Brevet FR2767820A1 — publié le 19990305

PROCEDE D'ALCOYLATiON D'UN PHENOL APPAUVRI AU MOYEN D'UN ALCENE POUR CONDUIRE A UN ETHER La présente invention a pour objet un procédé d'alcoylation d'un phénol appauvri au moyen d'un alcène pour conduire à un éther de phénol. Elle concerne plus particulièrement l'éthérification de phénols présentant au moins un halogène léger (chlore et fluor), plus particulièrement un fluor sur le noyau et au moins un autre groupe électroattracteur sur le même noyau. Dans la présente description le mot ALco-yle est pris dans son sens étymologique de reste hydrocarboné d'un ALCO-OI après ignorance de la fonction alcool (ou ol)l; cette définition est également applicable aux mots qui en sont dérivés. II est bien connu que les atomes d'halogène, en particulier de fluor greffé sur des noyaux aromatiques significativement appauvris en électron, sont une source de fragilité pour ces molécules qui ont tendance à se décomposer ou se polymériser (ou se polycondenser). Par ailleurs les molécules comportant à la fois des fonctions éther et des atomes de fluor sont de plus en plus demandées pour des applications pharmaceutiques ou agrochimiques. La réaction la plus courante consiste à utiliser les techniques de Substitution Nucléophile d'ordre 2 (SN2), mais d'une part ce type de réaction nécessite des substrats significativement nucléophiles, ce qui n'est pas le cas ici, et d'autre part les conditions avantageant les SN2, (par exemple utilisation d'une forme anionique, lorsque cela est possible) favorisent aussi les substitutions nucléophiles aromatiques (SNAr), substitutions qu'il convient d'éviter autant que faire se peut. Une autre voie s'offre à l'homme de métier, à savoir les techniques de substitution nucléophile d'ordre 1 (SN1), qui consiste à créer un carbocation pour le faire réagir sur un phénol. L'alcoylation ainsi mise en oeuvre lors d'une (SN1) est d'une part peu sélective et d'autre part les conditions acides qui sont souvent utilisées pour former ledit carbocation, facilite le plus souvent le passage de l'éther au phénol substitué sur le noyau. Les carbocations ainsi mis en oeuvre sont obtenus soit par l'action d'un acide sur un alcool, soit par dissociation d'halogénure à température élevée, soit par action d'un acide sur un alcène. Cette dernière est économiquement la plus séduisante, mais les problèmes à résoudre sont nombreux et souvent insurmontables. Parmi ces derniers on peux indiquer les réactions de polymérisation cationique des alcènes. Cette réaction est d'autant plus favorisée que le nucléophile, ici un phénol, est pauvre en électron. En effet la double liaison peut être alors plus séduisante pour le carbocation, car plus riche en électron. Ces problèmes se surajoutent aux problèmes de sélectivité entre alcoylation sur oxygène et sur carbone. Ces réactions ne sont d'ailleurs pas exclusives l'une de l'autre. Ainsi une des réactions interrompant la chaîne de polymérisation peut être l'alcoylation (C ou O) du phénol, qui est alors relié à un polymère indésiré. Un bon exemple de telles difficultés est donné dans l'article de Manoranjan SAHA publié dans le journal of Bangladesh Academy of sciences vol. 14 N" 2 pages 241 à 245 (1990) et intitulé "reaction of p-chlorophénol with cyclopentène". II ressort de cet article qu'il est très difficile de réaliser une alcoylation d'une fonction phénol en utilisant le couple acide/alcène. Les conditions préconisées sont un large excès de phénol, sans doute pour minimiser la polymérisation (les tests sont menés à un rapport molaire de 4 phénols pour un alcène et ce bien que le substrat phénolique, le parachlorophénol, ne soit pratiquement pas appauvri) et pour le cas de la C-alcoylation avec addition lente et progressive de l'alcène sur un pied de phénol. Seul un abaissement de température permet d'obtenir une alcoylation significative sur la fonction phénol; et même alors le rendement global reste médiocre (au plus 40 % par rapport au cyclopenténe, soit 10 % par rapport au phénol). Or la condition qui implique un large excès est économiquement un non-sens lorsque l'on sait que ce sont les phénols visés par la présente demande qui sont les plus dispendieux. Par ailleurs, au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a été montré que l'utilisation de la SN1 pour des substrats appauvris, même non particulièrement fragiles, comme les dichlorophénols, présentait des difficultés considérables. Ainsi, des essais d'alcoylation de dichlorophénol en utilisant du cyclopentanol en milieu très acide, n'ont pas permis de former l'éther désiré, même à l'état de traces décelables. L'utilisation de cyclopentène à basse température (à l'ambiante) n'a guère permis qu'une alcoylation sur le noyau, paresseuse de surcroît (confère l'exemple comparatif N"1), montrant ainsi la difficile transposition aux substrats appauvris, de l'enseignement de l'article susvisé. Ce qui précède explique pourquoi, on préfère usuellement réaliser l'éthérification de la fonction phénol à des stades de la synthèse où le noyau est peu appauvri, et en particulier on évite les noyaux porteurs de fonction électro attractrice, notamment nitrée, surtout en présence d'atome de fluor sur le noyau. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un procédé qui permette l'éthérification des fonctions phénols portées par un noyau aromatique appauvri. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permette une sélectivité (RT par rapport au phénol) élevée (avantageusement au moins environ 60 %, de préférence au moins environ 70 %), avec un taux de transformation raisonnable. Alternativement un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permette, par rapport au phénol, un taux de transformation élevé avec une sélectivité raisonnable. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui présente, par rapport au phénol, un taux de transformation et une sélectivité suffisants pour obtenir un rendement de réaction d'au moins environ 50 %, avantageusement d'au moins environ 60 %. Dans la présente description le terme "environ" est employé pour mettre en exergue le fait que les valeurs qui le suivent correspondent à des arrondis mathématiques et notamment lorsque le, ou les, chiffres les plus à droite d'un nombre sont des zéros, ces zéros sont des zéros de position et non des chiffres significatifs, sauf bien entendu s'il en est précisé autrement. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permettent d'éthérifier les phénols porteurs de fonction perfluoro alcoyle. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permettent d'éthérifier les phénols porteurs de fonction nitrée. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permettent d'éthérifier les phénols porteurs d'atome de fluor. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui permettent d'éthérifier les phénols à la fois porteurs d'atome de fluor et d'une fonction nitrée ou perfluoroalcoyle. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'un procédé d'alcoylation d'un phénol comportant au moins un halogène léger (chlore et fluor) au moins une autre fonction globalement électro-attractrice dans lequel on soumet ledit phénol à l'action d'un composé comportant une insaturation éthylénique dans un rapport au moins égal à la stoechiométrie en présence d'un acide, choisi avantageusement parmi le sulfurique, les sulfoniques et leurs mélanges, ledit acide étant en quantité (exprimée en mole) au plus égale à environ une fois la quantité en composé comportant une insaturation éthylénique. L'acide préféré est l'acide sulfurique avantageusement d'une pureté au moins égale à 95 % ; de préférence à 98 % (la principale impureté est, en général, I'eau). Ainsi, on peut avantageusement utiliser de l'acide sulfurique de teneur comprise entre 95 et 100 %. Usuellement on utilise un acide à 98 %. Le procédé est particulièrement intéressant quand ledit halogène est un fluor. Ledit autre groupe électroattracteur ou lesdits autres groupes électroattracteurs sont choisis parmi les halogènes, les alcoyles dont au moins le premier atome est perfluoré (c'est-à-dire dont le carbone qui porte la liaison avec le noyau aromatique; comme exemples on peut donner le trifluorométhyle, les alcoyldifluorométhyles tels que le difluoro-1 ,1 éthyle ou le pentafluoroéthyle), et le groupe nitro (-NO2). Parmi ces groupes électroattracteurs on préfère ceux choisis parmi les alcoyles dont le premier atome est perfluoré (avantageusement ceux dont les deux premiers atomes sont fluorés) et le groupe nitro. Ce dernier groupe (-N 02) est particulièrement intéressant car de telles molécules sont difficiles à traiter. Le présent procédé est particulièrement intéressant pour les phénols qui présentent au moins une, avantageusement au moins deux positions libres substituables. Le phénol présente avantageusement un noyau aromatique homocyclique à 6 chaînons. Ces positions libres substituables sont de préférence telles que ledit phénol présente au moins une position ortho ou para libre. Ledit phénol présente avantageusement au moins une fonction méta de libre. Le procédé est surtout intéressant pour les phénols qui présentent au moins une des caractéristiques suivante (il est d'autant plus intéressant qu'il y a plus de caractéristiques remplies ): ladite autre fonction globalement électro-attractrice est une fonction nitro, avantageusement en méta de la fonction phénol; ledit atome de d'halogène est un atome de fluor, avantageusement en position ortho ou para de la fonction phénol Q un second atome d'halogène en position ortho ou para de la fonction phénol. Ainsi, il est souhaitable que ledit phénol présente au moins un atome de fluor et un atome d'halogène léger en position ortho ou para de la fonction phénol ainsi qu'une fonction nitro en méta de la fonction phénol. Si l'on s'intéresse aux conditions opératoires, il convient de signaler que le rapport molaire entre ledit composé comportant une insaturation éthylénique et ledit phénol est avantageusement au moins égal à environ 3/2 et au plus égal à 5. II est par ailleurs souhaitable que le rapport molaire entre ledit composé comportant une insaturation éthylénique et ledit acide soit au moins égal à 1, avantageusement à environ 2, de préférence à 3. Comme rapport molaire entre ledit phénol et ledit acide on peut préconiser une valeur au moins égale à environ 1, avantageusement à environ 2, de préférence à 3. Pour éviter une alcoylation sur le noyau la température est au plus égale à environ 80"C, avantageusement à 70"C, de préférence à 60"C. Ces limites sont particulièrement importantes pour les phénols peu appauvris (c'est-à-dire qui ne possèdent qu'un groupe électroattracteur et que ce groupe électroattracteur est un halogène). Pour obtenir une cinétique appréciable, la température est avantageusement au moins égale à environ 40"C, de préférence à 50"C. La présence de solvant n'est pas indispensable mais si l'on choisit d'utiliser un solvant il est préférable d'utiliser un solvant qui soit peu basique. On apprécie la basicité d'un solvant en se référant à "l'indice donneur". Les résultats des essais sans solvant sont excellents. On choisit de préférence un solvant organique présentant un nombre donneur au plus égal à environ 20, avantageusement à environ 10. La borne inférieure ne présente aucun caractère critique. Pour ce qui est des exigences concernant la basicité du solvant organique à mettre en oeuvre, on rappellera que "l'indice donneur", le "nombre donneur" ou "donor number" (selon le degré d'acculturation de l'auteur), est parfois désigné de manière abrégée "DN", donne une indication sur le caractère nucléophile du solvant et révèle son aptitude à donner son doublet. Dans l'ouvrage de Christian REINHARDT, [Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry - VCH p.19 (1988)], on trouve la définition du "donor number" qui est défini comme le négatif (-tH) de l'enthalpie (Kcal/mol) de l'interaction entre le solvant et le pentachlorure d'antimoine, dans une solution diluée de dichloroéthane. En ce qui concerne l'alcène utilisé il est préférable qu'il ne présente qu'une seule fonction éthylénique. II est préférable que la liaison ne soit pas activée pour éviter la polymérisation. Conviennent particulièrement les alcènes présentant une, de préférence plusieurs caractéristiques suivantes: - la double liaison est de type CH2=CH2; -L'alcène est symétrique et/ou palindrome -l'alcène est cyclique; - l'alcène est de C2 à C15; avantageusement de C4 à C8. Selon une variante avantageuse de la présente invention, il convient de limiter la quantité d'eau dans le milieu réactionnel, à une valeur au plus égale à 5 % en masse de la totalité du milieu réactionnel, avantageusement à 2 %, de préférence à 1 %. Dans la plupart des cas le rendement en fonction de la durée passe par un maximum. Le maximum est en général situé avant une durée d'environ 10 heures, et même en dessous d'une durée de 5 heures. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. Définitions SI = quantité de Substrat Initial SF = quantité de Substrat Final; PF = quantité de Produit Final de la réaction considérée; TT = taux de transformation = (Sl-SF)/Sl RT = rendement de transformation (mesure la sélectivité) = PF/(SI-SF); RR = rendement de réaction = RTxTT = PF/SI. Exemple N" 1 (comparatif) Alcoylation avec le cyclopentanol Réaction espérée Alcoylation en milieu acide L'alcoylation directe du dichlorophénol-2,4 par le cyclopentanol en milieu acide sulfurique a fait l'objet de l'essai suivant: Après 6h30 de chauffage à 40 C en présence de H2SO4 catalytique, la réaction d'alcoylation conduit uniquement à des traces de produit C-alcoylé, le TT du dichlorophénol-2,4 reste voisin de 0%. Par contre l'addition de 1 équivalent de H2SO4 provoque la formation majoritaire du produit issu d'une C-alcoylation (avec Rendement dosé estimé à 25% et un taux de transformation du dichlorophénol de 34 /O) Exemple N" 2 ALcoylation avec te cvclopentène On mélange les réactifs à l'exception de l'acide, on porte le mélange réactionnel à la température étudiée puis on ajoute l'acide sulfurique Tableau 3 : alcoylation directe avec catalyse acide HzS04 acéto- T T durée en Rem I (éq, I nitrile ("C) de % (dosé) solvant réac tion en heure RR I TT I RT 0,2 2 avec 25 48 0 I comparatif 0,2 2 avec 40 5 0 comparatif 0,21 11 avec 25 8 0 comparatif 0,2 2 sans 40 2,5 34 42 80 sélectivité excellente sans 25 24 0 70 0 C alcoylation comparatif 0,25 sans 40 0,5 23 41 56 alcène en quantité un peu faible 0,25 2 sans 40 7 35 71 49 réaction trop longue 0,5 2 sans 50 0,75 46 50 90 rdt et sélectivité excellents 0,25 2 sans 40 2,5 28 30 92 sélectivité excellente Tube Schott a nombre d'équivalents engagés par rapport au dichlorophénol-2,4 Influence du solvant Le seul testé, I'acétonitrile est trop basique et n'a pas permis de former l'éther attendu lb ni après chauffage, ni après prolongation du temps de réaction. Influence de la quantité d'acide sulfurique L'utilisation de H2SO4 en quantité catalytique conduit principalement à la formation du dérivé O-alcoylé. En revanche un essai à basse température (ambiante) et en présence d'un excès de H2SO4 (2 équivalents) conduit uniquement à l'alcoylation du cycle aromatique. Influence du temps de réaction Un suivi par CPG du % surface des différents produits et réactifs permet d'évaluer qualitativement l'évolution de la réaction en fonction du temps. L'optimum de la réaction réalisée à 40"C semble se situer entre 30 mn et 45 mn après addition de l'acide sulfurique. Le prolongement du temps de réaction entraîne une diminution du taux de transformation du dichlorophénol-2,4 et une baisse du taux de formation du produit attendu lu cela est le signe d'une réaction concurrente qui est sans doute la polymérisation de l'alcène. Exemple N 3 Alcovlation avec le cyclopentêne sur un substrat très appauvri chloro-2 fluoro-4-nitro-5 phénol H2S04 l 10 I paramètre de la I | en X (dosé) 1 Remarques I |U réaction Céq) l | (éq) T ( C) I durée RR I TT | | RT en l l l g heures l l l l l l 0,5 2 50 | 0 0,75 27 7 27 100 j T. Schott 0,1 2 50 1 4 12 12 100 T. Schott, Suivi présence de Cp-Cp 0,5 4 50 4 42 45 93 T. Schott présence de Cp-0 Cp et de Cp-Cp 0,5 4 50 2 28 40 70 - mélange de tous les ingrédients à 25"C présence de Cp-Cp 0,5 4 50 2 43 58 74 -mélange de t'H2S04 et du nitrophénol à 25"C, cyclopentène à 50 C présence de Cp-Cp et de Cp O-Cp REVENDICATIONS 1. Procédé d'alcoylation d'un phénol comportant au moins un halogène léger et au moins une autre fonction globalement électroattractrice, caractérisé par le fait que l'on soumet ledit phénol à l'action d'un composé comportant une insaturation éthylénique dans un rapport au moins égal à la stoechiométrie, en présence d'un acide, choisi avantageusement parmi le sulfurique, les sulfoniques et leurs mélanges, ledit acide étant en quantité (exprimée en mole) au plus égale à environ une fois la quantité en composé comportant une insaturation éthylénique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit halogène est un fluor. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ledit autre groupe électroattracteur est choisi parmi les halogènes les alcoyles dont le premier atome est perfluoré, et le groupe nitro. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit autre groupe électroattracteur est choisi parmi les alcoyles dont le premier atome est perfluoré et le groupe nitro. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit autre groupe électroattracteur est un groupe nitro. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins une, avantageusement deux positions libres substituables. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ledit phénol est un phénol présentant un noyau aromatique homocyclique à 6 chaînons. 8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins une position ortho ou para libre. 9. Procédé selon les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins une position méta de libre. 10. Procédé selon les revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins une fonction nitro en méta de la fonction phénol. 11. Procédé selon les revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins un atome de fluor en position ortho ou para de la fonction phénol. 12. Procédé selon les revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins un atome d'halogène en position ortho ou para de la fonction phénol. 13. Procédé selon les revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que ledit phénol présente au moins un atome de fluor et un atome d'halogène léger en position ortho ou para de la fonction phénol ainsi qu'une fonction nitro en méta de la fonction phénol. 14. Procédé selon les revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le rapport molaire entre ledit composé comportant une insaturation éthylénique et ledit phénol est au moins égal à 1 et au plus égal à 5. 15. Procédé selon les revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le rapport molaire entre ledit composé comportant une insaturation éthylénique et ledit acide est au moins égal à 1, avantageusement à 2, de préférence à 3. 16. Procédé selon les revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le rapport molaire entre ledit phénol et ledit acide est au moins égal à 1, avantageusement à 2, de préférence à 3. 17. Procédé selon les revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que la température est au plus égale à environ 80"C, avantageusement à 70"C, de préférence à 60"C. 18. Procédé selon les revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que la température est au moins égale à environ 40"C, avantageusement à 50"C.