Brevet FR2774375A1 — publié le 19990806

PROCEDÉ PERFECTIONNÉ DE FABRICATION D'ANHYDRIDES (METH)ACRYLIQUES MIXTES DE HAUTE PURETÉ. La présente invention porte sur un procédé de fabrication d'anhydrides mixtes représentés par la formule générale (I) dans laquelle - R1 représente H ou CH3 ; et - R2 représente un reste aikyle, alcényle, aryle, alkaryle ou aralkyle, suivant lequel on fait réagir un (méth)acrylate alcalin de formule générale (II) : dans laquelle - R1 est tel que défini ci-dessus ; et - M est un métal alcalin, et un chloroformiate de formule générale (III) dans laquelle R2 est tel que défini ci-dessus. Les anhydrides mixtes sont des agents d'acylation doux, dont l'utilisation a été décrite en synthèse peptidique en lieu et place des anhydrides classiques et des chlorures d'acides En outre, les anhydrides mixtes de formule (I) ne génèrent comme sous-produits dans les réactions d'acylation que du CO2 et de l'alcool R2OH, plus faciles à éliminer que l'acide (méth)acrylique ou l'HCl. Les procédés de synthèse des anhydrides mixtes non acryliques qui ont été décrits dans la littérature reposent, pour la plupart, sur la méthode décrite par Vaughan dans J. Am. Chem. Soc. 73 3547, 1951 : l'anhydride mixte est synthétisé par réaction équimoléculaire entre un chloroformiate d'alkyle et un carboxylate d'amine tertiaire, à basse température (en général inférieure à 0oC), en milieu solvant (tétrahydrofuranne, acétone, toluène, chloroforme, etc.). Outre la nécessité d'opérer en milieu solvant, à très basse température, l'une des principales contraintes du procédé réside dans le fait qu'il est nécessaire de séparer par filtration le chlorure de trialkylammonium qui précipite dans le milieu. Dans Bull. Chem. Soc. Jap. 1968,41,2521-3, Harada et Kondo décrivent, parmi les exemples, la synthèse de l'anhydride carboéthoxy méthacrylique par réaction entre le méthacrylate de potassium et le chloroformiate d'éthyle, en milieu solvant (chloroforme), à O"C, en présence de pyridine. La synthèse de l'anhydride carboéthoxy méthacrylique est également décrite dans la demande de brevet français FR-A-2 212 340, à partir du méthacrylate de triéthylammonium et de chloroformiate d'éthyle en milieu solvant (acétonitrile). La synthèse d'anhydrides mixtes non acryliques est décrite dans le brevet allemand DE-C-1 133 727 par réaction entre un carboxylate et un chloroformiate à rapport molaire chloroformiate/carboxylate compris entre 0,95 et 1,10. Les procédés décrits dans la littérature concernent, pour la grande majorité, des anhydrides mixtes non acryliques et présentent, suivant les cas, nombre d'inconvénients en tête desquels figurent l'utilisation de solvants et l'utilisation d'amines en quantité stoechiométrique par rapport à l'acide carboxylique ou en quantité catalytique. La nécessité de séparer le chlorure d'alkylammonium par filtration constitue également un inconvénient. Dans la plupart des procédés décrits dans la littérature, les réactifs (II) et (III) sont utilisés en proportions équimolaires ou comprises entre 0,95 et 1,1. Dans ces conditions, il est impossible d'obtenir un anhydride (méth)acrylique mixte contenant peu d'anhydride symétrique R1 étant tel que défini ci-dessus. Ceci est particulièrement gênant lorsqu'on cherche à synthétiser de l'anhydride carboxyalcoxy (méth)acrylique contenant très peu d'anhydride méthacrylique. La Société déposante a découvert que, de façon surprenante, ces problèmes pouvaient être résolus en modifiant les conditions de la réaction entre les composés (II) et (III), et notamment en effectuant cette synthèse avec un rapport molaire composé (III)/composé (II) supérieur ou égal à 1,15. La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un anhydride (méth)acrylique mixte (I) de haute pureté, par réaction entre les composés (II) et (III) précités, caractérisé par le fait que l'on effectue ladite réaction en milieu aqueux et en l'absence d'amines, le rapport molaire chloroformiate (III)/(méth)acrylate alcalin (II) étant au moins égal à 1,15. D'une manière générale, on conduit la réaction avec des composés (II) et (III) dans lesquels - R2 est choisi parmi les restes alkyle en C1-C40, alcényle en C2-C40, phényle, phényl-(alkyle en C1-C40) et (alkyl en C1-C40)-phényle ; et - M représente Na ou K. Les anhydrides mixtes de formule (I) dans laquelle R2 représente alkyle en C1-C40, tel qu'éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle, présentent un intérêt particulier et constituent une famille d'anhydrides mixtes préférés de l'invention. Ce sont des agents d'acylation doux qui peuvent très avantageusement remplacer l'anhydride méthacrylique ou le chlorure de (méth)acryloyle qui génèrent de l'acide méthacrylique ou de l'acide chlorhydrique dans les réactions d'acylation. Dans le procédé de la présente invention, le rapport molaire chloroformiate (III) / (méth)acrylate alcalin (II) peut être compris entre 1,15 et 2, de préférence entre 1,5 et 1,7, afin de limiter la formation de sous-produits de type par exemple. A partir de 1,15, on observe une amélioration sensible de la sélectivité et des rendements ; ainsi lorsqu'on effectue la synthèse de l'anhydride carboéthoxy méthacrylique par réaction entre le méthacrylate de sodium et le chloroformiate d'éthyle, on observe une diminution de la formation d'anhydride méthacrylique et de sous-produits. Par ailleurs, un rapport molaire élevé est favorable sur le plan de la sélectivité, mais pénalisant vis-à-vis de la productivité. La réaction selon la présente invention est avantageusement conduite à une température comprise entre -10 et +30"C, de préférence entre +10 et +20 C. Conformément à un mode de réalisation particulier de la présente invention, on prépare le (méthacrylate alcalin (II) en solution aqueuse par neutralisation de l'acide (méth) acrylique par l'hydroxyde MOH, le rapport molaire MOH/acide (méth)acrylique étant compris entre 1 et 1,5, en particulier entre 1 et 1,1, et le rapport pondéral eau/(méth)acrylate alcalin (II) étant compris entre 1,5 et 7, en particulier entre 1,5 et 2, puis on fait réagir le chloroformiate (III) sur le (méth)acrylate alcalin (II). Conformément à une caractéristique particulièrement intéressante de la présente invention, on conduit la réaction entre le (méth)acrylate alcalin (II) et le chloroformiate (III) en présence d'un catalyseur de transfert de phase, dissous ou fixé sur un support polymérique tel qu'un copolymère styrène-divinylbenzène ou une résine polyvinylpyridine réticulée et utilisé notamment à raison de 0,001 à 0,02 mole, en particulier de 0,005 à 0,01 mole, par mole de (méth)acrylate alcalin (II), Le catalyseur de transfert de phase est avantageusement choisi parmi les sels d'ammonium quaternaires, les sels de phosphonium et les étherscouronne. - A titre d'exemples de sels d'ammonium quaternaires on peut citer ceux dans lesquels - R4 à R7 représentent chacun alkyle en C1-C40, tel que CH3, C2H5, C4Hg, C8H17, C16H33, ou aryle tel que phényle, ou aralkyle tel que benzyle - X représente l'un parmi C1, Br, I, OH et HSO4 et, en particulier, le chlorure de tétraméthylammonium, le chlorure de benzyltriméthylammonium, le chlorure de benzyltri-n-butylammonium, le chlorure de tétra-n-butyl ammonium, le bromure de tétra-n-butylammonium, le bromure de méthyltrioctylammonium et l'hydrogénosulfate de tétra-n-butylammonium - à titre d'exemples de sels de phosphonium, on peut citer (C4H9) 4P0Cle, (C4H9) 4P0B?, (CgH17 Br , 3C2H5PeCle, (C4Hg)3C6H5p Cle ; et - à titre d'exemples d'éthers-couronne, on peut citer le 18-crown-6 et le dibenzoyl-18-crown-6. En opérant en présence d'un catalyseur de transfert de phase, on accroît de manière remarquable la réaction (3 à 5 heures contre plus de 15 heures sans catalyseur). La réaction selon l'invention s'effectue généralement sous agitation dans un réacteur à double enveloppe thermostatée en contrôlant rigoureusement la température. Le mélange brut réactionnel décante en deux phases si l'on arrête l'agitation (ou en trois phases si un catalyseur de transfert de phase est utilisé, fixé sur un support polymérique). On suit l'avancement de la réaction en effectuant régulièrement des prélèvements de phase aqueuse et en dosant le (méth)acrylate alcalin (II) résiduel. La réaction est considérée comme terminée lorsque le taux de conversion du (méth)acrylate alcalin (II) est supérieur à 95%. En fin de réaction, le mélange réactionnel biphasique ou triphasique est décanté à la température ambiante, avantageusement lavé avec de l'eau (quantité 20 à 100% du poids de la phase organique, préférentiellement 30 à 40%) à la température ambiante, la phase organique contenant l'anhydride mixte (I) et l'excès de chloroformiate (III) étant ensuite étêtée sous vide à une température inférieure ou égale à 35"C. L'anhydride mixte est ainsi obtenu avec une très grande pureté. Il est nécessaire d'introduire dans le milieu réactionnel au moins un inhibiteur de polymérisation, à raison de 500 à 5000 ppm, en particulier de 500 à 1000 ppm, par rapport au (méth)acrylate alcalin (II) - ou à son précurseur acide (méth)acrylique - afin de surstabiliser ce dernier. Comme exemples d'inhibiteurs de polymérisation, on peut citer l'éther méthylique de l'hydroquinone, l'hydroquinone, la phénothiazine, le ditertiobutylparacrésol. Les Exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Dans ces exemples, les pourcentages sont en poids sauf indication contraire. EXEMPLE 1 Dans un réacteur à double enveloppe, maintenue en température à l'aide d'une circulation d'eau thermostatée à 20"C, on introduit 408 g d'une solution aqueuse de méthacrylate de sodium à 26,5%, dans laquelle on a introduit 900 mg d'éther méthylique de l'hydroquinone ; puis, en 5 minutes, 162,8 g de chloroformiate d'éthyle (rapport molaire chloroformiate d'éthyle/méthacrylate de sodium : 1,5 : 1). Le mélange hétérogène est laissé sous agitation pendant 15 heures. I1 est ensuite décanté à la température ambiante. La phase organique est séchée sur sulfate de calcium, puis étêtée sous vide à une température inférieure à 35"C, afin de l'en débarrasser de l'excès de chloroformiate. On obtient ainsi 153 g de produit (rendement 96,7%) ayant une pureté RMN de 95% en anhydride carboéthoxy méthacrylique, les 5% restants étant constitués par de l'anhydride méthacrylique EXEMPLES 2 à 5 On reprend l'Exemple 1 en faisant varier la température et le rapport molaire chloroformiate d'éthyle/méthacrylate de sodium. Les résultats sont rapportés dans le Tableau 1. Tableau 1 Exemple 2 3 4 5 Rapport molaire chloroformiate 1,5 1,5 1,5 3 d'éthyle/méthacrylate de sodium Température ("C) 5 25 35 15 Durée de mise en réaction (h) 30 8 7 24 Taux de conversion du 81 90,3 97,4 98,5 méthacrylate de sodium (%) Composition de la phase organique décantée (% en poids Chloroformiate d'éthyle 39,7 29 22,5 63 e Anhydride carboéthoxy méthacrylique .............. 55 63 65 35 # Anhydride méthacrylique ..... 5 7 11 2 # Ethanol 1 # Eau 0,3 0,2 0,1 composition de la phase organique ététée (% en poids) # Anhydride carboéthoxy- méthacrylique ............... 91 90 85,5 94,5 # Anhydride méthacrylique ..... 9 10 14,5 5,5 EXEMPLE 6 On opère dans le même appareillage qu'à l'Exemple 1. On charge 445,1 g de solution aqueuse de méthacrylate de sodium à 33,2%, stabilisée avec 1,2 g d'éther méthylique de l'hydroquinone. On introduit ensuite 8,8 g de bromure de tétra-n-butylammonium (0,02 mole/mole de méthacrylate de sodium). On introduit ensuite, sous agitation et en maintenant la température du milieu à 20"C, 193,2 g de chloroformiate d'éthyle (rapport molaire chloroformiate d'éthyle/ méthacrylate de sodium = 1,3). On laisse le mélange réactionnel sous agitation en contrôlant la température à 20 C. On suit l'avancement de la réaction en dosant le méthacrylate de sodium résiduel dans la phase aqueuse de décantation (le mélange décante dès que l'on arrête l'agitation). Après 3 heures de mise en réaction, le taux de conversion du méthacrylate de sodium est supérieur à 99%. On vidange alors le réacteur, on décante à température ambiante, on lave la phase organique avec 57 g d'eau et on décante la phase organique lavée. On récupère ainsi 234,5 g de produit brut lavé que l'on stabilise avec 0,02 g de ditertiobutylparacrésol. L'excès de chloroformiate est éliminé sous vide à l'aide d'un évaporateur rotatif à une température inférieure à 35au. On obtient 198 g d'anhydride carboéthoxy méthacrylique dont la pureté RMN est indiquée, avec le rendement, dans le Tableau 2 ci-après. EXEMPLES 7, 8 (comparatif) et 9 (comparatif) On reprend l'Exemple 6 en faisant varier le rapport molaire chloroformiate d'éthyle/méthacrylate de sodium. Les résultats sont rapportés dans le Tableau 2. Tableau 2 EXEMPLE 6 7 8 9 (compa- (compa ratif) ratif) Rapport molaire chloroformiate 1,3 1,15 1,05 1,1 d'éthyle/méthacrylate de sodium Composition du produit final (% en poids) Anhydride carboéthoxy méthacrylique 93,5 90 65 80 Anhydride méthacrylique . ......... 5,5 9 19 10 I C2Hs-O-C-O-C2Hs - - - - .- 1 1 2 2 11 O C2H-O-C-O-C-O-C2H 8 8 5 l Il o o Méthacrylate d'éthyle .............. 6 3 Rendement en anhydride carboéthoxy méthacrylique par rapport au 85,5 80 méthacrylate de sodium Lorsque le rapport molaire chloroformiate/méthacrylate est inférieur à 1,15, on observe une mauvaise sélectivité en anhydride carboxyéthoxy méthacrylique. Il est manifestement impossible d'obtenir un produit de bonne pureté au-dessous de ce rapport molaire. EXEMPLE 10 On opère dans le même appareillage qu'à l'Exemple 1. On charge 309,3 g d'une solution aqueuse de méthacrylate de sodium à 33,5%, stabilisée avec 0,8 g d'éther méthylique de l'hydroquinone. On introduit ensuite 192 g de toluène, puis 0,02 mole de bromure de tétra-n-butylammonium par mole de méthacrylate de sodium. On introduit ensuite, sous agitation et en contrôlant la température du milieu à 15"C, 125,1 g de chloroformiate d'éthyle (rapport molaire chloroformiate d'éthyle/méthacrylate de sodium : 1,2). L'avancement de la réaction est suivi comme à l'Exemple 3. Après 4 heures de mise en réaction, le taux de conversion du méthacrylate de sodium est supérieur à 99%. Le produit brut est alors décanté mais non lavé et étêté sous vide à une température inférieure à 35 C. L'analyse RMN du produit étêté est la suivante Anhydride carboéthoxy méthacrylique ...... 95,5% Anhydride méthacrylique .................. 4,5% Le rendement en anhydride carboéthoxy méthacrylique est de 87,5%. EXEMPLE 11 On reprend l'Exemple 6 en utilisant le méthacrylate de potassium à la place du méthacrylate de sodium et en opérant à 10 C. La composition du produit final (en % en poids) est la suivante # Anhydride carboéthoxy méthacrylique ......... 93% # Anhydride méthacrylique ..................... 6% EXEMPLES 12 à 14 On reprend l'Exemple 6 en opérant à 10"C et en faisant varier la nature du catalyseur de transfert de phase que l'on introduit dans une quantité de 0,01 mole/mole de méthacrylate de sodium. Les résultats sont rapportés dans le Tableau 3. Tableau 3 Exemple | 12 3 13 | 14 Catalyseur de transfert de phase (Bu)4P-Bre (Bu)3C6H5Po Cl (CH3)(C8H,7)3N-Bre Rendement en produit final (par rapport au méthacrylate de 94 97 99,5 sodium converti) (%) Taux de conversion du méthacrylate de sodium supérieurâ98,5%aprés 4,5 4,5 h 3h 1,5 h Composition du produit final (% en poids) Anhydride carboéthoxy méthacrylique .. 94 94 96 Anhydride méthacrylique 4 6 3 C2H5-C-C2H5 2 1 o REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un anhydride (méth)acrylique de haute pureté, représenté par la formule générale (I) dans laquelle - R1 représente H ou CH3 ; et - R2 représente un reste alkyle, alcényle, aryle, alkaryle ou aralkyle, suivant lequel on fait réagir un (méth)acrylate alcalin de formule générale (II) : dans laquelle - R1 est tel que défini ci-dessus ; et - M est un métal alcalin, et un chloroformiate de formule générale (III) dans laquelle R2 est tel que défini ci-dessus, caractérisé par le fait que l'on effectue ladite réaction en milieu aqueux et en l'absence d'amines, le rapport molaire chloroformiate (III)/(méth)acrylate alcalin (II) étant au moins égal à 1,15. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on conduit la réaction avec des composés (II) et (III) dans lesquels - R2 est choisi parmi les restes alkyle en C1-C401 alcényle en C2-c40, phényle, phényl-(alkyle en C1-C40) et (alkyl en C1-C40) - phényle ; et - M représente Na ou K. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le rapport molaire chloroformiate (III)/(méth)acrylate alcalin (II) est compris entre 1,15 et 2, de préférence entre 1,5 et 1,7. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on conduit la réaction à une température comprise entre -10 et +30"C, de préférence entre +10 et +20"C. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on prépare le (méth)acrylate alcalin (II) en solution aqueuse par neutralisation de l'acide (méth)acrylique par l'hydroxyde MOH, le rapport molaire MOH/acide (méth)acrylique étant compris entre 1 et 1,5 et le rapport pondéral eau/(méth)acrylate alcalin (II) étant compris entre 1,5 et 7, puis que l'on fait réagir le chloroformiate (III) sur le (méth)acrylate alcalin (II). 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le rapport molaire MOH/acide (méth) acrylique (II) est compris entre 1 et 1,1, et le rapport pondéral eau/(méth)acrylate alcalin (II) est compris entre 1,5 et 2. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'on conduit la réaction entre le (méth)acrylate alcalin (II) et le chloroformiate (III) en présence d'un catalyseur de transfert de phase, dissous ou fixé sur un support polymérique et utilisé notamment à raison de 0,001 à 0,02 mole, en particulier de 0,005 à 0,01 mole, par mole de (méth)acrylate alcalin (II). 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le catalyseur de transfert de phase est choisi parmi les sels d'ammonium quaternaires, les sels de phosphonium et les éthers-couronne. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'en fin de réaction, le mélange réactionnel biphasique ou bien triphasique si le catalyseur est fixé sur un support polymérique, est décanté à la température ambiante, avantageusement lavé avec de l'eau à la température ambiante, la phase organique contenant l'anhydride mixte (I) et l'excès de chloroformiate (III) étant ensuite étêtée sous vide à une température inférieure ou égale à 35"C. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'on introduit dans le milieu réactionnel au moins un inhibiteur de polymérisation, à raison de 500 à 5000 ppm, en particulier de 500 à 1000 ppm, par rapport au carboxylate alcalin (II), ou à son précurseur acide (méth) acrylique. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'inhibiteur de polymérisation est choisi parmi l'éther méthylique de l'hydroquinone, l'hydroquinone, la phénothiazine, et le ditertiobutylparacrésol.