Brevet FR3003571A1 — publié le 20140926

PROCEDE DE PREPARATION NON METALLO-CATALYSEE DE DERIVES DE LACTAMES DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de préparation de dérivés de lactames ne nécessitant pas de catalyseur métallique. Les composés issus de ce procédé peuvent notamment être utilisés en tant que solvants de synthèse y compris la synthèse de polymères, d'extraction en particulier dans l'industrie pétrochimique, de nettoyage, ou de formulation. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE La N-méthyl pyrrolidone (NMP) est un lactame présentant des propriétés de faible volatilité et de haute stabilité thermique, ce qui rend son utilisation en tant que solvant polaire aprotique très intéressante d'un point de vue industriel (de l'ordre de centaines de millions de livres en 2006). Récemment, en accord avec la règlementation (EC) No 1272/2008 [EU-GHS/CLP], la NMP a été classée comme Irritant oculaire (Catégorie 2), Irritant cutané (Catégorie 2), mais aussi toxicité pour la reproduction (Catégorie 1B), et présente une toxicité spécifique pour certains organes cibles - exposition unique (Catégorie 3). Compte tenu de l'importance de la NMP dans de nombreux secteurs économiques et de sa toxicité, il existe un besoin industriel de disposer d'alternatives à la NMP. Il pourrait notamment s'agir -entre autres- du DMSO (diméthylsulfoxyde), ou de la NEP (N-éthyl pyrrolidone). D'autres alternatives peuvent être envisagées, par exemple les dérivés de lactames tels que les composés de type N-alkyl/aryl-5-méthyl-2-pyrrolidinone. Ces derniers peuvent notamment être obtenus à partir de l'acide lévulinique selon les procédés de l'art antérieur qui mettent tous en oeuvre un catalyseur métallique. Par exemple, le document US 6,743,819 décrit la synthèse de composés 5-méthyl-N35 aryl-2-pyrrolidone et 5-méthyl-N-cycloalkyl-2-pyrrolidone, à partir de l'acide lévulinique et de l'amine R1-NH2, Ri étant un groupement aromatique comprenant 6 à 12 atomes de carbone. Cette réaction est mise en oeuvre en présence d'un catalyseur métallique pouvant notamment être à base de nickel, cuivre, cobalt, fer, rhodium, ruthénium, osmium, iridium, ou platine. Ce catalyseur peut être supporté sur de la silice ou du carbone par exemple. Un agent dit « promoteur » peut également être utilisé, il s'agit principalement de composés à base d'étain, de zinc, ou d'éléments des groupes I et II. La réaction décrite dans le document US 6,743,819 est réalisée à une température comprise entre 50 et 300°C et sous une atmosphère de 0.3 à 20 MPa d'hydrogène. Elle peut aussi comprendre un solvant tel que l'eau, les alcools, ou les esters notamment. Le document Huang et al. (ChemSusChem, 2011, 4, 1578-1581) décrit la synthèse de N-alkyl-5-méthyl-2-pyrrolidinone par réaction entre l'acide lévulinique et une amine primaire en présence d'une quantité catalytique de phosphine de préférence très basique et de catalyseur à base de ruthénium. Cette réaction nécessite également l'introduction d'acide formique. Elle est mise en oeuvre à une température comprise entre 80 et 120°C, pendant 6-12 heures. Le document US 5,496,958 décrit une synthèse à partir d'esters de l'acide 4- oxobutanoique. La deuxième étape de la réaction est réalisée à une température comprise entre 150 et 350°C et une pression comprise entre 0.1 et 200 bar pendant deux heures. Le document US 6,906,201 décrit une synthèse à partir de la gamma-valerolactone et la gamma butyrolactone en tant que précurseurs, catalysée par un métal, en présence d'hydrogène. Bien que ces procédés permettent d'obtenir des dérivés de lactame dans des conditions relativement clémentes et avec des rendements satisfaisants, ils demeurent onéreux en raison de la présence d'un catalyseur métallique et de ligands souvent très réactifs. Par conséquent, ces procédés comprennent généralement des étapes critiques de séparation, notamment dans le cas d'une catalyse homogène. En outre, ils nécessitent généralement l'utilisation d'un solvant. Le Demandeur a mis au point un procédé permettant de remédier à ces problèmes. En effet, le Demandeur a remarqué que, de manière tout à fait surprenante, le procédé objet de l'invention ne nécessite pas la présence de catalyseur métallique. En effet, contrairement aux procédés publiés récemment, il est connu que par le biais d'un mécanisme concerté, l'acide formique peut jouer le rôle d'un acide mais également d'un réducteur (source d'hydrure) avec libération de CO2 (cf par exemple : Leuckart, R. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1885, 18, 2341). Etonnamment, avec l'avènement de la chimie organométallique, cette réactivité a été négligée et l'homme de l'art utilise souvent la combinaison acide formique/catalyseur métallique/ligand pour générer des hydrures. Dans le cadre de cette invention, le Demandeur démontre que même sans solvant, en chauffant (entre 160 et 220°C) l'acide lévulinique et l'amine en présence d'acide formique dans un autoclave, sous pression autogène, les lactames correspondants peuvent être obtenus avec d'excellents rendements. EXPOSE DE L'INVENTION Le Demandeur a mis au point un procédé de préparation de dérivés de lactame (amide cyclique) ne nécessitant pas de catalyseur métallique. En outre, et de manière générale, les réactifs utilisés dans ce procédé ne présentent pas de problème de sensibilité à l'oxydation. Ce procédé peut donc généralement être mis en oeuvre sous air. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de préparation du composé de formule (I) 25 R (I) par réaction entre un acide de formule R5-C(=0)-CR1R2-CR3R4-C(=0)0H et l'amine primaire RNH2, en présence d'au moins une quantité stoechiométrique, par rapport à l'amine, d'acide formique HCOOH ; 30 R étant un atome d'hydrogène ou un groupement alkyle, aryle, hétéro-alkyle, hétéro- aryle, alcènyle, alkynyle linéaire ou ramifié, comprenant de 1 à 25 atomes de carbone, plus avantageusement de 1 à 8 atomes de carbone ; les groupements Ri, R2, R3, R4 étant indépendamment un atome d'hydrogène ou un groupement alkyle comprenant 1 à 8 atomes de carbone, et plus avantageusement de 1 35 à 4 atomes de carbone ; le groupement R5 étant un groupement comprenant de 1 à 25 atomes de carbone, avantageusement un groupement alkyle. Il s'agit avantageusement du groupement méthyle. La caractéristique remarquable de ce procédé a trait à l'absence de catalyseur métallique. Réactifs Selon un mode de réalisation préféré, le groupement R est un groupement alkyl comprenant 1 à 8 atomes de carbone. Il peut notamment être choisi dans le groupe comprenant les groupements méthyle, n- propyle, iso-propyle, n-octyle, n-butyle, iso-butyle, tert-butyle cyclohexyle et benzyle. Selon un mode de réalisation R peut être un groupement vinyle. Dans ce cas, le composé de formule (I) peut notamment être obtenu lorsque R est un groupement - CH=CH2, ou à l'issue d'une étape ultérieure à partir du composé de formule (I) ayant R = H. En ce qui concerne l'acide mis en oeuvre, il s'agit avantageusement de l'acide lévulinique R2, R3, R4 H : R5 = Me) dont le numéro CAS est 123-76-2 et la formule : HO CH3 0 Selon ce mode de réalisation particulier, le composé de formule (I) obtenu est donc le N-alkyl/aryl-5-méthyl-2-pyrrolidinone, avec R représentant un groupement tel que défini ci-dessus. L'acide est avantageusement bio-sourcé, notamment lorsqu'il s'agit de l'acide lévulinique. Ce dernier peut notamment être obtenu à partir de cellulose, d'hémicellulose ou d'amidon Par bio-sourcé, on entend un composé issu de la biomasse animale ou végétale. En outre, de manière générale, l'amine primaire R-NH2 et l'acide sont préférentiellement introduits en quantités équimolaires. Cependant, le rapport molaire entre l'amine et l'acide de formule R5-C(=0)-CR1R2CR3R4-C(=O)OH peut notamment varier de 100 à 1000% molaire, avantageusement de 100 à 200% molaire. Ceci peut notamment être justifié dans le cas d'une amine dont la volatilité pourrait altérer la stoechiométrie de la réaction. Acide formique Comme déjà dit, la réaction mise en oeuvre dans le procédé objet de l'invention est réalisée en présence de l'acide formique, HCOOH. L'acide formique permet non seulement la formation d'une imine intermédiaire, mais aussi la réduction de cette dernière. La quantité d'acide formique est avantageusement comprise entre 100 et 200 mol%, par rapport au nombre de moles d'amine primaire R-NH2, plus avantageusement entre 100 et 150 mol%. Cet excès d'acide peut se justifier lorsque le procédé est, par exemple, mis en oeuvre dans un dispositif permettant un flux continu des réactifs au sein d'un réacteur comportant une forme d'acide formique supportée ou non. Température et pression La réaction est avantageusement mise en oeuvre dans un réacteur (autoclave) fermé. En effet, il n'est pas nécessaire d'évacuer les sous-produits issus de la réaction, au fur et à mesure de leur formation (dioxyde de carbone et eau). L'augmentation de la température et la génération de gaz tel que le dioxyde de carbone (issu de la réaction) entrainent une augmentation de la pression. Ainsi, de manière avantageuse, la réaction est mise à oeuvre à une pression comprise entre pression atmosphérique et 60 Atm, plus avantageusement encore entre 30 et 50 30 Atm. D'autre part, la température de réaction est avantageusement comprise entre 25°C et 200 °C, plus avantageusement encore entre 160 °C et 180 °C. 35 Solvant De manière générale, la réaction est avantageusement mise en oeuvre en l'absence de solvant. Ainsi, les étapes de séparation des produits obtenus sont optionnelles, les produits secondaires étant de manière générale des gaz (dans les conditions d'expérience). Utilisation La présente invention concerne également le produit directement obtenu selon le procédé décrit ci-avant, ainsi que son utilisation en tant que solvant de synthèse y compris la synthèse de polymères, d'extraction en particulier dans l'industrie pétrochimique, de nettoyage, ou de formulation. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION L'intégralité des expériences décrites ci-dessous ont été réalisées en l'absence de solvant. Exemples selon le procédé objet de la présente invention : Acide Lévulinique + Amine+ HCO2H (pas de catalyseur métallique) Procédure générale de la synthèse du 5-méthyl-N-alkylpyrrolidone en l'absence de métaux et de ligands : Un autoclave équipé d'un manomètre, d'une valve de sécurité, and d'un thermomètre, est chargé avec de l'acide lévulinique (1 équivalent). Ensuite, une amine (1 équivalent molaire) est ajoutée lentement au moyen d'une seringue (réaction exothermique). Un équivalent molaire d'acide formique est ensuite ajouté. Une fois tous les réactants ajoutés, l'autoclave est fermé, et la réaction réalisée pendant 3 à 10 heures à 200°C. Une fois la réaction finie, le milieu réactionnel est refroidi à la température ambiante avant de dégazer l'autoclave. La solution ainsi obtenue présente une couleur orange à marron. En fonction de la nature de l'amine utilisée, le produit brut de la réaction peut être lavé avec une solution diluée de Na2CO3, et extraite avec de l'acétate d'éthyle. La phase organique séparée est lavée avec de la saumure, séchée avec du MgSO4, filtrée et concentrée sous pression réduite pour donner le produit désiré. Dans le cas où une amine volatile est utilisée (température de fusion inférieure à 100°C), la phase organique est distillée sous pression pour donner une huile. Tableau 1 : Taux de conversion et rendement selon le procédé objet de l'invention Exemple Amine Conversion Rendement après isolation 5-Me-NPP n-propyl amine 90% 72% (distillation) 5-Me-NBP n-butylamine 100% 80% (distillation) 5-Me-NiBP isobutylamine 100% 86% (distillation) 5-Me-NiPP isopropylamine 100% 80% (distillation) 5-Me-NCyP cyclohexylamine 89% 88% (distillation) 5-Me-NOP n-octylamine 86% 86% (Estimation RMN) 5-Me-NBnP B enzyl amine 90% 49% (distillation) NPP : R = n-propyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NBP ; R = n-butyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NiBP : iB = iso-butyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NiPP : iP = iso-propyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NCyP : R = cyclohexyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NOP : R = octyl, Ri=R2=R3=R4=H, R5 = Me ; NBnP : R = benzyl, Ri=R2=R3=R4=i1, R5 = Me Contre exemples : Synthèse de composés de formule (I) par catalyse métallique Tableau 2 : Taux de conversion et rendement selon le procédé de l'art antérieur Exemple Amine Conversion Rendement après isolation CE-1 n-propylamine 100% 57% à 84% (extraction + distillation) CE-2 n-butylamine 100% 47% (distillation) CE-3 isobutylamine 100% 87% (distillation) CE-4 n-octylamine 80% 80% (extraction) CE-5 isopropylamine 100% 38% (extraction + distillation) Les contre-exemples CE-1 à CE-5 ont été réalisés selon le mode opératoire suivant : Sous argon, un réacteur (10 mL) est chargé avec 10 mmol d'amine R-NH2, 10 mmol d'acide lévulinique, lmol% de catalyseur [Ru(p-cymène)C12]2, 3 mol% de P(o-Toly1)3, 10 mmol d'acide formique. Le milieu réactionnel est chauffé à 120°C pendant 12h. En fin de réaction, le brut réactionnel est directement distillé (ou préalablement extrait puis distillé) sous pression réduite conduisant aux lactames correspondants. REVENDICATIONS1. Procédé de préparation du composé de formule (I) R (I) par réaction entre un acide de formule CH3-C(=0)-CR1R2-CR3R4-C(=0)0H et l'amine primaire RNH2, en présence d'au moins une quantité stoechiométrique, par rapport à l'amine, d'acide formique HCOOH ; R étant un atome d'hydrogène ou un groupement alkyle, aryle, hétéro-alkyle, hétéro-aryle, alcènyle, alkynyle linéaire ou ramifié, comprenant de 1 à 25 atomes de carbone ; les groupements Ri, R2, R3, R4 étant indépendamment un atome d'hydrogène ou un groupement alkyle comprenant 1 à 8 atomes de carbone ; R5 étant un groupement comprenant 1 à 25 atomes de carbone ; caractérisé en ce que la réaction est réalisée en l'absence de catalyseur métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction est mise en oeuvre en l'absence de solvant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la réaction est mise à oeuvre à une pression comprise entre la pression atmosphérique et 60 Atm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la réaction est mise à oeuvre à une température comprise entre 25 °C et 200 °C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le groupement R est choisi dans le groupe comprenant les groupements méthyle, n-propyle, iso-propyle, n-octyle, n-butyle, iso-butyle, tert-butyle cyclohexyle et benzyle.35 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'acide est l'acide lévulinique. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'acide peut-être 100% biosourcé. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la quantité catalytique d'acide formique est comprise entre 100 mol% et 200 mol%, par rapport au nombre de moles d'amine primaire R-NH2. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'amine primaire R-NH2 et l'acide de formule R5-C(=0)-CR1R2-CR3R4-C(=0)0H sont introduits en quantités équimolaires. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le groupement R5 est un méthyle.