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BMXE EEECKCMEETHYLATION DECBMKSESCRGMIQUES AMOMATIQUES
La présente invention concerne un procédé pour la chlorométhylation de composés aromatiques, y compris ceux de nature macromoléculaire.
On connaît déjà les réactions de chlorométhylation, et celles-ci sont généralement réalisées en faisant agir des réactifs tels qu'un éther chlorométhylméthylique (ou un mélange de formaldéhyde et d'acide chlorhydrique) sur un substrat aromatique, en présence d'un catalyseur et dans des conditions de Friedel-Crafts. La réaction consiste à introduire le
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substituant CL 2CI sur un cycle aromatique Ar en produisant ainsi les composés Ar-CH2Cl qui constituent des intermédiaires utiles, par exemple pour la substitution ultérieure du chlore par d'autres groupes à caractère aminique.
L'un des inconvénients de cette réaction déjà bien connue consiste en ce que la réaction de chlorométhylation est en concurrence avec celle de Friedel-Crafts, ce qui a pour effet que le dérivé chlorométhylé réagit avec un deuxième groupe aromatique en produisant des structures telles que Ar-CH2Ar qui n'ont pas d'utilité spécifique. D'autre part, la réaction primaire peut donner lieu à la formation de composés tels que Ar-CH20-CH3. Pour ce motif, la littérature technique et les brevets décrivent des procédés et des catalyseurs améliorés qui conviennent pour minimiser la formation de sous-produits indésirables.
Outre les difficultés intrinsèques propres à la réaction de chlorométhylation, il existe encore un autre inconvénient en rapport avec le degré élevé de toxicité de l'éther chlorométhylméthylique utilisé comme réactif, et surtout de l'éther dichlorométhylique qui est une impureté toujours présente dans l'éther
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chlorométhylméthylique et dont les effets cancérigènes sont bien connus.
On a découvert maintenant, conformément à la présente invention, que les composés aromatiques même de nature macromoléculaire peuvent réagir avec le carbonate de chlorométhylméthyle en présence d'un acide de Lewis pour donner les dérivés chlorométhylés correspondants, avec un rendement et une sélectivité élevés. Le carbonate de chlorométhylméthyle est un produit qui peut facilement être obtenu par synthèse photochimique en partant du chlore et du carbonate de diméthyle.
Conformément à ce principe, la présente invention concerne un procédé pour la préparation d'un composé organique aromatique chlorométhylé, dans lequel un composé aromatique est mis en contact avec du carbonate de chlorométhylméthyle qui agit comme agent de chlorométhylation en opérant en présence d'un acide de Lewis servant de catalyseur, à une température d'au moins 30 C, tandis que le dérivé chlorométhylé correspondant est récupéré parmi les produits de la réaction.
La réaction de chlorométhylation de la présente invention peut être représentée schématiquement comme suit :
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Conformément à un procédé préféré, la réaction de ch. lorométhylation est appliquée aux composés aromatiques ayant un cycle désactivé ou aux composés macromoléculaires de type aromatique, vu que ceux-ci donnent des résultats particulièrement favorables pour ce qui concerne la sélectivité de la
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réaction.
Le terme"composés organiques aromatiques avec un cycle désactivé"signifie des composés organiques aromatiques ayant un ou plusieurs substituants de désactivation (récepteurs d'électrons), comme par exemple des substituants halogène éventuellement avec présence simultanée d'un ou plusieurs substituants de désactivation et d'un ou plusieurs substituants d'activation (donneurs d'électrons), de façon à ce que l'effet global soit toutefois la désactivation du cycle.
Comme exemples de composés organiques aromatiques ayant un cycle désactivé on peut citer : les benzènes halogènes tels que le chlorobenzène et le bromobenzène, les benzènes dihalogénés tels que le
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métadichlorobenzène et les toluènes halogènes tels que l'ortho-chloro-toluène.
Le terme "composés macromoléculaires de nature aromatique"au sens de la présente invention se rapporte à des polymères organiques solides ayant des groupes aromatiques dans la chaîne principale et/ ou des groupes aromatiques latéraux de ladite chaîne principale, comme par exemple les polymères et les copolymères du styrène. Il est préférable d'utiliser à cet effet des polystyrènes et des polystyrènes réticulés contenant jusqu'à 30% en poids de divinylbenzène. Plus particulièrement, il peut s'agir de copolymères de styrène/divinylbenzène du type gel (teneur en divinylbenzène jusqu'à 10% en poids) ou du type fortement réticulé (teneur en divinylbenzène jusqu'à environ 20% en poids).
Les catalyseurs appropriés pour la réaction de chlorométhylation de la présente invention sont généralement des acides de Lewis tels que le tétrachlorure d'étain, le chlorure de zinc, le
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trichlorure de fer, le trichlorure d'aluminium, le trifluorure de bore, le trichlorure d'arsenic, le pentachlorure d'antimoine et le pentafluorure d'antimoine. Parmi ceux-ci, on préfère le tétrachlorure d'étain, le chlorure de zinc et le tétrachlorure de fer. Le catalyseur est normalement utilisé en quantités allant de 0,05 à 1,5 partie en poids pour chaque partie en poids du composé aromatique subissant la chlorométhylation.
La réaction de chlorométhylation est effectuée en mettant le carbonate de chlorométhylméthyle en phase liquide en contact avec un composé aromatique liquide, soit en solution dans un solvant organique approprié, soit en suspension dans un solvant organique approprié. Lorsqu'on soumet un composé organique aromatique à une chlorométhylation, il est possible d'opérer sans solvant ou en présence d'un solvant choisi généralement parmi ceux qui conviennent pour les réactions du type Friedel-Crafts. Comme exemples de solvants convenant à cet effet, on peut citer les hydrocarbures aliphatiques chlorés tels que le dichlorométhane, le dichloroéthane et le chloroforme ou les solvants du type sulfure de carbone. Dans un autre procédé, on utilise un excès de carbonate de chlorométhylméthyle, cet excès jouant le rôle de solvant réactif.
Pour la chlorométhylation d'un composé macromoléculaire de nature aromatique il est avantageux d'opérer avec le composé macromoléculaire mis en supension dans un solvant, capable de faire gonfler le composé macromoléculaire. Les solvants convenant à cet effet sont ceux mentionnés ci-dessus, avec une préférence pour le chloroforme et le carbonate de chlorométhylméthyle lui-même.
La réaction de chlorométhylation est effectuée avantageusement à une température variant de
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t
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30 à 1200C et de préférence de 60 à 100 C, avec un rapport molaire stoéchiométrique (1 : 1) entre le composé organique aromatique ou le composé macromoléculaire, d'une part, et le carbonate de chlorométhylméthyle, d'autre part, ou bien avec un rapport supérieur ou inférieur à la valeur stoéchiométrique suivant le degré de chlorométhylation requis. Dans le cas de composés macromoléculaires, le rapport concerne les unités monomères existant dans le polymère qui peut être chlorométhylé.
Lorsqu'on opère dans ces conditions, les durées requises pour la chlorométhylation peuvent généralement varier de 1 à 10 heures et sont généralement de 2 à 4 heures.
Les produits de chlorométhylation ainsi obtenus peuvent être séparés du milieu réactionnel et récupérés en utilisant les techniques classiques.
Les produits chlorométhylés ainsi obtenus constituent des intermédiaires utiles pour l'introduction d'autres groupes fonctionnels tels que les groupes aminiques. Plus particulièrement, les composés macromoléculaires chlorométhylés sont des produits intermédiaires intéressants pour la production de résines échangeuses d'ions, en les faisant réagir par exemple avec la triméthylamine ou la diméthylamine.
Les exemples expérimentaux ci-après décriront la présente invention plus en détail.
EXEMPLE 1.
On introduit du chlorobenzène (40 g ; 0,35 mole) et du carbonate de chlorométhylméthyle (100 g ; 0,80 mole) dans un flacon de verre équipé d'un agitateur, d'un refroidisseur à reflux et d'un thermomètre. On ajoute ensuite dans le flacon 2 g de tétrachlorure d'étain et le mélange est chauffé avec
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agitation pendant 8 heures à 100 C.
A la fin de cette période, le mélange réactionnel est distillé et on récupère 57 g de carbonate de chlorométhylméthyle, 5 g de chlorobenzène non transformé et 44 g de chlorométhylchlorobenzène sous forme d'un mélange d'isomères ortho et para, avec une sélectivité de 88% par rapport au chlorobenzène ayant réagi (tableau 1).
EXEMPLES 3-6.
La même méthode qu'à l'exemple 1 est utilisée, en soumettant les substrats suivants à chlorométhylation : bromobenzène (exemple 2), benzoate de méthyle (exemple 3), métadichlorobenzène (exemple 4) et ortho-chlorotoluène (exemple 5). Les conditions et le rendement de la réaction de chlorométhylation sont indiqués au tableau 1.
TABLEAU 1.
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<tb>
<tb>
Exemple <SEP> n <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5
<tb> Catalyseur <SEP> SnCl4 <SEP> Sncl <SEP> snCl4 <SEP> SnCl4 <SEP> Sncl4
<tb> Rapport <SEP> en <SEP> poids
<tb> catjsnbstrat <SEP> 0. <SEP> 05 <SEP> 0.05 <SEP> 0. <SEP> 1 <SEP> 0. <SEP> 1. <SEP> 5 <SEP> 0.1
<tb> Rapport <SEP> en <SEP> poids
<tb> substrat'/CMC* <SEP> 0. <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 8 <SEP> 0. <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 7 <SEP> 0.65
<tb> Temp. <SEP> ( C) <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Temps <SEP> (heures) <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 10 <SEP> 8 <SEP> 10
<tb> Sélect. <SEP> (%) <SEP> 88 <SEP> 93 <SEP> 35 <SEP> 42 <SEP> 61
<tb>
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* CMC = carbonate de chlorométhylméthyle.
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EXEMPLE 7
On soumet à chlorométhylation un copolymère de styrène et divinylbenzène présentant les caractéristiques suivantes : 10% en poids de divinylbenzène, poids spécifique apparent 0,72 g/ml et granulométrie comprise entre 0,4 et 0,5 mm.
On ajoute à température ambiante à 50 g de ce copolymère 200 ml de chloroforme, 200 g de carbonate de chlorométhylméthyle et 35 g de chlorure de zinc. Le mélange est chauffé à 800C et est maintenu à cette température pendant 6 heures avec agitation.
Il est ensuite filtré afin de séparer les matières solides qui sont lavées successivement avec du chloroforme (25 g), du méthanol (20 g) et de l'eau (100 ml). On obtient ainsi une résine chlorométhylée de styrène/divinylbenzène qui contient 25,5% en poids de chlore rapportés au produit sec.
EXEMPLE 8
On soumet à chlorométhylation un copolymère de styrène et divinylbenzène présentant les caractéristiques suivantes : 20% en poids de divinylbenzène, porosité 0,3 g/ml, surface spécifique 30 m2/g, poids spécifique apparent 0,65 g/ml et granulométrie allant de 0, 4 à 0, 5 mm.
On ajoute à température ambiante à 50 g de ce copolymère, 200 g de carbonate de chlorométhylméthyle et 50 g de chlorure ferrique. Le mélange est chauffé à 900C et est maintenu à cette température pendant 4 heures avec agitation.
Il est ensuite filtré afin de séparer les matières solides, qui sont lavées successivement avec du méthanol (30 ml) et de l'eau (100 ml). On obtient
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ainsi une résine chlorométhylée de styrène/divinyl- benzène qui contient 24% en poids de chlore rapportés au produit sec.
EXEMPLE 9.
Le copolymère de styrène/divinylbenzène de l'exemple 7 est soumis à chlorométhylation dans les conditions décrites à l'exemple 7, et le produit de réaction humide est mis à réagir avec 300 g de triméthylamine en solution aqueuse (concentration 20% en poids), en opérant à température ambiante. Le produit de la réaction est filtré et les matières solides sont lavées successivement avec de l'eau et de l'acide chlorhydrique dilué. On obtient ainsi une résine échangeuse d'ions ayant un degré d'échange de 1,4 meq/g humide.
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The present invention relates to a process for the chloromethylation of aromatic compounds, including those of macromolecular nature.
Chloromethylation reactions are already known, and these are generally carried out by reacting reactants such as chloromethyl methyl ether (or a mixture of formaldehyde and hydrochloric acid) on an aromatic substrate, in the presence of a catalyst and under Friedel-Crafts conditions. The reaction is to introduce the
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substituting CL 2CI on an aromatic ring Ar, thereby producing the compounds Ar-CH2Cl which constitute useful intermediates, for example for the subsequent substitution of chlorine by other groups of aminic character.
One of the drawbacks of this already well-known reaction is that the chloromethylation reaction competes with that of Friedel-Crafts, which has the effect that the chloromethylated derivative reacts with a second aromatic group by producing structures such as Ar-CH2Ar which have no specific utility. On the other hand, the primary reaction can give rise to the formation of compounds such as Ar-CH20-CH3. For this reason, technical literature and patents describe improved processes and catalysts which are suitable for minimizing the formation of unwanted by-products.
In addition to the intrinsic difficulties inherent in the chloromethylation reaction, there is yet another drawback related to the high degree of toxicity of the chloromethylmethyl ether used as reagent, and especially of the dichloromethyl ether which is an impurity always present in the ether
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chloromethylmethyl and whose carcinogenic effects are well known.
It has now been discovered, in accordance with the present invention, that even aromatic compounds of a macromolecular nature can react with chloromethylmethyl carbonate in the presence of a Lewis acid to give the corresponding chloromethylated derivatives, with high yield and selectivity. Chloromethylmethyl carbonate is a product which can easily be obtained by photochemical synthesis starting from chlorine and dimethyl carbonate.
In accordance with this principle, the present invention relates to a process for the preparation of a chloromethylated aromatic organic compound, in which an aromatic compound is brought into contact with chloromethylmethyl carbonate which acts as chloromethylating agent operating in the presence of an acid of Lewis serving as a catalyst, at a temperature of at least 30 ° C., while the corresponding chloromethylated derivative is recovered from the reaction products.
The chloromethylation reaction of the present invention can be represented diagrammatically as follows:
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According to a preferred method, the reaction of ch. Loromethylation is applied to aromatic compounds having a deactivated cycle or to macromolecular compounds of aromatic type, since these give particularly favorable results as regards the selectivity of the
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reaction.
The term "aromatic organic compounds with a deactivated ring" means aromatic organic compounds having one or more deactivation substituents (electron receptors), such as for example halogen substituents optionally with the simultaneous presence of one or more deactivation substituents and d one or more activation substituents (electron donors), so that the overall effect is deactivation of the cycle.
As examples of aromatic organic compounds having a deactivated ring, mention may be made of: halogenated benzenes such as chlorobenzene and bromobenzene, dihalogenated benzenes such as
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metadichlorobenzene and halogenated toluenes such as ortho-chloro-toluene.
The term "macromolecular compounds of aromatic nature" within the meaning of the present invention relates to solid organic polymers having aromatic groups in the main chain and / or side aromatic groups of said main chain, such as for example polymers and copolymers styrene. It is preferable to use for this purpose polystyrenes and crosslinked polystyrenes containing up to 30% by weight of divinylbenzene. More particularly, they may be styrene / divinylbenzene copolymers of the gel type (content of divinylbenzene up to 10% by weight) or of the highly crosslinked type (content of divinylbenzene up to about 20% by weight).
The catalysts suitable for the chloromethylation reaction of the present invention are generally Lewis acids such as tin tetrachloride, zinc chloride,
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iron trichloride, aluminum trichloride, boron trifluoride, arsenic trichloride, antimony pentachloride and antimony pentafluoride. Among these, tin tetrachloride, zinc chloride and iron tetrachloride are preferred. The catalyst is normally used in amounts ranging from 0.05 to 1.5 parts by weight for each part by weight of the aromatic compound undergoing chloromethylation.
The chloromethylation reaction is carried out by bringing the chloromethylmethyl carbonate in the liquid phase into contact with a liquid aromatic compound, either in solution in an appropriate organic solvent, or in suspension in an appropriate organic solvent. When an aromatic organic compound is subjected to chloromethylation, it is possible to operate without solvent or in the presence of a solvent generally chosen from those which are suitable for reactions of the Friedel-Crafts type. As examples of solvents suitable for this purpose, mention may be made of chlorinated aliphatic hydrocarbons such as dichloromethane, dichloroethane and chloroform or solvents of the carbon sulphide type. In another process, an excess of chloromethylmethyl carbonate is used, this excess acting as a reactive solvent.
For the chloromethylation of a macromolecular compound of aromatic nature it is advantageous to operate with the macromolecular compound suspended in a solvent, capable of causing the macromolecular compound to swell. The solvents suitable for this purpose are those mentioned above, with a preference for chloroform and chloromethylmethyl carbonate itself.
The chloromethylation reaction is advantageously carried out at a temperature varying from
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30 to 1200C and preferably from 60 to 100C, with a stoichiometric molar ratio (1: 1) between the aromatic organic compound or the macromolecular compound, on the one hand, and chloromethylmethyl carbonate, on the other hand, or else with a ratio higher or lower than the stoichiometric value depending on the degree of chloromethylation required. In the case of macromolecular compounds, the report relates to the monomer units existing in the polymer which can be chloromethylated.
When operating under these conditions, the times required for chloromethylation can generally vary from 1 to 10 hours and are generally from 2 to 4 hours.
The chloromethylation products thus obtained can be separated from the reaction medium and recovered using conventional techniques.
The chloromethylated products thus obtained constitute useful intermediates for the introduction of other functional groups such as amino groups. More particularly, the chloromethylated macromolecular compounds are advantageous intermediates for the production of ion exchange resins, by making them react, for example, with trimethylamine or dimethylamine.
The following experimental examples will describe the present invention in more detail.
EXAMPLE 1.
Chlorobenzene (40 g; 0.35 mole) and chloromethylmethyl carbonate (100 g; 0.80 mole) are introduced into a glass flask equipped with a stirrer, a reflux cooler and a thermometer. 2 g of tin tetrachloride are then added to the flask and the mixture is heated with
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stirring for 8 hours at 100 C.
At the end of this period, the reaction mixture is distilled and 57 g of chloromethylmethyl carbonate, 5 g of unconverted chlorobenzene and 44 g of chloromethylchlorobenzene are recovered in the form of a mixture of ortho and para isomers, with a selectivity of 88% compared to the reacted chlorobenzene (Table 1).
EXAMPLES 3-6.
The same method as in example 1 is used, subjecting the following substrates to chloromethylation: bromobenzene (example 2), methyl benzoate (example 3), metadichlorobenzene (example 4) and ortho-chlorotoluene (example 5). The conditions and the yield of the chloromethylation reaction are indicated in Table 1.
TABLE 1.
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<tb>
<tb>
Example <SEP> n <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5
<tb> Catalyst <SEP> SnCl4 <SEP> Sncl <SEP> snCl4 <SEP> SnCl4 <SEP> Sncl4
<tb> <SEP> ratio in <SEP> weight
<tb> catjsnbstrat <SEP> 0. <SEP> 05 <SEP> 0.05 <SEP> 0. <SEP> 1 <SEP> 0. <SEP> 1. <SEP> 5 <SEP> 0.1
<tb> <SEP> ratio in <SEP> weight
<tb> substrate '/ CMC * <SEP> 0. <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 8 <SEP> 0. <SEP> 4 <SEP> 0. <SEP> 7 <SEP> 0.65
<tb> Temp. <SEP> (C) <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Time <SEP> (hours) <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 10 <SEP> 8 <SEP> 10
<tb> Select. <SEP> (%) <SEP> 88 <SEP> 93 <SEP> 35 <SEP> 42 <SEP> 61
<tb>
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* CMC = chloromethylmethyl carbonate.
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EXAMPLE 7
A copolymer of styrene and divinylbenzene having the following characteristics is subjected to chloromethylation: 10% by weight of divinylbenzene, apparent specific weight 0.72 g / ml and particle size between 0.4 and 0.5 mm.
200 ml of chloroform, 200 g of chloromethylmethyl carbonate and 35 g of zinc chloride are added at room temperature to 50 g of this copolymer. The mixture is heated to 800C and is kept at this temperature for 6 hours with stirring.
It is then filtered in order to separate the solid materials which are washed successively with chloroform (25 g), methanol (20 g) and water (100 ml). A chloromethylated resin of styrene / divinylbenzene is thus obtained which contains 25.5% by weight of chlorine relative to the dry product.
EXAMPLE 8
A copolymer of styrene and divinylbenzene having the following characteristics is subjected to chloromethylation: 20% by weight of divinylbenzene, porosity 0.3 g / ml, specific surface area 30 m2 / g, apparent specific weight 0.65 g / ml and particle size ranging from 0.4 to 0.5 mm.
50 g of this copolymer, 200 g of chloromethylmethyl carbonate and 50 g of ferric chloride are added at ambient temperature. The mixture is heated to 900C and is kept at this temperature for 4 hours with stirring.
It is then filtered to separate the solids, which are washed successively with methanol (30 ml) and water (100 ml). We obtain
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thus a chloromethylated resin of styrene / divinylbenzene which contains 24% by weight of chlorine relative to the dry product.
EXAMPLE 9.
The styrene / divinylbenzene copolymer of Example 7 is subjected to chloromethylation under the conditions described in Example 7, and the wet reaction product is reacted with 300 g of trimethylamine in aqueous solution (concentration 20% by weight) , operating at room temperature. The reaction product is filtered and the solids are washed successively with water and dilute hydrochloric acid. An ion exchange resin is thus obtained having a degree of exchange of 1.4 meq / g wet.