Procédé de synthèse électrochimique d'acides carboxyliques

Abstract

 L'invention concerne un procédé d'électrosynthèse d'acides carbo­xyliques de formule générale R-COOH dans laquelle R est un radical organique par réduction électrochimique, en présence de gaz carbo­nique, de composés organiques répondant à la formule générale R-Y dans laquelle R a la signification précitée et Y est un radical hétéroatomique, l'hétéroatome du radical Y, choisi dans le groupe constitué par l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore, étant directement relié à un atome de carbone du radical R par une liai­son covalente simple. Lorsque l'hétéroatome est l'azote ou le phosphore, le radical Y est respectivement un radical ammonium ou phosphonium.
L'anode, consommée au cours de l'électrosynthèse, est en un métal choisi dans le groupe constitué par les métaux réducteurs et leurs alliages, de préférence en magnésium, aluminium ou zinc.
Ce procédé sans catalyseur est très simple de mise en oeuvre et permet d'utiliser une cellule à un seul compartiment.
Les acides carboxyliques sont couramment utilisés dans l'industrie chimique, notamment comme intermédiaires de synthèse de produits pharmaceutiques ou phytosanitaires.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé d'électrosynthèse d'aci­des carboxyliques par réduction électrochimique, en présence de gaz carbonique, de composés organiques comportant au moins une li­aison covalente simple carbone-hétéroatome, procédé mis en oeuvre dans une cellule d'électrolyse en milieu organique.

[0002] Les acides carboxyliques sont des produits couramment utilisés dans l'industrie chimique, notamment comme intermédiaires de syn­thèse de produits pharmaceutiques ou phytosanitaires. On peut en particulier citer leur usage pour la synthèse de pénicillines ain­si que pour celles d'anti-inflammatoires et d'insecticides.

[0003] FR 2 566 434 dont la Demanderesse est titulaire décrit la synthèse d'acides carboxyliques par réduction électrochimique, en présence de gaz carbonique, d'halogénures organiques. Le procédé est mis en oeuvre dans une cellule de préférence non compartimentée, en mi­lieu organique. L'anode, en magnésium, est consommée au cours de l'électrosynthèse par la réaction électrochimique dont elle est le siège.

[0004] En pratique, ce procédé est fortement limité par la toxicité et/ou l'instabilité des halogénures organiques de départ ainsi que par les difficultés d'accès à ces composés.

[0005] Par exemple, la plupart des halogénures benzyliques sont lacrymo­gènes, irritants et corrosifs. Les plus réactifs sont particuliè­rement instables ; le chlorure de paraméthoxybenzyle, les chloro­méthyl et chloroéthyl thiphènes polymérisent spontanément à tem­pérature ambiante avec un important dégagement gazeux d'acide chlorhydrique. Les alpha arylchloroéthanes subissent souvent des réactions de déhydrochloration conduisant à des dérivés styré­niques indésirables. Toutes ces réactions parasites sont souvent accélérées du fait des conditions opératoires de l'électrocarboxy­lation (solvants polaires, présence de sels métalliques). Ainsi l'électrocarboxylation du chlorure de paraméthoxybenzyle ne donne l'acide paraméthoxyphénylacétique qu'avec un rendement de 50% alors que la matière première a totalement disparu.

[0006] L'électrocarboxylation de l'alpha chloroéthylthiophène ne donne des résultats satisfaisants qu'à des températures inférieures à - 10°C, ce qui est contraignant.

[0007] L'accès aux halogénures benzyliques est difficile. La voie de syn­thèse la plus directe est la chlorométhylation de composés aroma­tiques ou hétérocycliques aromatiques. (synthèse du chlorométhyl­thiophène, du chlorométhylnaphtalène).

[0008] La formation de sous-produits fortement cancérigènes en limite considérablement l'application.

[0009] De façon générale, dans presque tous les cas, l'introduction d'un halogène dans une molécule organique nécessite l'utilisation d'un réactif dangereux et corrosif comme l'acide chlorhydrique, l'acide bromhydrique, le chlorure de thionyle, les chlorures de phosphore, le chlore, le brome.

[0010] Par ailleurs, BAIZER, dans J.O.C. 37,12, 1951-60, 1972, obtient des esters de benzyle ou des esters d'allyle, par réduction éléectrochimique, en présence de gaz carbonique, des halogénures de benzyle ou d'allyle correspondants, en milieu organique (diméthyl­formamide-DMF) en présence de chlorure de tétraéthylammonium comme électrolyte indifférent. La cathode est en mercure et l'anode en platine.

[0011] Les esters d'allyle ou de benzyle obtenus sont donc tout à fait stables vis-à-vis de l'électrocarboxylation puisqu'ils sont isolés avec d'excellents rendements.

[0012] Par ailleurs, malgré les quantités importantes de sels de tétra­éthylammonium présentes pendant l'électrocarboxylation des halogé­nures organiques, il ne se forme pas d'acides dérivés de leur car­boxylation.

[0013] Ces faits dissuadent l'homme de métier recherchant à obtenir des acides carboxyliques, d'électrocarboxyler des sels d'ammonium qua­ternaires ou des esters.

[0014] Le procédé selon l'invention, qui va à l'encontre de cet enseigne­ment, permet, comparativement au procédé décrit dans FR 2 566 434 d'en conserver tous les avantages, et notamment ceux mentionnés dans la demande FR 2 566 434 elle-même, sans en avoir les incon­vénients et notamment ceux précités liés à utilisation d'halogé­nures organiques.

[0015] Selon l'invention, le procédé d'électrosynthèse d'acides carboxy­liques par réduction électrochimique, en présence de gaz carbo­nique, de composés organiques comportant au moins une liaison co­valente simple carbone-hétéroatome, procédé mis en oeuvre en mi­lieu organique dans une cellule d'électrolyse munie d'électrodes, est caractérisé en ce que l'anode est en un métal choisi dans le groupe constitué par les métaux réducteurs et leurs alliages et en ce que l'hétéroatome est choisi dans le groupe constitué par l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore.

[0016] On entend par "leurs alliages" tout alliage contenant au moins un métal réducteur.

[0017] De façon préférée, le métal réducteur est choisi dans le groupe constitué par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs al­liages.

[0018] Les composés organiques comportant au moins une liaison covalente simple carbone-hétéroatome utilisable dans le cadre de la pré­sente invention répondent à la formule générale R-Y dans laquelle R est un radical organique et Y un radical hétéroatomique, l'hé­téroatome choisi dans le groupe constitué par l'oxygéne, l'azote, le soufre et le phosphore étant directement relié à un atome de carbone du radical organique R par une liaison covalente simple.

[0019] On obtient ainsi des acides carboxyliques de formule générale R-COOH par rupture dans R-Y de la liaison covalente simple reliant l'hétéroatome du radical Y à un atome de carbone du radical R et fixation du CO₂ sur cet atome de carbone.

[0020] On note parfois une isomérisation du radical R au cours de la réaction. C'est le cas notamment lorsque R est un radical ally­lique.

[0021] Lorsque l'hétéroatome est l'azote, Y est nécessairement un radical ammonium

[0022] Lorsque l'hétéroatome est le phosphore, Y est nécessairement un radical phosphonium

[0023] Lorsque l'hétéroatome est l'oxygène, Y est par exemple un radical

[0024] Lorsque l'hétéroatome est le soufre, Y est par exemple un radical

[0025] Les radicaux R₁, R₂ et R₃ sont des radicaux hydrocarbonés alipha­tiques, aromatiques ou hétérocycliques, substitutés ou non substi­tués. Ils peuvent également former des cycles, entre eux ou avec le radical R.

[0026] Selon une variante préférée de l'invention, on obtient des acides carboxyliques insaturés. Dans ce cas l'atome de carbone du radical organique R qui est directement relié à l'hétéroatome du radical Y est hybridé "sp₃" (on dit parfois qu'un tel atome de carbone est un atome de carbone "saturé") et au moins un des atomes de carbone du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome du radi­cal Y est hybridé "sp₂". (On dit parfois qu'un tel atome de car­bone est un atome de carbone "insaturé éthylénique"). Classique­ ment et par définition, l'hybridation "sp₃" est une hybridation tétraédrique et l'hybridation "sp₂" une hybridation trigonale plane.

[0027] Cet atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome est de façon particulièrement préférée un atome de carbone éthylénique ou un atome de carbone faisant partie d'un cycle ou hétérocycle aromatique substitué ou non subs­titué.

[0028] Lorsque l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome est un atome de carbone éthylé­nique, le radical R est de préférence un radical aliphatique com­portant 3 à 10 atomes de carbone. C'est le cas par exemple lorsque R est un radical allylique.

[0029] Lorsque l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome fait partie d'un cycle aromatique substitué ou non substitué, l'atome de carbone hybridé "sp₃" du radical R qui est directement relié à l'hétéroatome porte de pré­férence soit 2 atomes d'hydrogène, soit un atome d'hydrogène et un groupement méthyle ou éthyle ou isopropyle. Dans ce cas, on pré­fère particulièrement que le radical R soit un radical benzylique. Lorsque l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome fait partie d'un hétérocycle aro­matique substitué ou non substitué cet hétérocycle aromatique est de préférence le thiophène, le N-méthyl pyrrole, l'indole ou la pyridine.

[0030] C'est le cas par exemple lorsque R est le radical

[0031] Cet atome de carbone du radical R en position bêta peut également être un carbone acétylénique (hybridé "sp₁") ou celui d'un groupe carbonyle ou nitrile.

[0032] Le radical organique R peut comporter au moins un groupement fonc­tionnel non réductible dans les conditions de l'électrosynthèse. On peut citer par exemple les groupements carbonyle, nitrile, ami­nes tertiaires, amides et le fluor.

[0033] Les composés organiques précités de formule générale R-Y sont gé­néralement facilement accessibles par les méthodes classiques de la chimie organique. Leur synthèse ne présente pas de difficulté particulière, même à l'échelle industrielle.

[0034] L'anode peut avoir une forme quelconque et notamment toutes les formes classiques d'électrodes métalliques (fil torsadé, barreau plat, barreau cylindrique, barreau de section carrée, plaque, lit renouvelable, toile, grille, ruban, billes, grenaille, poudre, etc).

[0035] De façon préférée, on utilise un barreau cylindrique de diamètre adapté aux dimensions de la cellule.

[0036] Avant utilisation, il est préférable de nettoyer, chimiquement ou mécaniquement, la surface de l'anode.

[0037] La pureté du métal (ou de l'alliage) constituant l'anode n'est pas un paramètre important et les qualités industrielles conviennent.

[0038] La cathode est un métal quelconque tel que l'acier inoxydable, le nickel, le platine, l'or, le cuivre, ou du graphite. Elle est constituée, de façon préférée, par une grille ou une plaque cylin­drique disposée concentriquement autour de l'anode. Pour des rai­sons économiques on utilise de préférence l'acier inoxydable.

[0039] Les électrodes sont alimentées en courant continu par l'intermé­diaire d'une alimentation stabilisée.

[0040] Les solvants organiques utilisés dans le cadre de cette invention sont tous les solvants peu protiques usuellement utilisés en élec­trochimie organique. On peut citer par exemple l'hexaméthylphos­phorotriamide (HMPT), le tétrahydrofuranne (THF), les mélanges THF-HMPT, la N-méthylpyrrolidone (NMP), la tétraméthylurée (TMU), le diméthylformamide (DMF), l'acétonitrile.

[0041] Les électroytes indifférents utilisés pour rendre le milieu con­ducteur ou plus conducteur peuvent être ceux habituellement utili­sés en électrochimie organique. On peut citer par exemple le té­trafluoroborate de tétrabutylammonium (BF₄ NBu₄), le perchlorate de lithium (LiClO₄), le chlorure de tétrabutylammonium (ClNBu₄), le chlorure de tétraéthylammonium (ClNEt₄, le perchlorate de té­trabutylammonium (ClO₄NBu₄) et les sels de zinc, magnésium ou alu­minium.

[0042] Lorsque l'électrolyte indifférent est un sel d'ammonium, celui-ci est au moins partiellement carboxylé selon l'invention mais d'une part la quantité d'électrolyte indifférent peut être faible compa­rativement au dérivé R-Y et d'autre par l'acide formé par carbo­xylation de l'électrolyte est facilement séparé de l'acide recher­ché obtenu par carboxylation du dérivé R-Y.

[0043] L'ajout d''un électrolyte indifférent n'est pas nécessaire lorsque le composé R-Y à réduire est lui-même ionique, comme c'est le cas par exemple pour les sels d'ammonium, de sulfonium ou de phospho­nium.

[0044] Lorsque l'ajout d'un électrolyte indifférent est nécessaire, sa concentration dans le solvant organique est de préférence comprise entre 5 10⁻³ M et 5 10⁻² M.

[0045] De façon également préférée, la concentration du composé R-Y à ré­duire dans le solvant organique est comprise entre 10⁻¹ M et 1 M. Cette concentration peut donc être relativement élevée, ce qui est assez inhabituel en électrosynthèse. Cette constatation est bien sûr très intéressante sur le plan économique.

[0046] L'électrosynthèse est conduite de préférence dans une cellule non compartimentée

1) à une température généralement comprise entre 0°C et 60°C, de préférence entre 10 et 30°C environ, pour des raison pratiques de simplicité;

2) sous une densité de courant sur l'anode pouvant varier de 10⁻¹ à 100 mA/cm², généralement comprise entre 10 et 50 mA/cm². On o­père en générale à intensité constante, mais on peut également opé­rer à tension constante, à potentiel contrôlé ou avec intensité et potentiel variables;

3) sous atmosphère de CO₂, la pression en gas carbonique dans la cellule étant comprise entre 10⁻¹ et 50 bar, de préférence la pression atmosphérique, par simplicité. Dans ce cas, on réalise par exemple un barbotage grâce à une tubulure plongeant dans la solution;

4) sous agitation de la solution, par exemple l'intermédiaire d'un barreau aimanté.

[0047] Après électrolyse, on isole l'acide carboxylique formé, et éven­tuellement le produit de départ non transformé.

[0048] L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs qui sui­vent.

Exemples 1 à 25

[0049] Pour réaliser ces exemples, on utilise une cellule d'électrolyse classique, non compartimentée, constituée de 2 parties.

[0050] La partie supérieure en verre est équipée de 5 tubulure permet­tant l'arrivée et la sortie du gaz carbonique, les passages élec­triques et les prélèvements éventuels de solution en cours d'éléc­trolyse.

[0051] La partie inférieure est constituée par un bouchon muni d'un joint, vissé sur la partie supérieure en verre.
Le volume total de la cellule est de 150 cm³.

[0052] L'anode est un barreau cylindrique de magnésium dont le diamètre est de 1 cm. Elle est introduite dans la cellule par la tubulure centrale et plonge dans la solution sur une longueur de 20 cm en­viron. La surface initiale de travail de cette électrode est de 63 cm².

[0053] La cathode est une toile cylindrique en acier inoxydable disposée concentriquement autour de l'anode.

[0054] On introduit dans la cellule 100 cm³ de diméthylformamide (DMF), 10 g du composé RY à réduire et 0,5 g d'iodure de tétrabutylammo­nium pour assurer la conductivité de la solution, uniquement lors­que le composé RY n'est pas ionique.

[0055] On fait barboter du CO₂ dans la solution à l'aide d'une tubulure plongeant dans cette solution. La pression en CO₂ est la pression atmosphérique.

[0056] On agite la solution par l'intermédiaire d'un barreau aimanté et on maintient la température à environ 10°C.

[0057] Les électrodes sont alimentées en courant continu par l'intermédi­aire d'une alimentation stabilisée et on impose alors une intensi­té constante de 2 A, soit une densité de courant de 32 mA/cm² sur l'anode de magnésium.

[0058] Après électrolyse et évaporation du DMF, on hydrolyse le milieu réactionnel par de l'acide chlorhydrique aqueux.

[0059] On extrait ensuite les composés organiques avec de l'éther éthy­lique, puis les acides sont récupérés par extraction alcaline.

[0060] Les produits obtenus sont identifiés selon les méthodes analy­tique classiques, à savoir notamment RMN, IR, CPG et spectromé­trie de masse.

[0061] La quantité de courant mise en oeuvre pour chaque essai ainsi que les résultats obtenus figurent dans le tableau suivant:

Exemple 26

[0062] L'électrolyse du chlorure de paraméthoxybenzyle, éthyle, diméthyle ammonium est conduite dans les mêmes conditions que pour l'exemple n^o 23, mais dans une cellule en acier inoxydable sous une pression de 5 bars en CO₂ et à une température de 30°C.

[0063] Après une électrolyse correspondant au passage de 2,7 10⁵C par mole de sel d'ammonium, on isole l'acide anisylacétique avec un rendement de 73 %.

Exemple 27

[0064] L'électrolyse du chlorure de benzyl tributylammonium (2,4 10⁵C par mole du sel d'ammonium) dans les conditions de l'exemple 26, per­met d'isoler l'acide phénylacétique avec un rendement de 83 %.

Exemple 28

[0065] L'électrolyse du dibenzyléther (3,4 10⁵C/mole de dibenzyléther), dans le mêmes conditions que celles de l'exemple 11, mais en rem­plaçant le diméthylformamide par l'acétonitrile et l'anode en ma­gnésium par une anode en aluminium de mêmes dimensions, permet d'obtenir un taux de conversion du dibenzyléther de 54 % et un rendement en acide phénylacétique isolé de 90 % par rapport au di­benzyléther transformé.

Exemple 29

[0066] On prépare une solution de chlorure de diméthylbenzylacétylammo­nium par addition, à 5°C, de 9 g de chlorure d'acétyle à une so­lution de 15 g de diméthylbenzylamine dans 110 g de DMF. L'élec­trolyse de cette solution dans le dispositif décrit à l'exemple 1, à + 5°C, et sous un courant d'intensité 2 A, donne, après passage de 2,3 10⁵C par mole de chlorure de diméthylbenzylacétylammonium, l'acide phénylacétique que l'on a isolé avec un rendement de 15 %.

Revendications

1. Procédé d'électrosynthèse d'acides carboxyliques de formule gé­nérale R-COOH dans laquelle R est un radical organique par réduc­tion électrochimique, en présence de gaz carbonique, de composés organiques répondant à la formule générale R-Y dans laquelle R a la signification précitée et Y est un radical hétéroatomique, l'hétéroatome du radical Y étant directement relié à un atome de carbone du radical R par une liaison covalente simple, procédé mis en oeuvre en milieu organique dans une cellule d'électrolyse munie d'électrodes caractérisé en ce que l'anode est en un métal choisi dans le groupe constitué par les métaux réducteurs et leurs al­liages et en ce que l'hétéroatome du radical Y directement relié à un atome de carbone du radical R par une liaison covalente simple est choisi dans le groupe constitué par l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore, le radical hétéroatomique Y étant
· un radical ammonium lorsque l'hétéroatome est l'azote
· un radical phosphonium lorsque l'hétéroatome est le phosphore.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'anode est en un métal choisi dans le groupe constitué par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs alliages.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 carac­tériséà en ce que le radical hétéroatomique Y est choisi dans le groupe constitué par les radicaux carboxylate, carbonate, carba­mate, alcoxy, sulfonate, sulfinate, sulfate, nitrate, phosphate, phosphite, alkylthio, thiocyanate, sulfinyl, sulfonyl, alcoxysul­finyl, alcoxysulfonyl, sulfonium.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'atome de carbone du radical organique R qui est directement relié à l'hétéroatome du radical Y est hybridé "sp₃" et en ce que au moins un des atomes de carbone du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome du radical Y est hy­bridé "sp₂".

5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome du radical Y est un atome de carbone éthylénique ou un atome de carbon faisant partie d'un cycle ou hétérocycle aromatique, substitué ou non substitué.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 carac­térisé en ce que l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome du radical Y est un a­tome de carbone éthylénique et en ce que le radical R est un radi­cal aliphatique comportant 3 à 10 atomes de carbone.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 carac­térisé en ce que l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome fait partie d'un cycle aromatique substitué ou non substitué et en ce que l'atome de car­bone hydridé "sp₃" du radical R qui est directement relié à l'hé­téroatome porte soit 2 atomes d'hydrogène soit un atome d'hydro­gène et un groupement méthyle ou éthyle ou isopropyle.

8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le radi­cal R est un radical benzylique.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 carac­térisé en ce que l'atome de carbone hybridé "sp₂" du radical R en position bêta par rapport à l'hétéroatome fait partie d'un hétéro­cycle aromatique choisi dans le groupe constitué par le thiophène, le N-méthylpyrrole, l'indole et la pyridine.

10. Procédé d'électrosynthèse selon l'une quelconque des revendi­cations précédentes caractérisé en ce que l'on utilise un solvant organique choisi dans le group constitué par l'hexaméthylphospho­rotriamide (HMPT), le tétrahydrofuranne (THF), le mélanges THF-­HMPT, la N-méthylpyrrolidone (NMP), la tétraméthylurée (TMU), le diméthylformamide (DMF) et l'acétonitrile.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est également mis en oeuvre en présence d'un électrolyte indifférent pour rendre le milieu conducteur ou plus conducteur.

12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que la concentration de l'électrolyte indifférent est comprise entre 5 10⁻³ M et 5 10⁻² M.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la concentration dans le solvant organique des composés organiques répondant à la formule générale RY est comprise entre 10⁻¹ M et 1 M.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électrosynthèse est conduite à une tempé­rature comprise entre 10 et 30°C.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pression en gas carbonique est la pres­sion atmosphérique.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électrosynthèse est conduite à intensité constante.

17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la cathode est en acier inoxydable.