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Perfectionnements se ra±j>ortant¯à ul¯Eòcéâé¯de grégara- tion-de-diphényIMILi22¯substituées.
La présente invention se rapporte à un procédé nou- veau et amélioré de préparation de composés du type :
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dans laquelle R1 est de l'hydrogène, un groupe alcoyle ni- tré, halogène, aryloxy ou alcoxy, R2 étant de l'hydrogène ou un alcoyle. Comme exemples on mentionnera la p-nitrodi- phénylamine, une 4-nitro-4'-alcoyl-diphénylamine et la 4,4'- dinitrodiphénylamine. Des réactifs aromatiques spécifiques dans lesquels R1 est de l'halogène, un groupe aryloxy
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ou alcoxy sont l'aniline, la p-toluidine, la p-tert.-butyl- aniline, la p-dodécylaniline, la p-chloraniline, la p-métho- xyaniline, la p-éthoxyaniline, la p-nitraniline, la N-méthyl- p-nitraniline.
Les composés de ce genre sont précieux comme inter- médiaires pour la préparation d'antioxydants pour caoutchouc, huile ou essence. Ils sont précieux aussi comme intermédi- aires pour colorants, en particulier pour colorants de fourrures.
Une méthode antérieure de synthèse de la p-nitrodi- phénylamine était de faire bouillir à reflux de l'aniline et du p-nitrochlorobenzène en présence d'un carbonate de métal alcalin et d'un catalyseur au cuivre. Ce mode opéra- toire est décrit dans le brevet allemand ? 185. 663 et dans le brevet français N 381. 230, au nom de I. Goldberg.
L'inconvénient de- la synthèse de Goldberg est que la quantité de p-nitrodiphénylamine produite est si petite (environ 1% de la théorie) que le procédé n'est pas indus- trialisable. Dans la spécification américaine de la deman- deresse N 798. 148, on mentionne que le rendement en la p- nitrodiphénylamine désirée est augmentée d'environ 70 fois en éliminant continuellement toute l'eau, dont celle formée par la neutralisation de l'acide chlorhydrique libéré par le carbonate accepteur d'acide. On obtient de bons rende- ments en p-nitrodiphénylamine, de pureté acceptable, par le procédé décrit dans la spécification citée ci-dessus.
Ce procédé toutefois souffre encore de plusieurs inconvénients, principalement la longue durée de réaction (environ 20 heu- res) et en ce qu'il se limite à la préparation uniquement de la p-nitrodiphénylamine elle-même.
On vient de découvrir présentement qu'en effectuant la réaction en présence de quantités modérées d'amides, comme la diméthylformamide ou l'hexaméthylphosphoramide, la
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vitesse de réaction est accélérée à un point tel que la réaction désirée est terminée en un temps aussi court qu'un septième du temps, autrement dit en aussi peu de temps que trois heures. Le rendement et la pureté de la p-nitrodiphé- nylamine produite sont pratiquement inchangés par la présen- ce du solvant amidé.
Les exemples suivants illustrent l'amélioration ob- tenue par les solvants amidés en accélérant la formation de la p-nitrodiphénylamine désirée: Exemple 1
On introduit une proportion d'unemcle de p-nitrochlo- robenzène, 2 moles d'aniline, 0,66 mole de diméthylforma.- mide, 0,7 mole de carbonate de potassium et 0,01 mole d' iodure cuivreux dans un ballon d'un litre à trois tubulures muni d'un thermomètre, d'un agitateur à commande par mo- teur, d'un entonnoir d'addition et d'une colonne verticale de fractionnement à refroidissement par air. Le sommet de la colonne de fractionnement est muni d'une simple tête de distillation conduisant à un condenseur d'élimination à refroidissement par eau. On fait bouillir le mélange de réaction pendant 3 heures.
Pendant ce temps la température d'ébullition augmente de 184 à 193 C et 0,53 mole d'eau est chassée par distillation sous la forme d'un azéotrope eau- aniline.
Après refroidissement à 35 C, on sépare par filtratim le résidu minéral, consistant en chlorure de potassium et en carbonate de potassium, et on le lave avec une petite quantité d'acétone ou de benzène. Les filtrats organiques combinés sont séparés par simple distillation sous vide. On obtient 0,77 mole de p-nitrodiphénylamine très pure, fon- dant à 129-133 C (littérature: 132-133 C) conjointement avec 0,145 mole de p-nitrochlorobenzène inchangé. On obtient
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donc un rendement de 77% de p-nitrodiphénylamine de bonne qualité après seulement 3 heures de durée de réaction ; dup-nitrochlorobenzène qui a réagi, 90% sont convertis en la p-nitrodiphénylamine désirée.
Exemple 2
Un mélange de réaction identique à celui décrit plus haut à l'exemple 1, sauf qu'on remplace les 0,66 mole de diméthylformamide par U,33 mole d'hexaméthylphosphoramide, est introduit dans le même ensemble avec ballon de réaction de un litre de l'exemple 1. On fait bouillir le mélange de réaction à 200-210 C pendant 4 heures. Pendant ce temps, 0,5 mole d'eau est chassée.
On laisse le mélange de réaction refroidir jusqu'à la température ordinaire, on sépare par filtration le ré- sidu minéral et on le lave avec un solvant organique (acé- tone). On entraîne le filtrat organique à la vapeur d'eau pour éliminer le solvant, l'aniline et le p-nitrochloro- benzène n'ayant pas réagi. Le résidu cristallisé coloré en vert est de la p-nitrodiphénylamine impure, point de fusion 100-130 C, représentant 78,5% du rendement théorique. Par simple distillation sous vide du produit brut ci-dessus, on obtient un bon rendement en p-nitrodiphénylamine très pure, point de fusion 132-134 C.
En plus d'accélérer considérablement la réaction, on a trouvé que la présence de ces amides permet la con- densation avec succès d'une variété étendue de dérivés d' aniline avec du p-nitrochlorobenzène, tout en obtenant de bons rendements en le dérivé correspondant de p-nitro- diphénylamine. Comme illustré plus loin, on n'obtient que des rendements extrêmement médiocres en 4-nitro-4'-méthyl- diphénylamine lorsque l'aniline est remplacée par de la p-toluidine dans le procédé décrit dans la spécification
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de la demanderesse Sériai ? 798.148, ou suivant le pro- cédé original de Goldberg, en l'absence d'amide comme promoteur.
On introduit une proportion d'une mode de p-nitro- chlorobenzène, 3 moles de p-toluidine, 0,7 mole de carbo- : nate de potassium, 0,01 mole d'iodure cuivreux dans un ballon de 1 litre à 3 tubulures muni d'un thermomètre, d' un agitateur commandé par moteur et d'un entonnoir d'ad- dition. L'eau est éliminée via un piège Dean-Stark rempli de benzène, muni d'un condenseur à reflux. On fait bouillir le mélange de réaction à 185-192 C pendant 27 heures.Il distille 0,5 mole d'eau pendant ce temps.
On refroidit le mélange de réaction et on sépare les sels minéraux par filtration. Ces sels à l'analyse se composent de 25% de chlorure de potassium et de 75% de car- bonate de potassium, ce qui montre qu'une réaction considéra- ble s'est produite. On entraîne le filtrat organique à la vapeur d'eau pour éliminer la p-toluidine et le p-nitro- chlorobenzène n'ayant pas réagi. On n'a pu isoler que moins de 4% de rendement en 4-nitro-4'-méthyl-diphénylamine dési- rée à partir du résidu entraîné à la vapeur, bien que l'on ait utilisé à la fois la cristallisation fractionnée et l'analyse d'adsorption par chromatographie (cf. Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, vol. 3, page 928, Interscience, 1949). à partir d'une solution benzénique sur alumine.
Par conséquent, en l'absence des solvants ami- dés promoteurs, à savoir la diméthylformamide ou l'hexamé- thylphosphoramide, la p-toluidine et le p-nitrochloroben- zène donnent des mélanges complexes de produits inconnus, dont beaucoup fondent plus haut que 150 C.
En introduisant une quantité relativement petite du solvant amidé promoteur dans le mélange de réaction ci-
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dessus, le rendement en 4-nitro-4'-méthyl-diphénylamine désirée est augmenté 80 fois. La réaction est "nette" et il se forme très peu de sous-produits. L'effet du solvant amidé, la diméthylformamide, est illustré ci-dessous dans l'exemple 3.
Exemple 3
Un mélange de réaction identique à celui décrit ci- dessus, sauf que les 3 moles de p-toluidine sont remplacées par 2 moles de p-toluidine plus 0,66 mole de diméthylfor- mamide, est chargé dans le même ensemble avec ballon de 1 litre que celui employé plus haut. On fait bouillir ce mé- lange de réaction pendant 6 heures à 188-190 C. Il passe environ 0,5 mole d'eau au cours de la réaction.
Comme à l'exemple 2, on filtre le mélange de réac- tion à la température ordinaire pour éliminer le résidu minéral. On entraîne à la vapeur d'eau le filtrat organique pour éliminer le solvant, la p-toluidine et le p-nitrochlo- robenzène inchangés. Le résidu cristallisé de 4-nitro-4'- méthyl-diphénylamine impure s'élève à 82% de la théorie.
Par simple recristallisation à partir de méthanol, on ob- tient de la 4-nitro-4'-méthyldiphénylamine fondant à 135- 138 C (littérature : 139 C).
D'autres alcoyl-anilines (comme la p-éthylaniline, la p-cumidine, etc) peuvent similairement être condensées avec le p-nitrochlorobenzène suivant le même mode opéra- toire tout en donnant des rendements satisfaisants en la 4-nitro-4'-alcoyl-diphénylamine correspondante. Ce fait est illustré pour la p-cumidine dans l'exemple 4 ci-des- sous.
Exemple 4
On introduit 0,75 mole de p-nitrochlorobenzène, 1,12 moles de p-cumidine, 0,85 mole de carbonate de potas-
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sium anhydre, 0,37 mole de diméthylformamide et 0,0058 mole d'iodure cuivreux dans un ballon de 1 litre à 3 tubulu- res muni d'un thermomètre, d'un agitateur à commande par moteur et d'un entonnoir d'addition. On chauffe le mélange de réaction à 200 C pendant 5 heures, temps durant lequel 80 cm3 d'un azéotrope eau-diméthylformamide est éliminé via une oolonne de fractionnement opérant à 100-130 C.
Comme à l'exemple 1, on sépare par filtration le résidu minéral ; produit désiré, la 4-nitro-4'-isopro- pyldiphénylamine, fondant à 105-106 C, est isolé par simple distillation sous vide. Le rendement global est supérieur à 50% de la théorie.
L'effet promoteur du solvant amidé n'est pas uni- quement limité à la promotion de la réaction de l'aniline et de ses homologues alcoylés simples ; il s'applique aussi aux dérivés d'aniline contenant un second groupe fonc- tionnel (tel que des groupes nitro, chloro et alcoxy), à la condition que le second groupe fonctionnel ne soit pas plus réactif envers le p-nitrochlorobenzène que le groupe amine.
Donc, les composés comme la p-hydroxyaniline sont spécifi- quement exclus de ce procédé. Une réaction typique, rela- tive à la préparation de la 4,4'-dinitro-diphénylamine, est illustrée ci-dessous.
Exemple 5
Une proportion d'une mole de p-nitrochlorobenzène, 1 mole de p-nitraniline, 0,7 mole de carbonate de potassium, 0,005 mole d'iodure cuivreux et 0,66 mole de diméthylfor- mamide sont chargés dans l'ensemble habituel comportant ballon de 1 litre à 3 tubulures, muni d'un piège Dean-Stark pour l'élimination de l'eau. On fait bouillir le mélange de réaction pendant 2,25 heures à 197 C-205 C. Il passe 0,6 mole d'eau au cours de cette période.
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Après refroidissement à la température ordinaire, on broie le mélange de réaction solide et on l'extrait avec de l'acétone chaude pour séparer le sel minéral d'avec les fractions organiques. On évapore l'extrait à siccité et on l'entraîne à la vapeur d'eau pour éliminer tout le p-nitro- chlorobenzène n'ayant pas réagi. Par extraction et cristal- lisation fractionnée du résidu traité à la vapeur d'eau, on obtient de la 4,4'-dinitrodiphénylamine fondant à 210-213 C (littérature : point de fusion 214 C) avec un rendement de 50% de la théorie.
Une quantité aussi faille qu'une proportion i/20 Une quantité aussi faible qu'une proportion de 1/20 molaire des solvants amidés promoteurs par proportion mo- laire de p-nitrochlorobenzène exerce un effet accélérateur désirable sur les réactions de condensation considérées ici.
On peut utiliser des proportions aussi élevées que 2 moles de solvant amidé, quoique, aux concentrations supérieures, la réaction devienne moins "nette", c'est-à-dire qu'il se forme plus de sous-produits indésirables. La concentration optima du solvant amidé varie à la fois selon la nature du constituant aminé aromatique et la nature du solvant amidé. Dans la grande majorité des cas, la concentration optima se situe entre des proportions de 1/20 et 2 moles par proportion molaire de p-nitrochlorobenzène. Pour les cas spécifiques dans lesquels le constituant aminé aroma- tique est l'aniline, la p-nitraniline ou une p-alcoyl-ani- line, la concentration préférée de solvant amidé se situe en-' tre des proportions de 1 à 1/10 de mole.
Les solvants amidés promoteurs ne paraissent pas affecter le caractère de la réaction de condensation, mais accroissent seulement la vitesse de réaction et ils élargis- sent son applicabilité à une gamme étendue d'amines aroma- tiques. L'effet de variations dans les conditions de réac-
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tion sur le rendement et la pureté du produit par conséquent est le même pour les réactions effectuées en présence comme en absence des solvants amidés promoteurs.
Les conditions saillantes (précédemment citées pour l'aniline dans la spécification de la demanderre Serial N 798.148) applica- bles ici sont : a) maintien d'un mélange de réaction anhydre en chassant continuellement par distillation l'eau dégagée par la réac- tion acide chlorhydrique-carbonate de potassium. b) Il est avantageux d'arrêter la réaction après que la quantité théorique d'eau a été chassée par distillation. c) Le rapport molaire aniline (ou aniline substituée)-p- nitrochlorobenzène peut varier de 1 à 9. d) Le rapport molaire carbonate de potassium-p-nitrochlo- robenzène peut varier de 0,5 à 1. e) On peut utiliser tout catalyseur au cuivre approprié (chlorure, sulfate, etc, de cuivre).
REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation de composés représentés par la formule :
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en faisant réagir 1 mole de p-nitrochlorobenzène avec 1 à 9 moles d'un composé aromatique de formule :
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