WO1995009830A1 - Procede de preparation de cyclopentanone mono- ou di-substituee en position 2 - Google Patents
Procede de preparation de cyclopentanone mono- ou di-substituee en position 2 Download PDFInfo
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- C07C45/45—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by condensation
- C07C45/48—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by condensation involving decarboxylation
Definitions
- the present invention relates to a process for the preparation of cyclopentanone mono- or di-substituted in position 2.
- the invention relates more particularly to the preparation of 2,2-dimethylcyclopentanone.
- Cycloalkanones such as, for example, cyclopentanones mono- or disubstituted in position 2, can advantageously serve as intermediate compounds in the synthesis of fungicides belonging to the family of benzylidene-azolylmethylcycloalkanes which is described in particular in document EP-A 0 378 953.
- the present invention relates to a process for the preparation of cyclopentanone mono- or di-substituted in position 2 of formula:
- R * represents: a hydrogen atom; a linear or branched alkyl or alkoxy radical having from 1 to 4 carbon atoms; a radical of formula (R2) p- ⁇ henyl ⁇ (-CR3R4-) q-- where R ⁇ is a linear or branched alkyl radical having from 1 to 3 carbon atoms, R3 and R ⁇ , which may be the same or different, each represent a hydrogen atom or a linear or branched alkyl radical having from 1 to 3 carbon atoms and p and q are whole numbers, which may be the same or different, ranging from 0 to 3; said process being characterized in that it consists in successively carrying out the following 4 steps (a) to (d) which can be linked as required in the same reactor:
- step (a) which consists of:
- step (b) which consists in using the reaction product of formula (IV), taken in the form of the crude product obtained in the organic phase at the end of the abovementioned stage (a2) or in the form of a pure product, and:
- step (c) which consists in using the acid of formula (VI), taken in the form of the crude product obtained in aqueous phase at the end of the abovementioned stage (b ⁇ ) or in the form of pure product, and:
- step (d) which consists in using the dicarboxylic acid of formula
- R 1 there may be mentioned, in addition to hydrogen: the methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl radicals and the corresponding alkoxy radicals; as well as the phenyl, (o-, m- or p-) tolyl, xylyl and benzyl radicals.
- the symbol R 1 corresponds to the methyl radical
- the symbols R 1 and R 6> which are identical or different, correspond to the methyl and ethyl radicals.
- step (a) of the process according to the invention it is therefore a question of carrying out an addition reaction on carbon 4 of a 1,3-butadiene of formula (II), optionally carrying a substimant on the carbon 2, of a compound with active methylene group of formula (III).
- This reaction can be carried out in a known manner as indicated in particular in document EP-A 0 044 771, the content of which is incorporated here by reference; this reaction makes it possible to obtain an adduct of formula (TV) which is a mixture consisting essentially of the following two isomers:
- a soluble phosphine a compound taken from the group formed by the sodium, potassium, calcium, barium, ammonium, tetramethylammonium and tetraethylammonium salts of (sulfophenyl) diphenylphosphine, di (sulfophenyl) phenylphosphine and tri (sulfophenyl) phosphine;
- a water-soluble compound taken from the group formed by: rhodium oxide RI12O3 is used as the rhodium compound; rhodium chloride RJ1CI3; rhodium bromide RhBr3; rhodium sulfate Rl_2 (S ⁇ 4) 3; rhodium nitrate Rh (N ⁇ 3) 3; rhodium acetate Rh (CH3CO2) 3; rhodium tetracarbonyl
- an amount of rhodium compound is used, expressed by the number of atom-grams of elemental rhodium per 100 moles of butadiene, which is between
- an amount of phosphine is used, expressed by the number of moles of this compound relative to a gram atom of elementary rhodium, which is between 1 and 10;
- a base consisting of an alkali metal hydroxide, carbonate or bicarbonate, such as for example sodium, is added to the reaction medium, in order to improve the reactivity, in an amount ranging from 0.01 to 3 moles of base per liter of water used in the composition of the reaction medium;
- reaction temperature is in the range from 50 ° C. to 150 ° C., and it is maintained for a period which will depend on the temperature chosen and can vary for example between 2 hours by operating at 100 ° C. and 5 hours operating at 80 ° C.
- step (a) As regards the practical manner of carrying out the addition reaction of step (a), reference will be made for more details to the content of the aforementioned document EP-A 0 044 771.
- step (b) of the method according to the invention taken in its variant (bi), it is a matter of carrying out:
- step (b) of the process of the invention taken in its variant (b '), it is a matter of carrying out:
- solutions of alcoholate are used in the alcohol which gave birth to it which can contain up to 20 moles of alcohol, and more precisely which contain between 5 and 15 moles of alcohols for one mole of alcoholate base; 3. 1 to 1.5 moles of alcoholate base are used per mole of starting keto-ester of formula (IV);
- the deacylation reaction is carried out at a temperature which generally corresponds to the boiling temperature of the alcohol involved, for a sufficient time to eliminate, as and when it is formed in situ, the compound R ⁇ -CO-G in the structure of which the symbol G represents the organic residue of the alkali alcoholate set work (this residue G represents OCH3 when the alkaline alcoholate used is for example CH3 ⁇ N a ); this reaction time is for example between 2 hours and 6 hours;
- the alkaline hydrolysis reaction is carried out by adding to the reaction medium, after having completed the deacylation reaction, that is to say after elimination of the compound
- R6-CO-G water in an amount representing 10 to 30 moles of water per 1 mole of alkali metal alkoxide base
- the alkaline hydrolysis reaction is carried out at a temperature which generally corresponds to the reflux temperature of the reaction mixture, for a time sufficient to remove the alcohol present in said mixture by distillation;
- the hydrolysis reaction is terminated by acidifying the residual aqueous reaction mixture to a pH of value between approximately 1 and approximately 3 by addition of a determined quantity of a strong mineral mono- or polyacid, oxygenated or not, as for example hydrochloric, nitric and sulfuric acids.
- a strong mineral mono- or polyacid oxygenated or not, as for example hydrochloric, nitric and sulfuric acids.
- step (c) of the process according to the invention a carboxy group COOH is added to the carbon atom of the carboxylic acid of formula (VI) which carries the substituent R *.
- This synthesis requires globally providing 1 mole of carbon monoxide CO and one mole of water for each mole of carboxylic acid of formula (VI) to be functionalized.
- a first synthesis mode corresponding to variant (ci), consists in using formic acid as a vehicle for CO and water and in using a catalyst based on a strong acid; such a reaction is known in the prior art, cf. in particular the document New J. Chem. , 1992, 1 £, 521-524, the content of which is incorporated herein by reference, but it has never been applied to a substrate having the structure of the mono-carboxylic compound of formula (VI) in order to obtain the dicarboxylic acid of formula (VII).
- a strong mono-or polyacid, mineral or organic, oxygenated or not, is used as catalyst, at least one of the acid functions (when there are several) has an ionization constant in water, pKa , less than or equal to 3, such as for example: among mineral acids, hydrochloric, sulfuric, orthophosphoric, pyrophosphoric acids; among organic acids, organosulfonic acids (in particular paratoluenesulfonic, methanesulfonic, single naphthalenesulf), organophosphonic acids (in particular monoalkyl- or monoarylphosphonic acids such as methylphosphonic or benzenephosphonic), strong halogenated polycarboxylic acids (such as acids dihalogeno- and trihalogeno-, especially chloro- and fluoroacetic or propionic).
- a strong acid which is particularly suitable is sulfuric acid;
- the hydroxycarbonylation reaction is carried out using, for each mole of starting carboxylic acid of formula (VI), 1 to 15 moles of water and 10 to 50 H + ions;
- the water and the strong acid which are necessary for the reaction are introduced together into the reaction medium in the form of a concentrated aqueous solution of strong acid whose concentration by weight of pure acid and the quantity are determined so as to bring the required amount of water and the number of H + ions;
- the weight concentration of pure acid is in the range from 90 to 98%;
- the reaction temperature is in the range from room temperature (20 ° C) to 100 ° C and is maintained until the absorption of C0 ceases.
- the reactions can be carried out under the following advantageous conditions 1 to 6 which, preferably, will be taken in combination:
- an amount of formic acid is used, expressed by the number of moles of this compound relative to one mole of carboxylic acid of formula (VI), which is between 1 and 4 moles;
- the strong acid catalyst is used in the pure state or in the form of a concentrated aqueous solution whose weight concentration of pure acid is at least equal to 95%;
- an amount of strong acid catalyst is used, expressed in number of H + ions per mole of starting carboxylic acid of formula (VI), which is between 5 and 40 H + ions;
- reaction temperature is in the range from room temperature (20 ° C) to 100 ° C and is maintained for a period of the order of 3 hours to 6 hours depending on the temperature value.
- step (d) of the process according to the invention the dicarboxylic acid of formula (VII) is cyclized to obtain the cyclopentanone of formula (I).
- a first mode of synthesis corresponding to variant (d), consists in converting the diacid into a cyclic anhydride by reaction with a lower carboxylic acid anhydride which then loses CO2 during the reaction under the effect of temperature; such a reaction can be carried out in a known manner as indicated in particular in the documents, Compt. rend., 142, 1084-1085 (1906) and Compt. rend., 144. 1356-1358 (1907) the contents of which are incorporated herein by reference.
- Another mode of synthesis which is particularly used here and corresponds to variant (of i), consists in subjecting the diacid to a pyrolysis reaction in liquid or gas phase in the presence of a particular catalyst, such a reaction is known in the prior art, cf. especially Bull. Acad. dry. USSR, sci class. chem., (29-40), 489-493 (1947) and J. Org. Chem., 25., 1841-1844, (1960), but the particular catalyst used in this memo is not described there.
- the cyclizing decarboxylation reaction is carried out in the liquid phase, that is to say in the presence of a reaction solvent which is a solvent (or a mixture of solvents) organic (s) inert with respect to the dicarboxylic acid starting material and the cyclic ketone obtained, and each having a high boiling temperature of between 200 ° C and 500 ° C.
- a reaction solvent which is a solvent (or a mixture of solvents) organic (s) inert with respect to the dicarboxylic acid starting material and the cyclic ketone obtained, and each having a high boiling temperature of between 200 ° C and 500 ° C.
- suitable organic solvents there may be mentioned in particular: paraffinic hydrocarbons such as decane, undecane, dodecane or tetradecane; aromatic hydrocarbons such as xylenes, cumene, petroleum fractions consisting of a mixture of alkylbenzenes, in particular the Solvesso type fractions; heavy esters of mineral acids such as tricresyl phosphate or of carboxylic acids such as octyl phthalate; aromatic ethers such as biphenyl oxide or benzene oxide; paraffinic and / or naphthenic oils, petroleum distillation residues;
- paraffinic hydrocarbons such as decane, undecane, dodecane or tetradecane
- aromatic hydrocarbons such as xylenes, cumene, petroleum fractions consisting of a mixture of alkylbenzenes, in particular the Solvesso type fractions
- heavy esters of mineral acids such as tricresyl phosphate or of carboxy
- the concentration of the starting dicarboxylic acid of formula (VII) in the reaction mass, formed of the starting diacid, of the catalyst and of the organic solvent (s), generally represents from 10 to 50% of the weight of the reaction mass;
- a metal or a metalloid taken in the form: a metal or a metalloid; a single or double oxide or a single or double hydroxide; a single or double mineral salt such as for example a nitrate, a sulfate, an oxysulfate, a halide, an oxyhalide, a silicate, a carbonate; or of a single or double organic salt such as for example an acetylacetonate, an alcoholate such as for example a methylate or an ethylate, a carboxylate such as for example an acetate or an oxalate.
- a metal or a metalloid taken in the form: a metal or a metalloid; a single or double oxide or a single or double hydroxide; a single or double mineral salt such as for example a nitrate, a sulfate, an oxysulfate, a halide, an oxyhalide, a silicate, a carbonate;
- Suitable catalysts mention will be made in particular the following catalysts: sodium or potassium tetraborate; tin oxide; sodium or potassium stannate; bismuth, cesium or rubidium carbonate, molybdenum, aluminum, indium or antimony oxide; thallium acetate; - of type (2i), a phosphate or condensed phosphate, of pyrophosphate or polyphosphate type, in the structure of which the cation is a cation derived in particular from an element of the group la (with the exception of rubidium and cesium), 2a or 3b of the Periodic Table published in the Bulletin of the elaborate Chimique de France, n ° l (1966) or an ammonium cation.
- suitable catalysts mention may in particular be made of the following catalysts: phosphates, pyrophosphates, tripolyphosphates or pentapolyphosphate of sodium or potassium;
- an amount of catalyst is used, expressed in number of atom-grams of metal cation per 100 moles of dicarboxylic acid, which is between 0.1 and 30% and more precisely between 5 and 20%;
- the cyclizing decarboxylation reaction is carried out at a temperature between 200 ° C and 300 ° C which can be chosen equal to the reflux temperature of the reaction mixture;
- the cyclizing decarboxylation reaction is carried out by distilling off, as they are formed, the cyclic ketone, the carbon dioxide and the water formed; at the end of the reaction, the cyclic ketone is recovered from the distillate, according to the conventional techniques used in this technical field, in particular by decantation or by crystallization.
- the contents of the autoclave are transferred to a separatory funnel where an aqueous phase and an organic phase separate.
- the collected aqueous phase contains the catalyst and the catalyst-free upper orgasmic phase contains the desired adduct of formula (TV).
- the separated organic phase is washed with 20 ml of salt water.
- the aqueous phase is extracted with 50 ml of ethyl acetate, then it is then washed with 20 ml of salt water.
- the organic phases are combined, then dried over anhydrous Na2S ⁇ 4.
- step (b) of the method according to the invention illustrates the implementation of step (b) of the method according to the invention.
- 6OO ml of methanol is poured into a 1 liter three-necked flask, purged beforehand with argon, equipped with mechanical stirring, a thermometer, a 250 ml dropping funnel and a distillation column. anhydrous.
- the expected carboxylic acid of formula (VI) settles spontaneously.
- the aqueous phase is extracted twice in succession with each time 100 ml of CH2Cl2.
- the organic phases are combined and dried over anhydrous Na2S ⁇ 4.
- the CH2Cl2 is removed by evaporation under reduced pressure and the crude product obtained is purified by distillation under reduced pressure (70-74 ° C; 3.10 ⁇ Pa) to yield 108.3 g of a colorless liquid which contains, after analysis by NMR, IR and determination by vapor phase chromatography, 95% by weight of carboxylic acid of formula:
- the residual filtrate is diluted with 1 liter of water and kept for 12 hours at 4 ° C: this makes it possible to isolate an additional 3.17 g of the desired dicarboxylic acid taken in the pure state.
- distillate After filtration and rinsing with CH2CI2, the distillate is made up to 100 ml with
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de préparation de cyclopentanone mono- ou di-substituée en position 2. Le procédé de préparation de l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser successivement les 4 étapes (a) à (d) suivantes qui peuvent être enchaînées au besoin dans le même réacteur: (a) est une étape d'addition d'un acétoacétate d'alkyle sur du 1,3-butadiène, éventuellement substitué en position 2; (b) est une étape de déacylation du produit d'addition formé, suivie d'une réaction d'hydrolyse alcaline et d'une acidification en vue de produire un monoacide carboxylique ayant 6 atomes de carbone dans sa chaîne principale; (c) est une étape d'hydroxycarbonylation dudit monoacide en vue de produire un α,φ-diacide carboxylique ayant 6 atomes de carbone dans sa chaîne principale; et (d) est une étape de décarboxylation cyclisante dudit diacide. L'invention vise plus particulièrement la préparation de 2,2-diméthylcyclopentanone.
Description
PROCEDE DE PREPARATION DE CYCLOPENTANONE MONO- OU DI- SUBSTITUEE EN POSITION 2
La présente invention concerne un procédé de préparation de cyclopentanone mono- ou di-substituée en position 2 . L'invention vise plus particulièrement la préparation de 2,2-diméthylcyclopentanone .
Contexte technique de l'invention
Les cycloalcanones, comme par exemple les cyclopentanones mono- ou disubstituées en position 2, peuvent servir avantageusement de composés intermédiaires dans la synthèse de fongicides appartenant à la famille des benzylidène- azolylméthylcycloalcanes qui est décrite notamment dans le document EP-A 0 378 953 .
But de la présente invention
Quoique de nombreuses méthodes de préparation de cyclopentanones mono- ou disubstituées en position 2 aient été rapportées dans la littérature [cf. notamment : J. Am. Chem. Soc, fiQ, 2416-2419 (1938) ; Bull. acad. sci. URSS, Classe sci. chim., (29- 40), 489-493 (1947) et CA 42_4536d ; J. Org. Chem., 21, 1841-1844 (1960) ; J. Am. Chem. Soc, 102(1), 190-197 (1980) ; Organometallics, 7(4), 936-945 (1988) ], il y a un réel besoin de pouvoir disposer d'un procédé permettant, au départ de matières premières facilement accessibles et peu onéreuses, d'offrir une excellente productivité en cyclopentanone, tout en étant aisément mis en oeuvre à l'échelle industrielle sans faire appel à un appareillage sophistiqué .
Il a maintenant été trouvé, et c'est ce qui constitue l'objet de la présente invention, un procédé qui répond à la satisfaction de cet objectif .
Description de la présente invention
La présente invention concerne un procédé de préparation de cyclopentanone mono- ou di-substituée en position 2 de formule :
dans laquelle le symbole R* représente : un atome d'hydrogène ; un radical alkyle ou alkoxy linéaire ou ramifié ayant de 1 à 4 atomes de carbone ; un radical de formule (R2)p-ρhényl~(-CR3R4-)q-- où R^ est un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 3 atomes de carbone, R3 et R^, qui peuvent être identiques ou différents, représentent chacun un atome d'hydrogène ou un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 3 atomes de carbone et p et q sont des nombres entiers, qui peuvent être identiques ou différents, allant de 0 à 3 ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser successivement les 4 étapes (a) à (d) suivantes qui peuvent être enchaînées au besoin dans le même réacteur :
- étape (a) qui consiste:
* (aj) à soumettre du 1,3-butadiène, éventuellement substitué en position 2, de formule :
R
(II)
dans laquelle le symbole R* a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), à l'action d'un composé ayant un groupe méthylène actif de formule :
O O
(III)
X O R
dans laquelle le symbole X représente le radical R > OU OR^, les symboles R^ et R6, qui peuvent être identiques ou différents, représentant chacun un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 6 atomes de carbone, cette réaction étant conduite en milieu aqueux et en présence d'un catalyseur constitué d'une part par au moins une phosphine soluble dans l'eau et d'autre part par au moins un composé du rhodium, pour produire un produit de réaction de formule :
dans laquelle les symboles Ri, R^ et X ont les significations données ci-avant à propos des formules (I) et (III), * puis (a-) à isoler le produit de réaction de formule (TV) qui est en phase organique en séparant cette dernière de la phase aqueuse contenant le catalyseur par décantation, et éventuellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable et/ou par distillation ;
- étape (b) qui consiste à mettre en oeuvre le produit de réaction de formule (IV), pris sous forme du produit brut obtenu en phase organique à l'issue du stade (a2) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (bj), dans le cas où l'on engage un composé de formule (IV) dans laquelle le symbole X représente le radical R^, à soumettre ce composé : (bl.l) à une réaction de deacylation par traitement connu en soi à l'aide d'une solution d'un alcoolate de métal alcalin dans l'alcool qui lui a donné naissance, pour obtenir un produit de réaction de formule :
R 1
C O O R-
C H . (V)
dans laquelle les symboles R* et R^ ont les significations données ci-avant à propos de la formule (IV),
(t>1.2) cette réaction étant suivie par une réaction d'hydrolyse alcaline du groupe ester COOR^, puis par une réaction d'acidification, ces réactions étant conduites de manière connue en soi, en opérant dans le même milieu reactionnel, pour obtenir un produit de formule :
R 1
C H , /C 0 0 H (VI)
dans laquelle le symbole R* a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), * (b'i), dans le cas où l'on engage un composé de formule (IV) dans laquelle le symbole X représente le radical OR^, à soumettre ce composé :
(b' i i) à une réaction d'hydrolyse alcaline des groupes esters COOR5 et COOR6,
(b'i 2) cette réaction étant suivie d'une réaction de decarboxylation thermique de l'un des groupes carboxylate formés, puis par une réaction d'acidification, ces réactions étant conduites de manière connue en soi, en opérant dans le même milieu reactionnel, pour obtenir un produit de formule :
dans laquelle le symbole R a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I),
* puis (Je.-) à isoler le produit de réaction, le monoacide carboxylique de formule (VI), qui est en phase aqueuse en séparant cette dernière de la phase organique présente, et éventuellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable ;
- étape (c) qui consiste à mettre en oeuvre l'acide de formule (VI), pris sous forme du produit brut obtenu en phase aqueuse à l'issue du stade (b~) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (ci) à soumettre ce composé, selon une première possibilité, à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant l'acide formique comme véhicule de CO et d'eau, et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir un produit de réaction de formule :
R 1
H O O C ^^-^- CH j /0 0 011 (VII)
dans laquelle le symbole R a les significations données ci-avant à propos de la formule (I),
* (c' i) à soumettre ce composé, selon une seconde possibilité, à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant directement du gaz CO sous une pression de CO allant de 1 MPa à 10 MPa, de l'eau et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir un produit de réaction de formule :
dans laquelle le symbole Ri a les significations données ci-avant à propos de la formule
(D, * puis (C2) à isoler le produit de réaction, le diacide carboxylique de formule (VII), en faisant précipiter ce composé par addition d'eau dans le milieu reactionnel, et éventuellement en soumettant ensuite le diacide à une purification par recristallisation ;
- étape (d) qui consiste à mettre en oeuvre le diacide carboxylique de formule
(Vu), pris sous forme du produit brut obtenu après précipitation à l'issue du stade (C2) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (di) à soumettre ce composé à une réaction de decarboxylation cyclisante conduite, selon une première possibilité, en transformant le diacide en anhydride cyclique par réaction avec un anhydride d'acide carboxylique inférieur qui perd ensuite du CO2 au cours de la réaction, pour obtenir la cyclopentanone souhaitée de formule (I),
* (d' i) à soumettre ce composé à une réaction de decarboxylation cyclisante conduite, selon une seconde possibilité, en pyrolysant en phase liquide ou gazeuse le diacide en présence d'un catalyseur à base :
(i) d'un métal ou d'un métalloide ou d'un dérivé de cet élément choisi parmi : Rb, Cs,
V, Mo, B, Al, Ga, In, Tl, Sn, Sb, Bi, ou
(2i) d'un dérivé de l'acide phosphorique, l'acide étant condensé ou non, dont les protons sont substitués par un cation métallique autre que les espèces métal ou métalloide citées sous (i) ou par un cation ammonium, pour obtenir la cyclopentanone souhaitée de formule (I),
* puis (d2) à isoler le produit de réaction par une méthode appropriée .
A titre d'exemples non limitatifs de symboles R1, on peut citer, outre l'hydrogène: les radicaux méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle, tertiobutyle et les radicaux alkoxy correspondants ; ainsi que les radicaux phényle, (o-, m- ou p-) tolyle, xylyle et benzyle.
A titre d'exemples non limitatifs de symboles R^ et R6, on peut citer les radicaux méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle et tertiobutyle.
De préférence, le symbole Ri correspond au radical méthyle, tandis que les symboles R^ et R6> identiques ou différents, correspondent aux radicaux méthyle et éthyle.
Dans l'étape (a) du procédé selon l'invention, il s'agit donc de réaliser une réaction d'addition sur le carbone 4 d'un 1,3- butadiène de formule (II), portant évenmellement un substimant sur le carbone 2, d'un composé à groupe méthylène actif de formule (III). Cette réaction peut être conduite de manière connue comme indiqué en particulier dans le document EP-A 0 044 771 dont le contenu est incorporé ici par référence ; cette réaction permet d'obtenir un produit d'addition de formule (TV) qui est un mélange constitué essentiellement par les deux isomères suivants :
R 1 OOR5
CH (IV isomère l ) COX
( IV isomère 2 >
Des rendements molaires excellents, par rapport au butadiène engagé, en produit d'addition de formule (TV) (pouvant être un céto-ester ou un diester selon la définition du symbole X), qui peuvent atteindre 90 % et même dépasser cette valeur, sont obtenus en réalisant la réaction d'addition dans les conditions avantageuses 1 à 8 suivantes qui, de manière préférentielle, seront prises en combinaison :
1. on utilise 1 à 1 ,5 moles de composé à groupement méthylène actif de formule (III) par mole de butadiène, évenmellement substitué, de formule (II) ;
2. on utilise, comme réactif à groupe méthylène actif de formule (III), un composé dans la structure duquel le symbole X représente le radical R^ ;
3. on utilise, comme phosphine soluble, un composé pris dans le groupe formé par les sels de sodium, de potassium, de calcium, de baryum, d'ammonium , de tetraméthylammonium et de tétraéthylammonium des (sulfophényl)diphénylphosphine, di(sulfophényl)phénylphosphine et tri(sulfophényl)phosphine ;
4. on utilise, comme composé du rhodium, un composé soluble dans l'eau pris dans le groupe formé par : l'oxyde de rhodium RI12O3 ; le chlorure de rhodium RJ1CI3 ; le bromure de rhodium RhBr3 ; le sulfate de rhodium Rl_2(Sθ4)3 ; le nitrate de rhodium Rh(Nθ3)3 ; l'acétate de rhodium Rh(CH3C02)3 ; le rhodium tétracarbonyle
[Rh(CO)4J2 ; l'acétylacétonate de rhodium trivalent ; le chlorure de rhodium cyclooctadien-l,5yle [Rh(CgH 2)Cl]2 ; le chlorure de rhodium-dicarbonyle [Rh(CO)2Cl]2 ;
5. on utilise une quantité de composé du rhodium, exprimée par le nombre d'atome- grammes de rhodium élémentaire pour 100 moles de butadiène, qui est comprise entre
0,02 et 20 ;
6. on utilise une quantité de phosphine, exprimée par le nombre de moles de ce composé rapporté à un atome-gramme de rhodium élémentaire, qui est comprise entre 1 et 10;
7. on ajoute au milieu reactionnel, dans le but d'améliorer la réactivité, une base consistant dans un hydroxyde, un carbonate ou un bicarbonate de métal alcalin, comme par exemple le sodium, en quantité allant de 0,01 à 3 moles de base par litre d'eau entrant dans la composition du milieu reactionnel ;
8. la température de réaction se situe dans l'intervalle allant de 50 °C à 150 °C, et elle est maintenue pendant une durée qui va dépendre de la température choisie et peut varier par exemple entre 2 heures en opérant à 100° C et 5 heures en opérant à 80°C.
En ce qui concerne la manière pratique de mettre en oeuvre la réaction d'addition de l'étape (a), on se reportera pour plus de détails au contenu du document précité EP-A 0 044 771.
Dans l'étape (b) du procédé selon l'invention, prise dans sa variante (bi), il s'agit de réaliser :
- une réaction de deacylation du composé céto-ester de formule (IV) consistant à remplacer le groupe mobile COX où X = R^ par un atome d'hydrogène pour obtenir l'ester de formule (V), puis
- une hydrolyse alcaline dudit ester de formule (V), suivie d'une acidification du milieu reactionnel pour déplacer de son sel (formé in situ) l'acide carboxylique souhaité de formule (VI).
Dans l'étape (b) du procédé de l'invention, prise dans sa variante (b' ), il s'agit de réaliser :
- une hydrolyse alcaline des deux groupes ester COOR^ et COOR^ du diester de formule (IV) pour former intermédiairement un composé comportant deux groupes carboxylates alcalins, puis
- la decarboxylation de l'un de ces deux groupes carboxylates alcalins après acidification du milieu reactionnel et la transformation du groupe carboxylate alcalin résiduel en groupe carboxy COOH pour donner l'acide carboxylique souhaité de formule (VI).
Toutes ces réactions peuvent être conduites de manière connue comme indiqué en particulier dans le document Bull. Chem. Soc. Japan, 52 (1), 216-217 (1979) dont le contenu est incorporé ici aussi par référence. Compte tenu de ce qui précède [cf. étape (a), condition opératoire n°2], l'étape
(b) est plus couramment conduite en partant d'un composé de formule (TV) qui se présente sous la forme d'un céto-ester, c'est à dire en mettant en oeuvre la variante (bi). Des rendements molaires excellents en acide carboxylique de formule (VI), par rapport au céto-ester de formule (IV) engagé, qui peuvent atteindre 80 % et même dépasser cette valeur, sont obtenus en réalisant les réactions dans les conditions avantageuses 1 à 7 suivantes qui, de manière préférentielle, seront prises en combinaison:
1. on utilise, pour réaliser la réaction de deacylation, des alcoolates dérivés de métaux alcalins, comme par exemple le sodium et le potassium, et de monoalcools primaires linéaires ou ramifiés ayant de 1 à 5 atomes de carbone, comme par exemple le méthanol et l'éthanol ;
2. on utilise des solutions d'alcoolate dans l'alcool qui lui a donné naissance qui peuvent renfermer jusqu'à 20 moles d'alcool, et plus précisément qui renferment entre 5 et 15 moles d'alcools pour une mole de base alcoolate ; 3. on utilise 1 à 1,5 moles de base alcoolate par mole de céto-ester de départ de formule (IV) ;
4. la réaction de deacylation est effectuée à une température qui correspond généralement à la température d'ébullition de l'alcool engagé, pendant une durée suffisante pour éliminer au fur et à mesure de sa formation in situ le composé R^-CO-G dans la structure duquel le symbole G représente le reste organique de l' alcoolate alcalin mis en
oeuvre (ce reste G représente OCH3 quand l' alcoolate alcalin mis en oeuvre est par exemple CH3θNa) ; cette durée de réaction est par exemple comprise entre 2 heures et 6 heures ;
5. la réaction d'hydrolyse alcaline est réalisée en ajoutant dans le milieu reactionnel, après avoir terminé la réaction de deacylation, c'est à dire après élimination du composé
R6-CO-G, de l'eau en quantité représentant 10 à 30 moles d'eau pour 1 mole de base alcoolate de métal alcalin ;
6. la réaction d'hydrolyse alcaline est effectuée à une température qui correspond généralement à la température de reflux du mélange reactionnel, pendant une durée suffisante pour éliminer par distillation l'alcool présent dans ledit mélange ;
7. on termine la réaction d'hydrolyse en acidifiant le mélange reactionnel aqueux résiduel à un pH de valeur comprise entre environ 1 et environ 3 par addition d'une quantité déterminée d'un mono- ou polyacide minéral fort, oxygéné ou non, comme par exemple les acides chlorhydrique, nitrique et sulmrique. En ce qui concerne la manière pratique de mettre en oeuvre les réactions de deacylation et d'hydrolyse alcaline, on se reportera pour plus de détails au contenu du document précité Bull. Chem. Soc Japan, 51 (1), 216-217 (1979).
Dans l'étape (c) du procédé selon l'invention, on procède à l'addition d'un groupe carboxy COOH sur l'atome de carbone de l'acide carboxylique de formule (VI) qui est porteur du substituant R*. Cette synthèse demande d'apporter globalement 1 mole d'oxyde de carbone CO et une mole d'eau pour chaque mole d'acide carboxylique de formule (VI) à fonctionnaliser.
Un premier mode de synthèse, correspondant à la variante (ci), consiste à utiliser l'acide formique comme véhicule de CO et d'eau et à faire appel à un catalyseur à base d'un acide fort ; pareille réaction est connue dans l'art antérieur, cf. en particulier le document New J. Chem. , 1992, 1£, 521-524 dont le contenu est incorporé ici par référence, mais elle n'a jamais été appliquée à un substrat ayant la structure du composé monoacide carboxylique de formule (VI) en vue d'obtenir le diacide carboxylique de formule (VII).
Un autre mode de synthèse, qui est particulièrement intéressant et correspond à la variante (c'i), consiste à faire réagir directement le gaz CO sous pression en présence du catalyseur à base d'un acide fort ; pareille réaction est aussi connue dans l'art antérieur, cf. en particulier Russian Chemical Reviews, 5£ (2), 117-137 (1989) dont le contenu est
incorporé ici aussi en référence, mais là encore elle n'a jamais été appliquée à un substrat ayant la structure de l'acide carboxylique de formule (VI).
Dans le cas de la variante (c'i), qui est celle la plus couramment mise en oeuvre, des rendements molaires excellents en diacide carboxylique de formule (VII), par rapport au monoacide carboxylique de formule (VI) engagé, qui peuvent atteindre 85 % et même dépasser cette valeur, sont obtenus en réalisant les réactions dans les conditions avantageuses 1 à 7 suivantes qui, de manière préférentielle, seront prises en combinaison:
1. on opère dans un réacteur convenable avec un large excès de CO, c'est à dire une quantité supérieure à 2 moles de CO par mole de composé de départ de formule (VI) à hydroxycarbonyler, le gaz CO étant chargé à la pression désirée allant de 1 MPa à 10 MPa;
2. on opère en veillant à ce que tous les ingrédients qui sont nécessaires soient présents dans le réacteur dès le début de la réaction ; 3. on utilise comme catalyseur un mono-ou polyacide fort, minéral ou organique, oxygéné ou non, dont l'une au moins des fonctions acides (quand il y en a plusieurs) possède une constante d'ionisation dans l'eau, pKa, inférieure ou égale à 3, comme par exemple : parmi les acides minéraux, les acides chlorhydrique, sulfurique, orthophosphorique, pyrophosphorique ; parmi les acides organiques, les acides organosulfoniques (en particulier paratoluènesulfonique, méthanesulfonique, naphtalènesulf unique), les acides organophosphoniques (en particulier les acides monoalkyl- ou monoarylphosphoniques tels que méthylphosphonique ou benzène- phosphonique), les acides forts polycarboxyliques halogènes (tels que les acides dihalogéno- et trihalogéno-, notamment chloro- et fluoroacétique ou propionique). Un acide fort qui convient tout particulièrement bien est l'acide sulfurique ;
4. la réaction d' hydroxycarbonylation est conduite en utilisant, pour chaque mole d'acide carboxylique de départ de formule (VI), 1 à 15 moles d'eau et 10 à 50 ions H+ ;
5. l'eau et l'acide fort qui sont nécessaires à la réaction sont introduits ensemble dans le milieu reactionnel sous forme d'une solution aqueuse concentrée d'acide fort dont la concentration pondérale en acide pur et la quantité sont déterminées de manière à apporter la quantité d'eau et le nombre d'ions H+ qui sont requis ;
6. on utilise une solution aqueuse concentrée d'acide fort dont la concentration pondérale en acide pur se situe dans l'intervalle allant de 90 à 98 % ;
7. la température de réaction se situe dans l'intervalle allant de la température ambiante (20°C) à 100°C et elle est maintenue jusqu'au moment où l'absorption de C0 cesse.
Dans le cas de l'autre variante (ci), les réactions peuvent être conduites dans les conditions avantageuses 1 à 6 suivantes qui, de manière préférentielle, seront prises en combinaison :
1. on opère en coulant l'acide formique (variante ci i) ou un mélange de l'acide formique avec l'acide carboxylique de départ de formule (VI) (variante ci ~) dans le réacteur contenant : dans le cas de la variante (eu), le catalyseur acide fort et l'acide carboxylique de départ de formule (VI) ; ou dans le cas de la variante (ci 2), le catalyseur acide fort seul ;
2. on utilise une quantité d'acide formique, exprimée par le nombre de moles de ce composé rapporté à une mole d'acide carboxylique de formule (VI), qui est comprise entre 1 et 4 moles ;
3. on utilise comme catalyseur un composé répondant à la définition donnée ci-avant au point 3 des conditions dans lesquelles on conduit les réactions de la variante (c' ) ;
4. le catalyseur acide fort est utilisé à l'état pur ou sous forme d'une solution aqueuse concentrée dont la concentration pondérale en acide pur est au moins égale à 95 % ;
5. on utilise une quantité de catalyseur acide fort, exprimée en nombre d'ions H+ par mole d'acide carboxylique de départ de formule (VI), qui est comprise entre 5 et 40 ions H+ ;
6. la température de réaction se situe dans l'intervalle allant de la température ambiante (20°C) à 100°C et elle est maintenue pendant une durée de l'ordre de 3 heures à 6 heures selon la valeur de la température.
En ce qui concerne la manière pratique de mettre en oeuvre les réactions d'hydroxycarbonylations, on pourra se reporter pour plus de détails aux livres de référence en chimie et aussi aux documents précités Russian Chemical Reviews, 53. (2), 117-137 (1989) et New J. Chem., 1992, lé, 521-524.
Dans l'étape (d) du procédé selon l'invention, on procède à la cyclisation du diacide carboxylique de formule (VII) pour obtenir la cyclopentanone de formule (I).
Un premier mode de synthèse, correspondant à la variante (d ), consiste à transformer le diacide en anhydride cyclique par réaction avec un anhydride d'acide carboxylique inférieur qui perd ensuite du CO2 au cours de la réaction sous l'effet de la température ; pareille réaction peut être conduite de manière connue comme indiqué notamment dans les documents, Compt. rend., 142, 1084-1085 (1906) et Compt. rend., 144. 1356-1358 (1907) dont les contenus sont incorporés ici par référence.
Un autre mode de synthèse, qui est particulièrement utilisé ici et correspond à la variante (d'i), consiste à soumettre le diacide à une réaction de pyrolyse en phase liquide ou gazeuse en présence d'un catalyseur particulier, pareille réaction est connue dans l'art antérieur, cf. en particulier Bull. acad. sec. URSS, classe sci. chim., (29-40), 489-493 (1947) et J. Org. Chem., 25., 1841-1844, (1960), mais le catalyseur particulier mis en oeuvre dans le présent mémoire n'y est pas décrit.
Dans le cas de la variante (d'i), des rendements molaires excellents en cyclopentanone souhaité de formule (I), par rapport au diacide carboxylique de formule
(VII) engagé, qui peuvent atteindre 75% et même dépasser cette valeur, sont obtenus en réalisant la réaction de pyrolyse dans les conditions avantageuses 1 à 6 suivantes qui, de manière préférentielle, seront prises en combinaison :
1. la réaction de decarboxylation cyclisante est conduite en phase liquide, c'est à dire en présence d'un solvant reactionnel qui est un solvant (ou un mélange de sovants) organique(s) inerte(s) vis à vis du diacide carboxylique de départ et de la cétone cyclique obtenue, et possédant chacun une température d'ébullition élevée comprise entre 200°C et 500°C . Comme exemples spécifiques de solvants organiques qui conviennent, on citera notamment : les hydrocarbures paraffiniques tels que le décane, le undécane, le dodécane ou le tétradécane ; les hydrocarbures aromatiques tels que les xylènes, le cumène, les coupes pétrolières constituées de mélange d'alkylbenzènes, en particulier les coupes de type Solvesso ; les esters lourds d'acides minéraux tels que le phosphate de tricrésyle ou d'acides carboxyliques tels que le phtalate d'octyle ; les éthers aromatiques tels que l'oxyde de biphényle ou l'oxyde de benz le ; les huiles paraffiniques et/ou naphténiques, résidus de distillation du pétrole ;
2. la concentration du diacide carboxylique de départ de formule (VII) dans la masse reactionnelle, formée du diacide de départ, du catalyseur et du (ou des) solvant(s) organique(s), représente généralement de 10 à 50% du poids de la masse reactionnelle ;
3. on utilise comme catalyseur :
- de type (i), le rubidium, le césium, le vanadium, le molybdène, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le thallium, l'étain, l'antimoine ou le bismuth pris sous forme : d'un métal ou d'un métalloide ; d'un oxyde simple ou double ou d'un hydroxyde simple ou double ; d'un sel minéral simple ou double comme par exemple un nitrate, un sulfate, un oxysulfate, un halogénure, un oxyhalogénure, un silicate, un carbonate ; ou d'un sel organique simple ou double comme par exemple un acétylacétonate, un alcoolate tel que par exemple un méthylate ou un éthylate, un carboxylate tel que par exemple un acétate ou un oxalate . Comme exemples spécifiques de catalyseurs (i) qui conviennent, on citera
notamment les catalyseurs suivants : tétraborate de sodium ou de potassium ; oxyde d'étain; stannate de sodium ou de potassium ; carbonate de bismuth, de césium ou de rubidium, oxyde de molybdène, d'aluminium, d'indium ou d'antimoine ; acétate de thallium ; - de type (2i), un phosphate ou un phosphate condensé, de type pyrophosphate ou polyphosphate, dans la structure duquel le cation est un cation dérivé notamment d'un élément du groupe la (à l'exception du rubidium et du césium), 2a ou 3b de la Classification périodique publiée dans le Bulletin de la Société Chimique de France, n°l (1966) ou bien un cation ammonium . Comme exemples spécifiques de catalyseurs (i) qui conviennent, on citera notamment les catalyseurs suivants : les phosphates, les pyrophosphates, les tripolyphosphates ou les pentapolyphosphate de sodium ou de potassium ;
4. on utilise une quantité de catalyseur, exprimée en nombre d'atome-grammes de cation métallique pour 100 moles d'acide dicarboxylique, qui est comprise entre 0,1 et 30 % et plus précisément entre 5 et 20 % ;
5. la réaction de decarboxylation cyclisante est effectuée à une température comprise entre 200°C et 300°C qui peut être choisie égale à la température de reflux du mélange reactionnelle ;
6. la réaction de decarboxylation cyclisante est effectuée en éliminant par distillation, au fur et à mesure de leur formation, la cétone cyclique, le gaz carbonique et l'eau formés ; en fin de réaction, on récupère la cétone cyclique à partir du distillât, selon les techniques classiques utilisées dans ce domaine technique, notamment par décantation ou par cristallisation.
Les exemples suivants donnés à titre non limitatif illustrent l'invention et montrent comment elle peut être mise en pratique.
EXEMPLE 1
Cet exemple illustre la mise en oeuvre de l'étape (a) du procédé selon l'invention.
Dans un autoclave en acier inoxydable préalablement purgé à l'azote, on introduit dans l'ordre :
- 93,6 mg de [Rh(cyclooctadiène-l,5yle) C1J2, soit 3,8.1G"4 atome-gramme de rhodium élémentaire,
- 1,208 g (ll ,4.10-3 mole) de Na2Cθ3,
- 2,736 g d'une solution aqueuse contenant 30 % en poids du sel de sodium de la tri(sulfophényl)phosphine de formule :
- 80 ml d'eau distillée et dégazée par bullage d'azote,
- 34 g (0,50 mole) d'isoprène fraichement distillé, et
- 71,8 g (0,62 mole) d' acétoacétate de méthyle.
Après fermeture de l'autoclave, on établit une pression de 2.10^ Pa d'azote et on chauffe à 100°C pendant 2 heures sous pression autogène.
Après refroidissement, on transvase le contenu de l'autoclave dans une ampoule à décanter où une phase aqueuse et une phase organique se séparent. La phase aqueuse recueillie contient le catalyseur et la phase orgamque supérieure exempte de catalyseur renferme le produit d'addition souhaité de formule (TV). La phase organique séparée est lavée avec 20 ml d'eau salée. La phase aqueuse est extraite avec 50 ml d'acétate d' éthyle, puis elle est ensuite lavée avec 20 ml d'eau salée. Les phases organiques sont rassemblées, puis séchées sur Na2Sθ4 anhydre. Après filtration de Na2Sθ4, l'acétate d'éthyle est éliminé par évaporation sous pression réduite et le produit brut obtenu est purifié par distillation sous pression réduite (70-72°C ; 3.10^ Pa) pour conduire à 91,14 g d'un liquide incolore qui contient, après analyse par RMN, spectrographie de masse, IR et dosage par chromatographie en phase gazeuse, 99% en poids de céto-ester de formule :
CH -
ce qui correspond à un rendement molaire de 98 %, par rapport à l'isoprène engagé.
EXEMPLE 2
Cet exemple illustre la mise en oeuvre de l'étape (b) du procédé selon l'invention.
Dans un ballon tricol de 1 litre, purgé préalablement à l'argon, équipé d'une agitation mécanique, d'un thermomètre, d'une ampoule de coulée de 250 ml et d'une colonne à distiller, on coule 6OO ml de méthanol anhydre.
On introduit ensuite dans le ballon 27,6 g (1,20 mole) de sodium, découpé en fines lamelles, en opérant de manière progressive. Lorsque tout le sodium a réagi, on coule en environ 10 minutes 179,2 g (0,974 mole) du céto-ester préparé comme indiqué à l'exemple 1, et la solution ainsi obtenue est portée à l'ébullition. L'acétate de méthyle formé in situ est distillé au fur et à mesure de sa formation, ainsi qu'une partie du méthanol présent dans le milieu reactionnel. Cette opération de distillation demande 3 heures de chauffage.
Au bout de ce temps, on ajoute progressivement 400 ml d'eau distillée tout en continuant l'opération de distillation en vue d'éliminer maintenant le méthanol restant dans le milieu reactionnel.
Lorsque tout le méthanol est éliminé, la masse reactionnelle résiduelle est refroidie et lavée avec 100 ml de cyclohexane. La phase aqueuse décantée est ensuite acidifiée à pH 2 à l'aide d'H2S04.
L'acide carboxylique attendu de formule (VI) décante spontanément. La phase aqueuse est extraite deux fois de suite avec chaque fois 100 ml de CH2CI2. Les phases organiques sont rassemblées et séchées sur Na2Sθ4 anhydre. Après filtration de Na2S04, le CH2CI2 est éliminé par évaporation sous pression réduite et le produit brut obtenu est purifié par distillation sous pression réduite (70-74 °C ; 3.10^ Pa) pour conduire à 108,3 g d'un liquide incolore qui contient, après analyse par RMN, IR et dosage par chromatographie en phase vapeur, 95 % en poids d'acide carboxylique de formule :
ce qui correspond à un rendement molaire de 82,5 % , par rapport au céto-ester engagé.
EXEMPLE 3
Cet exemple illustre la mise en oeuvre de l'étape (c) du procédé selon l'invention.
Dans un ballon tricol de 250 ml, équipé d'une agitation mécanique, d'un thermomètre et d'une ampoule de coulée de 50 ml, on charge 358,7 g d'une solution
aqueuse concentrée d'acide sulfurique contenant 95 % en poids d'acide pur (soit 6,95 ions H+ et 0,997 mole d'eau).
On coule ensuite lentement 32 g (0,25 mole) de l'acide carboxylique préparé comme indiqué dans l'exemple 2, en opérant sous agitation et en maintenant la température à une valeur de l'ordre de 5°C. La solution ainsi obtenue est transvasée ensuite dans un autoclave comportant intérieurement une chemise en tantale et cet autoclave est agité à température ambiante (20°C) sous une pression de CO de 5 MPa.
Après 23 heures de contact avec CO, la masse reactionnelle est coulée lentement sur 500 ml d'eau maintenue vers 10°C. Il précipite un solide qui est isolé par filtration, puis lavé avec 50 ml d'eau froide. Après séchage, on obtient 39,2 g d'un solide blanc qui contient, après analyse par RMN, IR et dosage par chromatoghraphie CLHP, 92,5 % en poids du diacide carboxylique de formule :
Le filtrat résiduel est dilué avec 1 litre d'eau et maintenu 12 heures à 4°C : cela permet d'isoler 3,17 g supplémentaires du diacide carboxylique souhaité pris à l'état pur.
Globalement, le rendement molaire en diacide carboxylique, par rapport au monoacide carboxylique engagé, s'établit à 90,8 % .
EXEMPLE 4
Cet exemple illustre la mise en oeuvre de l'étape (d) du procédé selon l'invention.
Dans un ballon tricol de 50 ml, équipé d'un système de chauffage, d'une agitation mécanique, d'une colonne à distiller de type Vigreux et d'un récepteur refroidi par de la glace carbonique, on charge : 18,6 g de diphényléther (solvant), 5 g (28,7.10-3 mole) de l'acide 2,2-diméthyladipique préparé comme indiqué dans l'exemple 3, et 1,056 g de tétraborate de sodium de formule Na2B4θ7, IOH2O (soit 5,6.10'3 atome-gramme de cation sodium) . En opérant sous agitation, on chauffe la masse reactionnelle en 15 minutes jusqu'à atteindre la température de reflux du solvant mis en oeuvre, qui est égale à 250°C . On maintiend ensuite la température à 250°C tout en distillant, jusqu'à épuisement, la cétone cyclique formée dans le récepteur refroidi par de la glace carbonique ; la durée de l'opération est de 1 heure 35 minutes .
On recueille 6,357 g de distillât qui renferme la cétone cyclique forméede formule:
de l'eau et du diphényléther . L'eau est absorbée sur du sulfate disodique anhydre .
Après filtration et rinçage avec CH2CI2, le distillât est complété à 100 ml avec du
CH2CI2 et la diméthylcyclopentanone est dosée dans cette solution par chromatographie en phase gazeuse avec usage d'un étalon interne . Quant au culot de distillation, il est additionné de 20 ml de dichlorométhane et extrait par 2 fois 20 .ml d'un mélange d'eau et d'hydroxyde de sodium (60/40 en volume) ; on dose l'acide diméthyladipique non transformé, qui est contenu dans la phase aqueuse, par chromatographie CLHP . Les résultats obtenus sont les suivants : - rendement molaire en diméthylcyclopentanone, dosée par CPG, par rapport au diacide carboxylique engagé : 80% ,
- taux molaire de transformation du diacide carboxylique engagé : 87%,
- rendement molaire en diméthylcyclopentanone, par rapport au diacide carboxylique transformé : 92% .
Claims
REVENDICATIONS
1) Procédé de préparation de cyclopentanone mono- ou di-substituée en position 2 de formule :
dans laquelle le symbole R représente : un atome d'hydrogène ; un radical alkyle ou alkoxy linéaire ou ramifié ayant de 1 à 4 atomes de carbone ; un radical de formule (R^)p-- phényl~(-CR R4-)π~ où R^ est un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 3 atomes de carbone, R3 et R4, qui peuvent être identiques ou différents, représentent chacun un atome d'hydrogène ou un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 3 atomes de carbone et p et q sont des nombres entiers, qui peuvent être identiques ou différents, allant de 0 à 3 ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser successivement les 4 étapes (a) à (d) suivantes qui peuvent être enchaînées au besoin dans le même réacteur :
- étape (a) qui consiste: * (ai) à soumettre du 1,3-butadiène, évenmellement substitué en position
2, de formule :
R
dans laquelle le symbole R* a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), à l'action d'un composé ayant un groupe méthylène actif de formule :
O O
(III)
dans laquelle le symbole X représente le radical R^ ou OR^, les symboles R^ et R^, qui peuvent être identiques ou différents, représentant chacun un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 6 atomes de carbone, cette réaction étant conduite en milieu aqueux et en présence d'un catalyseur constitué d'une part par au moins une phosphine soluble dans l'eau et d'autre part par au moins un composé du rhodium, pour produire un produit de réaction de formule :
dans laquelle les symboles R*, R^ et X ont les significations données ci-avant à propos des formules (I) et (III),
* puis (a2) à isoler le produit de réaction de formule (IV) qui est en phase organique en séparant cette dernière de la phase aqueuse contenant le catalyseur par décantation, et évenmellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable et/ou par distillation ;
- étape (b) qui consiste à mettre en oeuvre le produit de réaction de formule (IV), pris sous forme du produit brut obtenu en phase organique à l'issue du stade (a2) précité ou sous forme de produit pur, et : * (bi), dans le cas où l'on engage un composé de formule (IV) dans laquelle le symbole X représente le radical R^, à soumettre ce composé :
(bi i) à une réaction de deacylation par traitement connu en soi à l'aide d'une solution d'un alcoolate de métal alcalin dans l'alcool qui lui a donné naissance, pour obtenir un produit de réaction de formule :
R
-C O O R- (V)
dans laquelle les symboles R et R ont les significations données ci-avant à propos de la formule (TV),
(bi 2) cette réaction étant suivie par une réaction d'hydrolyse alcaline du groupe ester COOR^, puis par une réaction d'acidification, ces réactions étant conduites de manière connue en soi, en opérant dans le même milieu reactionnel, pour obtenir un produit de formule :
dans laquelle le symbole Ri a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), * (b' ), dans le cas où l'on engage un composé de formule (IV) dans laquelle le symbole X représente le radical OR^, à soumettre ce composé :
(b' i.l) à une réaction d'hydrolyse alcaline des groupes esters COOR5 et COOR6,
(b'i 2) cette réaction étant suivie d'une réaction de decarboxylation thermique de l'un des groupes carboxylate formés, puis par une réaction d'acidification, ces réactions étant conduites de manière connue en soi, en opérant dans le même milieu reactionnel, pour obtenir un produit de formule :
R
C O O H (VI)
dans laquelle le symbole Ri a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I),
* puis (b-) à isoler le produit de réaction, le monoacide carboxylique de formule (VI), qui est en phase aqueuse en séparant cette dernière de la phase organique présente, et évenmellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable ;
- étape (c) qui consiste à mettre en oeuvre l'acide de formule (VI), pris sous forme du produit brut obtenu en phase aqueuse à l'issue du stade (b~) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (ci) à soumettre ce composé, selon une première possibilité, à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant l'acide formique comme véhicule de CO et
d'eau, et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir un produit de réaction de formule :
dans laquelle le symbole Ri a les significations données ci-avant à propos de la formule d),
* (c' ) à soumettre ce composé, selon une seconde possibilité, à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant directement du gaz CO sous une pression de CO allant de 1 MPa à 10 MPa, de l'eau et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir un produit de réaction de formule :
R 1
H O O C >^^\ C H 2 /C O O H (VU)
dans laquelle le symbole R a les significations données ci-avant à propos de la formule
(D,
* puis (C2) à isoler le produit de réaction, le diacide carboxylique de formule (Vu), en faisant précipiter ce composé par addition d'eau dans le milieu reactionnel, et éventuellement en soumettant ensuite le diacide à une purification par recristallisation ;
- étape (d) qui consiste à mettre en oeuvre le diacide carboxylique de formule (Vu), pris sous forme du produit brut obtenu après précipitation à l'issue du stade (C2) précité ou sous forme de produit pur, et : * (di) à soumettre ce composé à une réaction de decarboxylation cyclisante conduite, selon une première possibilité, en transformant le diacide en anhydride cyclique par réaction avec un anhydride d'acide carboxylique inférieur qui perd ensuite du CO2 au cours de la réaction, pour obtenir la cyclopentanone souhaitée de formule (I),
* (d' i) à soumettre ce composé à une réaction de decarboxylation cyclisante conduite, selon une seconde possibilité, en pyrolysant en phase liquide ou gazeuse le diacide en présence d'un catalyseur à base :
(i) d'un métal ou d'un métalloide ou d'un dérivé de cet élément choisi parmi : Rb, Cs, V, Mo, B, Al, Ga, In, Tl, Sn, Sb, Bi, ou
(2i) d'un dérivé de l'acide phosphorique, l'acide étant condensé ou non, dont les protons sont substitués par un cation métallique autre que les espèces métal ou métalloide citées sous (i) ou par un cation ammonium, pour obtenir la cyclopentanone souhaitée de formule (I), * puis (d2) à isoler le produit de réaction par une méthode appropriée .
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser successivement les 4 étapes (a) à (d) suivantes qui peuvent être enchaînées au besoin dans le même réacteur :
- étape (a) qui consiste:
* (ai) à soumettre du 1,3 -butadiène, évenmellement substitué en position 2, de formule :
R
(II)
dans laquelle le symbole R a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), à l'action d'un composé ayant un groupe méthylène actif de formule :
dans laquelle le symbole X représente le radical R^, les symboles R^ et R6, qui peuvent être identiques ou différents, représentant chacun un radical alkyle linéaire ou ramifié ayant de 1 à 6 atomes de carbone, cette réaction étant conduite en milieu aqueux et en présence d'un catalyseur constitué d'une part par au moins une phosphine soluble dans l'eau et d'autre part par au moins un composé du rhodium, pour produire un produit de réaction de formule :
dans laquelle les symboles R*, R5 et X ont les significations données ci-avant à propos des formules (I) et (III), * puis (a2) à isoler le produit de réaction de formule (TV) qui est en phase organique en séparant cette dernière de la phase aqueuse contenant le catalyseur par décantation, et évenmellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable et/ou par distillation ;
- étape (b) qui consiste à mettre en oeuvre le produit de réaction de formule (IV), pris sous forme du produit brut obtenu en phase organique à l'issue du stade (a2) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (b ) à soumettre ce composé :
(b i) à une réaction de deacylation par traitement connu en soi à l'aide d'une solution d'un alcoolate de métal alcalin dans l'alcool qui lui a donné naissance, pour obtenir un produit de réaction de formule :
R 1
^C O O R5
C H . (V)
dans laquelle les symboles R et R5 ont les significations données ci-avant à propos de la formule (IV),
(bi 2 cette réaction étant suivie par une réaction d'hydrolyse alcaline du groupe ester COOR5, puis par une réaction d'acidification, ces réactions étant conduites de manière connue en soi, en opérant dans le même milieu reactionnel, pour obtenir un produit de formule :
R 1
C O O H
C H - (VI)
dans laquelle le symbole R a la signification donnée ci-avant à propos de la formule (I), * puis (b-) à isoler le produit de réaction, le monoacide carboxylique de formule (VI), qui est en phase aqueuse en séparant cette dernière de la phase organique présente, et éventuellement en soumettant ensuite le produit de réaction à une purification par extraction à l'aide d'un solvant convenable ;
- étape (c) qui consiste à mettre en oeuvre l'acide de formule (VI), pris sous forme du produit brut obtenu en phase aqueuse à l'issue du stade ( >-) précité ou sous forme de produit pur, et : * (c'i) à soumettre ce composé à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant directement du gaz CO sous une pression de CO allant de 1 MPa à 10 MPa, de l'eau et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir un produit de réaction de formule :
dans laquelle le symbole R a les significations données ci-avant à propos de la formule
(D,
* puis (C2) à isoler le produit de réaction, le diacide carboxylique de formule (VII), en faisant précipiter ce composé par addition d'eau dans le milieu reactionnel, et évenmellement en soumettant ensuite le diacide à une purification par recristallisation ;
- étape (d) qui consiste à mettre en oeuvre le diacide carboxylique de formule (Vu), pris sous forme du produit brut obtenu après précipitation à l'issue du stade (C2) précité ou sous forme de produit pur, et :
* (d' i) à soumettre ce composé à une réaction de decarboxylation cyclisante conduite en pyrolysant en phase liquide ou gazeuse le diacide en présence d'un catalyseur à base : (i) d'un métal ou d'un métalloide ou d'un dérivé de cet élément choisi parmi : Rb, Cs, V, Mo, B, Al, Ga, In, Tl. Sn, Sb, Bi, ou
(2i) d'un dérivé de l'acide phosphorique, l'acide étant condensé ou non, dont les protons sont substitués par un cation métallique autre que les espèces métal ou métalloide citées sous (i) ou par un cation ammonium, pour obtenir la cyclopentanone souhaitée de formule (I), * puis (d2) à isoler le produit de réaction par une méthode appropriée .
3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le symbole R correspond au radical méthyle, tandis que les symboles R5 et R6, identiques ou différents, correspondent aux radicaux méthyle et éthyle.
4) Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que dans l'étape (a) on utilise 1 à 1,5 moles de composé à groupement méthylène actif de formule (III) par mole de butadiène, éventuellement substitué, de formule (II) .
5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que dans l'étape (a) on utilise, comme phosphine soluble, un composé pris dans le groupe formé par les sels de sodium, de potassium, de calcium, de baryum, d'ammonium , de tetraméthylammonium et de tétraéthylammonium des (sulfophényl)diphénylphosphine, di(sulfophényl)phénylphosphine et tri(sulfophényl)phosphine .
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que dans l'étape (a) on utilise, comme composé du rhodium, un composé soluble dans l'eau pris dans le groupe formé par : l'oxyde de rhodium RI12O3 ; le chlorure de rhodium RI1CI3 ; le bromure de rhodium RhBr3 ; le sulfate de rhodium R1_2(S04)3 ; le nitrate de rhodium Rh(N03)3 ; l'acétate de rhodium Rh(CH3C02)3 ; le rhodium tétracarbonyle
[Rh(CO)4J2 ; l'acétylacétonate de rhodium trivalent ; le chlorure de rhodium cyclooctadien-l,5yle [Rh(CgHi2)Cl]2 ; le chlorure de rhodium-dicarbonyle [Rh(CO)2Cl]2 .
7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que dans l'étape (a) on utilise une quantité de composé du rhodium, exprimée par le nombre d'atome-grammes de rhodium élémentaire pour 100 moles de butadiène, qui est comprise entre 0,02 et 20 .
8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que dans l'étape (a) on utilise une quantité de phosphine, exprimée par le nombre de moles de ce composé rapporté à un atome-gramme de rhodium élémentaire, qui est comprise entre 1 et 10 .
9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que dans l'étape (a) la tempéramre de réaction se situe dans l'intervalle allant de 50°C à 150°C .
10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que dans l'étape (b) on utilise, pour réaliser la réaction de deacylation, des alcoolates dérivés de métaux alcalins et de monoalcools primaires linéaires ou ramifiés ayant de 1 à 5 atomes de carbone .
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que dans l'étape (b) on utilise, pour réaliser la réaction de deacylation, 1 à 1,5 moles de base alcoolate par mole de céto-ester de départ de formule (IV) .
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que dans l'étape (b) la réaction de deacylation est effectuée à une tempéramre qui correspond à la tempéramre d'ébullition de l'alcool engagé, pendant une durée suffisante pour éliminer au fur et à mesure de sa formation in situ le composé R^-CO-G dans la structure duquel le symbole G représente le reste organique de l' alcoolate alcalin mis en oeuvre .
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que dans l'étape (b) la réaction d'hydrolyse alcaline est réalisée en ajoutant dans le milieu reactionnel, après avoir terminé la réaction de deacylation, de l'eau en quantité représentant 10 à 30 moles d'eau pour 1 mole de base alcoolate de métal alcalin .
14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que dans l'étape (b) la réaction d'hydrolyse alcaline est effectuée à une tempéramre qui correspond à la tempéramre de reflux du mélange reactionnel .
15) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, caractérisé en ce que dans l'étape (c) on utilise comme catalyseur un mono-ou polyacide fort, minéral ou organique,
oxygéné ou non, dont l'une au moins des fonctions acides (quand il y en a plusieurs) possède une constante d'ionisation dans l'eau, pKa, inférieure ou égale à 3 .
16) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que dans l'étape (c) la réaction d' hydroxycarbonylation est conduite en utilisant, pour chaque mole d'acide carboxylique de départ de formule (VI), 1 à 15 moles d'eau et 10 à 50 ions H+ .
17) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 16, caractérisé en ce que dans l'étape (c) l'eau et l'acide fort qui sont nécessaires à la réaction d' hydroxycarbonylation sont introduits ensemble dans le milieu reactionnel sous forme d'une solution aqueuse concentrée d'acide fort dont la concentration pondérale en acide pur et la quantité sont déterminées de manière à apporter la quantité d'eau et le nombre d'ions H+ qui sont requis .
18) Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'on utilise une solution aqueuse concentrée d'acide fort dont la concentration pondérale en acide pur se sime dans l'intervalle allant de 90 à 98 % .
19) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 18, caractérisé en ce que dans l'étape (c) la température de la réaction d' hydroxycarbonylation se sime dans l'intervalle allant de la température ambiante (20 °C) à 100°C .
20) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 19, caractérisé en ce que dans l'étape (d) la réaction de decarboxylation cyclisante est conduite en phase liquide, c'est à dire en présence d'un solvant reactionnel qui est un solvant ou un mélange de sovants organique(s) inerte(s) vis à vis du diacide carboxylique de départ et de la cétone cyclique obtenue, et possédant chacun une tempéramre d'ébullition élevée comprise entre 200 °C et 500°C .
21) Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le solvant reactionnel est choisi dans le groupe formé par : les hydrocarbures paraffiniques tels que le décane, le undécane, le dodécane ou le tétradécane ; les hydrocarbures aromatiques tels que les xylènes, le cumène, les coupes pétrolières constituées de mélange d'alkylbenzènes ; les esters lourds d'acides minéraux tels que le phosphate de tricrésyle ou d'acides carboxy liques tels que le phtalate d'octyle ; les éthers aromatiques tels que l'oxyde de
biphényle ou l'oxyde de benzyle ; les huiles paraffiniques et/ou naphténiques, résidus de distillation du pétrole .
22) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 21, caractérisé en ce que dans l'étape (d) la concentration du diacide carboxylique de départ de formule (VII) dans la masse reactionnelle, formée du diacide de départ, du catalyseur et du (ou des) solvant(s) organique(s), représente de 10 à 50% du poids de la masse reactionnelle .
23) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 22, caractérisé en ce que dans l'étape (d) on utilise comme catalyseur :
- de type (i), le rubidium, le césium, le vanadium, le molybdène, le bore, l'aluminium, le gallium, l'indium, le thallium, l'étain, l'antimoine ou le bismuth pris sous forme : d'un métal ou d'un métalloide ; d'un oxyde simple ou double ou d'un hydroxyde simple ou double ; d'un sel minéral simple ou double comme un nitrate, un sulfate, un oxy sulfate, un halogenure, un oxyhalogenure, un silicate, un carbonate ; ou d'un sel organique simple ou double comme un acétylacétonate, un alcoolate, un carboxylate ;
- de type (2i), un phosphate ou un phosphate condensé, de type pyrophosphate ou polyphosphate, dans la structure duquel le cation est un cation dérivé d'un élément du groupe la (à l'exception du rubidium et du césium), 2a ou 3b de la Classification périodique publiée dans le Bulletin de la Société Chimique de France, n°l (1966) ou bien un cation ammonium .
24) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 23, caractérisé en ce que dans l'étape (d) on utilise une quantité de catalyseur, exprimée en nombre d'atome-grammes de cation métallique pour 100 moles d'acide dicarboxylique, qui est comprise entre 0,1 et 30 % .
25) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 24, caractérisé en ce que dans l'étape (d) la réaction de decarboxylation cyclisante est effectuée : - à une tempéramre, comprise entre 200 °C et 300 °C, égale à la tempéramre de reflux du mélange reactionnelle,
- en éliminant par distillation, au fur et à mesure de leur formation, la cétone cyclique, le gaz carbonique et l'eau formés .
26) Procédé pour la préparation d'un diacide carboxylique de formule :
dans laquelle le symbole R a la signification donnée ci-avant, dans la revendication 1 ou 3, à propos de la formule (I), caractérisé en ce qu'il consiste :
* à soumettre un monoacide carboxylique de formule :
dans laquelle le symbole Ri a la signification donnée ci-avant, à une réaction d' hydroxycarbonylation en utilisant directement du gaz CO sous une pression de CO allant de 1 MPa à 10 MPa, de l'eau et un catalyseur à base d'un acide fort minéral ou organique, pour obtenir le produit de réaction de formule (Vu) ;
* puis à isoler le produit de réaction de formule (VII), en faisant précipiter ce composé par addition d'eau dans le milieu reactionnel, et éventuellement en soumettant ensuite le diacide à une purification par recristallisation .
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