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La présente invention se réfere a un perfectionnement dans le procédé de préparation des dérivés de la'phtaléine ,et de la fluorescéine, dont la molécule comporte'deux groupes
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situés au voisinage des groupes hydroxyles de la fonction phénol: .
Leur.formule générale peut être représentée schématiquement comme suit :
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i'olMulcL da:tb lcrLi1#elles Il reprcsenije 1(; groupe -i i.:iâ (Cir CGv!i) 2 et X .L'-,;Pl'Ú:::;o.lLe un groupe Co ou 80;, l'un et l'autre des noyaux phéuolés pouvant ëbrc substitués par un bu deux groupes al.,.ylés ou pt.r un ou plusieurs abomeb d'halogène; dans le cas de 1 :C11101'eDCéIuc, les c-itb noyaux phénoliciues sont égale- ment liés entre eU), par un pont par l'oxygène inc.iqué par des pointilles dans les formules. La formule I indique la structure probable a l'état solide, la formule II, la structure en solution aqueuse OU' encore sous forme ionisée.
Cette classe de composés comprend notamment la phénol-
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phtaléine-, l'o-crésolphtaléine; la m-crésolphtaléine,.la thymol-phtaléine, la fluorescéine, la phénoisulfonephtaléine, la diochloro-phénolphtaléine, la ùibromophénolDhtaléine, la x;ylénolphtaléine la dichloxophénolsulfonephtalc:ine, le aib^üopnénol-su7.:E'one-phtaléine la thymo-s111i'onephtaléine, la xJléno7.sul1'on-phtaléine ainsi que des dérivés similaires au genre bis--IIId.i/carboxJin.éthyle9 -aminométhyle qui, cians ce qui suit seront désignés sommairement par "dérivés bis".
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Certains de ces composés ont aéja été préparés par conaeivs.tion des colorants ae la phtaléine correspondants avec de l'acide imino-diacétique et dé la foaldchyde en milieu alcalin : voir, par exemple, le brevet U..S.A. 'n 2.?;5.?20 et les brevets suisses correspondants n 292.453, 26.18- et 298.194. Pour les dérivés de la fluorescéine, consulter
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'Dihl et Eliincboe, Anal. Chem. 28,U;32,1956.
Tous les composés de cette catégorie sont des indicateurs acide-base importants qui, par leur changement de co-
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. location, indiquer une variation ae concentration ae cer- taines cations en milieu aqueux.
Les indicateurs connus a ce jour ne peuvent, par contre, être utilisés qu'en solution alcaline.
Des recherches très approfondies ont permis de démon-
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trer que lesproduits préparés par la condensation alcaline, selon les procédés connus, de la crésolphtaléine; de la phénolphtaléine, et de la fluorescéine avec l'acide-iminodiacétique et de la formaldéhyde sont souillés par des sous-. produits indésirés, ce'qui les rendent nuisibles en chimie analytique. Ces sous-produits consistent en :
1 - Du colorant phtaléinique utilisé comme matière de départ et qui n'a pas réagi.
2 - Des dérivés mono-N,N-di(carboxyméthyle)-aminométhy- le désignés sommairement par "mono-dérivés".
3 - Des produits de condensation lourde de la phtaléine de départ avec la formaldéhyde seule, c'est-a-dire des composés de poids moléculaire plus élevés, dans.lesquels plusieurs molécules de la phtaléine de départ sont reliées/entre elles par des-ponts méthylènes.
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40 - Différents .àérivés. dµ-(carboxyméthyie)-aminométhyies 'des produits de condensation mentionnés sous 3.
Les dits sous-prodùits ne se laissent pas éliminer aisé- '.ment par les méthodes connues, vu que leur solubilité est très voisine de celle que possèdent les produits finaux que l'on désire obtenir en fin d'opération. Certains de ces sous-pro- duits sont même moins solubles. que les produits désirés, si bien qu'ils précipitent en grande quantité par les acides au cours du procédé de séparation.
Le procédé de condensation alcaline ne peut ainsi être appliqué d'une maière générale, si par exemple, on fait l'u- sage de.la xylénolsulfone phtaléine ou de. la thymolsulfone- phtaléine comme matière de départ, les produits de la réaction consistent presque entièrement en ces sous-produits,.désignés par "ballast". De plus, les dérivés de la sulfonephtaléine ne se laissent purifier en aucune façon par des méthodes connues.
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L'un des objets de la présente invention consiste en un procédé nouveau permettant d'obtenir la condensation de phénol- phtaléines avec 1.'acide imino di-acétique et la i'ormaldéhyde en opérant en milieu acide en présence de cations d'un métal - alcalin ou d'ammonium, a la conaentration voulue pour que les phtaléines et l'acide imino di-acétique déviennent au moins partiellement solubles dans le milieu, qui reste fortement acide.
Une autre caractéristique de l'invention consiste en la préparation de certains dérivés nouveaux de cette catégorie de composés, qu'il est absoluement impossible d'obtenir par la méthode de la condensation alcaline, mais qui s'obtiennent facilement par la méthode sus-mentionnée.
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Le procédé iormant l'objet de la présente invention con- siste a condenser des dérivés de la phtaléine avec de la for- ' maldéhyde et de l'acide imino-diacétique, en opérant dans une. solutio'un, acide carboxilique appartenant au premier terme de la série aliphatique, à une température plus élevée et en présence de cations d'un métal aclain ou d'ammonium,' ce qui est nécessaire pour la mise en solution - au moins partielle- ment - de l'un au moins des deux composés, réagissant l'un et l'autre en milieu acide, a savoir, soit la phtaléine.soit l'acide imino aiacétique, puis à isoler les produits obtenus.
Le procédé de séparation le plus indiqué en accord avec le procédé décrit, consiste a concentrer le mélange réactionnel par évaporation, puis a précipiter les produits en se servant . de solvants a faible polarité, notamment de termes inférieurs -de la série'des alcools aliphatiques, puis a répéter le procédé, si l'on veut, par des dissolutions successives dans l'eau au précipité obtenu suivi de re-précipitations au moyen de solvants de faible polarité,
Les cations nécessaires peuvent être ajoutés par exem- ple, sous la forme de sels d'un métal alcalin ou d'ammonium,
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d'acides carboxyliques de la série aliphatique (,,termes infé- rieurs),
par exemple ceux utilisés cornue solvants ou comme composants.de la réaction, ou encore par tout autre acide approprié. C'est ainsi qu'il est possible d'utiliser les sels correspondants a 1'acide imino-di-acétique au lieu de l'acide libre lui-même. On a trouvé qu'il était possible d'ajouter ces cations en quantités telles que les groupes acides les plus forts présents dans le milieu se trouvent neutralisés- par exemple, les groupes - SO3H ou un des groupes carboxyliques du composé de l'acide imino di-acétique - tout en maintenant la forte réaction acide du milieu.
Même si la quantité de cations ajoutés est telle qae les composants mis en oeuvre . ne deviennent que partiellement solubles, l'équilibre se re- nouvelle rapidement, la condensation se fait dans un délai fort court et les produits obtenus sont pratiquement exempts de ces sous-produits 'indésirables à poids moléculaire élevé.
La séparation des produits désirés est donc facile et les ren- dements obtenus remarquablement élevés.
Le procédé de séparation ci-dessus mentionné, consis- tant a précipiter le produit aU.moyen d'un solvant de faible polarité, tel que l'éthanol, n'est possible que lorsq,u'on 'applique le procédé de la condensation en milieu acide carac'- téristique de la présente invention. Les sels des dérivés "bis" désirés précipitent car ils ont deux ou trois groupes acides dans leur molécule qui sont neutralisés par des cations d'un métal alcalin ou cation ammonium.
Cependant, les sels de mono-dérivés, qui ne se forment qu'en faible proportion, ainsi que les sels des composés mis en oeuvre ayant échappé à la réaction, sont nettement plus solubles et restent dissous dans les eaux-mères, Les sels des dérivés "bis" attendus peuvent être obtenus a l'état entièrement pur et avec de très bons rendements) par une recristallisation ultérieure du précipité, ceci par
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précipitation d'une solution eau-alcool aliphatique, a petit
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nombre \ d'a '4ome f'éle carbone, (:..>,0.11 . t un pH approprié obtenu, par exemple, par addition d'acétate de sodium ou d'un mélange acé- tate de sodium et acide acétique libre.
Une telle reciistallisation n'entraîne pratiquement aucune perte en dérivas "bis".
La méthode de séparation ci-dessus décrite ne peut être utilisée en liaison avec le procédé connu de condensation al- caline, a.u cours duquel tous les groupes acides sont sous forme de sels. Ces sels diffèrent très peu, au point de vue solubi- lité des sels des sous-produits et des composés de départ n'ayant pas réagi.
Un avantage très important de la condensation acide réside dans l'absence de produits de condensation de poids moléculaire plus élevé, formés par des dérivés de la phtaléine avec la formaldéhyde, ceux-ci, au contraire, se forment en quantité considérable lors de la condensation alcaline connue.
Des travaux de recherches plus poussés ont montré que .les dérivés "bis" purs, obtenus aisément par ce procédé sont généralement utilisés comme indicateurs avec des changements de couleur nets en rapport avec le changement de concentration des ions métalliques.
Ces dérivés "bis" sont les seuls à fournir des struc- tures à résonance symétrique, avec forte intensité de colora- tion et maximum de teintes fondées. Il suffit de très faibles quantités de colorant phtaléinique mis en oeuvre et ayant Echappé ..la réaction pour provoquer des anomalies, on voit apparaître prématurément la teinte attendue ou encore, dans
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le cas.de dérivés de la f'lu0resCéine, on observe une flucrescen- ce résiduelle au cours des changements du pH de la solution.
Des'anomalies analogues sont produites par la présence de produits de condensation de poids moléculaires élevés du
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enre signal6 ci-dessus. Les changements de coloration sont alors excessivement longs et inexacts, si bien que la réaction avec des ions métalliques ne peut être établie avec certitude. C'est ainsi que, par exemple, lors d'un titrage complexométrique de terres alcalines avec un dérivé "bis" de l'o-crésolphtaléine, obtenu par la méthode connue de condensation.en milieu alcalin, on voit apparaître un passage du violet foncé au violet clair au point d'équivalence, alors que, avec le produit correspondant obtenu par condensation en milieu acide selon l'invention, il se produit un passage absolument net du violet foncé à l'état incolore.
De même dans le cas du
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dérivé "bis"de la sulfonephtaléixe obtenue par 'condensation en milieu alcalin, l'apparition prématurée d'une coloration rouge à mesure de la diminution de la valeur pH, perturbe le changement de coloration exact. A l'opposé, ce phénomène ne se produit pas lorsque le même indicateur a été préparé par condensation en milieu acide, selon 1.'invention.
Il en est de même 'pour toutes les autres impuretés signalées qui influencent défavorablement la teinte de la coloration.
Un dérivé "bis" de la fluorescéine préparé selon le présent procédé, possède des propriétés analytiques nettement différentes lorsqu'on le compare avec le dérivé obtenu avec la même matière de départ, mais préparé par le procédé connu de la condensation en milieu alcalin. Ce dernier est décrit comme étant'un indicateur réagissant aux changements de concentration d'ions métalliques par un passage de la coloration du brun au vert. Au contraire, le dérivé préparé par la condensation acide est doué de fluorescence vis a vis des métaux probablement a cause de son extrême pureté. Cette circonstance offre à son. emploi des perspectives entièrement nouvelles.
Le grand avantage des indicateurs préparés selon le
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nouveau procédé réside dans la constance parfaite de leurs caractéristiques analytiques. Tous les dérivés similaires connus a ce jour contiennent des quantités diverses d'impu- retés si bien que leurs propriétés varient d'un lot a un autre.
Parmi les substances nouvelles que seul le procédé nouveau ae l'invention a été en état de fournir, il s'en trouve qui possèaent des propriétés nouvelles, utiles et assez inattendues. C'est ainsi, par exemple, que le dérivé. "bis" de la thymolphtaléine fournit une coloration bleue en présence d'ions Mn, Mg, Ca, sr et Ba; lors d'un titrage complexométrique, les solutions des ions sont décolorés. La zone utile de l'indicateur se trouve ainsi déplacée vers des valeurs de fil plus élevées, par comparaison avec les dérivés "bis" de l'o-crésolphtaléine et de la phénolphtaléine, circonstance particulièrement importante pour l'évaluation complexométri- que du strontium et du barium.
Les dérivés "bis"de la phénol-sulfone phtaléine, de la di-chloro et de la di-bromo-phénol sulfone phtaléine de l'o - et de la m-crésoisulfone phtaléine présentent des changements de coloration caractéristiques, en milieu acide, avec des ions de Zr, Bi, Th, Sc, La et autres éléments du groupe des terres rares avec des ions, Fe, Al, Zn, Pb, Cu, Mi, Co, Hg,
Cd, Mn et autres ions.
La thymolsulfonephtaléine et la xylénolsulfonephtaléine, présentent en plus des réactions citées en milieu acide, des changements de coloration carac- téristiques en milieu alcalin par exemple, avec des ions de Zn, Pb, Cd, Cu, Mi, Co, Mn, Mg, Ca, Sr et Ba ; ceci est rendu possible par l'existence - assez inattendue - d'un changement d'allure favorable des propriétés de coloration acido- basique de ces dérivés "bis" en comparaison avec les compo- sés de départ, c'est-a-dire la tymolsulfonephtaléine et la xylenolsulfonephtaléine. L'un cornme l'autre de ces types
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de dérivés "bis" nouveaux, lorsqu'ils sont préparés par le pro- cédé de l'invention, peuvent servir comme indicateurs univer- sels métallochromes.
EXEMPLE I
66 parties de fluorescéine finement pulvérisée, 53 parties a'aciae imino di-acétique, 80 parties d'acétate de sodium tri-hydraté et 40 parties d'une solution .aqueuse de formaldéhyde à 37% sont mises en mélange dans 500 parties d'acide acétique glacial. Le mélange est cnauffé en vase clos sous agitation a 50-70 jusqu'a dissolution complète de tous ' les composants, ce qui prena d'ordinaire de 2 à 8 heures.
.par distillation, on réduit ensuite le volume environ de moi- tié, après quoi le résidu est mis à refroidir et précipité par addition de 1.000 a 2.000 ml d'éthanol. Le précipité est. séparé par aspiration a la trompe, lavé . à l'éthanol et l'éther et séché a l'air. Le rendement obtenu est au moins de 120 parties, soit 81,5% de la quantité théorique, d'un sel brut de sodium du bis (-N,N-di-carboxyméthyle)-aminoméhyle- 'fluorescéine. Le sel brut de sodium est aissous dans 360 parties d'eau, après quoi l'on ajoute 120 parties d'une solu- tion saturée d'acétate,de sodium et 4800 parties a'étnanol.
Après avoir laissé la masseau repos pendant 2 heures, on décante le liquide limpide et on mélange le résidu avec une nouvelle quantité d'éthanol. Après avoir laissé la masse au repos pe@dant 1 à e heures, le sel cristallisé est séparé a la'trompe, lavé a l'éthanol et séché. Aulieu d'acétate de sodium et d'acide' imino di-acétique, il est également possible d'utiliser la quantité correspondant d'imino di- 'acétate de sodium conjointement avec de l'acide imino
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d.i-acétatiC].l1e libre.
Le produit possède la S'Gr.7.CLlby'C ;:;u....vante, "" '- :,1)' 0 r /' \J"y,- 1"\ y', L 1)
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dans laquelle R signifie le g-roupe -CH -N ...CEI 2, ¯ COCH . " 2 COOL
Le dérivé "bis" de la fluorescéine ainsi obtenu est une substance cristallisée n'un rouge orangé qui se décompose par, chanuffage et qui se dissout dans 2 a 3 portions d'eau seule-- ment.
En solutions très diluées, il émet une intense flùores- cence d'un jaune-vert ; cette fluorescence disparaît en solu- tion alcaline des que l'on atteint le titre de 0,025 normal en NaOH. Dans une telle solution, on voit réapparaître la fluorescence en présence de traces de certains sels métalliques) par exemple, par suite d'une addition d'un sel de calcium, pour disparaître a nouveau lorsqu'on ajoute un agent de chélatation approprié susceptible de convertir en complexes les ions métalliques libres.
Des dérivés "bis" analogues ont été préparés en utili- sant la phénolphtaléine, l'o-crésolphtaléine, la xylénol- phtaléine ou la thymolphtaléine comme corps de départ,' avec des rendements compris entre 70 et 95% du rendement théorique.
En utilisant comme matière de départ les produits ci- après spécifiés, on obtiens par condensation des produits
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comportant les structures suivantes : 0./ i? 1-1 phénolphtaléine \' 1 , / \ .\ / . "- R t. t/'\ 0 CD o-crésolphtaline el1 ci-d lia 110 \ À I / lll, c / U " R ,,,,\ f '"-ce
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parmi les produits non encore décrits à ce jour et tout a fait nouveaux, préparés selon l'invention, on peut citer : les dérivés "bis" de la phénolphtaléine, de la xylénol- phtaléine et de la thymolphtaléine.
Les produits de cette condensation en milieu acide sont des cristaux blancs ou légèrement colorés, aisément solubles dans l'eau, une partie de substance se dissout dans 2 à 3 parties d'eau. En solutions aqueuses diluées, ces substances réagissent pour des valeurs appropriées de pH généralement au-delà .de 7, beaucoup de cations donnant lieu à des colorations intenses, ce qui est substantiellement en accord avec les résultats obtenus avec la forme alcaline des produits colorants de départ.
La limite supérieure d'utilisation de l'indicateur dans l'échelle de pH augmente dans la série des dérivés "bis"
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ac. la phénolphtaléine, a la xylénolphtaléim, enfin a la 1,..nltlLalinEj toui sua> fOl',.lû de Cl.r-ivÓ:::: "bis". àl4àà=--l &partieE ci'imino ui-..!.céta1Jc (tü sodium sonL mis a chauffer en présence de 50 parties d'acide acétique glacial jusqu'a l'obtention d'une solution limpide ou laiteuse, que l'on refroinit ensuite jusque la température ambiante,
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ensuite, v,3 partie;. de thymolsu1fonephtaléine sont mis-à dissoudre dans le mélange et, pour finir; on ajoutera 4 par-
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ties d'une solution'aqueuse de formaldéhyde a bzz.
Le récipient clos contenant le 1=1<<iange réactionnel est maintenu a la tempéra Lure amabia.nte au cours ae la nuit et, le lendemain, le m,',Ianze est a nouveau cnaufi'é pendant 8 neures a 50". La réaction est terminée lorsque la solution préparée en ajou-
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tant une goutte au .'la:ne réactionnel a 50 a 10J ml d'eau distillée; conserve sa coloration jaune sans passer au rouge après addition de 5 ml d'acide nitrique normal et aussi lorsqu'une autre solution, préparée en ajoutant une goutte du mélange réactionnel à 50 a 100 ml d'eau, acidifiée au moyen d'l ml d'acide nitrique normal, voit sa couleur jaune passer au bleu après addition de quelques gouttes d'une solution 0,05 normale de tétr'ani tra te de thorium. La séparation et la purification se font tout comme aans le cas de l'exemple 1.
Le rendement en sel tétrasodé .du 3, 3'-bis-N,N-di(carboxyméthyle) aminométhyle thymosuflcne phtaléine est, en général de 14 parties, c'est-a-dire de 99% de la quantité théorique.
Les produits obtenus affectent la structure qui suit :
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Il s'agit d'une substance noire, en cristaux fins, se dissolvant dans 2 à 3 parties d'eau en tonnant une solution d'un bleu d'encre, dont la couleur passe au jaune aux grandes dilutions. Les solutions diluées d'acides forts de pH inférieurs à zéro, ont une teinte rouge intense. Des solutions dont le pH se tro.uve entre zéro et 6,5 sont d'une couleur jaune pur,
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entre des pI! de 6.5 à 8,5, leur coloration passe au bleu-clai'r. entre de.s pH de 10,5 a 11,5 au jaune-gris et au-delà de 12,7 au bleu-sombre. En présence de nombreux cartiors à.pH situés .entre 0 et 12,7 l'indicateur forme des chelate.s colorés en bleu-profond (composés complexes).
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Des.ci6j:iv(--'s "bis" analogues préparés a partir L. la phénoisulfoneputaléine, l'o-et la m-crésolsUlf0nePhtaléine, la xylénÓlli1Lllfonephtaléine et autres semblables,.en recourant à la méthode ci-aessus récrite. Les produits de condensation obtenus .sont cristallisés,, ont une. couleur allant du rouge foncé au noir et sont tous aisément solubles dans l'eau.
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Certains parmi eux - par exemple la xylénolsu,foxephtaléine - ont un comportement très voisin de celui-des dérivés "bis" de la thymolsulfonephtaléine.
D'autres parmi ces dérivés, tels que les o- et m-crésol-
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suifonepbtaléine ou des dérivés de la phénolphtaléine, réagissant avec des cations a la fois en milieu acide et en milieu alcalin avec, cependant, des changements de coloration plus caractéristiques en milieu acide. On peut également
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sc servir, comme produits de départ de di-chloro et de dibromophénolsulfoncphtaléine dans un tel cas, il est plus avantageux de p@o@dér a. la condensation a une température plus élévée, par exemple aux environs de 70 . Les essais permettant de déceler si le processus est arrivé à son terme, doivent être établis de manière à les rapporter à des engagement ae coloration connus qui caractérisent les sulfonephtaléines de départ.
On a illustré ci-après les types de structures obtenus par condensation en milieu acide de ch@ @n des produits de départ suivants :
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Les dérivçs,"bis" de la di-bromophénolsulf'onephtaléine possèdent également une structure analogue, les atomes de chlore de l'exemple précédent éta.nt remplacés par des atomes de brome.
Comme dérivés nouveaux n'ayant encore jamais été décrits, et qui .ont été préparés, on peut citer : le dérivé
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"bis" que la phénolsulfonephtaléine, la dichlorophénoisulfonephtaléine, la dibromophénoisulfonephtaléine, l'o-crésolsu.fonephtaléine, la mu- crésoisulfonephtaléine, la xylénplsulfbnephtaléine et la thymolsulionephtaiéine.