Brevet FR2660923A1 — publié le 19911018

REACTIF ET PROCEDE DE PERHALOGENOALKYLATION POUR NUCLEOPHILE UTILISANT DE L'ANHYDRIDE SULFUREUX La présente invention concerne un réactif et un procédé de perhalogénenoalkylation pour nucléophile. Elle concerne plus particulièrement un procédé de perhalogénoalkylation de dérivés aromatiques par des halogénures de perhalogéno- (surtout fluoro-) alkyle,tel que le bromure de tri fl uorométhyl e, ainsi qu'un procédé de synthèse d'acides perhalogénoalkyl-sulfiniques et -sulfoniques, surtout les acides dits triflinique et triflique. Il est connu, d'après J. FUCHIKAMI, I. OJIMA (J. Fluorine Chemistry 1983, 22, 541) de perfluorer des amines aromatiques ou des phénols par des iodures ou des bromures de perfluoroalkyle dont la chaîne alkyle contient au moins trois atomes de carbone en présence de cuivre métallique comme catalyseur. La trifluorométhylation de la parachloroaniline à l'aide de l'iodure de trifluorométhyle ne donne que des traces de trifluorométhylparachloroaniline. L'iodure de trifluorométhyle n'étant pas industriel, le rendement de la réaction étant très faible cette méthode n'est pas transposable au stade industriel. La trifluorométhylation des phénols n'est pas décrite. Il est également connu d'après le brevet européen N" 114 359 de perfluoroalkyler des dérivés aromatiques et en particulier l'anisole (exemple 9) à l'aide d'iodure de perfluoroalkyle à longue chaîne, pendant 30 heures à 1700 C et en présence d'un catalyseur à base de ruthénium. La trifluorométhylation n'est jamais décrite dans ce brevet comme dans l'article précédent. L'iodure de trifluorométhyle n'étant pas industriel, cette méthode de perfluoroalkylation n'est pas envisageable. Il est connu à ce jour d'après la demande de brevet déposée en Europe sous le n" 86 4 201 306 et publiée sous le N" 0206951, une méthode de perfluoroalkylation de dérivés aromatiques qui consiste dans une première étape à mettre en présence un dérivé aromatique, du bioxyde de soufre, un métal de préférence le zinc, dans un solvant aprotique polaire et dans une deuxième étape à ajouter un bromure ou un iodure de perfluoroalkyle. Ce procédé constitue une amélioration notable des techniques qui ont été décrites auparavant. Toutefois, ce procédé produit une grande quantité de sels minéraux, ce qui constitue une gêne importante pour l'industrialisation notamment pour des questions de traitement des effluents. Cette production de sels minéraux est due plus particulièrement à deux causes. Il se forme au cours de la réaction des anions minéraux qui sont avantageusement neutralisés par des bases en générale minérales d'autre part, les rendements des réactifs sont relativement faibles, ce qui entraîne une plus grande consommation et par voie de conséquence, une plus grande production de sels minéraux. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un réactif qui permette un meilleur rendement de la perfluoroalcoylation des substrats nucléophiles. Un autre but de la présente invention est de fournir un réactif qui nécessite peu d'élément(s) minéralisable(s) notamment sous forme d'anions et peu de base. Ces buts et d'autres qui apparaltront par la suite sont atteints au moyen d'un réactif de C-perfluoroalkylation comportant - un solvant relativement polaire, avantageusement aprotique - du bioxyde de soufre ; - un réducteur - un halogénure (chlorure, bromure, iodure, de préférence ces deux derniers) de perfluoroalkyle où ledit réducteur est un dérivé de l'acide formique soluble dont l'oxydation ne produit pas d'(an)ions minéraux. De préférence le solvant est aprotique ou peu protique ; il convient toutefois de souligner que les solvants constitués partiellement d'alcool voire d'eau, donnent des résultats satisfaisants. Sous réserve des contraintes de solubilité des réactifs, les solvants aprotiques sont préférés. Ainsi les solvants utilisables selon l'invention contiennent avantageusement au plus 1/3, de préférence 1/10 au mieux 10-2 en volume de solvant protique tel que l'eau ou les alcools. Bien entendu le solvant est choisi de manière à être aussi inerte que possible vis à vis du réactif et donc moins nucléophile que le substrat. Il convient toutefois de noter que le solvant peut être selon les cas l'un des constituants du réactif autre que ledit solvant polaire ou le substrat Pour faciliter la solubilisation au moins partielle des réactifs polaires, on peut envisager que le solvant présente une constante diélectrique relative au moins égale à 2 de préférence à 5 Le solvant est choisi de manière à, d'une part dissoudre au moins partiellement réducteur et substrat et d'autre part, autant que de possible, augmenter la limite de la solubilité des perfluoroalkoyles. Répondent à cette condition les solvants polaires notamment les suivants - les carbures et dérivés aromatiques tels que le toluène le chlorobenzène le nitro benzène ou les pyridines - les ethers tels que le THF; - les nitriles - les amides y compris l'hexaméthylphosphoramide (H.M.P.A.) - les sulfoxydes tels que le diméthylsulfoxyde (DMSO) - les sulfones telles que le sulfolane et leurs mélanges. Parmi les amides, on préfère utiliser notamment : le formamide, le diméthylformamide (D.M.F.), la N-méthylpyrrolidone (N.M.P.), le diméthylacétamide (D.M.A.) On préfère tout particulièrement utiliser le diméthylformamide et la N.M.P.. Avantageusement, pour éviter toute réaction parasite le substrat est plus nucléophile que l'ion acétate. Pour obtenir de meilleurs résultats, il est souhaitable que ledit réducteur présente un potentiel rédox normal inférieur à -0,8 V par rapport à l'électrode au calomel saturé (ECS). Selon la présente invention, le réducteur est l'acide formique sous forme acide, anionique (de sel(s)) d'amide(s) et d'ester(s). La réaction pouvant donner de l'acide halohydrique, il est préférable de prévoir un moyen de le neutraliser ou de l'éliminer. Cela peut être fait par addition de base organique ou minérale dans le milieu. Cette base peut être faible et doit simplement suffire à neutraliser l'acide halohydrique formé. Pour éviter toute interférence avec l'anhydride sulfureux, il est préférable que cette base soit une base faible. Si pour une raison quelconque (par exemple pour potentialiser le réducteur) l'on désire utiliser une base forte il peut alors être avantageux d'ajouter progressivement l'anhydride sulfureux. L'introduction de l'acide formique sous forme de sel permet d'introduire à la fois le réducteur et la base nécessaire dans le milieu. Lorsque l'on utilise une base organique, il convient de choisir une base qui soit moins nucléophile que le substrat. L'halogénure de perfluoro alkyle présente avantageusement la formule suivante (I) R-(CF2)n-Y (I) où R représente un hydrogène, un atome de Fluor, un groupe alcoyle éventuellement substitué par un ou plusieurs atomes de chlore ou de fluor Y un atome de brome ou d'iode . n représente un entier de 1 à 5 de préférence de 1 à 3 avec la condition que lorsque n est égal à 1, R est un fluor. Le terme alcoyle est pris dans l'acception donnée par le dictionnaire de Chimie DUVAL . Ledit alcoyle présente de préférence au plus 6 atomes de carbone. La teneur en base minérale du réactif est avantageusement inférieure à 4/3 de préférence 5/4 en mole de la quantité d'halogénure de perfluoroalkyle introduite. Le réactif est de préférence préparé in situ (en présence du substrat) ou immédiatement avant l'utilisation en en mêlant les divers constituants. Il est ainsi satisfaisant de préparer à l'avance un préréactif constitué des éléments du réactifs à l'exception du réducteur ou du générateur de radicaux libres ces deux éléments du réactif peuvent être simultanément absent du réactif mais non mélangés pour former un autre préréactif. Réducteur et/ou anhydride sulfureuX peuvent être ajouté au préréactif progressivement ou en une seule fois au moment de l'utilisation pour former le réactif. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de perfluoroalcoylation de substrat nucléophile. Plus particulièrement un but de la présente invention est de fournir un procédé de C-perfluoalkylation de substrat nucléophile et de fournir un procédé de perfluoroalkylation capable de produire des acides ou des sels sulfiniques. Ces buts sont atteints par un procédé de C-perfluoroalkylation de substrat nucléophile par mise en contact de ce dernier avec un réactif comportant : - un solvant relativement polaire, avantageusement aprotique - du bioxyde de soufre (S02) ; - un réducteur ; - un halogénure (chlorure, bromure, iodure, de préférence ces deux derniers) de perfluoroalkyle, caractérisé par le fait que ledit réducteur est un dérivé de l'acide formique soluble dont l'oxydation ne produit pas d'(an)ions minéraux. Lorsque l'on désire obtenir un acide sulfinique, ledit substrat est du bioxyde de soufre ou un radical libre qui en est issu. Lorsque l'halogénure de perfluoroalkyle est gazeux on mènera la réaction de préférence sous pression pour augmenter la solubilité dudit halogénure de perfluoroalkyle, la pression partielle de ce dernier réactif étant avantageusement au moins égale à une atmosphère ( 105Pa) de préférence entre 1 et 50 atmosphères (1 à 50. 105Pa). La température est avantageusement comprise entre la température de fusion du solvant et la température d'ébullition du mélange réactionnel sous la pression choisie ; en général entre l'ambiante ( environ 20"C) et 200"C de préférence entre 50 et 1500C. La manière dont on ajoute les réactifs n'est pas indifférente en particulier il peut être intéressant d'ajouter progressivement le réducteur. Pour la synthèse de l'acide sulfinique et lorsque l'on utilise comme réducteur l'acide formique et /ou ses dérivés le rapport molaire entre l'acide formique et l'anhydride sulfureux est avantageusement compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 5 ,en général autour de 2,5 (+ 0,5) Le substrat est de préférence un substrat non sulfuré présentant un hydrogène substituable et un doublet ou une insaturation. Le procédé donne des résultats intéressants pour les dérivés aromatiques, notamment ceux de formule (II) : Ar (R)n (Il) dans laquelle - Ar représente un radical aromatique mono ou polycyclique, condensé ou non, homo ou hétérocyclique, - R représente au moins un substituant choisi indépendamment parmi l'hydrogène, le chlore, le brome, les radicaux alkyles linéaires, ramifiés, cycliques saturés ou insaturés éventuellement substitués, éther, alcoxy éventuellement substitué, aryl éventuellement substitué, aryloxy, amino, hydroxy, carboxylate, acyloxy, ester, ami do, nitrile, acide, - n est un nombre entier égal à 1,2, 3 ou 4, avantageusement - Ar représente un radical aromatique de 1 à 3 cycles de préférence monocyclique, chaque cycle présentant avantageusement 5 ou 6 chaînons, - R représente un radical donneur de préférence amino, hydroxy ou alcoxy. Par donneur, on entend un radical donneur par divers effets (inducteur, mésomère) dont l'effet donneur est au moins égal à un alkyle (CnH2n+ 1) léger. Lorsqu'il y a plusieurs substituants, la nucléophilie du substrat est avantageusement voisine de ou supérieure à celle du benzène. Parmi les dérivés aromatiques de formule (I) utilisées dans le procédé de l'invention, on peut citer à titre d'enseignement par l'exemple (paradigme), et donc de façon non limitative - le benzène, le naphtalène, le phénanthrène, le toluène,le métaxylène, l'oxyde de phényle, le biphényle, le bromobenzène, le chlorobenzène, l'alcool benzylique, le phénacétate d'éthyle, les pyridines telles que les méthylpyridines ou les quinoléines ; les amines telles que notamment l'aniline, les méthylanilines, les phénoxyanilines, l'aminonaphtalène, les diaminobenzènes, les aminopyridines ; les dérivés phénoliques parmi lesquels on peut citer les phénols, les crésols, les phénylphénols, les chlorophénols, les aminophénols, les anisoles, les méthoxyphénols, les dihydroxybenzènes, les terbutylphénols, les hydroxypyridines. En général le nombre de carbone de ces dérivés aromatiques ne dépasse pas 50 et très rarement 30. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. Exemple 1 : Synthèse du triflinate de sodium à partir de bromotrifluorométhane et bioxyde de soufre. HC02Na CF3Br + SO2 CF3S02Na DMF Dans un autoclave de 400 ml, on charge successivement 200 g de diméthylformamide (DMF) ; 27,2 g (0,4 mole) de formiate de sodium et 25,6 g (0,4 mole) de bioxyde de soufre (SO2). On admet à température ambiante le bromotrifluorométhane sous une pression de 10 bars, puis on chauffe le mélange réactionnel à 60 C. Après trois heures de réaction, le mélange réactionnel est refroidi et on élimine l'excès de bromotrifluorométhane et les gaz formés. On obtient alors une solution contenant 0,15 mole de triflinate de sodium. Exemples 2 à 5 Suivant le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, les résultats suivants sont obtenus I I I I I I I Entrée Solvant ( C) durée HCO2Na/SO2 TT/SO2 RR/HCO2Na RR/SO2 I I I I I 1 DMF 60 C 2h30 2 91,3 59,5 59,5 2 DMF 65 C 5h30 1 75,6 73,2 36,6 3 NMP 60 C 5H 1 60,5 64 32 4 NMP 70 C 5h 2 82,7 77,7 77,7 Exemple 6 NaOH CF3 Br + S02 CF3S02Na DMF Dans un autoclave de 400 ml, on charge successivement 100 g de diméthylformamide (DMF) ; 18 g de soude broyé, puis on chauffe à 70"C en maintenant une pression de CF3Br de 13 bars. Quand la température et la pression sont stables, on injecte une solution de DMF contenant 14 g de S02 dans 48 g de DMF. La durée de l'addition est de 2 heures. On maintient à une température de 70C C pendant 1 heure. La pression en fin d'essai est de 19 bars. On obtient ainsi CF3S02Na avec un rendement de 52,5 % et un taux de transformation de 78,3 % par rapport au S02 de départ. Il convient de noter que le DMF est ici à la fois un solvant aprotique polaire et un réactif donnant progressivement sous l'action de la soude un formiate. Il convient de noter que le rapport molaire NaBr/triflinate de sodium atteint dans cette réaction une valeur très élevée: 2,5 au lieu d'environ l'unité pour l'ensemble des autres essais relatifs à la synthèse de l'acide triflinique (exemples 1 à 6). Cela indique une forte réactivité du système vis à vis du bromure de trifluoromethyle. Exemple 7 : synthèse du Perfluorooctanesulfinate de sodium C8F17I + HC02Na + S02 C8F17 S02Na Dans un mélange de 50 ml de diméthylformamide et 2 g de formiate de sodium, 2 g de bioxyde de soufre gazeux sont absorbés. 1,8 g de iodoperfluorooctane sont alors ajoutés. Il se produit un dégagement gazeux. Après 3 heures de réaction, le mélange est analysé par RMN du fluor et on constate que l'iodure a été complètement transformé en sulfinate (aF : -132 ppm). Après filtration, le diméthylformamide est évaporé sous vide. 20 ml d'eau sont ajoutés. Les solides sont éliminés par filtration. On fait passer un nomo litre de chlore dans la solution et le chlorure de perfluorooctanesulfonyl est obtenu par décantation (rendement 84 %). Exemple 8 : Synthèse du trifluorométhyl-2 pyrole Dans un autoclave de 400 ml, on charge successivement 200 ml de diméthylformamide ; 10,2 g de formiate de sodium (0,15 mole) ; 12,8 g de bioxyde de soufre (0,2 mole) et 6,7 g de pyrrole (0,1 mole). On admet alors à température ambiante le bromotrifluorométhane sous une pression de 10 bars. Après 2 h 15 de réaction à 60"C, la masse réactionnelle est traitée comme suit : Extraction au clhrorure de méthylène ; lavage des phases organiques à l'eau ; puis évaporation du chlorure de méthylène. On obtient ainsi 9,6 g de trifluorométhyl-2 pyrole avec un rendement de 65,3 % et 1,1 g de trifluorométhyl-3 pyrrole avec un rendement de 7,5 %. Il est nécessaire pour que la réaction ait lieu, qu'il y ait un générateur de radicaux libres. En l'absence de S02, aucune réaction n'est observée en 4 h 20 à 60"C. Exemple 9 : Trifluorométhylation de la 2,6 dichloroaniline Diverses conditions expérimentales ont été testées en conservant le protocole expérimental précédemment décrit. Le tableau suivant récapitule les conditions et les résultats. (Substrat signifie 2,6 dichloroaniline) REACTIFS CONDITIONS OPERATOIRES I I I I I I I I Substrat SO2 HCO2Na DMF T. Durée P Rendement (n moles) (m moles) (m moles) (ml) ( C) (bars) (%) 60 120 90 200 60 3 h 30 13 4 60,9 156,2 90 200 70 6 h 30 13 7,8 14,2 20 15 20 100 4 heures a 6 16 31 16 20 150 6 heures a 6 a) 13 bars à température ambiante puis on isole l'autoclave. Exemple 10 Conditions opératoires identiques aux précédentes à partir de DMF 200 ml Chloro-2 aniline 25,5 g (0,2 mole) ; SO2 6,4 g (0,1 mole) ; HCO2Na 13,6 g (0,2 mole). Température : 60 C ; P = 13 bar ; 6 heures. Après traitement on obtient un mélange de plusieurs produits trifluorométhylés. la chloro-2 trifluorométhyl-4 aniline, la chloro-2 trifluorométhyl-6 aniline. Exemple 11 Synthèse du trifluorométhyl-4 ditertiobutylphénol Dans un réacteur de 60 ml on charge 2,06 g (10 mmoles) de ditertiobutylphénol, 750 mg (11 mmoles) de formiate de sodium, et 20 ml de DMF contenant 150 mg (2,4 mmoles) de bioxyde de soufre. On admet ensuite une pression de 13 bars de CF3Br à 25 C et on chauffe ensuite l'ensemble à 65" C. Cette température est maintenue pendant deux heures. La pression finale est de 25 bars. On obtient ainsi le trifluorométhyl-4 ditertiobutylphénol avec un rendement de 28 %. ce résultat montre que le bioxyde de soufre est bien un initiateur par réduction et que la stoechiometrie n'est pas nécessaire REVENDICATIONS 1) réactif de perfluoroalkylation comportant - un solvant relativement polaire, avantageusement aprotique - du bioxyde de soufre - un réducteur - un halogénure (chlorure, bromure, iodure, de préférence ces deux dernier perfluoroalkyle où ledit réducteur est un dérivé de l'acide formique soluble dont l'oxydation ne produit pas d'(an)ions minéraux. 2) Réactif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit réducteur présente un potentiel rédox au plus égal à -0,8 V. 3) Réactif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait que ledit réducteur est choisi parmi l'acide formique et ses sels. 4) Réactif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit solvant aprotique polaire présente une constante diélectrique relative au moins égal à 5. 5) Réactif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit solvant aprotique est choisi parmi - les carbures et dérivés aromatiques - les ethers - les nitriles - les amides ; - les sulfoxydes - les sulfones et leurs mélanges. 6) Réactif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit halogénure de perfluoro alcoyle présente la formule suivante (I) R-(CF2)n-Y (I) où R représente un hydrogène, un groupe alcoyle, un atome de chlore ou un atome de fluor Y un atome de brome ou d'iode n représente un entier de 1 à 5 de préférence de 1 à 3 avec la condition que lorsque n est égal à 1, R est un fluor. 7) Procédé de perfluoroalkylation de substrat nucléophile par mise en contact de ce dernier avec un réactif comportant - un solvant aprotique polaire - du bioxyde de soufre, - un réducteur, - un halogénure (chlorure, bromure, iodure de préférence ces deux dernier de perfluoroalkyle, caractérisé par le fait que ledit dérivé de l'acide formique soluble dont l'oxydation ne produit pas d'anions minéraux. 8) Procédé selon la revendication 7 caractérisé par le fait que le substrat répond à la formule (II) suivante Ar (R)n (II) dans laquelle - Ar représente un radical aromatique mono ou polycyclique, condensé ou non, homo- ou hétérocyclique, - R représente au moins un substituant choisi indépendamment parmi l'hydrogène le chlore, le brome, les radicaux alkyles linéaires, ramifiés, cycliques saturés ou insaturés éventuellement substitués, éther alcoxy éventuellement substitué, aryl éventuellement substitué, aryloxy, amino, hydroxy, carboxylate acyloxy, ester, amido, nitrile, acide, - n est un nombre entier égal à 1, 2, 3 ou 4. 9) Procédé selon la revendication 7 pour la fabrication d'acide triflinique caractérisé par le fait que le substrat nucléophile est l'anhydride sulfureux ou un des composés qui en sont issus par réduction.