Brevet FR2791660A1 — publié le 20001006

/I2791660 La présente invention a pour objet un procédé d'activation actinique de fluorures minéraux en milieu organique. Elle concerne plus particulièrement les échanges entre fluor et halogène de rang plus élevé. L'ion fluor intervient dans de très nombreuses réactions de la chimie organique. Toutefois, les sources en ions fluor sont, soit très coûteuses, soit particulièrement difficiles à mettre en oeuvre en raison de la faible réactivité des sels alcalins ou alcalino-terreux de l'acide fluorhydrique. En effet, les fluorures alcalins ou alcalino-terreux sont très peu ou peu solubles dans les milieux organiques usuels. En outre, ces fluorures sont en général hygroscopiques alors que leur action est profondément modifiée ou altérée par la présence d'eau. En fait et en général, malgré l'utilisation de températures élevées, supérieures à 100 C et souvent avoisinant, voire dépassant 200 C et l'emploi de fortes quantités de catalyseur, les réactions mettant en jeu les fluorures alcalins et a fortiori alcalino-terreux restent particulièrement paresseuses et nécessitent un temps de réaction élevé ce qui réduit considérablement la productivité des installations utilisant de tels fluorures. Or ces installations sont particulièrement coûteuses car les fluorures, notamment en présence de traces d'eau, sont particulièrement agressifs vis- à-vis des matériaux entrant dans la composition des réacteurs et d'autre part, I'agitation de particules solides de sels aussi durs que les fluorures conduit à une usure et à une abrasion des parois du réacteur, nécessitant de ce fait l'emploi de matériaux particulièrement coûteux. A titre illustratif des réactions impliquant des fluorures alcalins, il convient d'ores et déjà de mentionner les réactions d'échange entre le fluor et les halogènes de nombre atomique plus élevé que le sien. Ce type de réaction est utilisé aussi bien pour les échanges d'halogènes portés par des carbones d'hybridation sp3 que pour des halogènes portés par des carbones d'hybridation sp2 comme cela est le cas dans les échanges portant sur les halogénures aromatiques. De même, il faut signaler également les réactions dans lesquelles les ions fluorures jouent un rôle basique significatif. 2 2791660 U La présente invention a précisément pour objet de fournir une technique qui, appliquée aux fluorures alcalins, voire aux fluorures alcalino- terreux, permet d'augmenter significativement leur cinétique de réaction. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé d'activation qui permet d'accélérer significativement les réactions d'échanges entre le fluor et les halogènes de nombre atomique plus élevé, et notamment les réactions d'échanges entre le fluor et le chlore. Il convient sans doute ici de rappeler quelques éléments essentiels de la réaction d'échange entre le fluor et les halogènes de nombre atomique plus élevé. Ainsi, une des techniques les plus employées pour fabriquer un dérivé fluoré consiste à faire réagir un dérivé halogéné, en général chloré, pour échanger le ou les halogène(s) avec un ou plusieur(s) fluor(s) d'origine minérale. On utilise, en général, un fluorure de métal alcalin, le plus souvent d'un poids atomique élevé tel que par exemple les fluorures de potassium, de césium ou de rubidium. En général, le fluorure utilisé est le fluorure de potassium qui constitue un compromis économique satisfaisant. Dans ces conditions, de nombreux procédés tels que par exemple ceux décrits dans le certificat d'addition français N 2 353 516 et dans l'article Chem. Ind.(1978)-56 ont été proposés et mis en oeuvre industriellement pour obtenir des fluorures d'aryle, aryles sur lesquels sont greffés des groupements électro-attracteurs ou bien aryles naturellement pauvres en électrons, comme par exemple les noyaux pyridiniques. Sauf dans le cas o le substrat est particulièrement adapté à ce type de synthèse, cette technique présente des inconvénients dont les principaux sont ceux que l'on va analyser ci-après. La réaction est lente et nécessite, en raison d'un temps de séjour élevé, des investissements importants. Cette technique, ainsi qu'on l'a déjà 3 o mentionné, est en général utilisée à des températures élevées pouvant atteindre les alentours de 250 C, c'est-à-dire dans la zone o les solvants organiques les plus stables commencent à se décomposer. 3 2791660 Les rendements restent relativement médiocres à moins que l'on utilise des réactifs particulièrement chers comme les fluorures de métal alcalin dont la masse atomique est supérieure à celle du potassium. Enfin, compte tenu du prix de ces métaux alcalins, leur utilisation industrielle n'est justifiable que pour des produits à haute valeur ajoutée et lorsque l'amélioration de rendement et de cinétique le justifie ce qui est rarement le cas. Les inconvénients qui viennent d'être énoncés ne sont plus rencontrés 0 avec le procédé revendiqué selon lequel l'activation de fluorures minéraux en milieu organique est réalisée en soumettant ledit fluorure à l'action de micro-ondes en présence d'un catalyseur de transfert de phases, avantageusement cationique. En effet, au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a été montré que l'activation par micro-ondes était possible, même lorsque l'on utilise les micro-ondes dont la longueur d'onde est très fortement limitée par les règlements administratifs, notamment en République française. Cette activation en outre est surtout efficace lorsque les micro-ondes sont utilisés concomitamment avec un catalyseur réputé être un catalyseur de transfert de phases, surtout quand ce catalyseur est un catalyseur de nature cationique. On considérera dans la présente description que les cations alcalins de poids atomique élevé comme le cation du césium ou le cation du rubidium sont des catalyseurs de transfert de phases. En général, la réaction est menée à une température inférieure à celle retenue pour une réaction conventionnelle c'est-à-dire sans l'activation actinique selon la présente invention. La réaction est en général menée dans un solvant et, dans ce cas, il est préférable de mener la réaction sous activation actinique à une température d'au moins 10 C, avantageusement 20 C, de préférence 40 C inférieure à celle de la limite de température usuellement admise pour ledit solvant utilisé. 4 2791660 Selon un des modes possibles, voire préféré de la présente invention, les micro-ondes sont émises par périodes courtes (de 10 secondes à 15 min) alternant avec des phases de refroidissement. Les durées respectives des périodes d'émission de micro-ondes et des périodes de refroidissement sont choisies de manière à ce que la température à la fin de chaque période d'émission de micro-ondes demeure inférieure à une température initiale fixée et qui est en général inférieure à celle de la résistance des ingrédients du mélange réactionnel. Il est également possible de réaliser l'invention selon un mode opératoire dans lequel le mélange réactionnel est soumis simultanément aux micro-ondes et à un refroidissement. Selon cette variante, la puissance dégagée par les micro-ondes est alors choisie de manière à ce que, pour une température initiale fixée, généralement celle de fonctionnement, elle soit équivalente à l'énergie évacuée par le système de refroidissement et ceci à la chaleur dégagée ou absorbée par la réaction près. Le procédé d'activation revendiqué a par ailleurs pour avantage d'être compatible avec un mode de fonctionnement en continu. Ce mode d'utilisation permet avantageusement de s'affranchir des problèmes d'échanges thermiques susceptibles d'être générés lors des opérations d'ouvertures et fermetures du réacteur o sont émises les micro-ondes. Selon ce mode de fonctionnement, les matériaux à activer sont introduits en continu via un orifice d'entrée au sein du réacteur o ils subissent une activation par micro-ondes et on évacue, en continu, dudit réacteur via un orifice de sortie les produits activés. On peut également procéder à une récupération en continu des composés les plus volatiles au fur et à mesure de leur formation. Cette récupération peut être par exemple réalisée par distillation. Selon un mode privilégié de l'invention, il est préconisé d'utiliser une puissance dégagée par les micro-ondes comprise entre 1 et 50 watts par milliéquivalent d'ions fluorure. 2791660 Il est également souhaitable de se plier à la contrainte selon laquelle la puissance dégagée par les micro-ondes est comprise entre 2 et 100 watts par gramme de mélange réactionnel. Ainsi que cela a été mentionné auparavant, la présence d'un catalyseur de transfert de phases est utile, voire nécessaire à la bonne marche de la réaction. Les meilleurs catalyseurs de transfert de phases utilisables sont en général des oniums, c'est-à-dire ce sont des cations organiques dont la charge est supportée par un métalloïde. Parmi les oniums, il convient de citer les ammoniums, les phosphoniums, les sulfoniums. Mais on peut utiliser aussi d'autres catalyseurs de transfert de phases dès lors que ces catalyseurs de transfert de phases sont chargés positivement. Il peut aussi s'agir de cations cryptés par exemple des éthers couronnes cryptant des alcalins. Ces catalyseurs de transfert de phases peuvent être utilisés en présence ou en absence, de préférence en présence d'un cation alcalin particulièrement lourd et donc de rang atomique élevé tel que le césium et le rubidium. Au cours de l'étude qui a mené à la présente invention, il a été montré que l'action des micro-ondes sur les oniums en présence d'une forte quantité de fluorures était extrêmement néfaste à la survie de ce catalyseur de transfert de phases. Selon la présente invention, il a été montré que la présence d'anions moins agressifs vis-à-vis des oniums tels que, par exemple, le chlorure, permettait la stabilisation dudit onium. Ainsi, I'on s'aperçoit, par exemple, qu'au cours d'une réaction d'échange chlore/fluor, la stabilité de l'onium croît avec l'avancement de la réaction puisque cette réaction dégage des anions chlorures. D'une manière plus générale, il est préférable de s'arranger pour que, au cours de la réaction, la présence d'un anion distinct des fluorures soit assurée en quantités supérieures à une fois, avantageusement à deux fois, de préférence à trois fois la quantité en équivalents dudit onium instable. Ainsi qu'on l'a mentionné auparavant, I'ion chlorure est un bon candidat pour réduire la dégradation des oniums au cours de la réaction. Selon un mode privilégié de l'invention, lorsque le catalyseur de transfert de phase est un onium instable en présence de fluorures, la réaction est menée en présence de chlorures en quantité supérieure à une fois la quantité en équivalent dudit onium instable. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, le fluorure, alcalin ou alcalinoterreux est au moins partiellement présent sous la forme d'une phase solide. Avantageusement, le fluorure est un fluorure d'un métal alcalin de nombre atomique au moins égal à celui du sodium et de préférence est un fluorure de potassium. Dans la présente description, on utilise comme exemple pragmatique des réactions mettant en oeuvre les fluorures alcalins ou alcalinoterreux la réaction d'échange chlore/fluor, connue parfois dans le domaine sous l'acronyme anglo-saxon de "halex" (halogen exchange). L'échange chlore/fluor est également la technique dans laquelle l'utilisation des micro-ondes s'est révélée la plus riche d'avenir. Ainsi, lorsqu'on utilise la présente invention pour la mise en oeuvre 2o d'une réaction d'échange chlore/fluor, on utilise en général un solvant aprotique dipolaire, une phase solide constituée au moins partiellement de fluorures alcalins et un cation promoteur de la réaction, ledit cation étant un alcalin lourd ou un agent de transfert de phases organiques cationiques. La teneur en cation alcalin lorsqu'il est utilisé comme promoteur est avantageusement comprise entre 1 et 5 %, de préférence entre 2 et 3 % en moles de fluorure alcalin utilisé. Ces domaines sont des domaines fermés, c'est-à-dire qu'ils comportent leurs limites. Le réactif peut comporter à titre de promoteur des agents de transfert de phases et qui sont des oniums (cations organiques, dont le nom se termine par onium). Les oniums représentent en général 1 à 10 %, de préférence de 2 à 5 % en moles du fluorure alcalin, le contre ion est indifférent mais le plus souvent halogéné. 7 2791660 Parmi les oniums, les réactifs préférés sont les tétraalcoylammoniums de 4 à 28 atomes de carbone, de préférence de 4 à 16 atomes de carbone. Le tétraalcoylammonium est en général du tétraméthylammonium. Il convient aussi de mentionner les phosphoniums et notamment les phénylphosphoniums qui présentent l'intérêt d'être stables et relativement peu hygroscopiques, toutefois ces derniers sont relativement coûteux. Le solvant aprotique type halex présente avantageusement un moment dipolaire significatif. Ainsi, sa constante diélectrique relative epsilon est avantageusement au moins égale à environ 10, de préférence l'epsilon est inférieur ou égale à 100 et supérieur ou égale à 25. Il a pu être montré que les meilleurs résultats étaient obtenus lorsqu'on utilisait des solvants aprotiques dipolaires qui présentaient un indice donneur compris entre 10 et 50, ledit indice donneur étant le AH (variation d'enthalpie) exprimé en kilocalorie de l'association dudit solvant aprotique dipolaire avec le pentachlorure d'antimoine. Les oniums sont choisis dans le groupe des cations formés par les colonnes VB et VIB tels que définis dans le tableau de la classification périodique des éléments publiés au supplément au Bulletin de la Société Chimique de France en janvier 1966, avec respectivement quatre ou trois chaînes hydrocarbonées. D'une manière générale, il est connu qu'une granulométrie fine a une influence sur la cinétique. Ainsi, il est souhaitable que ledit solide en suspension présente une granulométrie telle que son d9o (défini en tant que la maille laissant passer 90 % en masse du solide) est au plus égal à 100 pm, avantageusement au plus égal à 50 pm, de préférence au plus égal à pm. La limite inférieure est avantageusement caractérisée par le fait que le do10 dudit solide en suspension est au moins égal à 0, 1 pm, de préférence au moins égal à 1 pm. En général, le rapport entre ledit fluorure alcalin et ledit substrat est compris entre 1 et 1,5, de préférence aux alentours de 1,25 par rapport à la stoechiométrie de l'échange. 8 2791660 Le taux en masse en matières solides présentes dans le milieu réactionnel est avantageusement au moins égal à 1/5, avantageusement 1/4, de préférence 1/3. L'agitation est avantageusement menée de manière qu'au moins 80 %, de préférence au moins 90 % des solides, soit maintenu en suspension par l'agitation. Lorsque l'échange est réalisé sur un groupement arylique, le radical aryle en question est de préférence appauvri en électrons et à une densité électronique au plus égale à celle du benzène, de préférence au plus voisine l0 de celle d'un halobenzène. Cet appauvrissement peut être dû soit à la présence dans le cycle aromatique d'un hétéroatome comme par exemple dans la pyridine, la quinoléine. Bien évidemment, I'appauvrissement électronique peut être provoquée aussi par des groupes électro-attracteurs. La pauvreté en électrons peut être due à ces deux causes. Ainsi, ledit aryle porte avantageusement au moins un substituant sur le même noyau que celui portant le chlore, ledit substituant étant de préférence choisi parmi les groupes attracteurs par effet inductif ou par effet mésomère tel que défini o dans l'ouvrage de référence en chimie organique "Advanced organic chemistry" par M.J. MARCH, 3ème édition, éditeur Willey, 1985 (cf notamment pages 17 et 238). A l'exception des groupes pouvant conduire à une interaction avec les fluorures (par exemple, groupes porteurs d'hydrogènes susceptibles de créer des liaisons hydrogènes avec les fluorures), on peut citer comme exemples de groupes électro-attracteurs conformes à l'invention les groupes NO2,CF3,CN, COX avec X pouvant être un atome de chlore, brome, fluor ou un groupement alcoyloxyle ou CHO. Il convient de signaler que l'échange entre halogène et fluor peut également être transposé avec un pseudo- halogène et un fluor. On entend désigner par pseudohalogène, un groupement dont le départ conduit à un anion oxygéné, la charge anionique étant portée par 9 2791660 l'atome de chalcogène et dont l'acidité, exprimée par la constante de Hammett, est au moins égale à celle de l'acide acétique, avantageusement à la seconde acidité de l'acide sulfurique et de préférence à celle de l'acide trifluoroacétique. A titre illustratif de ce type de pseudohalogènes, on peut en particulier citer les acides sulfinique et sulfonique, perhalogénés sur le carbone porteur du soufre ainsi que les acides carboxyliques perfluorés en a de la fonction carboxylique. Ces réactions sont du type SNAr, à savoir une substitution nucléophile lo aromatique. Les exemples qui suivent sont présentés à titre illustratif et non limitatif de la présente invention. Exemple 1. Les essais ont été réalisés sur l'orthonitrochlorobenzène, ONCB. Le KF et l'ONCB sont préalablement pesés dans des flacons en verre. Dans le réacteur balayé par un courant d'argon, on introduit KF (et le catalyseur si nécessaire), puis l'ONCB. Les parois du réacteur sont ensuite rincées avec le sulfolane additionné à l'aide d'une seringue. Après fermeture du réacteur, le milieu réactionnel est irradié par les micro-ondes et, si possible, ouvert dès la fin d'irradiation. Le refroidissement est accéléré par un bain de glace. Après retour à température ambiante, le mélange réactionnel est entraîné au dichlorométhane, filtré sur fritté afin de séparer le solide qui est lavé au dichlorométhane. Le dichlorométhane est distillé de la phase organique au rotavapeur. La phase résiduelle est ensuite analysée en HPLC. Dans un premier temps, un milieu réactionnel est irradié (3 min.300 W) sans catalyseur avec les stoechiométries: 1 éq. ONCB, 1,13 éq. KF, 1,05 éq. TMSO2. Dans une seconde série d'essais, I'irradiation est réalisée en présence de catalyseurs Me4NCI 4 % molaires en milieu dilué ou non. dYIO 2791660 Sans indication contraire, le temps d'irradiation par les micro-ondes est augmenté par cumul de séquences de 3 min à 300 W avec retour à température ambiante entre chaque séquence. Le tableau 1 figurant ci-après rend compte des résultats obtenus. Les résultats observés sont les suivants: En absence de catalyseurs, la sélectivité est médiocre (RT = 10 %) (essai 1). En présence de Me4NCI en milieu non dilué, d'une part, la sélectivité est meilleure (RT = 75-80 %), pour un taux de transformation équivalent (essais 2a et 2b). Pour les essais effectués en milieu plus dilué ( avec entre 3 et 4 éq. de sulfolane) (essai 4), les RR et TT sont multipliés par un facteur 1,5 à 2 par rapport au milieu avec 1 éq. de sulfolane. Il est possible que cet effet bénéfique de la dilution soit lié à l'absence d'agitation du milieu réactionnel. De même on note que RR et TT augmentent en fonction du temps total d'irradiation (essais 5 et 6). Le meilleur résultat est obtenu après 15 min d'irradiation avec 4,2 % molaire de Me4NCI et 3 éq. de sulfolane: RR =45 % TT = 56 % RT = 79 % RR(2-2'-(PhNO2)20) Tableau 1 Essai Durée %mol n éq Sans catalyseur 4% catalyseur 4% catalyseur en milieu I _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ d ilu é activa- Me4NCl TMSO2 TT RR RT rr TT RR RT rr TT RR RT rr tion micro- ondes ONCB ONFB ONFB (PhNO2)2 ONCB ONFB ONFB (PhNO2)2 ONCB ONFB ONFB (PhNO2)2 l! O O O 1 3 min. 23 3 11 0,04 2a 3 min. 4,3 1 11 9 79 0, 1 2b 3 4,3 1 12 10 84 0,1 3 3 4,2 2,9 F 16 14 89 0,2 4 6 4,3 3,2 F 29 22 76 0,4 9 i 4,2 4 44 33 75 0,6 I! I, I I l l 4 6 115 min. 4,2 3 56 45 79 0,9 Co o 12 2791660 Exemple 2. Les réactifs mis en oeuvre sont identiques à ceux retenus en exemple 1. Un milieu réactionnel est irradié (3 min.300W) sans catalyseur avec s les stoeechiométries: 1 éq. ONCB, 1,13 éq. KF, 1,05 éq. TMSO2. La valeur de température relevée à l'ouverture du réacteur pour ce type d'essai (essai A) varie de 150 à 160 C. A des fins comparatives, il a été réalisé une activation thermique d'un même mélange à deux températures différentes 170 C et 230 C. Les résultats obtenus figurent dans le tableau 2 ci-après. Ce tableau rend également compte des résultats obtenus avec une irradiation à l'aide de micro-ondes réalisée en présence de catalyseur (essai B). On note que l'on obtient en présence de ce catalyseur un rendement en transformation de l'ordre de 79% en 15 minutes contre 88% en 5 heures avec un chauffage classique à 1700C. 13 2791660 Tableau 2 Essai activationTOC Durée %mol n éq TT RR RT micro-onde Me4NC1 TMSO2 ONVCB ONFB ONFB W A 300 3 min - 1,05 23 3 I 1 = _ _ 230 9h00 O I 60 55 89 B 300 15 min 4 3 56 45 79 5h00 5 4 90 80 88 Exemple N 3. Essais sur le 2-4. dichloro nitrobenzène. Les conditions utilisées avec l'ONCB (ortho) ont été appliquées sur le DNCB (dichloronitrobenzène). Les résultats obtenus figurent dans le tableau 3 présenté ci-après. Tableau 3 N Essai TMSO2 KF Me4NCI Irradiation TT 2,4- RR RR RT global DCNB DFNB CFNB 7 3,6 éq. 2 éq. 0,04 éq. 3 min.300 W 81% 27 % 35 % 76 % 8 5 éq. 2 éq. 0,04 éq. 3*(3 min.300 W) 98 % 52 % 20 % 73 % 9 5 éq. 2 éq. 0, 04 éq. 5*(3 min.300 W) 98 % 47 % 17 % 65 % (o ") 0") o REVENDICATIONS 1. Procédé d'activation de fluorures minéraux en milieu organique, caractérisé par le fait que l'on soumet ledit fluorure à l'action de micro- ondes en présence d'un catalyseur de transfert de phases, avantageusement cationique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réaction est menée dans un solvant et à une température d'au moins 10 C, avantageusement 20 C, de préférence 40 C inférieure à celle de la limite usuellement admise pour le solvant utilisé. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les micro-ondes sont émises par périodes courtes alternant avec des phases de refroidissement, et en ce que les durées respectives des périodes d'émission de micro-ondes et de périodes de refroidissement sont choisies de manière à ce que la température à la fin de chaque période de micro-ondes soit inférieure à une température initialement fixée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le mélange réactionnel est soumis simultanément à un refroidissement et aux micro-ondes, et en ce que la puissance dégagée par les micro-ondes est choisie de manière à ce que, pour une température intiale fixée, elle soit équivalente à l'énergie évacuée par le système de refroidissement, à la chaleur dégagée ou absorbée par la réaction près. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la puissance dégagée par les micro-ondes est comprise entre 1 et 50 watts par milliéquivalent d'ions fluorure. 1 6 2791660 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la puissance dégagée par les micro-ondes est comprise entre 2 et 100 watts par gramme de mélange réactionnel. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le catalyseur de transfert de phase est un onium. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lorsque le catalyseur de transfert de phase est un onium instable en présence de fluorures, la réaction est menée en présence d'un anion distinct des fluorures en quantité supérieure à une fois, avantageusement à 2 fois, de préférence à 3 fois la quantité en équivalent dudit onium instable. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lorsque le catalyseur de transfert de phase est un onium instable en présence de fluorures, la réaction est menée en présence de chlorures en quantité supérieure à une fois la quantité en équivalent dudit onium instable. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit fluorure est au moins partiellement sous forme solide. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit fluorure est un fluorure d'un métal alcalin de nombre atomique au moins égal à celui du sodium. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit fluorure est un fluorure de potassium. 1 7 /I2791660 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit fluorure est soumis à une réaction d'échange fluor, halogène ou pseudo halogène. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit fluor est soumis à une réaction d'échange chlore fluor sur un aromatique (réaction de Substitution Nucléophile aromatique (SNAr)).