FR2633620A1 - Oxydation d'epoxy-alcools en epoxy-acides carboxyliques - Google Patents

Abstract

Procédé d'oxydation d'époxy-alcools, dans un milieu contenant un solvant organique et de l'eau, au moyen d'un composé oxydant solide, en présence d'un catalyseur à base d'un sel de ruthénium. La proportion de l'eau, par rapport à celle de solvant organique, est suffisamment faible, pour que le composé oxydant reste, au moins en grande partie, à l'état solide dans le milieu réactionnel qui est hétérogène.

Description

La présente invention concerne la préparation d'époxy-acides

carboxyliques. Elle est notamment basée sur l'oxydation en milieu liquide d'alcools porteurs d'un

pont époxy.Le procédé de cette invention est en particu-

lier utile à l'obtention d'époxy acides de masses molécu- laires relativement faibles, très solubles dans l'eau, dont la récupération industrielle du milieu aqueux est en général difficile. Surtout des acides époxydés, à chaîne aliphatique, en C3 à C10, et particulièrement en C3 à C5, sont favorablement justiciables du procédé de l'invention. Des époxy-acides carboxyliques ont diverses applications industrielles, notamment pour la synthèse

de différents dérivés d'acides, d'esters ou de sels cor-

respondants. Ainsi, par exemple, sont-ils utilisés à la synthèse de composés d'intérêt biologique, comme acides aminés, phéromones, antibiotiques etc. Dans ces domaines

l'invention apporte un avantage marqué en ce qu'elle per-

met d'obtenir, à partir d'un alcool optiquement actif, un époxy-acide, sans perte de la chiralité souhaitée pour

la suite de la synthèse.

L'invention permet la récupération aisée et éco-

nomique des acides époxydés de leur milieu de préparation.

Cette récupération se fait par l'évaporation d'un solvant organique, plus volatil que l'acide préparé, dans lequel

cet acide se retrouve à la fin de la préparation.

Le procédé suivant l'invention,qui consiste à

oxyder des époxy-alcools, dans un milieu contenant un sol-

vant organique et de l'eau, au moyen d'un composé oxydant, en présence d'un catalyseur à base d'un sel de ruthénium,

est caractérisé en ce que la proportion de l'eau est suf-

fisamment faible par rapport à celle de solvant organique, pour qu'au moins une grande partie de l'oxydant se trouve

à l'état solide dans le milieu réactionnel, hétérogène.

Suivant la nature de l'alcool à oxyder, notam-

ment selon sa miscibilité avec des solvants, on peut

employer, en tant que ceux-ci, des éthers, des hydro-

carbures, hydrocarbures halogénés, nitriles ou autres liquides organiques, non oxydables dans les conditions opératoires de l'invention. Ainsi peuton opérer, par exemple, dans du dioxane, du tétrahydrofurane, toluène,

octane, décane, dichloréthane, trichloroéthylène, chloro-

forme, tétrachlorure de carbone, etc. Des solvants parti-

culièrement utiles sont tels que le dichlorométhane et l'acétonitrile. On choisit de préférence un solvant plus

volatil que l'acide à préparer.

En tant qu'oxydants peuvent convenir les dif-

férents sels des anions oxygénés d'halogènes, comme hypo-

chlorites, hypo-bhomites, chlorites, bromites, iodites, chlorates, bromates, iodates, perbromates ou périodates alcalins, alcalino-terreux et, éventuellement, ceux de

Zn, Al, Fe, etc. Des oxydants préférés sont des hypo-

chlorites et des périodates de Na, K ou Ca.

Les catalyseurs, employés dans le procédé de l'invention, sont dqs sels de Ru et en particulier RuCl3. Une caractéristique importante de l'invention est une teneur en eau du milieu réactionnel ne dépassant pas 20 moles H20 par mole d'alcool à oxyder, le volume de solvant organique étant supérieur à celui de l'eau,

de préférence au moins double.

Les conditions préférées, dans ce procédé, rési-

dent en une proportion de H20 de 0,2 à 20 moles par mole d'alcool, mieux 0,5 à 5, et plus particulièrement 1 à 2 moles. Cela est assuré,tandis que le volume de solvant est réglé à une valeur d'environ 5 à 250 fois celui de

l'eau, et de préférence 10 à 100 fois.

Contrairement à ce qu'indique l'art antérieur pour un époxy-acide relativement lourd, à groupe arylique,

les époxy acides carboxyliques plus légers, fortement so-

lubies dans l'eau, ne peuvent pas être extraits par les moyens classiques du milieu réactionnel plus ou moins riche en eau. Ainsi, dans J.Org.Chem. 1981, 46, n 19, b page 3938 en haut, à gauche, sous (1)b, Carlsen, Katsuki, Martin et Sharpless relatent-ils l'oxydation de phényl-4 époxy-2, 3 butanol-1 en solution dans de l'acétonitrile, en présence de 3 ml d'eaupar mmole de cet alcool (soit 166 mol H20/mol d'alcool), au moyen de 3 équivalents de métapériodate de Na (NaIO4), avec, comme catalyseur,

2,2 mol % de RuCl3.H20, pendant 1 heure. Les auteurs an-

noncent l'obtention de l'acide carboxylique correspondant avec un rendement de 75% suivant la réaction:

6H5-CH2-CH-CH-CH20H C6H5-CH2-CH-CH-COOH

O O

Or, l'expérience, conduisant à la présente invention, a montré que, pour les époxy alcools R-CH-yH-CH2OH o R est O H ou un alkyle en C1 à C7, et surtout H, C1 ou C2, l'acide formé ne peut être pratiquement récupéré par l'évaporation du solvant, à la fin de la réaction, que si la teneur en H20, dans le milieu réactionnel, est inférieure à 20 moles

H20 par mole d'alcool à oxyder, et de préférence ne dépas-

se pas 2 moles H2O par mole d'alcool (contre 166 moles

dans la technique antérieure précitée).

Le procédé est mis en oeuvre de préférence avec 1,5 à 3 équivalents d'oxydant par groupe alcool à oxyder; ainsi conviennent particulièrement 1,5 à 3 moles NaIO4 ou 0,75 à 1,5 moles Ca (C10)2 par groupe -OH, l'oxydant étant

introduit à l'état de poudre fine dans le mélange réac-

tionnel. Les quantités d'oxydant par unité de volume total solvant + eau sont de préférence de l'ordre de 0,5 à 2

équivalents par litre, et surtout de 0,7 à 1,5 éq./l.

Le catalyseur particulièrement intéressant, le RuCl3, peut être avantageusement employé à raison de 0,1

à 5% en poids du mélange réactionnel.

Le procédé de l'invention peut être pratiqué à diverses températures, notamment depuis -20 à +80 0C, de préférence entre 10 et 40 C, et surtout entre 20 et C. Il est recommandable de suivre l'opération et

l'arrêter lorsque le maximum de conversion est atteint.

La durée optimale dépend de différents facteurs, notam-

ment de la nature de l'alcool traitée, de la température

et de l'excès de sel oxydant; le plus souvent,à la tem-

pérature ambiante, les temps appropriés de réaction sont

de 1 à 16 heures, et principalement de 2 à 12 heures.

Dans une forme d'exécution particulière de l'invention, le rendement est amélioré et la duriée de l'opération peut être abrégée par l'addition d'un composé tensioactif au milieu réactionnel. Il suffit généralement d'environ 0,1 à 1% en poids de tensioactif par rapport au poids du mélange. De préférence, le tensioactif est

choisi parmi ceux qui ne comportent pas de fonction al-

cool; conviennent par exemple des composés du type éther, sulfates ou sulfonates, tels qu'esters d'acides gras de

polyoxyéthylène, notamment laurate ou stéarate de poly-

oxyéthylène ("NONISOLS"), dodécyl-sulfate de Na ("SDS"),

alcane-sulfonates de Na (du pétrole, "PETRONATE HL"), al-

kyl-aryl sulfonates de Na, tel que phényl-octadécane sulfonate de Na, ou lauryl benzène-sulfonate de Na, etc. L'invention est illustrée par les exemples non

limitatifs, dont les résultats sont rapportés plus loin.

Le mode opératoire dans ces essais consistait à mettre un époxy-alcool en solution dans un solvant qui était le dichlorométhane CH2Cl2 ou l'acétonitrile CH3CN,

à ajouter 2,2 moles % de RuCl3.H20, puis une faible quan-

tité d'eau et du périodate de sodium, NaIO4, en poudre

fine ou de Ca(ClO)2, et à maintenir le mélange sous agita-

tion continuelle, à 25 C, pendant le temps indiqué.Dans

tous les essais on opérait sur 10 à 12 mmol d'alcool épo-

xydé et 10 à 20 ml de solvant,les autres paramètres étant indiqués au tableau des résultats. On y donne le rendement

% (Rdt) en acide carboxylique récupéré, par rapport à l'al-

cool mis en oeuvre. "H20" représente le nombre de moles de H2O par mole d'alcool utilisé. "H20/sol." signifie vo-

lume d'eau par rapport au volume de solvant organique.

EXEMPLES 1 à 5

Oxydation de l'époxy-2,3 butanol-1 en l'acide époxy-2,3 butyrique. Le mélange réactionnel est constitué dans chaque cas par 0,01 mol (0,88g) de CH3CH-CHCH2OH dans 20 ml de CCl4, additionné de 0,125 g de RuCl3.H20 et de 3 équivalents de metaperiodatede sodium, soit 0,03 mol NaIO4 (6,4g) en

poudre fine.

Des quantités d'eau différentes sont ajoutées aux mélan-

ges, passant de 30 ml pour l'exemple 1 à 0,3 ml dans l'e-

xemple 5.

Les opérations sont menées selon le mode opératoire dé-

crits plus haut, à 25 C. On détermine le rendement en acide époxycarboxylique recueilli après l'évaporation

du solvant à partir du mélange réactionnel.

Les résultats sont réunis au tableau ci-après.

TABLEAU DES RESULTATS

Exemple Moles H20/alcool Vol.H20/ Temps Rdt en au départ solvant en h acide

1, 166 1,5 36 0

2 55 0,5 " 0

3 5,5 0,05 " Très peu 4 2,44 0,025 24 Peu

1,46 0,015 6 75%

" après 1h

2,44 0,025 - "

Il s'en suit que,pour un rendement de récupération de 75% d'acide époxybutyrique, la teneur initiale en eau ne doit

pas dépasser 1,46 moles par mole d'alcool époxy-butyli-

que.

EXEMPLE 6

Les essais des exemples 1 à 5 sont répétés avec de l'acétonitrile CH3CN à la place du CC14 comme

solvant. Les mêmes résultats sont obtenus.

EXEMPLE 7

Dans l'exemple 5 le métapériodate de Na est remplacé par 1,5 équivalent d'hypochlorite de calcium Ca(ClO)2. Après 5 heures à 25 C, le rendement en acide

époxy-butyrique est de 76%.

EXEMPLE 8

La technique des exemples précédents est appli-

quée à la réaction:

O O

CH3H + 02 e CH (a)H +H 0 CH3CC +O2. CH3(a) (c) 2

% C C C

H CH OH H (b) COOH (d) o la chiralité de l'alcool se retrouve entierement dans

l'acide obtenu.

Pour cela, on a placé dans un ballon muni d'un agitateur

magnétique, sous atmosphère d'argon, 11,35 ml d'acétoni-

trile, 0,3 ml d'eau, 0,0113 mole d'époxy alcool susin-

diqué, et 0,0339 mol NaIO4. Au mélange obtenu on a ajouté 2,2 mol % de RuCl3.H20. Après une heure d'agitation à C on a rajouté 0,2 ml d'eau. Le mélange fut ensuite

dilué avec du dichlorométhane et filtré sur célite.

Après concentration par évaporation, le résidu fut dilué avec de l'éther éthylique et à nouveau filtré. Le produit

obtenu après l'évaporation des solvants a donné à l'ana-

lyse:

C.......... 47,1% H........ 5,6%

contre calculé......... 47,0%........ 5,9% RMN H 80 MHz (CDC13+TMS): (H(a) 1,5 ppm(d,3H),

H (bc) 3,4 ppm (m,2H); H(d) 10,75 ppm (s,1H).

Le rendement en cet acide a été de 75%.

A noter que la quantité d'eau initiale dans le mélange était de 1,46 mol H20 par mole d'alcool mis en oeuvre,

et qu'elle s'élevait à 2,44 mol. après l'addition supplé-

mentaire,effectuée au bout d'une heure.

EXEMPLE 9

En procédant comme dans l'exemple 8, on a oxydé avec de l'hypochlorite de calcium de l'époxy-2,3 propanol

1, CH 2-CH-CH2OH, ce qui a donné de l'acide époxy-propioni-

que CH2-CH-COOH avec un rendement de récupération de 77%.

Claims (12)

Revendications

1. Procédé d'oxydation d'époxy-alcools en époxy-

acides carboxyliques dans un milieu contenant un solvant

organique et de l'eau, au moyen d'un composé oxydant so-

lide, en présence d'un catalyseur à base d'un sel-de ru-

thénium, caractérisé en ce que la proportion del'eau, par rapport à celle de solvant organique, est suffisamment faible, pour que le composé oxydant reste, au moins en grande partie, à l'état solide dans le milieu réactionnel

qui est hétérogène.

2. Procédé suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce que la proportion de H20, par rapport à l'alcool, ne dépasse pas 20 moles par mole de cet alcool et est en général de 0,2 à 20 moles, de préférence de 0,5 à 5 moles et, plus particulièrement, 1 à 2 moles par

mole d'alcool.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume de solvant organique est à 250 fois celui de l'eau et, de préférence 10 à 100 fois.

4. Procédé suivant une des revendications 1 à

3, caractérisé en ce que le composé oxydant est un sel

d'anion oxygéné d'un halogène, de métal alcalin, alcalino-

terreux, Zn, Al ou Fe.

5. Procédé suivant la revendication 4, carac-

térisé en ce que le sel oxydant est un hypochlorite, hypobromite, hypoiodite, chlorite, bromite, iodite,

chlorate, bromate ou iodate.

6. Procédé suivant la revendication 4, carac-

térisé en ce que le sel oxydant est un hypochlorite ou

périodate de Na, K ou Ca.

7. Procédé suivant une des revendications 1 à

6, caractérisé en ce que l'oxydation est conduite à une température de 20 à +80 C, de préférence entre +10 et

+40 C et surtout entre +20 et +30 C.

8. Procédé suivant une des revendications 1

à 7, caractérisé en ce que le solvant organique est choisi parmi les éthers, hydrocarbures, hydrocarbures halogénés et nitriles, non oxydables dans les conditions opératoires, de préférence plus volatils que l'acide

à préparer.

9. Procédé suivant la revendication 8, carac-

térisé en ce que le solvant est le dichlorométhane ou l'acétonitrile.

10. Procédé suivant une des revendications pré-

cédentes, caractérisé en ce que le milieu réactionnel

est additionné d'un composé tensioactif.

11. Procédé suivant une des revendications pré-

cédentes, caractérisé en ce qu'une portion d'eau est rajoutée au milieu réactionnel après une des premières

heures de réaction.

12. Application du procédé suivant une des re-

vendications précédentes à la préparation d'acides ali-

phatiques en C3 à C10 et, en particulier en C3 à C5.