Brevet FR2684102A1 — publié le 19930528

La présente invention concerne la préparation de polyazidoalcools, ainsi que leur application à la préparation de dérivés et de compositions liantes pour propergols. Plus particulièrement, l'invention s'applique à l'obtention de polyazidoalcools par réaction de polyazidation en phase aqueuse d'un oxirane polysubstitué possédant en position B un groupe nucléofuge. Les polyazidoalcools se révèlent être d'une grande utilité pratique, car ils portent à la fois des fonctions énergétiques et une fonction permettant leur greffage sur une autre molécule monomère ou un polymère. Ainsi de par leurs propriétés énergétiques, ils servent à la fabrication de polymères utilisés dans les liants pour propergols. Ce liant est incorporé dans le propergol afin de lui conférer élasticité et résistance mécanique Outre ses qualités mécaniques, il est souhaitable qu'il apporte les groupes énergétiques destinés à améliorer les qualités propulsives du propergol. Les groupes énergétiques les plus fréquemment utilisés sont les groupes azides, nitrés, fluoroaminés, fluoronitrés. Les monomères employés pour la préparation du polymère liant sont notamment les éthers cycliques et parmi eux les époxydes ou oxiranes porteurs de fonctions nitro ou azotures. Ainsi, les composés riches en azote et, notamment ceux contenant plusieurs groupes azotures N 3 sont particulièrement intéressants dans la fabrication de propergols. Des polyglycidylazides préparés par réaction d'azoture minéral, tel que l'azoture de sodium Na N 3, avec des polymères de polyépichlorhydrine à terminaison hydroxyle sont décrits dans le brevet français 2638751. Selon l'invention, on prépare d'abord des polyazidoalcools qui devront ensuite être polymérisés. Les dérivés aminés des polyazidoalcools eux, sont d'emploi courant en chimie thérapeutique et plus particulièrement en tant que chélateurs de métaux pour les examens radiopharmaceutiques rénaux. Le procédé selon l'invention représente aussi une voie d'accès facile à des dérivés des polyazidoalcools tels que les urées ou les polyazidothiols. Plusieurs études relatives à l'azidation de composés époxydes dont celle de M B FRANKEL, J Chem Eng Data, 1982, 27, 472 mentionnent l'ouverture du cycle oxiranique par l'ion azoture de l'azoture de sodium en milieu organique, selon une réaction de type nucléophile bimoléculaire dite SN 2 conduisant à des monoazidoalcools La préparation de polyazidoalcools est selon la littérature beaucoup plus difficile. C.A VANDER WERF, R Y HEISLER et W E Mc EWEN dans J Amer Chem Soc, 1954, 76, 1231 1235 décrivent la réaction, en présence d'un solvant organique, de l'azoture de sodium avec quelques époxydes cycliques tels que l'oxyde de cyclohexène ou de cyclopentène et de linéaires tels que oxyde de propylène et diisobutylène, de butadiène et l'épichlorhydrine Dans le cas de l'épichlorhydrine, les auteurs signalent l'obtention dans le dioxane de diazido-1,3 propanol-2 et d'un produit secondaire non identifié. Pour les oxiranes de formule générale R 7 o R est un substituant, ces auteurs O ont montré que l'ion azoture attaque le carbone le moins substitué du cycle oxiranique selon une réaction de type nucléophile bimoléculaire SN 2 pour conduire à des diazido- alcools. Cependant l'inconvénient majeur de cette méthode de synthèse de polyazidoalcools en milieu organique est de conduire majoritairement à un oxirane B azidé, l'ouverture du cycle oxiranique n'ayant pas lieu. Néanmoins dans les cas o se produit la polyazidation par ouverture du cycle oxiranique d'un oxirane B substitué, il subsiste en général une certaine quantité de produit initial n'ayant pas réagi ou alors si la réaction est sélective en produisant uniquement un polyazidoalcool, elle se révèle être de faible rendement. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de préparation de polyazidoalcools aisé, sélectif et de rendement élevé En outre, le procédé a été généralisé à des oxiranes polysubstitués. Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de préparation de polyazidoalcools par réaction d'un oxirane polysubstitué possédant en position B un groupe nucléofuge avec un azoture métallique, caractérisé en ce que la réaction s'effectue en milieu aqueux. Le solvant doit favoriser les transferts ioniques entre les différentes phases et doit être suffisamment dissociant pour permettre la réaction Les solvants peu ou non polaires favorisent la réactivité de l'azoture, les solvants halogenés de même que les solvants aprotiques sont connus pour permettre une bonne dissociation des ions Les solvants aprotiques dipolaires sont efficaces dans l'extraction des ions Enfin les solvants protiques, comme l'eau, sont propices aux sustitutions nucléophiles mais ils risquent de faire ouvrir l'oxirane. De manière inattendue, c'est l'eau qui s'est avéré le solvant approprié. Le tableau ci-dessous indique les résultats obtenus lors de la diazidation de l'épichlorhydrine ( 1 équivalent) c I par l'azoture de sodium ( 4 équivalents), en présence d'un catalyseur (chlorure de tricaprylyl méthylammonium), selon le solvant utilisé. 4 2684102 température azido-l,époxy diazido-l,3- solvant (OC) 2,3 propane propanol-2 rendement % rendement % hexadécane 95 O O dioxane 80 32 O benzene 80 60 O chlorure de méthylène 40 44 O dichloroéthane 40 42 O tétrahydro furane 80 O 39 eau 100 O 90 Il apparaît que l'eau est le seul solvant qui fournit une diazidation sélective et avec un rendement élevé. Ainsi la réaction se révèle d'une sélectivité parfaite en produisant exclusivement des polyazidoalcools et avec un rendement très élevé R 1 L'oxirane est de formule X dans laquelle X représente un substituant nucléofuge, RI représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle inférieur substitué ou non par un halogène, un groupe aryle éventuellement substitué, R 2 représente un atome d'hydrogène, un radical alkyle inférieur éventuellement substitué, un groupe aryle éventuellement substitué, R 3 représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle inférieur éventuellement substitué, un groupe aryle éventuellement substitué, R 4 représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle inférieur éventuellement substitué, un groupe aryle éventuellement substitué par un groupement alcoxy. Préférentiellement, l'azoture utilisé est l'azoture de sodium. Le groupe nucléofuge est un atome d'halogène, un radical tosylate ou un radical mésylate. De manière avantageuse, la réaction est effectuée en présence d'un catalyseur de transfert de phase, ce qui accroît la disponibilité nucléophile du groupement N 3 de l'azoture de sodium. 2684102 Le catalyseur est choisi parmi les sels d'ammonium quaternaire, le chlorure de tricaprylylméthylammonium, qui est de surcroit le plus économique, se révélant être ici le catalyseur donnant les meilleurs résultats Les cryptates de même que les sels de phosphonium conviennent également. Le tableau ci-dessous fait apparaître l'influence de la nature du catalyseur sur le rendement de la réaction lorsqu'on fait réagir de l'azoture de sodium ( 4 équivalents) sur de l'épichlorhydrine ( un équivalent) en milieu aqueux ( 0, 20 équivalent d'eau) à 80 C. Catalyseur Rendement en diazido-1, 3 propanol-2 (%) Aucun 38 Chlorure de tricaprylylméthylam- monium 90 bromure de benzyltriméthylammonium 72 chlorure de méthyltrialkyl(C 8 _C 10) ammonium 72 bromure de tétraéthylammonium 72 chlorure de tétraéthylammonium 69 bromure de tétrabutylammonium 84 chlorure de tétrabutylammonium 54 chlorure de cétylpyridinium 60 bromure d'hexadécyl triméthylam- monium 57 bromure d'hexadécyl tributylphos- phonium 57 bromure de tétrabutylphosphonium 69 chlorure de tétrabutylphosphonium 70 pentaoxa-2,5,8,11,14 pentadécane tétraglyme 65 hexaoxa-l,4,7,10,13,16 cyclo- octadécane 73 bromure de méthyltriphényl- phosphonium 61 Il apparaît que le catalyseur permettant d'obtenir le meilleur rendement est le chlorure de tricaprylylméthylammonium. La température de la réaction a une influence notable sur la vitesse de formation des polyazidoalcools On opère de préférence à une température comprise entre 20 C et 100 C. 6 2684102 Dans le cas de la synthèse des diazidopropanols la température préférée est de 80 OC. La quantité d'azoture de sodium conduisant aux meilleurs résultats est de 4 équivalents. Dans les conditions précédemment citées la durée de la réaction est d'environ 72 heures pour que tout le produit de départ ait disparu. La réaction observée est schématisée ci-dessous: L rnazidatlon RSKRS K, R D Ip N z i N 3 OHO Les substituants R 1, R 2, R 3, R 4, et X ont les significations indiquées précédemment. En règle générale, le substituant R 5 est identique à R 1, R 6 est identique à R 2, R 7 est identique à R 4 et R 8 est identique à R 3 On obtient deux familles de nouveaux composés les diazido-1,3 alcools et les diazido-l,2 alcools, selon le25 choix des substituants R 1 à R 4 Ces deux familles de composés ne sont jamais obtenues simultanément. Dans le cas de l'épichlorhydrine, o R 1 à R 4 représentent des atomes d'hydrogène et X un atome de chlore, on obtient un diazido-1,3 alcool selon une réaction de type SN 2: N 3 N CI N-,3) 3 1 3 Diazido alcools H-OH Avec l'épibromhydrine portant un substituant R 1, on obtient un diazido-1,2 alcool. N N 12-Edoalcols N 3 é N E H-OH H?-OH Les polyazidoalcools selon l'invention sont très énergétiques et doivent être manipulés avec les précautions d'usage Il faut éviter de les distiller dans la mesure du possible Il est recommandé de ne pas les soumettre à des chocs ni d'augmenter brutalement leur température. Les polyazidoalcools obtenus selon le procédé de l'invention sont facilement réduits par hydrogénation catalytique en présence de palladium sur charbon en polyaminoalcools, ce qui représente une voie d'accès aisée à ces derniers composés. Dans le cas de diazido-1,3 alcools la réaction est la suivante: a I R i C,/d R O s R" R 7 R 8 N 3 N 3 NH 2 NH 2 Il est de même très facile de transformer ensuite lés polyaminoalcools en leurs urées correspondantes par réaction avec le phosgène selon le schéma suivant, en ce qui concerne les diamino-l,2 alcools O 2 îR RO 1,Toluène> N 4 -600 CHN H o Il peut également s'avérer intéressant de préparer des polyazidothiols à partir des polyazidoalcools obtenus par le procédé de l'invention Pour cela dans un premier temps, on synthétisera le dérivé chloré des polyazidoalcools par addition de chlorure de thionyle en présence de pyridine au sein du chloroforme Le passage au dérivé thiol se fait alors par réaction du produit obtenu avec de l'hydrosulfure de sodium en présence de soude et de méthanol. L'application la plus intéressante des polyazidoalcools reste néanmoins grâce aux propriété énergétiques procurées par les groupements azides la préparation de compositions liantes pour propergols. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'exemples non limitatifs. EXEMPLE 1 Diazidation de l'épichlorhydrine. Dans un tricol de 100 ml muni d'une agitation magnétique, d'un thermomètre, d'un réfrigérant, et d'une ampoule de Mariotte, on mélange 4 équivalents ( 200 m M) d'azoture de sodium Na N 3, 0,2 équivalent ( 10 m M) de chlorure de tricaprylylméthylammonium et 1 équivalent d'épichlorhydrine ( 50 m M) dans 60 ml d'eau Le milieu réactionnel est agité pendant 72 heures à 80 C La phase organique est extraite au chlorure de méthylène, lavée et séchée sur sulfate de magnésium Mg 504 Apres évaporation des solvants, les produits sont séparés par chromatographie éclair en utilisant des mélanges acétyléther/éther de pétrole On obtient du diazido- 1,3 propanol-2 avec un rendement de 93 % Le produit est caractérisé par spectroscopie R-M N et infrarouge. IR (film entre pastille Na Cl) bandes OH: ( 3000-3700) cm-1 bandes N 3: ( 1890-2320) cm-1 RMN 1 H (CDC 13), 60 M Hz 3.10 (s,1, OH échangé avec D 20,d avec DMSO). 3.30-3 50 (d, 4, CH 2 N 3), 3 60-4 10 (m,1, CHOH) -RMN 13 C (CDC 13), 400 M Hz 53.70 (CH 2 N 3), 69 43 (CHO) R R' Diazidation d'oxiranes de formule 7 X Le mode opératoire est identique à celui de l'exemple 1. On obtient des diazidoalcools de formule: R 5 as ú 9 SH 9 D H H LTHSDU JE H SH 9 DH LTH 8 DU z 98 úHD H H LTH 8 DU Z H úHO H LTHSDU TZ 69 SH 9 D H H SHZO as H SH 9 DH SHZD Z 9 L EHO H H SH;ZD a H úHO H SHZD 61 L 9 %HO H H úHO JE H ' HD H EHO 8 i (%) 8 S LE 9 H S X V EU f ZE l N Id sÀa NSN EN Uoa i HH N Ino Hd na sm N-1 SN Tdixo I aa s E HH No u a OH Hnt hèV r N 88 C;s X 9 : asnuioi ap sloole op Tz Tp sap qua 8 qo uo \ 1, x : a Inu Lo; ap sau 2 a Txo sep ans T Tduiaxa,l ap eaoo;:agdo oz ap OUT MI uolas uln Tpos Vp Vln O oze,T ap:zt 69 que STU; u S EE 8 T-SH Id NHX. (Dzexsof no azeuoj Tns auanior-d) úos t H 9 %L Had wem Tpai el lau Sisap S 10 () (azeis 9 w) Eo S -HD 18 s Tpez Pl O a U Bts Dp s Ho (T) H H H H(z H H H H( H H H H IDZ 13 Dil Fl, I G Hg DOI-I új I Dúl I. MI Od G Hl-9 D1-1Il I-{CI 4 DOSI-9 DH 11 H SHOD i H 11 Z Lj O U1 11 14 61 '-I'UH}I i T^i D H H I.l -3 HH 11 1103 I-l H úI-13úHO 3 ú 113 1 H 1 XH H ú 113 H I1 Fl l l 1-1 H _ ) SO H H H H I HF H H H, I:D H ' l H I 3 FIDI 1- Jl 1 i 11 SI-90 Si-0/49 D ú 43 ID úHDOI-SF 19 D HM I 1 ID ID as ID 1 D ID ae ID J Ic ID H li S-93 1 H Hi TI I Dtil 11 H 11 0 HI'DttH Fi H 9 HD 11 FH H CI-FO H H,H H 1ID 1 113 H H Fl F H- 1 H, ú 113H I ' H H H H- I r X 1 úJVI D f NVUZXO,'{:3 û 3 n,'v, Ue A Tln S nuelqu np LI Z salduoexa sel uo Tas Z O TV 89 Z 0 E E 6 /9 6 ú I-; 01 ' oe 0.'- PL 1 '1 úL IL GZ ST LT ri; g'i TT OT L C? c S o O B'niî Il ressort des exemples 1 à 22 ci-dessus que: les diazidoalcools sont obtenus avec d'excellents rendements les deux familles d'azidoalcools, à savoir les diazido-l,3 alcools et les diazido-l,2 alcools ne sont jamais formés simultanément L'obtention de l'une ou l'autre famille est uniquement fonction de la structure de l'oxirane de départ. Il est à remarquer, qu'au cours de la diazidation du composé 12, on observe une déméthylation qui peut être due à la formation in situ d'acide azothydrique HN 3 ou à une substitution nucléophile. Le rendement de la réaction de diazidation est influencé par la nature du substituant nucléofuge situé en B du groupe époxy de l'oxirane Les meilleurs résultats sont obtenus avec le chlore et le mésylate comme le montre le tableau suivant relatif à des oxiranes de formule -X selon la réaction:7 O il t 4 éq Na N 3 + 0 2 éo catalyseur 60 n UH O I I À 72 hà WC N 3 C:3 C 0 3 C{N De manière surprenante, on n'observe pas en milieu aqueux d'hydrolyse notable de l'oxirane de départ, même avec l'épiiodhydrine qui est très réactive. NATURE DE L'OXIRANE Produit Formé X RENDEMENT (%) O X est Cl 90 X est Br 76 X est I 67 X est O Ms 93 X est O Ts 56 11 2684102 EXEMPLE 23: Synthèse de polyaminoalcools. Par une technique classique d'hydrogénation, les diazido- alcools sont réduits dans l'éthanol en utilisant du Pd/C à 10 % comme catalyseur sous une atmosphère d'hydrogène. Quand la réaction est terminée, le milieu réactionnel est filtré sur Célite 545 et le solvant est évaporé Les diamino- alcools sont obtenus avec une pureté suffisante pour se passer de purification Ce sont tous des gommes ou des liquides visqueux. Le tableau ci-dessous indique les résultats obtenus lors de la réduction des diazidoalcools des exemples 2 à 17. NATURE DE L'OXIRANE NATURE DU DIAZIDOALCOOL RENDEMENT EN No de l'exemple No de l'exemple POLYAMINOALCOOL % 2 2 95 3 3 95 4 4 95 5 89 6 6 96 7 7 91 8 8 95 9 9 92 10 92 il il 78 12 12 a /12 b 85 / 81 13 13 97 14 14 95 18 18 91 19 19 92 20 > 99 21 21 92 22 22 > 99 EXEMPLE 24 Synthèse des urées. Dans un tricol de 100 ml contenant 1 équivalent de polyaminoalcool, dilué dans 50 ml de toluène, on additionne a 600 C, 0,5 équivalents de phosgène en solution à 20 % dans le toluène On laisse revenir à température ambiante, agite deux jours à température ambiante et évapore On obtient ainsi l'urée qui est purifiée par lavage au chloroforme. Le tableau indique les rendements exemples suivants: obtenus dans les POLYAMINOACIDE : UREE FORMEE Rendement (%) CH 3 CH 3 C 113-HCCH-CHOH-C 113 N Hz N:H 2 OHHN%NH -93 C 2 HS-HC-CH-CHOH-CH 3 l % CH 3 I I CH 3 HN,NH 9 NH;NH 2 O H 95 C 2 HI H| H-C-c-H-C C C 5 H n C 2 H 5-HC-CH-CHOH-CH C-2 15 C"- 3 HN,c ONH NHN 2 C\,,9 N Ha NHH 2 O HN% NH 9 C il O n Cs Hl? l I l C Hs 3 N Cs H 17-HC-CH- CHOH-C Hs NH 2 OH HN\ NH 96 Il C O n Cs Hl 7-HC-CH-CHOH Cs H 5 n CH 17 C 6 HNJ CH 95 NH_ 5 NHH c O Les analyses spectroscopiques et centésimales confirment les structures proposées pour ces urées.35 On note que, dans les mêmes conditions, les diamino-l,3 alcools ne réagissent pas. EXEMPLE 25 Transformation directe de diazidoalcools en diazidothiols. Synthèse du diazido-1,3 propanethiol-2. On procède en 2 étapes. I 1) Synthèse du diazido-1,3 chloro-2 propane à partir du diazido-1,3 propanol-2. Dans un tétracol de 250 ml muni d'une agitation magnétique, d'un thermomètre, d'un réfrigérant, d'une ampoule de Mariotte et contenant 2 équivalents de pyridine ( 2,035 M, ,54 g) et 1 équivalent de 1,3 diazido-1,3 propanol_ 2 ( 0,035 M), on additionne très lentement à 200 C, 1,5 équivalent de chlorure de thionyle ( 0,053 M, 6,8 g) Le milieu réactionnel est agité alors 12 heures à 50 C On jette sur glace, extrait au chlorure de méthylène, lave les phases organiques avec une solution d'H Cl à 10 %, sèche sur Mg SO 4 et évapore les solvants. Le dérivé chloré est purifié par chromatographie éclair, en utilisant comme éluant un mélange acetylether/éther de pétrole à 10 %. On isole ainsi 4,89 g de composé chloré, soit un rendement de 87 %. 2) Transformation en diazidothiol. Dans un tétracol de 250 ml muni d'une agitation magnétique, d'un thermomètre, d'un réfrigérant, d'une ampoule de Mariotte et contenant 1,5 équivalent d'hydrosulfure de sodium ( 0,53 M, 29,43 g), dilués dans 50 ml d'alcool méthylique fraîchement distillé, on additionne, à température ambiante, 1 équivalent de diazido-1,3-chloro-2- propane ( 0,35 M) Le milieu réactionnel est agité 72 heures à température ambiante On ajoute alors lentement 1 équivalent de soude en pastille On jette sur glace, extrait au chloroforme, et sèche sur Mg SO 4. Le produit est alors purifié par chromatographie éclair, en utilisant comme éluant un mélange acétyléther/éther de pétrole à 10 %. On isole ainsi avec un rendement de 40 % le diazidothiol. 14 2684102 REVENDICATIONS 1-Procédé de préparation de polyazidoalcools par réaction d'un oxirane polysubstitué possédant en position B un groupe nucléofuge avec un azoture métallique, caractérisé en ce que la réaction s'effectue en milieu aqueux. 2-Procédé de préparation de diazidoalcools selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxirane est de formule 3 R' O dans laquelle X représente un substituant nucléofuge, R 1 représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle inférieur substitué ou non par un halogène, un groupe aryle éventuellement substitué, R 2 et R 3 représentent chacun un atome d'hydrogène, un radical alkyle inférieur éventuellement substitué, un radical aryle éventuellement substitué, R 4 représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle inférieur éventuellement substitué, un groupe aryle éventuellement substitué par un groupement alcoxy. 3-Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'azoture métallique est l'azoture de sodium. 4-Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le groupe nucléofuge est un atome d'halogène, un radical tosylate ou mésylate. -Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on opère en présence d'un catalyseur. 6-Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi les sels d'ammonium quaternaire, les sels de phosphonium quaternaire,les cryptates et est de préférence le chlorure de tricaprylylméthylammonium. 2684102 7-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction s'effectue à une température comprise entre C et 100 C. 8-Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température de réaction est de 80 C. 9-Diazidoalcools préparés selon le procédé de la revendication 2 et de formule H O 3 N 3 N 3 O H dans laquelle les substituants R 1, R 2, R 3, R 4 ont les significations mentionnees dans la revendication 2. -Application à la préparation de polyaminoalcools par hydrogénation catalytique des polyazidoalcools préparés selon l'une des revendications 1 à 8. 11-Application à la préparation d'urées par réaction des polyaminoalcools préparés selon la revendication 10 avec du phosgène. 12-Application à la préparation de polyazidothiols par addition à des polyazidoalcools obtenus par le procédé de préparation selon la revendication 1 de chlorure de thionyle en présence de pyridine puis par réaction du produit obtenu avec de l'hydrosulfure de sodium en présence de soude. 13-Composition liante pour propergols, caractérisée en ce qu'elle contient des polyazidoalcools préparés par le procédé de la revendication 1.