[0001] L'invention concerne un procédé de synthèse électrochimique d'un aldéhyde par électrolyse
dans une cellule munie d'électrodes d'un halogénure organique et d'un formamide N,N-disubstitué,
puis hydrolyse du milieu réactionnel.
[0002] Les aldéhydes sont des composés couramment utilisés dans de nombreux domaines de
l'industrie chimique, notamment en parfumerie, en agrochimie et en pharmacie.
[0003] Il existe de très nombreux procédés de synthyse d'aldéhydes. Parmi ceux-ci on peut
citer ceux pour lesquels l'aldéhyde est obtenu par électrolyse, dans une cellule munie
d'électrodes, d'un halogénure organique et d'un formamide N,N-disubstitué, puis hydrolyse
du milieu réactionnel.
[0004] CASARDO et GALLARDO dans Electrochimica Acta, Vol. 32, n°8, pp.1145-1147, (1987)
décrivent la synthèse de traces de benzaldéhyde lors de l'électrolyse de solutions
de bromo ou de iodobenzène dans le diméthylformamide (DMF). La cellule comprend 2
compartiments, anodique et cathodique, séparés. La cathode est en mercure et l'anode,
inerte, est en graphite.
[0005] VIEIRA et PETERS dans J. Org. Chem., Vol. 51, n°8, pp.1231-1239, (1986) décrivent
la synthèse d'aldéhyde pivalique lors de l'électrolyse d'une solution de bromure
de tertiobutyle dans le DMF. Les rendements sont très faibles, inférieurs à 14%.
La cellule comprend 2 compartiments, anodique et cathodique, séparés. La cathode est
en mercure et l'anode, inerte, est en carbone.
[0006] Les auteurs enseignent également qu'ils n'ont pas pu obtenir, dans les mêmes conditions,
la formation d'aldéhydes à partir d'halogénures d'alkyles primaires ou secondaires.
[0007] La Demanderesse a découvert que de façon totalement inattendue, on obtenait de bons
rendements, même à partir d'halogénures d'alkyles primaires ou secondaires, lorsque
la cellule ne comporte qu'un seul compartiment et lorsqu'on utilise une anode consommable
en un métal choisi dans le groupe constitué par les métaux réducteurs et leurs alliages.
[0008] Le procédé selon l'invention, comparativement à l'état de la technique le plus proche
précité, présente, outre une amélioration considérable du rendement et un élargissement
du domaine d'application, un certain nombre d'autres avantages dont les principaux
sont :
- une mise en oeuvre plus simple puisque le procédé est réalisé dans une cellule d'électrolyse
ne comportant qu'un seul compartiment, sans diaphragme ni fritté, ce qui est très
important au stade industriel,
- une concentration en halogénure très nettement plus élevée,
- une intensité de courant plus élevée, de l'ordre de plusieurs ampères par dm²,
- la possibilité d'utiliser une concentration en électrolyte support très faible,
de l'ordre de 10⁻²M,
- l'utilisation d'électrodes solides limitant les risques de pollution par les métaux
lourds tels que le mercure.
[0009] La cellule d'électrolyse est une cellule ne comportant qu'un seul compartiment, c'est-à-dire
pour laquelle il n'existe pas de compar timents anodique et cathodique séparés. Cette
possibilité d'utiliser une telle cellule est un avantage important, comme cela a
déjà été mentionné.
[0010] L'anode est consommable, c'est-à-dire qu'elle est consommée au cours de la réaction
électrochimique dont elle est le siège. C'est la raison pour laquelle de tels procédés
sont parfois appelés "à anode soluble". L'anode est en un métal choisi dans le groupe
constitué par les métaux réducteurs et leurs alliages, c'est-à-dire tout alliage
contenant au moins un métal réducteur.
[0011] De façon préférée, l'anode est en un métal réducteur choisi dans le groupe constitué
par le magnésium, l'aluminium, le zinc et leurs alliages, c'est-à-dire tout alliage
contenant au moins un des trois métaux précités, à savoir le zinc, l'aluminium et
le magnésium. Cette anode peut avoir une forme quelconque et notamment toutes les
formes classiques d'électrodes métalliques comme par exemple fil torsadé, barreau
plat, barreau cylindrique, lit renouvelable, billes, toile, grille. De façon préférée,
on utilise un barreau cylindrique de diamètre adapté aux dimensions de la cellule.
[0012] La cathode est un métal quelconque tel que l'acier inoxydable, l'or, le nickel, le
platine, le cuivre, l'aluminium, le fer ou du carbone comme par exemple du carbone
vitreux ou du graphite. Elle est constituée, de façon préférée, par une grille ou
une plaque cylindrique disposée concentriquement autour de l'anode.
[0013] La Demanderesse a découvert que de façon inattendue on améliorait considérablement
le rendement lorsque la cathode est recouverte d'un dépôt électrolytique d'un métal
M choisi dans le groupe constitué par le zinc, le cadmium, le plomb et l'étain.
[0014] L'électrodéposition du métal M sur la cathode, préalablement à l'électrosynthèse
de l'aldéhyde, peut être effectuée selon diverses méthodes, notamment celles décrites
aux exemples 14 à 38.
[0015] Les électrodes sont alimentées en courant continu par l'intermédiaire d'une alimentation
stabilisée.
[0016] De façon préférée, selon l'invention, l'aldéhyde répond à la formule générale RCHO
dans laquelle R représente un radical organique, l'halogénure organique répond à la
formule générale RX dans laquelle R a la signification précitée et X représente un
atome d'halogène, de préférence le chlore ou le brome, et le formamide N,N-disubstitué
répond à la formule générale

dans laquelle R¹ et R², identiques ou différents, représentent une chaîne aliphatique
ou aromatique, substituée ou non substituée, de préférence soit une chaîne alkyle
comportant 1 à 8 atomes de carbone, soit un cycle phényle substitué ou non substitué,
ou bien encore R¹ et R² forment un cycle.
[0017] De façon préférée, R représente un radical organique aliphatique, arylaliphatique,
aromatique, alkylaromatique ou hétérocyclique, substitué ou non substitué, de préférence
un radical alkyle ou un groupe phényle, substitué ou non substitué. Bien évidemment,
lorsque R est porteur de divers substituants, ceux-ci doivent être plus difficilement
réductibles que la liaison R-X.
[0018] De façon particulièrement préférée le formamide est le DMF. Comme exemples d'autres
formamides on peut citer les N,N-dialkylformamides et le N-phényl N-méthylformamide
(N-méthylformanilide).
[0019] On peut également utiliser un mélange de plusieurs formamides répondant à la formule
générale précitée.
[0020] Le procédé objet de la présente invention peut être représenté par le schéma réactionnel
suivant :

dans lequel R, R¹ et R² ont la signification précitée.
[0021] L'hydrolyse du milieu réactionnel est par exemple réalisée par une solution aqueuse
acide.
[0022] De façon préférée, dans le cadre de la présente invention, le formamide N,N-disubstitué,
outre son rôle de réactif, joue également le rôle de solvant. C'est notamment le cas
lorsqu'on utilise le DMF. Il n'est alors pas nécessaire d'utiliser un autre solvant.
On peut toutefois effectuer l'électrolyse en présence d'un co-solvant choisi parmi
les solvants aprotiques peu électrophiles comme par exemple la tétraméthylurée (TMU)
et le tétrahydrofuranne (THF).
[0023] Lorsque dans les conditions de l'électrosynthèse le formamide N,N-disubstitué se
trouve dans un état physique tel qu'il ne puisse plus jouer convenablement son rôle
de solvant, la présence d'un tel solvant aprotique peu électrophile est alors recommandée.
[0024] La concentration des réactifs est de préférence choisie de façon à assurer un très
large excès molaire en formamide, puisque celui-ci joue également de préférence le
rôle de solvant.
[0025] La concentration de l'halogènure organique dans le milieu réactionnel est généralement
comprise entre 0,05 et 2 mol/l.
[0026] Le milieu réactionnel est rendu conducteur par un électrolyte support peu réductible.
On peut citer par exemple les sels dont l'anion est un halogénure, un carboxylate,
un fluoroborate, un perchlo rate ou un hexafluorophosphate et le cation un ammonium
quaternaire, l'aluminium, le zinc, le sodium, le potassium, le calcium, le lithium,
un tétraalkylphosphonium, ainsi que les mélanges de ces sels. On utilise, de façon
préférée, le fluoroborate de tétraméthylammonium ou le bromure de tétrabutylammonium.
[0027] Avant l'électrolyse, on désoxygène la solution par barbotage d'un gaz inerte, azote
ou argon par exemple.
[0028] La température de réaction est de préférence comprise entre 0 et 80°C, par exemple
la température ambiante.
[0029] Pendant toute la durée de l'électrolyse la solution est agitée, maintenue sous atmosphère
inerte, d'azote ou d'argon par exemple, et refroidie si nécessaire pour maintenir
sa température entre 0 et 80°C de préférence.
[0030] La densité de courant sur la cathode est de préférence choisie entre 0,2 et 20 A/dm².
[0031] On opère en général à intensité constante, mais on peut également opérer à tension
constante, à potentiel contrôlé, ou avec intensité et potentiel variables.
[0032] La durée de l'électrolyse est de préférence choisie de façon à ce que la quantité
de courant mise en jeu corresponde environ à 2 Faraday (193 10³C) par mole d'halogénure
organique.
[0033] On peut également suivre l'évolution de la concentration en halogènure organique
par analyse de prélévèments aliquotes et stopper l'électrolyse dès que le taux de
transformation souhaité est atteint.
[0034] Après électrolyse, on hydrolyse le milieu réactionnel par une solution aqueuse acide,
acide chlorhydrique dilué par exemple, puis on extrait avec un solvant organique.
Après séchage et évaporation du solvant d'extraction, on obtient l'aldéhyde qui est
identifié et dosé selon les méthodes classiques d'analyse, après purification éventuelle
par passage sur une colonne de silice par exemple.
[0035] Dans le cas particulier où l'on utilise un cathode recouverte d'un dépôt électrolytique
d'un métal M tel que défini précédemment, on peut, lorsque M représente le cadmium,
le plomb ou l'étain, introduire directement le métal M à déposer sur la cathode sous
forme de sel, bromure de cadmium, acétate de plomb ou chlorure d'étain par exemple,
dans le mélange halogènure organique et formamide N,N-disubstitué. En début d'électrolyse
le métal M se dépose sur la cathode. Afin d'améliorer l'adhérence et la qualite du
dépôt, on peut,en début d'électrolyse, utiliser un courant d'intensité plus faible.
[0036] Lorsque l'halogénure organique est très réactif, ce qui est le cas par exemple pour
les halogénures allyliques ou benzyliques, on améliore le rendement en ajoutant l'halogénure
organique progressivement dans le milieu réactionnel en cours d'électrolyse.
[0037] L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs qui vont suivre.
[0038] Pour réaliser ces exemples, on utilise une cellule d'électrolyse classique, ne comportant
qu'un seul compartiment.
[0039] La partie supérieure de la cellule est en verre et est équipée de 5 tubulures, dont
une centrale, permettant l'arrivée et la sortie d'argon utilisé comme gaz inerte,
les prélèvements éventuels de solution en cours d'électrolyse, l'addition des réactifs,
les passages électriques.
[0040] La partie inférieure est constituée par un bouchon muni d'un joint, vissé sur la
partie supérieure en verre.
[0041] Le volume total de la cellule est voisin de 45cm³ et son volume uti le voisin de
35 cm³.
[0042] L'anode est un barreau cylindrique de diamètre voisin de 1cm, en zinc, magnésium
ou aluminium selon les essais. Elle est introduite dans la cellule par la tubulure
centrale et se trouve ainsi située approximativement en position axiale par rapport
à la cellule.
[0043] La cathode est constituée par une grille cylindrique métallique disposée concentriquement
autour de l'anode. La surface de travail de la cathode est de l'ordre de 20 cm².
[0044] La cellule est plongée dans un bain thermostatique réglé à la température choisie.
[0045] Durant l'électrolyse le milieu réactionnel est agité, par exemple par l'intermédiaire
d'un barreau aimanté.
Exemples 1 à 12
[0046] On introduit dans la cellule la solution à électrolyser, constituée de :
- l'halogénure organique,
- le formamide N,N-disubstitué ou le mélange de formamides N,N-disubstitués,
- éventuellement le co-solvant,
- l'électrolyte support, du fluoroborate de tétraméthylammonium à la concentration
de 5 10⁻² M sauf pour l'exemple 7 pour lequel l'électrolyte support est du bromure
de tétrabutylammonium à la concentration de 10⁻²M.
[0047] On dégaze ce mélange par barbotage d'argon, puis on le maintient sous atmosphère
d'argon.
[0048] Aprés électrolyse à intensité constante pendant une durée correspon dant à 3 Faraday
(290 10³C) par mole d'halogénure organique, on hydrolyse le milieu réactionnel avec
une solution aqueuse d'acide chlorhydrique 1N puis on extrait à l'éther diéthylique.
[0049] On sépare alors la phase organique que l'on lave à l'eau.
[0050] Après séchage et évaporation des solvants, l'aldéhyde obtenu est purifié par chromatographie
sur colonne de silice puis identifié selon les méthodes classiques d'analyse, notamment
par spectrométries infra-rouge (IR), de masse (SM) et résonance magnétique nucléaire
(RMN).
[0051] La nature de l'halogénure organique de départ, celle de l'aldéhyde formé et le rendement
massique correspondant en aldéhyde pur isolé figurent dans le tableau 1 pour chaque
exemple.
[0052] La concentration en halogénure organique est de 0,5 M pour les exemples 1, 3 à 9,
12 et 0,125 M pour l'exemple 2.
[0053] Pour les exemples 10 et 11, CF₃Br étant un gaz, il est introduit pas barbotage dans
le milieu réactionnel sous une pression de 10⁵Pa (1 bar).
[0054] La cathode est en nickel pour les exemples 10 et 11, en acier inoxydable pour les
exemples 1 à 6, 8, 9 à 12, en plomb pour l'exemple 7.
[0055] L'anode est en zinc pour l'exemple 10, en aluminium pour les exemples 1 à 4, 6 à
9 et 12.
[0056] Le volume de formamide, ou du mélange de formamides, est de 36cm³. Ce volume comprend
le co-solvant lorque celui-ci est présent.
[0057] Le formamide est le DMF pour les exemples 1 à 5 et 7 à 12, un mélange 1/1 en volumes
DMF/N-méthylformanilide pour l'exemple 6.
[0058] Les exemples 2 et 4 sont réalisés en présence d'un co-solvant. Pour l'exemple 2 le
co-solvant est le THF et le rapport volumique DMF/THF est respectivement 2/1. Pour
l'exemple 4 le co-solvant est la TMU et le rapport volumique DMF/TMU est respectivement
1/1.
[0059] La densité de courant sur la cathode est de 2A/dm² pour les exemples 1, 2, 7 à 11,
1,5 A/dm² pour l'exemple 12, 1 A/dm² pour les exemples 3 et 4 et 0,5 A/dm² pour les
exemples 5 et 6.
[0060] La température de la réaction est 25°C pour les exemples 1 à 9 et 0°C pour les exemples
10 à 12.
[0061] Pour les exemples 10 et 11, le trifluoroacétaldéhyde est isolé sous forme d'hydrate
et le rendement indiqué dans le tableau 1 est un rendement faradique calculé à partir
de la quantité d'électricité mise en oeuvre.

Exemple 13
[0062] Les conditions expérimentales pour cet exemple sont les mêmes que celles de l'exemple
1 mais la concentration initiale en chlorure de benzyle est de 0,125 M. Après électrolyse
correspondant au passage de 2 Faraday (193 10³C) par mole de chlorure de benzyle,
on ajoute une quantité de chlorure de benzyle égale à celle présente au départ. On
poursuit alors l'électrolyse jusqu'à ce que la durée totale de celle-ci corresponde
à 3 Faraday (290 10³C) par mole de chlorure de benzyle engagée. Le rendement en aldéhyde
pur isolé est de 50%.
Exemples 14 à 38
[0063] Pour ces exemples la cathode, en acier inoxydable ou en nickel, est recouverte d'un
dépôt électrolytique d'un métal M.
[0064] L'électrodéposition du métal M sur la cathode, préalablement à l'électrosynthèse
de l'aldéhyde, a été effectuée selon plusieurs méthodes :
Méthode A :
[0065] Dans le DMF contenant du bromure de tétrabutylammonium comme électrolyte support
à la concentration de 10⁺²M, on ajoute MBr₂ à une concentration de l'ordre de 5 10⁻²M
à 10-¹M. La cellule est équipée d'une anode en métal M et on impose durant 0,5 à
1h un courant de 0,1 à 0,2 A, ce qui permet d'assurer le transport de M de l'anode
vers la cathode.
L'anode M est ensuite remplacée par un barreau de magnésium et l'électrolyse est
poursuivie à intensité constante pendant le temps nécessaire à l'épuisement presque
complet des ions M²⁺ présents dans la solution. On ajoute alors l'halogénure organique
à cette solution.
Méthode B :
[0066] Dans le DMF contenant du bromure de tétrabutylammonium comme électrolyte support
à la concentration de 10⁻²M, on ajoute MBr₂ à une concentration de l'ordre de 5 10⁻²M
à 10⁻¹M. La cellule est équipée d'une anode en magnésium et on impose un courant
de 0,1 à 0,2 A pendant le temps nécessaire à l'électrodéposition des ions M²⁺ sur
la cathode. On ajoute ensuite l'halogénure organique.
Méthode C :
[0067] Lorsque M est le cadmium, le plomb ou l'étain, on peut opérer en une seule étape.
Dans le DMF contenant du bromure de tétrabutylammonium comme électrolyte support
à la concentration de 10⁻²M, on ajoute CdBr₂, Pb(CH₃CO₂)₂ ou SnCl₂, à une concentration
de l'ordre de 5 10⁻² à 10⁻¹M, ainsi que l'halogénure organique.
La cellule est équipée d'une anode en magnésium et on impose un courant d'intensité
constante.
L'électrodéposition du cadmium, du plomb ou de l'étain sur la cathode précède l'électrosynthèse
de l'aldéhyde.
Méthode D :
[0068] La cathode revêtue selon l'une des méthodes précitées A, B ou C puis ayant servi
pour l'électrosynthèse d'un aldéhyde selon l'invention est réutilisée sans modification
dans une nouvelle électrosynthèse d'aldéhyde avec une anode en magnésium, en milieu
DMF contenant du bromure de tétrabutylammonium à la concentration de 10⁻²M comme
électrolyte support.
[0069] Pour tous ces exemples 14 à 38, l'électrosynthèse est conduite à température ambiante,
en imposant un courant d'intensité constante telle que la densité de courant sur la
cathode soit de 1 A/dm².
[0070] La durée de l'électrolyse est choisie de façon à engager 2,1 Faraday (203 10³ C)
par mole d'halogénure organique.
[0071] Avant l'électrolyse, on dégaze le milieu réactionnel pour barbota ge d'argon, puis
on maintient le milieu sous atmosphère d'argon.
[0072] Après l'électrolyse, on hydrolyse le milieu, puis on isole, purifie, identifie et
dose l'aldéhyde formé selon la méthode décrite pour les exemples 1 à 14.
[0073] Pour l'exemple 37, l'aldéhyde est récupéré sous forme d'hydrate.
[0074] On peut aussi doser l'halogénure organique n'ayant pas réagi et l'aldéhyde formé
par chromatographie en phase gazeuse (CPG) à partir d'un prélèvement d'une partie
aliquote de la solution après hydrolyse acide (HCl 6 N) et extraction à l'éther diéthylique.
Le dosage de l'halogénure organique n'ayant pas réagi permet le calcul du taux de
conversion de cet halogénure.
[0075] Le tableau 2 suivant précise pour chaque exemple la nature et la concentration dans
le DMF de l'halogénure organique, la nature de la cathode ainsi que la méthode utilisée
pour électrodéposer le métal M.
Exemple 39
[0077] On opère selon les conditions générales relatives aux exemples 14 à 38 mais :
- La densité de courant sur la cathode est de 0,1 A/dm².
- On utilise une cathode en acier inox revêtue d'un dépôt électrolytique de cadmium
selon la méthode D.
- Le milieu réactionnel est un mélange 75/25 en volumes de N-méthylformanilide et
de TMU respectivement, contenant du bromure de tétrabutylammonium comme électrolyte
support à la concentration de 10⁻²M et pCF₃C₆H₄Cl comme halogénure organique à la
concentration de 0,50 mol/l.
[0078] Le taux de conversion de l'halogénure organique est de 100 %. On obtient pCF₃C₆H₄CHO
avec un rendement de 15 %.
Exemple 40
[0079] Après dégazage par barbotage d'argon et maintien de la cellule sous atmosphère d'argon,
on électrolyse une solution de 9 g de parachlorotrifluorotoluène, 200 mg de bromure
de tétrabutylammonium et 500 mg de bromure de cadmium anhydre dans 35 ml de DMF pendant
1h sous un courant d'intensité 0,1 A puis pendant 5h et 30 min sous un courant d'intensité
0,5 A en maintenant la température du milieu réactionnel à environ 40°C.
L'anode est en magnésium et la cathode en acier inoxydable.
Le milieu réactionnel est ensuite traité comme pour les exemples 14 à 38. On obtient
le trifluorométhylbenzaldéhyde avec un rendement de 85%. Il faut noter dans cet exemple
la concentration particulièrement élevée en halogénure organique (environ 1,5 M).