Brevet FR2727409A1 — publié le 19960531

-1 - PREPARATION D'ACIDES ALCANESULFONIQUES PAR PHOTOOXYDATION DE DERIVES SULFURES La présente invention concerne la synthèse d'acides alcanesulfoniques et a plus particulièrement pour objet la préparation des acides alcanesulfoniques en C1 à C4 à partir des dérivés sulfurés correspondants. Les acides alcanesulfoniques et leurs sels ont de nombreuses applications industrielles, notamment comme détergents, émulsifiants, catalyseurs d'estérifica- tion, durcisseurs pour certaines résines. Industriellement, les acides alcanesulfoniques sont le plus souvent fabriqués à partir des alcanes par sulfoxydation ou par sulfochloration. Ces deux voies de synthèse présentent cependant l'inconvénient de conduire à la formation de sous- produits sulfonés sur les différents atomes de carbone de la chaîne hydrocarbonée. D'autre part, l'hydrolyse des alcanesulfochlorures conduit généralement à des aci- l5 des alcanesulfoniques plus ou moins colorés, et à la production non désirée d'acide chlorhydrique. Ces dernières années, de nombreux travaux ont été consacrés à la photo- chimie atmosphérique de composés organiques sulfurés (thiols, sulfures, disulfures) qui sont, à l'état de traces, des constituants atmosphériques d'origine biogénique ou, plus souvent, des polluants issus des technologies de production d'énergie. La plupart de ces études photochimiques ont été effectuées en phase gazeuse sous faible pression ( conditions mises en oeuvre. Les recherches sur la photooxydation en solution de composés organiques sulfurés ont été presque uniquement consacrées à la photooxydation des sulfures en présence de photosensibilisants pour la préparation de sulfoxydes et de sul- fones. Deux articles, I'un de R.W. MURRAY et al. (J. Org. Chem. Soc., 37, 1972, pp.3516-3520) et l'autre de E.L. CLENNAN et al. (Tetrahedron Lett. 35, 1994, pp.4723-6) concernment la formation de thiosulfinates et de thiosulfonates par pho- tooxydation des disulfures en présence de photosensibilisants. Il a maintenant été trouvé que d'excellents rendements en acides alcanesul- foniques peuvent être obtenus à partir des thiols, sulfures et disulfures, par photo- oxydation en présence d'oxygène sans catalyseur si l'on opère en solution dans l'acétonitrile aqueux ou alcoolique, avec une source lumineuse irradiant entre 200 et 400 nm. L'invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un acide alcane- -2- sulfonique R-SO3H à partir d'un dérivé sulfuré R-S-X correspondant, X représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle R ou un groupe alkylthio -SR, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une solution du dérivé sulfuré dans l'acétonitrile aqueux ou alcoolique, en présence d'oxygène, à une irradiation par des rayonne- ments lumineux de longueur d'onde comprise entre 200 et 400 nm. Le procédé selon l'invention s'applique plus particulièrement à la synthèse des acides alcanesulfoniques dont la chaîne hydrocarbonée, linéaire ou ramifiée, peut contenir de 1 à 4 atomes de carbone. Comme exemples de dérivés sulfurés à utiliser comme produits de départ, on peut mentionner, à titre non limitatif, le dimé- 1O thyl sulfure, le diméthyl disulfure, le diéthyl disulfure, le dipropyl disulfure, le n.butyl thiol, le di-n.butyl sulfure, le di-n.butyl disulfure, le di-tert.butyl disulfure. La concentration en dérivé sulfuré dans la solution réactionnelle de départ peut généralement aller de 0,01 à 5 mole/litre, mais elle est de préférence comprise entre 0,05 et 0,5 mole/litre. La quantité d'eau ou d'alcool dans la solution réactionnelle peut varier dans de larges limites. Elle peut aller jusqu'à 100 moles par mole de dérivé sulfuré, mais est de préférence comprise entre 1 et 50 moles par mole de dérivé sulfuré. Comme alcool on utilise de préférence un alcool en C1 à C4 et, plus particulièrement, le méthanol. L'oxygène, nécessaire à la réaction, peut être fourni sous forme pure ou diluée par un gaz inerte tel que, par exemple, l'azote. L'oxygène est de préférence introduit progressivement au sein de la solution réactionnelle. La quantité totale d'oxygène nécessaire est d'au moins 2 moles par mole de thiol ou de sulfure présent dans la solution initiale, et d'au moins 4 moles par mole de disulfure. Il est préférable d'opérer avec un excès d'oxygène d'au moins 50 %. La photooxydation selon l'invention peut être menée à une température comprise entre -20 C et le point d'ébullition du mélange réactionnel, mais on opère de préférence entre 5 et 45 C. L'opération est avantageusement réalisée à la pression atmosphérique, mais on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en travaillant sous pression. La procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de manière discontinue ou continue, dans tout réacteur photochimique, par exemple dans un réacteur à im- mersion ou à film tombant, équipé d'une ou plusieurs lampes à vapeur de mercure à basse, moyenne ou haute pression, ou de lampes excimères émettant dans l'ultraviolet. Les exemples suivants illustrent l'invention, sans la limiter. -3- EXEMPLE 1 On utilise un réacteur photochimique équipé d'un porte-lampe central à irm- mersion. La source lumineuse est une lampe Hanovia, moyenne pression de mer- cure, 450 W (référence 679 A) et le porte-lampe utilisé est en quartz. Avec ce porte- lampe, le volume de liquide dans le réacteur est de 250 ml et le trajet optique de 6,5 mm. Le réacteur et le porte-lampe sont thermostatés par une circulation d'eau courante et l'oxygène est introduit à pression atmosphérique par le bas du réacteur à travers un fritté (porosité 4). Pour minimiser l'entraînement des produits volatils, I'effluent gazeux en sortie du réacteur passe à travers un réfrigérant refroidi à l'eau; il est ensuite admis dans un barboteur à soude et enfin dirigé vers une torche. Dans le réacteur, on a introduit 250 ml d'une solution 0,2 M en diméthyldisul- fure (soit 0,05 mole de DMDS) dans l'acétonitrile contenant 27 ml d'eau. La solution a été laissée sous bullage d'oxygène (débit: 2,8 litres/heure) pendant 5 à 10 minu- tes à 15 C, puis on a allumé la lampe et, tout en maintenant le même débit d'oxy- gène, on a irradié pendant 2 heures et 45 minutes à 35-40 C. Après cette période, la solution était claire et homogène et on ne remarquait la présence d'aucun précipité. Après évaporation du solvant, on a obtenu 17,3 g d'un liquide incolore dont l'analyse par potentiométrie, gravimétrie et RMN1H indi- quait une conversion quasi-totale (98 %) du DMDS avec un rendement de 62 % en acide méthanesulfonique (AMS) et de 19 % en acide sulfurique. EXEMPLE 2 (Comparatif) On a répété l'exemple 1, mais en utilisant 250 ml d'une solution 0,2 M en DMDS dans l'acétonitrile anhydre et en poursuivant l'irradiation pendant 4 heures et 15 minutes. Après évaporation du solvant, on a obtenu 7,7 g d'un produit brut marron et inhomogène dont l'analyse, après reprise à l'eau et extraction au chloroforme, indi- quait une conversion totale (100 %) du DMDS avec un rendement de 44 % en acide méthanesulfonique et de 1,2 % en acide sulfurique. EXEMPLES 3 A 10 On a répété l'exemple 1, mais en faisant varier la quantité d'eau. Les résul- tats obtenus sont rassemblés dans le tableau I suivant. -4- TABLEAU I EXEMPLE 3 4 5 6 7 8 9 10 Quantité d'eau (ml) 0,9 1,8 1,8 2,7 9,9 18 57,6 90 Durée d'irradiation 3h lh30 3h30 3h30 3h 2h45 2h40 3h (heures et minutes) Taux de conversion du 98 60 99 99 99 98 100 100 DMDS (%) Rendement en AMS (%) 44 55* 57 55 66 70 62 44,1 Rendement en acide sulfurique (%) 4 3,4* 10 14 19 18 21 21,5 * Rendement par rapport au DMDS consommé EXEMPLES 11 A 14 On a opéré comme à l'exemple 1 mais en remplaçant le DMDS par la même quantité molaire d'autres dialkyl disulfures R-SS-R et en utilisant seulement 1,8 ml d'eau (2 moles par mole de disulfure). Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant. TABLEAU II EXEMPLE 11 12 13 14 Radical alkyl R C2H5 n-C3H7 n-C4H9 t-C4H9 Durée d'irradiation (heures et minutes) 4h30 4h 4h30 6h Taux de conversion du disulfure (%) 100* 100* 100* 100 Rendement en acide R-SO3H (%) 49 46 56 50 Rendement en acide sulfurique (%) 17,1 16 13 16 * après 3h30 après 3h EXEMPLES 15 ET 16 On a opéré comme à l'exemple 1 mais en remplaçant le DMDS par la même -5quantité molaire de di-n.butyl sulfure (Exemple 15) ou de n.butylthiol (Exemple 16) et en utilisant seulement 1,8 ml d'eau (2 moles par mole de dérivé sulfuré). Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau III suivant. TABLEAU III EXEMPLE 15 16 Durée d'irradiation (heures) 3h 3h Taux de conversion du dérivé sulfuré(%) 100 100 (à 2h)(à 2h) Rendement en acide n.butylsulfonique 50 63 Rendement en acide sulfurique (%) 10,4 21 -6 - REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un acide alcanesulfonique R-SO3H à partir rd'un dérivé sulfuré R-S-X correspondant, X représentant un atome d'hydrogène, un radi- cal alkyle R ou un groupe alkylthio -SR, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une solution du dérivé sulfuré dans l'acétonitrile aqueux ou alcoolique, en présence d'oxygène, à une irradiation par des rayonnements lumineux de longueur rd'onde comprise entre 200 et 400 nm. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le ou les radicaux alkyle R du dérivé sulfuré sont des radicaux alkyle, linéaires ou ramifiés, contenant de 1 à 4 atomes de carbone. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la concentration en dérivé sulfuré dans la solution réactionnelle de départ peut aller de 0,01 à mole/litre et est, de préférence, comprise entre 0,05 et 0,5 mole/litre. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la quantité d'eau ou d'alcool dans la solution réactionnelle est comprise entre 1 et 100 moles par mole de dérivé sulfuré, de préférence entre 1 et 50 moles. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on opère à une température comprise entre -20 C et le point d'ébullition du mélange réactionnel, de préférence entre 5 et 45 C. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on opère à pression atmosphérique ou sous pression. 7. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 6 à la synthèse de l'acide méthanesulfonique à partir du diméthyldisulfure.