitro-6 benzylidène bis-formamide ainsi obtenu (formule VII) avec de la poussière de zinc (6 g) et de la glace pilée (24 g), on aJoute sous agitation 8 ml d'acide acétique en 5 mn. On poursuit l'agitation de la solution à température ordinaire pendant 30 mn (la température s'élève à 41 C) puis pendant 2 h en rajoutant du zinc (3 g) pendant la première heure. La solution est filtrée puis extraite doucement par de l'éther oxyde (pH = 7-8). Après évaporation de l'éther le pH est ajusté à 5 au moyen d'une solution NaOH 3N. Le produit solide marron récupéré (hydroxy-6 quinazoline, formule VIII) est recristallisé dans l'eau. Rendement 57 %, F = 239 C (C8H6N2, M = 146). Sous agitation et en 1 h, on aJoute une solution de 0,14 mole de nitrite de sodium dans 30 ml d'eau, à une solution froide (0-5 C) de 0,14 mole d'hydroxy-6 quinazoline, 12 ml d'acide chlorhydrique concentré et 50 ml d'eau distillée. On poursuit l'agitation pendant 1 h. On obtient ainsi la nitroso-5 hydroxy-6 quinazoline (formule IV) sous la forme d'un précipité Jaune qui est lavé à l'eau puis séché. Rendement 60 %, F = 172 C (C8H5N302, M = 175). - 10 - - Phase II Le composé intermédiaire de formule IV obtenu lors de la première phase est utilisé pour préparer un composé photochromique de formule II o R4 est H et R1, R2, R3 sont tous trois des groupes méthyle, comme suit: 1,4 10-3 moles d'une base de Fischer triméthyl- 1,3,3 méthylène-2 indoline dissoutes dans 10 ml de n- heptane et 2 ml d'éthanol sec sont chauffées à reflux. A température constante (environ 76 C), on ajoute lentement, en 2 h, 1,4 10-3 moles de nitroso-5 hydroxy-6 quinazoline en suspension dans 12 ml d'éthanol sec. Le mélange réactionnel est maintenu à reflux pendant 45 mn. Tandis que la réaction progresse lentement, on élimine l'eau avec l'éthanol par un dispositif de Dean Stark et on ajoute ensuite 30 ml d'éthanol pour atteindre un volume constant de solvant. Après avoir fait passer le mélange à travers une colonne chromatographique de gel de silice et éliminé le solvant, on recristallise le résidu solide dans un mélange approprié de solvants apolaires tels que l'éther de pétrole, l'éther-oxyde, le n-hexane ou le benzène. Le produit obtenu est constitué par l'indolino- spiro-oxazine de formule II, soit la triméthylindolino- spiro-quinazolino-oxazine. Le rendement est de l'ordre de 50 à 60 % quand le solvant réactionnel est un mélange de n- heptane et éthanol. Une purification ultérieure par recristallisation ramène à 40 % le rendement final. Point de fusion F = 169 C ( C20H18N40 M = 330). EXEMPLE II En suivant les mêms voies de synthèse que dans l'Exemple I, on obtient le composé de formule II o R1 est iC3H7, R2 = R3 = méthyle, R4 est H, R5 est H, en partant de la nitroso-5 hydroxy-6 quinazoline et de la base de Fischer isopropyl-1 méthylène-2 diméthyl-3,3 indoline. F = 180 oC ( C22H22N40 M = 358). - 11 - EXEMPLE III De même, on obtient le composé de formule II o R est CH3, de même que R2 et R3, R4 est un groupe méthoxy en position 5 du cycle indoline et R5 est H, à partir de la nitroso-5 hydroxy-6 quinazoline et de la base de Fischer triméthyl-1,3,3 méthylène-2 méthoxy-5 indoline. Composé final: C21 H20 N4 02 F = 140 oC EXEMPLE IV La triméthylindolino-spiro-quinazolino-oxazine obtenue dans l'Exemple I est introduite dans un vernis polysiloxane du type de ceux décrits dans le brevet français FR 82 0440,.à raison de 1 % en poids. Le vernis obtenu est appliqué sur des lentilles ophtalmiques en matériau organique, puis durci pendant 2 h à 100 C. L'épaisseur des couches obtenues est de 2 microns. Le pourcentage en poids de composé photochromique dans la couche durcie est de l'ordre de 5 %. On soumet les lentilles ainsi revêtues à des essais d'irradiation au moyen d'un appareil connu commer- cialement sous le nom de SUNTEST ORIGINAL HANAU dans les conditions suivantes: - Emetteur: source au xénon; - Rayonnement énergétique de 1000 W/m2 dans un domaine de longueurs d'ondes comprises entre 300 et 830 nm; Eclairement: 150 kilolux; - Température environnante: 40 C. L'appréciation du photochromisme sous irradiation s'effectue visuellement toutes les deux heures. On constate que l'effet photochromique persiste après 4 heures d'irradiation. A titre d'exemples comparatifs, on a soumis aux mêmes essais des vernis préparés de la même manière avec des composés photochromiques de l'art antérieur, et l'on a pu observer que: - 12 - 1) pour la triméthyl-indolino-spiro-naphto-oxazine du brevet américain US 3 578 602, l'effet photochromique a disparu dès 2 heures d'irradiation; 2) pour la triméthyl-indolino-spiro-quinolino-oxazine du brevet américain US 4 720 547, l'effet photochromique faiblit à 2 heures d'irradiation et s'éteint complètement avant 4 heures d'irradiation. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans les exemples qui précèdent ou par les détails des modes de mise en oeuvre particuliers choisis pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées aux conditions opératoires de même qu'à la nature et aux proportions des constituants et réactifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. - 13 - REVENDICATIONS 1. Nouveaux composés photochromiques, caractérisés enfce qu'ils répondent à la formule d'une indolinospiro-oxazine comportant une partie indolinique et une partie oxazine o la partie oxazine comporte un hétérocycle insaturé à six chaînons bi-aza de type pyrimidine dans un noyau de type quinazoline. 2. Nouveaux composés photochromiques suivant la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils présentent la formule développée suivante: 3%/R2, - R (R)m R4 dans laquelle: n varie de 0 à 4, m prend les valeurs 1 ou 2, R1 représente: i) un groupe alkyle de 1 à 8 atomes de carbone tel qu'un groupe méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n- butyle; ii) un groupe allyle, phényle, arylalkyle tel qu'un groupe benzyle, phényle mono et di-substitué par des substituants du type alkyle ou alkoxy de 1 à 6 atomes de carbone; iii) un groupe alicyclique tel qu'un groupe cyclohexyle éventuellement substitué; iv) un groupe hydrocarbure aliphatique comportant dans sa chaîne un ou plusieurs hétéroatomes tels que O, N ou S, notamment une fonction acide, ester ou alcool. R2 et R3 peuvent chacun et indépendamment l'un de l'autre - 14 - représenter un groupe C1_8 alkyle, phényle, phényle mono et disubstitué par des groupes C1_4 alkyle et/ou C1_5 alkoxy ou peuvent être combinés pour former une chaine cyclique de 6 à 8 atomes de carbone (incluant le carbone spirannique 3 de l'hétérocycle indolinique); R4 et R5 peuvent chacun et indépendamment l'un de l'autre représenter: i) un atome d'hydrogène, une fonction amine NR'R", o R' et R" représentent chacun et indépendamment un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, cycloalkyle, phényle ou un dérivé substitué de celui-ci; R' et R" peuvent se combiner pour former un cycloalkyle pouvant être substitué et contenir un ou plusieurs hétéroatomes; ii) un groupe R, OR, SR, COR ou COOR dans lequel R représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle de 1 à 6 atomes de carbone ou un groupe aryle ou hétéroaryle; iii) un atome d'halogène, un groupe C1-4 monohaloalkyle, un groupe C14 polyhaloalkyle tel que CF3, l'halogène étant notamment Cl, Br; iv)-NO2, CN, SCN, chacun des substituants R4 pouvant être présent sur l'un quelconque des atomes de carbone convenables de la partie indoline du composé photochromique, en position 4, 5, 6 et 7, quand l'autre est un atome d'hydrogène, alors que quand n = 2, il est préférable que les substituants soient présents en position 4 et 5, 5 et 6, 4 et 6 ou 6 et 7. 3. Nouveaux composés photochromiques suivant la revendication 2, caractérisés en ce que: - R1 est un groupe C1_4 alkyle, phényle ou benzyle; - R2 et R3 sont choisis parmi les groupes C1_5 alkyle tels que méthyle et éthyle ou un groupe phényle, ou sont combinés pour former un groupe cyclohexyle; - chacun des groupes R4 est choisi parmi le groupe constitué par hydrogène, C1.2 alkyle, chlore, fluor, brome, - 15 - iode, C1_2 trihaloalkyle et C1_5 alkoxy; - et R5 est un atome d'hydrogène ou un groupe C14 alkoxy ou une amine tertiaire ou un halogène. 4. Nouveaux composés photochromiques suivant la revendication 3, caractérisés en ce que: - R1 est un groupe C1_4 alkyle tel que méthyle, éthyle ou isopropyle, n-butyle. - R2 et R3 représentent chacun et indépendamment l'un de l'autre un groupe méthyle ou éthyle ou phényle; - R4 est un atome d'hydrogène, un groupe méthyle, méthoxy ou chloro; - et R5 est un atome d'hydrogène. 5. Composés photochromiques suivant la revendication 2, 3 ou 4, caractérisés en ce qu'ils sont constitués par un ou plusieurs composés de type trialkylindolino-spiro- quinazolino-oxazine, présentant la formule II dans laquelle: - R1 est un groupe méthyle ou isopropyle; - R2 et R3 sont des groupes méthyle; - R4 est H ou 7OCH3. 6. Compositions photochromiques pour lentilles optiques contenant au moins un des composés suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, en proportion photochromique. 7. Procédé de préparation des composés selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte la nitration d'un composé hydroxy-3 benzaldéhyde, la réaction de l'hydroxy-3 nitro-6 benzaldéhyde obtenu avec de la formamide pour obtenir le dérivé benzylidène-bisformamide correspondant, la transformation de celui-ci en hydroxy-6 quinazoline, et la nitrosation de ce dernier composé, et en ce qu'il comporte ensuite, de manière en soi connue, la condensation sur le composé hydroxynitroso hétéro-aromatique obtenu d'une base de Fischer ou composé alkylidène-2 indolinique.