Brevet FR2664589A1 — publié le 19920117

PROCEDE ET REACTIF POUR LA SYNTHESE DE DERIVES FLUORES ARYLIQUES La présente invention a pour objet la synthèse de dérivés fluorés. Elle a plus particulièrement pour objet la synthèse de dérivés fluorés à partir de dérivés halogénés tels que les dérivés chlorés. Les composés fluorés sont en général difficiles d'accès. La réactivité du fluor est telle qu'il n'est pas possible d'obtenir directement les dérivés fluorés. Une des techniques les plus employées pour fabriquer le dérivé fluoré consiste à faire réagir un dérivé halogéné, en général chloré, pour échanger l'halogène avec un fluor minéral, en général avec un fluorure de métal alcalin, souvent de poids atomique élevé. En général, le fluorure utilisé est le fluorure de potassium qui constitue un compromis économique satisfaisant. Dans ces conditions, de nombreux procédés tels que par exemple ceux décrits dans le certificat d'addition N" 2 353 516 et dans l'article Chem. Ind. (1978) - 56 ont été décrits et mis en oeuvre industriellement pour obtenir des fluorures d'aryle, aryles sur lesquels sont greffés des groupements électro-attracteurs. Sauf dans les cas où le substrat est particulièrement adapté à ce type de synthèse, cette technique présente des inconvénients dont les principaux sont ceux que l'on va analyser ci-après. La réaction est lente et nécessite, en raison d'un temps de séjour élevé, des investissements importants. Encore faut-il mentionner que pour être utilisable industriellement, cette technique doit être utilisée à des températures élevées, en général aux alentours de 250"C, c'est-à-dire dans la zone où les solvants organiques les plus stables commencent à se décomposer. Enfin, les rendements restent médiocres, à moins que l'on utilise des réactifs particulièrement chers comme les fluorures de métal alcalin dont la masse atomique est supérieure à celle du potassium. Compte-tenu du prix de ces métaux alcalins, leur utilisation industrielle n'est justifiable que pour des produits à haute valeur ajoutée et lorsque l'amélioration de rendement et des cinétiques le justifie, ce qui est rarement le cas. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un réactif qui soit susceptible de réaliser l'échange entre les halogènes tels que le chlore et le fluor en améliorant significativement la cinétique et le rendement d'échange. Un autre but de la présente invention est de fournir un réactif qui améliore suffisamment la cinétique d'échange pour que l'on puisse envisager l'utilisation de température significativement plus basse que celle employée auparavant ; cette abaissement de température devrait permettre l'utilisation de réactifs qui jusqu'à présent n'étaient pas utilisés en raison de la température élevée à laquelle s'effectuait l'échange. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'un réactif pour la synthèse de fluorure d'aryle à partir de composés chlorés par réaction d'échanges halogènes comportant - un solvant aprotique dipolaire - une phase solide constituée au moins partiellement de fluorure alcalin, - éventuellement au moins un cation promoteur de la réaction où le taux de solide défini en tant que masse de matière solide rapportée à la masse totale est au moins égale à 2/5 avantageusement à 1/2, de préférence à 2/3. En effet, de manière tout à fait surprenante, il a été démontré au cours de l'étude qui a mené à la présente invention que le taux de solide était déterminant pour obtenir une bonne cinétique et de bons rendements d'échange. Ceci est d'autant plus surprenant que la granulométrie joue un rôle relativement faible dès lors que l'on se place dans un domaine relativement large granulométrique que l'on définira ultérieurement. Avantageusement, le réactif comporte à titre de promoteur un cation alcalin plus lourd que le potassium. Ce cation alcalin peut être introduit sous forme d'un halogénure et pas nécessairement sous forme d'un fluorure. En général, on introduit le cation alcalin sous forme d'un chlorure. La teneur en cation alcalin est avantageusement comprise entre 1 à 5 %, de préférence entre 2 à 3 % en mole du fluorure alcalin utilisé. Le réactif peut comporter à titre de promoteur des agents souvent qualifiés de transfert de phase et qui sont des "oniums" (cation organique dont le nom se termine par onium) . Les oniums représentent en général de 1 à 10 %, de préférence de 2 à 5 % en mole du fluorure alcalin. Le contreion est indifférent mais souvent halogénure. Parmi ces oniums, les réactifs préférés sont les tétra alcoyl ammonium de 4 à 12 atomes de carbone, de préférence de 4 à 8 atomes de carbone. Le tétra alcoyl ammonium est en général du tétra méthyl ammonium. Le terme alcoyle est pris dans l'acception donnée par le dictionnaire de Chimie DUVAL. Toutefois, les tétra alcoyl ammonium présentent l'inconvénient d'être peu stables à une température supérieure à environ 1500 C. C'est un des avantages de la présente invention dans ces mises en oeuvres préférées que de permettre des réactions à des températures inférieures ou voisines de cette valeur, ce qui permet l'utilisation des ammoniums notamment le tétra méthyl ammonium. La quantité de cation tétra alcoyl ammonium est en général comprise entre 1 à 10 %, de préférence entre 2 à 5 % de la masse du fluorure alcalin. Le solvant aprotique dipolaire utilisable doit avoir un moment dipolaire significatif. Ainsi, sa constante diélectrique relative E est au moins égale à environ 10 (les zéros ne sont pas considérés comme des chiffres significatifs dans la présente description, à moins que cela ne soit précisé autrement). De préférence, 1/E est inférieur ou égal à 100 et supérieur ou égal à 25. Il a pu être montré au cours de la présente étude que les meilleurs résultats étaient obtenus lorsqu'on utilisait des solvants aprotiques dipolaires qui présentaient un indice c donneur compris entre 10 et 50. Ledit indice c donneur étant comme le aH (variation d'Enthalpie) exprimé en kilo calories (Kcal) de l'association dudit solvant aprotique dipolaire avec le pentachlorure d'antimoine. Les oniums sont choisis dans le groupe des cations formés par les éléments des colonnes V B et VI B (tels que définis dans le tableau de la classification périodique des éléments publiés au supplément au Bulletin de la Société Chimique de France en Janvier 1966) avec 4 ou 3 chaînes hydrocarbonnées. Ainsi que cela a été dit précédemment, la granulométrie joue un rôle relativement peu important dans la cinétique dès lors que la granulométrie n'est pas trop fine, c'est-à-dire lorsque la majorité des particules est supérieure à un micron et que la majorité des particules est inférieure à 250 microns. Toutefois, il a été montré que la granulométrie avait une influence sur la cinétique. Ainsi, il est souhaitable que ledit solide en suspension présente une granulométrie tel que son dg0 (défini en tant que la maille laissant passer 90 % en poids du solide) est au plus égale à 100 micromètres, avantageusement au plus égale à 50 iim, de préférence au plus égale à 20 > m. La limite inférieure est avantageusement caractérisé par le fait que le dîo dudit solide en suspension est au moins égal à 0,1 iim, de préférence au moins égal à 1 pm. En général, le rapport entre ledit fluorure alcalin et ledit substrat est compris entre 1 et 1,5, de préférence aux alentours de 1,25 de la stoechiométrie. Ce rapport n'est toutefois en général pas critique dès lors qu'il permet une agitation convenable du réactif. Selon la présente invention, il est souhaitable que la teneur en eau du réactif soit au plus égale à environ 2 % avantageusement 1 % par rapport à la masse du réactif (rapport en masse). Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de synthèse des dérivés fluorés par réaction d'échange entre halogènes. Ce but est atteint au moyen d'un procédé pour la synthèse de fluorure d'aryle à partir de composés chlorés par réaction d'échange entre halogènes, caractérisé par le fait qu'ils consistent à mettre en contact ledit composé chloré avec un réactif comportant - Un solvant aprotique dipolaire - Une phase solide constituée au moins partiellement de fluorure alcalin - Eventuellement un cation promoteur - Le taux de solide étant au moins égal à 1/5, avantageusement à 1/4, de préférence à 1/3, avec la condition que lorsque simultanément le solvant aprotique dipolaire est du sulfolane, et qu'il n'y a pas de cation promoteur et que le rapport molaire entre le substrat et le sulfolane est supérieur à 0,5 et à 1, le taux de solide est respectivement au moins égal à 1/3 et 2/5. L'agitation est avantageusement menée de manière que au moins 80 % de préférence au moins 90 % des solides soient maintenus en suspension par l'agitation. En fait, il est souhaitable que la plus grande partie des solides soient en suspension dans le milieu réactionnel. Ainsi l'agitation, pour répondre à cette contrainte, ne doit être ni trop forte ni trop faible. En effet, trop forte, elle risque de plaquer par des effets de cyclone, une partie trop importante des solides contre la paroi du réacteur. Dans le deuxième cas, l'agitation sera incapable de faire entrer en suspension les solides issus de la réaction et les solides utilisés comme source de fluor. Lorsque l'on traite des molécules particulièrement lourdes, ou pour toute autre raison, il peut être avantageux qu'une partie des solides du réactif, et donc du milieu réactionnel, soit constitué d'un matériau inerte et de granulométrie répondant aux contraintes spécifiées ci-dessus. Il est préférable que le matériau soit d'une dureté voisine de celle des halogénures utilisés comme source de fluor ou formés au cours de la réaction. En particulier, lorsque l'on choisit des matériaux d'une dureté significativement supérieure à celle de la source de fluorure, il est préférable de mener l'agitation de telle manière que la source de fluorure non plus que le matériau lui-même soit broyé et conduise à des granulométries qui sont contraires aux contraintes ou aux préférences évoquées ci-dessus. Il est possible de mener la réaction d'échange entre 50 et 250 C. Toutefois, et c'est un des avantages de la présente invention, il est possible de mener la réaction à des températures moins élevées que celles utilisées précédemment, en particulier il est permis de mener la réaction à une température comprise entre 120 et 1900 C. Le groupement aryle présente un nombre de carbones compris entre 4 et 50. Le radical aryle est de préférence appauvri en électrons et a une densité électronique au plus égale à celle du benzène, de préférence au plus voisine de celle d'un halobenzène. Cet appauvrissement peut être dû soit à la présence dans le cycle aromatique d'un hétéro atome, comme par exemple à titre d'enseignement dans la pyridine, la quinoléine, le thiophène, le furanne. Bien évidemment, l'appauvrissement électronique peut être provoqué aussi par des groupes électro-attracteurs ; la pauvreté en électrons peut être due à ces deux causes. Ainsi ledit aryle porte avantageusement au moins un substituant sur le même noyau que celui portant le chlore, ledit au moins un substituant étant de préférence choisi parmi les groupes attracteurs par effet inductif ou par effet mésomère tel que défini dans l'ouvrage de référence en Chimie Organique "Advanced Organic Chemistry" par M.J. MARCH, 3ième édition, Editeur WILLEY, 1985, cf. notamment P. 17 et 238. A l'exception des groupes pouvant conduire à une interaction avec les fluorures (par exemple groupe porteur d'hydrogène susceptible de créer des liaisons hydrogène avec les fluorures) comme exemple de tel groupe on peut citer N02, CF3, CN, COX (X = Cl, Br, F,OR), CHO, Cl, Br). Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. Exemple 1 Dans un réacteur de 11, préchauffé à 50"C et placé sous atmosphère d'azote, est chargé la suspension de fluorure de potassium (174 g, 3 moles) de chlorure de tétraméthyle ammonium (13 g, 0,12 mole) dans le diméthylsulfoxyde (176 g, 2,26 moles). Cette suspension a été préalablement broyé pendant 30 minutes dans un broyeur à billes Netzch, type LME 1. La suspension avant broyage avait les caractéristiques granulométriques suivantes - Taille moyenne : 65 pm, dîo : 24 pm, dg0 : 140 pm. Après broyage, les caractéristiques granulométriques sont - Taille moyenne 11 > m, dîo : 2 > m, dg0 : 22 > m. Sauf indication contraire, le fluorure de potassium utilisé contient moins de 100 ppm d'eau et le solvant environ 50 ppm d'eau. On introduit ensuite le dichloro-2,4 nitrobenzène (230,4 g, 1,2 moles). L'agitation du milieu est telle que l'ensemble du solide est maintenu en suspension. Après 3 h 30 de chauffage à 1300 C, l'analyse du mélange réactionnel montre que la conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène est complète, que le rendement en difluoro 2,4 nitrobenzène est de 92 %, et que le rendement en fluoro chloro nitrobenzène est de 8 %. Ce mélange des isomères monofluorés monochlorés majoritairement fluoro 4. Le réacteur est alors refroidi à 30 C, le milieu réactionnel est dilué à l'aide de 100 ml de chlorure de méthylène. Le mélange est agité 10 minutes et transvasé sur un verre fritté. Le réacteur et le précipité sont rincés deux fois par 100 ml de chlorure de méthylène. Le filtrat est récupéré et, le chlorure de méthylène est évaporé à l'aide d'un évaporateur rotatif ( température bain = 70" C, p = 100 mm Hg). Le DMSO est éliminé par lavage à l'eau et le résidu est distillé. On obtient ainsi 173,6 g de difluoro-2,4 nitrobenzène (Rendement 91 % pureté > 99 %). Exemple 2 Une procédure analogue à celle décrite dans l'exemple 1 mais à partir d'un fluorure de potassium non broyé conduit après 4 h 30 de chauffage à 1300 C aux résultats suivants - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène = 99,7 %. - Rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène = 90,4 %. - Rendement en fluoro chloro nitrobenzènes = 9,7 %. Après traitement et distillation, on obtient 173,9 g de produit (rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène 87,4 %, pureté 96,3 %). Exemple 3 Un procédure analogue à celle décrite dans l'exemple 1, à partir d'un fluorure de potassium non broyé et de 378 g (4,85 moles) de diméthylsulfoxyde conduit après 6 h de chauffage à 1300 C aux résultats suivants - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène = 100 %. - Rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène = 93,4 %. - Rendement en fluoro chloro nitrobenzènes = 1 %. La comparaison cinétique de ces trois essais est réalisée sur la courbe suivante donnant chaque cas le rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène en fonction du temps (cf. Figure Unique). Exemple 4 La réaction est réalisée dans un réacteur de 100 ml, placé sous atmosphère d'azote, dans lequel on introduit successivement 28 g de fluorure de potassium (0,048 mole), 1,8 g de fluorure de césium (12 mmoles), 28 g de dichloro-2,4 nitrobenzène (0,146 mole) et 60 g de sulfolane. Le mélange réactionnel est chauffé à 1800 C en maintenant une agitation telle que le solide soit maintenu en suspension. Après 6 h de chauffage les résultats suivants sont obtenus - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène = 100 % - Rendement en fluoro-2,4 nitrobenzène = 95 % - Rendement en fluoro chloro nitrobenzènes = 5 % Exemple 5 Dans un réacteur de 50 ml placé sous atmosphère d'azote, on charge 2,4 g de fluorure de potassium (41,4 mmoles), 3,9 g de dichloro-2,4 nitrobenzène (20,5 mmoles) et 6 g de sulfolane. Le mélange est chauffé à 1800 C pendant 11 heures. Le mélange réactionnel est ensuite filtré et le filtrat analysé par CPG - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène = 85,5 % - Rendement du dichloro-2,4 nitrobenzène = 29,0 % - Rendement en fluoro chloro nitrobenzènes = 44,7 % Exemples 6 à 8 Le protocole de l'exemple 5 est repris avec addition d'une quantité catalytique d'eau en début d'essai. N d'exemple % H20 convesion rendement rendement (poids) Dic12,4NB(%) DiF2,4NB (%) en monofluorés 6 0,4 84,2 26,8 47,5 7 1,1 83,1 25,5 45,3 8 2,6 41,8 4,5 27,0 Exemple 9 Dans un réacteur de 50 ml placé sous atmosphère d'azote, on charge 2,6 g de fluorure de potassium (45,2 mmoles), 2,96 g de dichloro-2,4 nitrobenzène (5,4 mmoles) et 6,2 g de DMSO. Le mélange est chauffé à 1300 C pendant 6 h. Le mélange réactionnel est ensuite filtré et le filtrat analysé par CPG : - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène : 71 % - Rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène : 21,8 % - Rendement en fluoro-4 chloro-2 nitrobenzène : 11,9 % - rendement en fluoro-2 chloro-4 nitrobenzène : 39,6 %. Exemple 10 à 14 Le protocole de l'exemple 9 est repris avec addition d'une quantité catalytique de divers oniums N Onium Onium Conversion Rendement Rendement d'exemple (% molaire) DiCl24NB DiF24NB en monofluorés KF (%) (%) (%) I I I I I I I I I I 10 Me4 NCl 2,15 100 93,1 1,8 11 j Ph3SCl 1 3,87 1 8,9 1 65,6 1 18,6 | 12 Ph4 AsCl 3,92 100 66,5 0,6 13 Bz Me3 NBr 4,1 99,9 76,8 9,2 I I I I 14 Bz Me3 NHF2 4,4 98,7 71,5 18,0 Exemples 15 à 17 Le protocole de l'exemple 10 est reproduit pour divers solvants N N SOLVANT j Conversion j Rendement j Rendement I j d'exemple j I DiCl24NB (%) DiF24NB (%) j en monofluorés (%) j I I 15 Sulfolane 100 84,1 3,3 16 DMF 99,5 78,3 15,0 I I I 17 DMAC 97,2 55,5 25,5 Exemple 18 Le protocole de l'exemple 5 est reproduit par chauffage à 180 C pendant 6 heures du mélange de fluorure de potassium, (61,5 mmoles, 3,6 g) dichloro-2,4 nitrobenzène (20,5 mmoles, 3,9 g) et sulfolane (6,2 g) - Conversion du dichloro-2,4 nitrobenzène = 81,7 % - Rendement en difluoro-2,4 nitrobenzène = 47,7 % Exemples de 19 à 25 Le protocole de l'exemple 18 est, reproduit avec addition d'une quantité catalytique de fluorure de césium, chlorure de césium ou fluorure de rubidium. N Catalyseur Catalyseur Conversion Rendement Rendement d'exemple (% molaire DiCl2,4 NB DiF2,4 NB en monofluorés KF (%) (%) (%) 19 CsF 0,1 85,4 29,5 45,2 20 CsF 0,9 99,5 71,9 12,1 I I I I I I 21 CsF 1,5 99,3 72,4 15 22 CsF 2,5 100 95,3 0 23 CsF 5 100 96,4 0 24 24 CsCl 1 1 j 98,6 1 64,9 1 3,1 1 1 25 | RbF 1 4,7 1 98,4 1 48,2 1 7,0 1 Exemple 26 Dans un réacteur de 50 ml placé sous atmosphère d'azote, on charge - 3 g de fluorure de potassium (51,7 mmoles) - 7,8 g de dichloro-2,4 nitrobenzène (40,6 mmoles) et 6g de sulfolane. Le mélange réactionnel est chauffé 6h 0 180 C. Après refroidissement le mélange réactionnel est filtré et le filtrat analysé par CPG - conversion du dichloro-3,4 nitrobenzène = 4,8 % - rendement en difluoro-3,4 nitrobenzène = 4,4 % Exemples 27 à 29 Le protocole de l'exemple 26 est répété avec diverses conditions réactionnelles I | I I I I I N d'exemple Conditions reac- Cata- Cata- Conversion Rendement tionnelles lyseur lyseur KF (%) % % 27 DM30 - 130 C - 6h - - 2,2 2,0 28 DM30 - 170 C - 6h Mc4NCl 3,9 64 61,2 29 Sulfdane-180 C-6h CsF 2,6 28,9 27,5 REVENDICATIONS 1) Réactif pour la synthèse de fluorure d'aryle à partir de composés chlorés par réaction d'échanges entre halogènes comportant - un solvant aprotique dipolaire - une phase solide constituée au moins partiellement de fluorure alcalin caractérisé par le fait que le taux de solide défini en tant que masse de matière solide rapporté à la masse totale est au moins égale à 1/5 avantageusement à 2/4, de préférence à 2/3. 2) Réactif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un cation alcalin plus lourd que le potassium. 3) Réactif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que ledit cation alcalin représente de 1 à 5 % en poids de la masse dudit fluorure alcalin de préférence de 2 à 3 %. 4) Réactif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait qu'il comporte en outre au moins un onium. 5) Réactif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que ledit onium représente 1 à 10 %, de préférence 2 à 5 % en poids du fluorure alcalin. 6) Réactif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que le dit onium est choisi parmi les cations tétra-alcoyl ammonium de 4 à 12 atomes de carbone, de préférence de 4 à 8 atomes de carbone. 7) Réactif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que ledit cation tétra-alcoyl ammonium est le cation tétra-alcoyl ammonium. 8) Réactif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que ledit solvant aprotique dipolaire présente une constante diélectrique relative E supérieure ou égale à 10, de préférence inférieure ou égale à 100 et supérieure ou égale à 25. 9) Réactif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le solvant aprotique dipolaire présente un indice c donneur compris entre 10 et 50, ledit indice c donneur étant défini comme le aH exprimé en kilo calories de l'association dudit solvant aprotique dipolaire avec le penta chlorure d'antimoine. 10) Réactif selon les revendications 4 à 9 caractérisé par le fait que les oniums sont choisis dans le groupe des cations formés par les éléments des colonnes V B et VI B (tels que définis dans le tableau de la classification périodique des éléments publiés au supplément au Bulletin de la Société chimique de France en Janvier 1966) avec respectivement 4 ou 3 chaînes hydrocarbonnées. 11) Réactif selon les revendications 1 à 10 caractérisé par le fait que ledit solide en suspension présente une granulométrie tels que sont dgg (défini en tant que la maille laissant passer 90 % en poids du solide) est au plus égale à 100 micromètres, avantageusement au plus égale à 50 pm de préférence au plus égale à 20 > m. 12) Réactif selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé par le fait que le dîo dudit solide en suspension est au moins égal à 0,1 m/m, de préférence au moins égal à 1 pm. 13) Réactif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre ledit composé chloré, le rapport entre ledit fluorure alcalin et ledit substrat étant compris entre 1 et 1,5, de préférence aux alentours de 1,25. 14) Procédé pour la synthèse de fluorure d'aryle à partir de composés chlorés par réaction d'échange entre halogènes, caractérisé par le fait qu'il consiste à mettre en contact ledit composé chloré avec le réactif selon l'une des revendications 1 à 12 sous agitation. 15) Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que l'agitation est menée de manière que au moins 80 % de préférence des solides soient en suspension. 16) Procédé selon l'une des revendications 14 et 15 caractérisé par le fait que la réaction est menée à une température comprise entre 50 et 250 C, de préférence entre 120 et 1900 C. 17) Procédé selon l'une des revendications 14 à 16 caractérisé par le fait que ledit aryle présente un nombre de carbones compris entre 4 et 50. 18) Procédé selon l'une des revendications 14 à 17 caractérisé par le fait que ledit aryle porte au moins un substituant sur le même noyau que celui portant le chlore, ledit au moins substituant étant de préférence choisi parmi les groupes attracteurs.