Brevet FR2787107A1 — publié le 20000616

-1 La présente invention a pour objet l'hydrogénolyse d'halogène lourd porté par un carbone portant lui-même au moins un atome de fluor. La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé d'obtention de composés portant un atome de fluor et un atome d'hydrogène sur un carbone d'hybridation sp3, ledit carbone portant lui- même une fonction électroattractrice. Les dérivés fluorés de nature aliphatique, c'est-à-dire les dérivés fluorés dans lesquels le fluor se trouve porté, au moins en partie, par un carbone sp3, sont en général obtenus par un échange du fluor avec un autre atome d'halogène. Cet échange se fait en général en utilisant l'acide fluorhydrique ou bien des sels de l'acide fluorhydrique. Toutefois, un des problèmes rencontrés est qu'il est souvent difficile de faire l'échange entre le fluor et un halogène de nombre atomique plus élevé lorsque l'halogène à échanger est porté par un carbone portant luimême un atome d'hydrogène. C'est pourquoi il est assez difficile d'obtenir des composés o un carbone aliphatique porte à la fois un hydrogène et au moins un fluor. Une des voies proposées consiste à déshydrohalogéner (c'est-à-dire à éliminer une molécule d'acide halohydrique pour donner un composé éthylénique, puis d'hydrogéner ce composé éthylénique). Cette voie n'est pas possible pour tous les composés car il faut nécessairement un hydrogène en position bêta pour réaliser l'élimination de l'hydrogène et de l'halogène que l'on désire éliminer. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un procédé qui permette le remplacement d'un halogène lourd par un hydrogène et ce avec un atome de fluor porté par le même carbone que celui qui porte I'halogène à remplacer par un hydrogène. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé du type précédent qui soit sélectif vis-à-vis du fluor. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'un procédé d'hydrogénodéshalogénation (c'est-à-dire l'opération qui consiste à éliminer l'halogène d'une molécule en traitant cette dernière au moyen d'hydrogène pour donner d'une part de l'acide halohydrique et d'autre part la molécule initiale modifiée par le remplacement d'un halogène par un hydrogène) sélective qui comporte une étape de mise en contact d'un substrat présentant un atome de carbone d'hybridation sp3 porteur: - 2- 2787107 * - d'un groupe électroattracteur (GEA),; * - d'au moins un atome de fluor et; * - d'au moins un atome d'halogène plus lourd que le fluor; avec un réactif comportant: r. une phase aqueuse; une base; >. un métal du groupe VIII comme catalyseur d'hydrogénation; et de l'hydrogène dissous dans la phase aqueuse, à une concentration en équilibre avec une phase gazeuse dont la pression partielle en hydrogène est au moins égale à 50 kPa, avantageusement comprise entre 50 kPa et 2.107 Pa. La présente invention vise plus particulièrement le cas o ledit atome d'hybridation sp3 est porteur de deux atomes de fluor. Les fonctions électroattractices préférées sont celles dont la constante de Hammett sp est au moins égale à 0,1, et il est également préférable que la composante inductive de sp, si soit au mois égale à 0, 2, avantageusement à 0,3 (par exemple cf. March "advanced organic chemistry", troisième édition, John Wiley and son, pages 242 à 250 et notamment tableau 4). Parmi les groupes électroattracteurs (GEA), on peut citer: - les atomes de chalcogène substitués; - les groupements aryliques; - les groupements présentant, comme atome porteur de la liaison le reliant au reste de la molécule, un atome de carbone relié à au moins deux atomes de fluor; - les chalcogènes de nombre atomique au mois égal à celui du soufre perfluorés (par exemple -SF5); - les fonctions carboxyliques, sulfoniques, sulfiniques, c'est-à-dire les fonctions qui dérivent des acides carboxyliques, sulfoniques et sulfiniques, [Ces fonctions peuvent être la fonction acide proprement dite (sous forme acide ou avantageusement sous forme salifiée) mais aussi les amides, les imides et les esters]. D'une manière générale, le procédé marche particulièrement bien lorsque le groupe électroattracteur (GEA) correspond à une fonction acide salifiée. En d'autres termes, le groupe électroattracteur (GEA) est choisi alors parmi les groupes chargés négativement. Parmi les métaux du groupe VIII, on préfère le nickel et le cobalt, et plus particulièrement le nickel. - 3- 2787107 En effet, les métaux de la mine du platine, quoique utilisables, présentent une sélectivité relativement médiocre vis-à-vis du fluor à éliminer. Les formes les plus utilisables dans le procédé sont les formes de catalyseurs solides, et plus particulièrement pour le nickel et le cobalt, les formes dites 'de Raney". Les catalyseurs préférés sont les catalyseurs à base de nickel de Raney, c'est-à-dire les catalyseurs dont le principal élément actif, de préférence le seul élément actif, est le nickel de Raney. Pour obtenir un bon rendement, il est très souhaitable de mener la réaction en maintenant le pH à une valeur suffisante pour ioniser l'éventuelle fonction acide, et plus généralement au moins égale à 4, avantageusement à 7, de préférence à 10. La quantité de base à introduire dans le milieu réactionnel est au moins égale à la quantité nécessaire à la neutralisation de l'acide halohydrique dégagé au cours de l'hydrogénodéshalogénation sélective et, le cas échéant, la quantité de base nécessaire à la neutralisation des fonctions acides du substrat lorsque ce dernier présente de telles fonctions. En général, I'halogène plus lourd que le fluor est le chlore. En effet, le chlore est l'halogène préféré non du point de vue technique mais du point de vue économique. Le choix du chlore rend plus difficile la sélectivité de l'hydrogénodéshalogénation vis-à-vis du fluor. La réaction de hydrogénodéshalogénation est avantageusement menée à une température comprise entre la température ambiante (environ 20 C) et environ 150 C. 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 que 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. En général, on préfère mener l'hydrogénodéshalogénation à une température comprise entre 30 C et 100 C (deux chiffres significatifs). Les bases n'ont pas besoin d'être complètement solubles dans le milieu réactionnel. Il suffit qu'elles le soient un peu et qu'elles maintiennent le pH aux valeurs désirées. On peut notamment citer les oxydes et les sels basiques d'alcalins, d'alcalino-terreux, ainsi que les hydroxydes correspondants. Les bases organiques peuvent aussi être utilisées soit seules, soit pour faciliter le transfert des ions OH-/H+. Parmi ces dernières, on peut citer les hydroxydes d'ammonium, les amines primaires, secondaires ou tertiaires. on l1 1 -' -1r - 4- 2787107 peut égalent utiliser d'autres agents de transfert de phase, notamment des wcryptantsw tels que des éthers couronnes. Lorsque les bases organiques sont utilisées pour faciliter l'action d'une base, par exemple peu soluble, on peut les utiliser à hauteur d'environ 0,1 fois la quantité de substrat exprimée en moles. Il peut être intéressant de prévoir un tiers solvant pour aider le substrat à être au moins partiellement soluble dans la phase aqueuse. Il est préférable de choisir comme tiers solvant un des solvants miscibles en toute proportion avec l'eau, mais moins polaire que cette dernière. Il est préférable que ces solvants ne soient pas susceptibles d'être hydrogénés dans les conditions de la réaction. Cette contrainte peut conduire à exclure en particulier les cétones et les nitriles. Aussi, parmi les solvants qui peuvent être envisagés, il convient de citer les éthers, les alcools et leurs mélanges. D'une manière plus générale, il est souhaitable que le substrat ne comporte pas de fonction susceptible d'être hydrogénée dans les conditions de la réaction. Les substrats répondent en général à la formule générale suivante: GEA-CFX-Y o X représente un halogène de rang supérieur à celui du fluor(c'est-à- dire essentiellement chlore, brome, iode, de préférence chlore); o Y représente un hydrogène (mais cela n'est pas la valeur préférée), un atome d'halogène (avantageusement un fluor), un radical carboné avantageusement électroattracteur, ou même un groupe électroattracteur (tel que défini ci dans la présente description et notamment ci dessous); o GEA représente un groupe électroattracteur dont les éventuelles fonctions sont inertes dans les conditions de la réaction. Le nombre total de carbone du substrat étant avantageusement compris dans l'intervalle fermé 1 à 15, de préférence 2 à 10 (hors la partie carbonée des fonctions amide, imide, ou ester lorsque les substrats sont des acides sous l'une des formes précédentes). Y est avantageusement * fluor + si l'on désire obtenir un méthyle monofluoré (-CH2F) Y peut avoir les mêmes valeurs que X avec les mêmes sous-préférences * un reste de formule (11) R-(C 2)p- il1 -'il - 5- 2787107 o les B, semblables ou différents, représentent un fluor ou un radical perfluoré de formule CnF2n+1 avec n entier au plus égal à 8, avantageusement à 5. o p représente un entier au plus égal à 2; o R est un atome d'hydrogène, un atome de fluor, ou un radical hydrocarboné, avantageusement alcoyle ou aryle. Il est souhaitable que GEA soit choisi parmi: -> les aryles dont le noyau est avantageusement appauvri en électron (homocycle porteur d'une fonction électroattractrice ou hétérocycle à six chaînons); les fonctions acides (c'est-à-dire porteuses d'hydrogène acide, avantageusement dont le pKa est au plus égal à 7, de préférence à 4); il est avisé de choisir les fonctions acides parmi celles dont le proton est porté par un métalloïde, avantageusement par un atome de chalcogène, de préférence par un atome d'oxygène; un radical alcoyloxyle, dans ce cas GEA répond avantageusement à la formule -O-(CH2_mEm)p- R (cf. infra). Il est ainsi avantageux que GEA réponde à la formule (111) -Z-H ou -Z-; dans laquelle Z représente un radical bivalent avantageusement choisi parmi -C(O)-O-; -S(O)-O-; -S(O)2-O-. Parmi les substrats préférés, on peut citer plus particulièrement les acides carboxyliques mono- ou bi-fluorés sur l'atome de carbone porteur de la fonction carboxylique et, en particulier, ceux dont le carbone en alpha est à la fois chloré et fluoré. On peut également citer les aralcoyles dont le carbone en position benzylique est fluoré et chloré. On peut enfin citer comme substrats présentant un avantage particulier les éthers dont au moins un des carbones porteurs de la fonction éther est à la fois chloré et fluoré dans lesquels GEA répond à la formule: -O-(CH2.m:m)p- R o les E, semblables ou différents, représentent un fluor ou un radical perfluoré de formule CnF2n+1 avec n entier au plus égal à 8, avantageusement à 5. o p représente un entier au plus égal à 2; o les m, semblables ou différents, représentent zéro ou un entier au plus égal à 2; i1 i - --l -6- 2787107 o R est un atome d'hydrogène, un atome de fluor, ou un radical hydrocarboné d'au plus 10 atomes de carbone, avantageusement alcoyle ou aryle. La valeur du m, de X, et, quand p est égal à 1, R sont avantageusement choisi de manière que le chaînon porteur de l'oxygène présente au moins un atome d'hydrogène et un atome de fluor. Cela peut notamment être intéressant lors de la synthèse d'éthers anesthésiques comme le desflurane. Le procédé est particulièrement intéressant pour les substrats ne présentant d'hydrogène en f3 de l'halogène à hydrogénodeshalogéner (voir la présentation du problème dans la partie introductive). Le substraftpeut, mais cela ne présente que rarement un intérêt, comporter plusieurs sites de type GEA-CFX- auquel cas les différents X seront remplacé simultanément par l'hydrogène Le procédé s'est révélé particulièrement intéressant pour les acides carboxyliques fluorés dont le carbone en alpha est chloré, en particulier l'acide chlorodifluoroacétique qui permet d'obtenir l'acide difluoroacétique. Ces fonctLons carboxyliques dont on a parlé précédemment sont avantageusement utilisées sous la forme de sels, en général alcalins, d'acide. Ils peuvent toutefois être utilisés sous d'autres formes, notamment les fonctions dérivées des acides qui ont été mentionnées ci-dessus (Par exemple ester imide ou amide). La stoechiométrie de la réaction est: GEA-CFX-Y + H2 ------------> HX + GEA-CFH-Y et lorsque Y est choisi parmi les valeurs de X: GEA-CFX-Y + 2 H2 ------------ > HX + HY + GEA-CFH2 Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention Ex.eJ z,_ Dans un réacteur SOTELEM de 300 ml en Hastelloy HB2, on introduit 57 g d'eau, on agite, et en refroidissant, on ajoute 57 g d'acide chlorodifluoroacétique (0,44 mole). Toujours en refroidissant, on introduit 137 g d'une solution aqueuse N d'hydroxyde de sodium (environ 1,2 moles). On ajoute ensuite 1 g de nickel de Raney._On ferme le réacteur, on purge à l'azote par 2 fois 10 bar et à l'hydrogène par 2 fois 10 bar. On place le réacteur sous 20 bar de pression et on chauffe à 700C en agitant. On maintient le réacteur sous une pression constante de 20 bar. Lorsque la consommation d'hydrogène cesse, on maintient dans ces conditions IlI 1 - 7- 2787107 encore 15 mn, puis on refroidit à 20 C, la consommation d'hydrogène est alors sensiblement égale à la quantité stoechiométrique. On purge à l'azote par 2 fois bar. Le catalyseur est filtré. Par analyse du milieu réactionnel par chromatographie ionique, on obtient un TT = 99,8% avec un RR difluoroacétate de sodium de 98,7% Exemple 2 On procède comme dans l'exemple 1, mais en utilisant comme catalyseur 0, 50 g de Pd/C à 5% de palladium. Les résultats sont les suivants: Consommation d'hydrogène = environ 50% de la QS (c'est-à-dire Quantité stoechiométrique) TT = 25% RRdifluoroacétate de sodium = 12% RT= 50% RRacétate de sodium = 10% Exemple 3 comparatif On procède comme dans l'exemple 1, mais en supprimant la soude. Les résultats sont les suivants: Consommation d'hydrogène = environ 10% de la QS (c'est-à-dire Quantité stoechiométrique) TT Présence d'ion fluor en quantité significative Présence d'acide acétique Présence de fluorure de nickel Présence de DFA (difluoroacétate difluoroacétique) en très faible quantité. ilI z' - 8- 2787107 REVENDICATIONS 1. Procédé d'hydrogénodéshalogénation sélective, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape de mise en contact d'un substrat présentant un atome de carbone d'hybridation sp3 porteur: - d'un groupe électroattracteur, - d'au moins un atome de fluor, et - d'au moins un atome d'halogène plus lourd que le fluor avec un réactif comportant: une phase aqueuse; une base; un métal du groupe VIII comme catalyseur d'hydrogénation; et de l'hydrogène dissous dans la phase aqueuse, à une concentration en équilibre avec une phase gazeuse dont la pression partielle en hydrogène est au moins égale à 50 kPa, avantageusement comprise entre 50 kPa et 2.107 Pa. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit atome de carbone d'hybridation sp3 est porteur de deux atomes de fluor. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ledit groupe électroattracteur est choisi parmi les aryles, les fonctions carboxyliques, sulfoniques, sulfiniques, et un atome porteur de deux fluors au moins. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit groupe électroattracteur est choisi parmi les groupes chargés négativement. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit métal du groupe VIII est choisi parmi le nickel et le cobalt. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit métal du groupe VIII est choisi parmi le nickel ou le cobalt est sous la forme dite de Raney. - 9- 2787107 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ledit métal du groupe VIII est le nickel de Raney. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le pH (mesuré dans les conditions normales) de ladite phase aqueuse est maintenu à une valeur au moins égale à 4, avantageusement à 7, de préférence à 10. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le substrat est un acide, et la quantité de base introduite est au moins égale à la quantité nécessaire à la neutralisation dudit acide et à celle de l'acide halohydrique dégagé par l'hydrogénodéshalogénation sélective. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que ledit halogène plus lourd que le fluor est le chlore. 11il. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que ladite étape est menée à une température comprise entre l'ambiante et 1 50 C. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que ladite étape est menée à une température comprise entre 30 C et 1 00 C. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que ladite base est choisie parmi les hydroxydes, les carbonates et les sels basiques, d'alcalins, d'alcalino-terreux, ammonium et leurs mélanges. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la phase aqueuse comporte un tiers solvant pour aider à solubiliser le substrat, ledit tiers solvant étant choisi parmi les solvants miscibles avantageusement en toute proportion avec l'eau mais moins polaires que cette dernière. 15. Procédé selon I'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le solvant est choisi parmi les solvants, les éthers, les alcools et leurs mélanges. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que ledit substrat est choisi parmi les acides carboxyliques fluorés, dont le - 10- 2787107 carbone en alpha est chloré, les aralcoyles dont le carbone en position benzylique est fluoré et chloré, les éthers dont au moins un des carbones porteurs de la fonction éther est à la fois chloré et fluoré. 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que ledit substrat est choisi parmi les acides carboxyliques fluorés, dont le carbone en alpha est chloré, en particulier l'acide chlorodifluoroacétique. E 1 X 11