Brevet FR2685696A1 — publié le 19930702

La présente invention est relative à un procédé d'obtention d'amines tertiaires méthylées, qui consiste à faire réagir de l'hexaméthylènetétramine sur un précurseur azoté en présence d'hydrogène et d'un catalyseur. 5 Les amines tertiaires monométhylées ou diméthylées auxquelles on peut accéder grâce à l'invention appartiennent à un ensemble très vaste d'amines cycliques ou acycliques représentables par des formules très générales de molécules diversement substituées10 sur l'azote, telles que CH 3 R 1 1 B R 1-N NN-CH 3, -CH 3 CH 3 R 2 3 2 englobant entre autres des polyamines et des amines et polyamines mixtes. Les amines tertiaires mono ou diméthylées constituent la base d'au moins trois types de dérivés très recherchés dans l'industrie: les sels d'ammonium quaternaire, les bétaïnes et les oxydes d'amines dont les applications sont nombreuses en détergence, en cosmétique, comme bactéricides, antibiotiques, comme agents de traitement des textiles, ou encore pour la fabrication des argiles organophiles - Il existe de nombreux procédés d'obtention d'amines tertiaires méthylées, parmi lesquels on relève la méthylation directe des amines primaires ou secondaires par divers réactifs de méthylation, dont le chlorure ou le sulfate de méthyle, ou le système formol/acide formique (réaction de Leuckart-Wallach - pour références, voir Merck Index, 1 oe édition, p ONR-55), l'hydrogénation des dialkylamides (par exemple EP 412359 - Hoechst, ou FR 2633927 CECA S A), ou encore par la transformation des nitriles par le système formol hydrogène (JP 63287752 Kao soap). Ces procédés présentent divers inconvénients majeurs Ainsi, ceux qui qui exploitent la réaction de Leuckart, déjà de conduite difficile, produisent des amines en outre contaminées par du formol; d'autres qui mettent en oeuvre la méthylation par le chlorure de méthyle, outre qu'ils sont générateurs d'acide chlorhydrique, présentent des défauts de sélectivité, les produits résultants contenant des proportions difficilement contrôlables de sels d'ammonium quaternaire L'hydrogénation directe des amides procède sur catalyseur au chromite de cuivre, incompatible avec les catalyseurs au nickel utilisés par ailleurs dans les installations produisant des amines: ceci multiplie le nombre des unités et augmente les coût globaux de production de ces installations. La demanderesse a maintenant trouvé que, dans les conditions que l'on va préciser, l'hexaméthylène-tétramine pouvait constituer un réactif précieux de méthylation des amines ou des nitriles dont les avantages apparaîtront clairement dans la présente description. L'hexaméthylènetétramine (ci-après HMTA) est le composé bien connu, de formule générale C 6 H 12 N 4, répertorié sous le-"registry number" lRN = 100-97-0 l, résultat de la condensation de formol et d'ammoniac L'HMTA est un composé tétracyclique, comme l'indique son nom officiel de 1,3,5,7-tétraaza- tricyclo l 3 3 1 13 '7 l décane ou, pour rappeler sa structure dans l'espace, son appellation de 1,3,5,7-tétraazaadamantane L'HMTA est surtout utilisée, outre comme antiseptique, notamment en thérapeutique urinaire (urotropine), comme donneur de formol (durcisseur de résines formophénoliques, agent de vulcanisation des caoutchoucs, inhibiteur de corrosion du fer C'est également une base susceptible de donner des sels cristallisés avec les acides minéraux ou organiques L'HMTA se comporte aussi comme une amine tertiaire vis à vis des agents de quaternisation et fournit des sels d'ammonium quaternaires dont l'hydrolyse libère l'amine correspondante, ce par quoi l'HMTA fonctionne comme agent d'amination (voir par exemple, K E Schulte et M Goes, Arch Pharm 290, 118-30, 1957). Les réactions générales qui basent la présente invention sont représentables par l'une ou l'autre des équations ci-dessous R 1 NH 2 + X C 6 H 12 N 4 + y H 2 -* R 1 N(CH 3)2 + P NH 3 + q N(CH 3)3 ou R 1 R 2 NH + x' C 6 H 12 N 4 + y' H 2 R 1 R 2 NCH 3 + p' NH 3 + q' N(CH 3)3 ou encore R 5 CN + x" C 6 H 12 N 4 + y" H 2 - R 5 CH 2 N(CH 3)2 + p"L NH 3 + q" N(CH 3)3 formules dans lesquelles les divers coefficients yi, pi et qi dépendent et peuvent s'exprimer en fonction des valeurs respectives xli Si l'on se place, pour simplifier, dans le cas15 de la méthylation d'une amine primaire, la réaction optimale est représentable globalement par R 1 NH 2 + 1/3 C 6 H 12 N 4 + 2 H 2 - R 1 N(CH 3)2 + 4/3 NH 3 En pratique, la réaction s'exploite avec des quantités supérieures d'HMTA, surtout lorsqu'elle est appliquée à des précurseurs à longue chaîne grasse Le taux de conversion du précurseur azoté est gouverné par le rapport molaire x de 1 'HMTA à l'azote méthylable Ce rapport est lié à l'encombrement stérique du site azoté, donc à la structure même des précurseurs I 1 impose donc la quantité d'hydrogène consommé y, et la composition en sous-produits de réaction, NH 3 et triméthylamine, dans les effluents gazeux. La méthylation par 1 'HMTA est une réaction sélective On entend par là que dans les conditions qui sont celles de l'invention, seules les fonctions amines ou nitriles participent à la réaction I 1 est ainsi possible d'utiliser comme précurseurs azotés des produits aussi divers que les aminoalcools, les amidoamines ou les étheramines en respectant l'intégrité des fonctions associées à la fonction amine ou nitrile de ces précurseurs La réaction permet ainsi d'atteindre des méthylamines très variées en s'adressant à de très nombreux précurseurs azotés. Le procédé selon l'invention permet ainsi l'obtention d'alkyldiméthylamines grasses à partir de précurseurs azotés comportant une fonction amine primaire, molécules représentables par une formule générale R 1 NH 2: monoamines vraies, o R 1 est un 5 reste R hydrocarboné linéaire ou ramifié, saturé ou insaturé comportant de 10 à 22 atomes de carbone; aminoalcools, avec R 1 constitué d'un reste monovalent tel HO-CH 2-CH 2 ou HO-CH(CH 3)- CH 2-; étheramines, dans lesquelles R 1 est un groupe R-O-(CH 2)3-, R ayant la même définition que ci-dessus; étheramines, R 1 y10 ayant la signification R-(OCH 2- CH 2)p, R-lOCH(CH 3)-CH 2 lp ou R-lOCH 2 _CH(CH 3)lp, dans lesquels R a la même signification que ci-dessus et o p est un nombre qui peut prendre toute valeur statistique positive. Les précurseurs azotés utilisables dans la réaction selon l'invention sont aussi les amines secondaires, de formule générale R 1 NHR 2 simples ou complexes, o R 1 a la même définition que précédemment, o R 2 peut être CH 3 ou R 1, R 1 et R 2 pouvant en outre être engagés dans un cycle, en l'occurence amine cyclique comportant le cas échéant un second hétéroatome azote ou oxygène. La méthylation par 1 'HMTA est évidemment applicable aux polyamines, à commencer par les diamines a-w, H 2 N-(CH 2)r-NH 2 o r est un nombre entier pouvant prendre toute valeur entière égale ou supérieure à 2 et qui peut être très grande, bien que pratiquement on ne dépasse pas les valeurs de 14/16, et d'une façon générale les polyamines représentables par une formule telle que (H ou R 2)-l-N-(CH 2)n-lm-NH-R 4 R 3 o R 1 a la même définition que précédemment, o R 2 a la signification précédente de CH 3 ou R 1, o R 3 est H ou CH 3 ou RI,35 o R 4 est H ou CH 3 ou R ou R 1, o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, o m est un entier ou un nombre quelconque à valeur statistique supérieure à 1, S 2685696 R 2 et R 3 pouvant en outre être refermés pour former une amine cyclique ou même un cycle azoté contenant un autre hétéroatome azoté ou oxygéné. Ces polyamines comprennent en particulier les diamines, comme les alkylpropylènes diamines, que le procédé selon l'invention transforme en des mélanges plus ou moins complexes de polyamines méthylées telles que (H ou CH 3) R-N,(H ou CH 3) (CH 2) 3-N CH 3 Les dérivés correspondants à chaîne grasse, et plus précisément à chaine suif sont industriellement très intéressants En effet, les alkylpropylène-diamines grasses à base suif sont des produits très utilisés par l'industrie routière comme émulsifiants des bitumes Elles ont l'inconvénient d'être solides ou pâteuses: les diamines méthylées qu'on obtient en leur appliquant le procédé selon l'invention en ont conservé les remarquables propriétés émulsifiantes, mais ont des points de fusion plus bas, ce qui en facilite très notablement la manipulation et le dosage Elles constituent de plus les précurseurs des chlorures d'alkylpropylènes di-ammoniums quaternaires également utilisés dans l'industrie routière. Parmi les nombreuses autres polyamines utilisables comme précurseurs azotés pour le procédé selon l'invention, il convient également de préciser les polyamines grasses, linéaires ou ramifiées sur l'azote selon l'une ou l'autre des formules générales R-NH-l(CH 2)n - NHlm -(CH 2)n -NH 2 ou l(CH 2)n -NHlm -(CH 2)n -NH 2 R-N l (CH 2)n'- NHlm'-(c H 2)n'-NH 2 o R est une chaîne hydrocarbonée comportant de 10 à 22 atomes de carbone; o N et n' sont des entiers pouvant prendre les valeurs 2 ou 3; o m et m' peuvent prendre toute valeur entière ou statistique de O à 3. Ces produits, et notamment les polyamines à chaîne suif représentables par la première de ces formules, et dans laquelle n est 3 et m une valeur statistique d'environ 2 à 3, sont également utilisés dans l'industrie routière comme dopes d'adhésivité et émulsifiants des bitumes; la méthylation selon l'invention les transforme en des produits à point de fusion contrôlé, lequel dépend du taux d'alkylation. Les amidoamines ou amidopolyamines grasses, produits industriels souvent en compétition avec les précédents, représentables par R-CO-lNH-(CH 2)nlm-NH-(CO-R ou H) o R est un reste hydrocarboné comme précédemment défini, o N a généralement la valeur 2 ou 3, et m une valeur statistique de 1 à 6, ainsi que leurs dérivés plus ou moins cyclisés en imidazolines ou tétrahydropyrimidines, sont également méthylables par le procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention permet également l'accès aux amines méthylées directement à partir des nitriles, soit à partir des mononitriles gras, simples ou complexes tels que R 5-CN o R 5 est R ou R-O-(CH 2)2-, mais aussi à partir d'aminonitriles R 6-N l-(c H 2)n-N-lm (c H 2)2 c N Rl R 62) 2-C= R 6 R 6 formule dans laquelle les R 6 peuvent être indépendamment les uns des autres H ou CH 3 ou R 1, deux R 6 lorsqu'ils sont substituants sur le même azote pouvant en outre être bouclés formant une amine cyclique, laquelle pouvant même contenir un autre hétéroatome azoté ou oxygéné, et o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, m est un entier ou un nombre à valeur statistique pouvant prendre toute valeur de O à 3 La sélectivité de la réaction qui a été signalée plus haut permet la méthylation à la fois des azotes amines et nitriles de ces précurseurs, tout en respectant les autres fonctions éventuellement associées. Parmi ces produits, mention doit être faite en particulier des dinitriles NC (CH 2)q-C-N o q est un entier pouvant prendre toute valeur égale ou supérieure à 2, valeurs ne dépassant cependant pas 14 dans la pratique, et les aminonitriles intermédiaires de la synthèse industrielle des polyamines par cyanoéthylation, et qu'on représente par l'une ou l'autre des formules R 6-NH-l-(CH 2)n-NH-lm-(CH 2)2-C=N ou l- (CH 2) n-NH lm (CH 2) 2 -CN R -N R 6-N l-(CH 2) n-NH-lm (CH 2) 2 -CN o R 6 est H ou CH 3 ou R 1, o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, et o m est un entier pouvant prendre toute valeur entière ou statistique de O à 3. D'une façon générale, la préparation d'amines tertiaires méthylées selon l'invention par réaction de précurseurs azotés et d'HMTA est conduite sur catalyseurs au nickel supporté, sous des pressions d'hydrogène comprises entre 3 et 50 bars, et à des températures au plus égales à 160 C. Le procédé selon l'invention présente l'avantage de ne pas donner lieu à formation de mousses, comme celles qui gênent considérablement le déroulement des procédés qui exploitent la réaction de Leuckart Les réactions mises en jeu engendrent les 5 amines tertiaires visées avec des sous-produits limités, tant qualitativement que quantitativement; il n'est donc pas nécessaire de procéder à des lavages répétés pour éliminer les impuretés des produits finals C'est probablement pour cette raison que les dérivés quaternaires (sels d'ammonium quaternaire10 ou bétaïnes) formés à partir des méthylalkylamines obtenues selon l'invention ne présentent pas les colorations roses qui affectent ces produits lorsqu'ils sont issus des amines tertiaires obtenues selon les procédés de l'art antérieur. Les exemples suivants feront bien comprendre l'invention. Exemple 1: méthylation de monoamine de coprah. Dans un réacteur de 2 litres, on charge 700 grammes d'une monoalkylamine commerciale (Noram C de CECA S A, dont la répartition des chaînes est celle des acides de coprah dont elle est issue, c'est à dire riche en chaînes à 12-14 carbones, d'alcalinité égale à 5,20; ce produit contient environ 3,8 % en poids d'amines secondaires dialkyles), 363 grammes d'HMTA (rapport molaire amine/HMTA = 0,70) et 7 grammes d'un catalyseur au nickel supporté du type E 230 P (Degussa) à 63 % de nickel (soit 1 % de nickel par rapport à la monoalkylamine). Sous agitation à 1100/1500 tr/min, on dégaze l'ammoniac et la triméthylamine formés par étape à 1300 C lorsque la consommation d'hydrogène est nulle, puis on remonte à 1550 C et ainsi de suite jusqu'à absence totale de consommation à 1550 C La pression d'hydrogène est de 20 bars L'opération dure de 5 à 7 heures. Après séparation du catalyseur, l'amine brute récupérée a la composition suivante: Composition % en poids Monoalkylamines 0,81 Monométhylmonoalkylamines R-NH-CH 3 3,7 Diméthylmonoalkylamines R-N-(CH 3)2 89,1 Dialkylamines 3 R-NH-R Monométhyldialkylamines 3,0 (R-NCH 3-R) On peut aisément en séparer par simple distillation la composante lourde dialkyle, laquelle provient pour une part non négligeable des dialkylamines présentes dans l'amine de départ. On obtient alors un mélange dont la composition s'établit à Composition % en poids Monoalkylamines 0,9 Monométhylmonoalkylamines R-NH-CH 3 3,9 Diméthylmonoalkylamines R-N-(CH 3)2 95,2 Exemple 2: préparation de diméthylalkylamine à partir d'un nitrile. Dans un réacteur identique à celui de l'exemple 1, on charge 700 g d'un nitrile à base coprah, 1,6 % du même catalyseur E 230 P que précédemment, et 371 g d'HMTA (rapport molaire de 0,70) La réaction est conduite dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. On obtient: Composition Monoalkylamines Monométhylmonoalkylamines R-NH-CH 3 Diméthylmonoalkylamines R-N-(CH 3)2 Dialkylamines R-NH-R Monométhyldialkylamines (R-NCH 3-R) % en poids négligeable négligeable 76,8 4,5 19,7 Exemple 3: préparation de N-méthyl-dialkylamine de suif- hydrogéné à partir de la dialkylamine correspondante. Dans un réacteur identique à celui de l'exemple 1, on charge 700 g d'une dialkylamine de suif hydrogéné (Noram 25 H de CECA S A), 1,6 % en poids du même catalyseur E 230 P que précédemment, et 72,3 g d'HMTA (rapport molaire amine/HMTA = 1/0,37) Après réaction, on obtient: Composition Monoalkylamines Monométhylmonoalkylamines R-NH-CH 3 Diméthylmonoalkylamines R-N-(CH 3)2 Dialkylamines R-NH-R Monométhyldialkylamines (R-NCH 3-R) % en poids négligeable négligeable négligeable 56,0 44,0 Avec un chargement de 136 g d'HMTA, (rapport molaire 1/0,70), toutes les autres caractéristiques étant inchangées, on obtient: Composition % en poids Monoalkylamines négligeable Monométhylmonoalkylamines R-NH-CH 3 négligeable Diméthylmonoalkylamines né R-N-(CH 3)2 ngligeable Dialkylamines R-NH-R 28,4 Monométhyldialkylamines 71,6 (R-NCH 3-R) La réaction de 1 'HMTA sur les dialkylamines grasses est particulièrement intéressante en ce qu'il n'y a pas de sous- produit de réaction et que le produit final que l'on recueille est la méthyldialkylamine avec la dialkylamine de départ. Exemple 4: réaction de la diéthanolamine et de 1 'HMTA. Dans l'appareillage utilisé dans l'exemple 1, on charge 700 g de diéthanolamine et 346 g d'HMTA (rapport molaire = 1/0,35) Après réaction dans les conditions de l'exemple 1, on obtient: Composition % en poids Diéthanolamine (HOCH 2 CH 2)2 NH 8,1 Méthyl-diéthanolamine (HOCH 2 CH 2)2 NCH 391, Le produit de cette réaction est un produit simple, mélange du seul produit de réaction, la méthyldiéthanolamine avec la diéthanolamine de départ. 1 l 12 2685696 La méthyldiéthanolamine est un intermédiaire fort intéressant pour l'obtention d'amino-esters et de leurs dérivés d'ammonium quaternaire, utilisables, notamment pour la formulation d'adoucissants textiles biodégradables. L'exemple est transposable directement à la méthylation de la monoéthanolamine, pour donner essentiellement de la monométhyl- éthanolamine et de la diméthyléthanolamine. REVENDICATIONS 1) Procédé pour l'obtention d'amines tertiaires méthylées caractérisé en ce que l'on fait réagir l'hexaméthylène-tétramine sur des précurseurs azotés pris dans le groupe constitué par les amines primaires ou secondaires, les nitriles et les aminonitriles, la réaction étant conduite sous pression d'hydrogène et en présence d'un catalyseur d'hydrogénation, à une température au plus égale à 160 C. 2) Procédé selon la revendication 1 dans lequel le catalyseur est un catalyseur d'hydrogénation au nickel supporté. 3) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une monoamine primaire R 1 NH 2, o R 1 est: un reste R, hydrocarboné linéaire ou ramifié, saturé ou insaturé comportant de 10 à 22 atomes de carbone, ou un groupe HO-CH 2-CH 2 ou HO-CH(CH 3)-CH 2-, ou un groupe R-O-(CH 2)3-, dans lequel R est un reste hydrocarboné linéaire ou ramifié, saturé ou insaturé comportant de 10 à 20 atomes de carbone, ou un groupe R-(OCH 2-CH 2)p, R-lOCH(CH 3)-CH 2 lp ou R-lOCH 2 _CH(CH 3)lp' dans lequel R a la même signification que ci-dessus et o p est un nombre qui peut prendre toute valeur statistique positive. 4) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une monoamine secondaire R 1 NHR 2, o R 1 a la même définition que dans le revendication 3, o R 2 peut être CH 3 ou R 1, R 1 et R 2 pouvant être refermés en amine cyclique, le cycle pouvant contenir accessoirement un autre hétéroatome azoté ou oxygéné. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le précurseur azoté est la monoéthanolamine ou la diéthanolamine. 6) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une diamine primaire H 2 N-(CH 2)r-NH 2 o r est un nombre entier pouvant prendre toute valeur égale ou supérieure à 2, généralement comprise entre 2 et 16. 7) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une polyamine représentable par la formule générale (H ou R 2)-l-N-(CH 2)n-lm-NH-R 4 R 3 o R 1 a la même définition que dans le revendication 3, o R 2 peut être CH 3 ou R 1, o R 3 peut être H ou CH 3 ou R 1 o R 4 est H ou CH 3 ou R ou R 1,20 o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, o m est un entier ou un nombre quelconque à valeur statistique supérieure à 1, R 2 et R 3 pouvant en outre être refermés pour former une amine cyclique ou même un cycle azoté contenant un autre hétéroatome azoté ou oxygéné. 8) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une polyamine grasse répondant à l'une ou l'autre des formule R-NH-l(CH 2)n -NHlm -(CH 2)n -NH 2 ou l(CH 2)n -NHlm -(CH 2)n -NH 2 R-N l(CH 2)n' -NHlm' (CH 2)n' -NH 2 o R est une chaîne hydrocarbonée comportant de 10 à 22 atomes de carbone; o N et n' sont des entiers pouvant prendre les valeurs 2 ou 3; o m et m' peuvent prendre toute valeur entière ou statistique de O à 3. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une diamine grasse répondant à la formule générale S-NH-(CH 2)3-NH 2 S étant une chaîne hydrocarbonée à base suif. ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le précurseur azoté est une polyamine grasse à chaîne suif, de formule RNH-l(CH 2)3NHlm-(CH 2)3-NH 2, o m a une valeur statistique d'environ 2 à 3. 11) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les précurseurs azotés sont des amidoamines ou amidopolyamines grasses représentables par R-CO- lNH-(CH 2)n-lm-NH-(CO-R ou H) o R est un reste hydrocarboné défini comme précédemment, o N a généralement la valeur 2 ou 3, et m une valeur statistique de 1 à 6, ainsi que leurs dérivés plus ou moins cyclisés en imidazolines ou tétrahydropyrimidines 12) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est un mononitrile représentable par la formule générale R 5-CN o R 5 est R ou R-O-(CH 2)2 -, R ayant la définition donnée plus haut. 13) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est un aminonitrile représentable par la formule générale R 6-N-l-(CH 2)n-N-l m (CH 2) 2 CN R 6 R 6 dans laquelle les R 6 peuvent être indépendamment les uns des autres H ou CH 3 ou R 1, deux R 6 lorsqu'ils sont substituants sur le même azote pouvant en outre constituer un cycle avec un hétéroatome azoté ou oxygéné, et o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, m peut prendre toute valeur de O à 3. 14) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est un dinitrile N=C (CH 2)q-C-N o q est un entier pouvant prendre toute valeur supérieure à 2, généralement comprise entre 2 et 14. 15) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur azoté est un aminonitrile représentable par l'une ou l'autre des formules R 6-NH-l-(c H 2)n-NH-lm-(c H 2)2-C=N ou l-(CH 2)nNH-lm (CH 2) 2 -CN R 6-N l-(CH 2)n-NH-lm (CH 2) 2 -C N o N est un entier pouvant prendre les valeurs 2 ou 3, o m peut prendre toute valeur entière ou statistique de O à 3, o R 6 est H ou CH 3 ou R 1.