N° d'ordre 248 - 96
Année 1996
THE8E
Présentée
devant l'UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1-
pour l'obtention du
DIPLOME DE DOCTORAT EN SCIENCES ET TECHNOLOOIES INDUSTRIELLES
DE LA CHIMIE
Spécialité: Chimie Industrielle
par
YAO Benjamin
ALKYLATION ET DESALKYLATION DE
PHENOLS ET DE CALIXARENES: OPTIMISATION
DE PROCEDES
..-~-=~~ ............~-
CONSEIL AFRICAIN ET MAI.GAC':U: il
f POUR L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR '!
Soutenue le 24 Octobre 1996
C. A. M. E. S. -
OUAGADOUGOU
'. Arriv~e ,:08 .JAN ~2D02
.
1i~~~~gJ_s.tr~us n° ·..a·a·2· 7,: ~ '1~
JURY
R. LAMARTINE, Professeur à l'Université Claude Bernard,
Président
1. P. AUNE, Professeur à l'Université d'Aix-Marseille,
Rapporteur
M. OTTERBEIN, Professeur à l'INSA de Lyon,
Rapporteur
M. THOMALLA, Professeur à l'Université Claude Bernard
J. BASSUS, Maître de Conférences à l'IUT A de LYON
P. LANTERI, Maître de Conférences à l'Université Claude Bernard
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1-
résident de l'Université
M. le Professeur M. DECHAVANNE
er Vice-Président Fédération Santé
M. le Professeur J. DOURY
er Vice-Président Fédération Sciences
M. le Professeur Y. lEMOIGNE
résident du Comité de coordination
es Etudes Médicales
M. le Professeur M. DECHAVANNE
ecrétaire Général
M. J. FLACHER
EDERA110N SANTE
UFR de Médecine l YON-GRANGE-8LANCHE
Directeur: Mme le Pro PELLET
UF~ de Médecine R.T.H. LAENNEC
Directeur: M. le Pro PERRIN
UFR de Médecine LYON-NORD
Directeur: M. le Pro PATRICOT
UFR de Médecine LYON-SUD
Directeur: M. le Pro GERARD
Institut des Sciences Biologiques et
!
Pharmaceutiques
Directeur: M. le Pro COLLOMBEL
· UFR d'Odontologie
Directeur: M. le Pro DOURY
Institut des Techniques de réadaptation
Directeur: M. /e Pro EYSSETIE
Département de Biologie Humaine
Directeur: M. le Pro BRYON
Département d'Innovation et de
· Coordination Pédagogique
Directeur: M. le Pro LAVILLE
FEDERAT'ON SCIENCeS
Institut des Sciences de la Matière
Directeur: M. le Pro ELBAZ
· Institut des Sciences de l'Ingénierie
et du développement Technologique
Directeur: M. le Pro GRELLET
Institut de Chimie et Biologie
Directeur: Mme VARAGNAT (M.d.C.)
Institut d'Analyse des Systèmes
Biologiques et Socio-Economiques
Directeur: M. le Pro DEBOUZIE
Institut des Sciences de la Terre de
l'Océan, de l'Atmosphère, de l'Espace
et de l'Environnement
Directeur: M. le Pr. ELMI
UFR des Activités Physiques et
Sportives
Directeur: M. le Pro TH/RIET
I.U.T. A
Directeur: M. le Pro GIELLY
I.U.T. B
Directeur: M. le Pro PIVOT
Département de 1er cycle pluridisciplinaire
Sciences
Directeur: M. PONCET (M.d.C.)
Département de 2ème cycle
Sciences de la Vie et de la Terre
Directeur: M. le Pro BLANCHET
Sciences pour l'Ingénieur
Directeur: M. le Pro ASCH
Sciences de l'Analyse et de la
Matière
Directeur: Mme BARBIER-CHAPELET
A mes parents
A Marie
A toutes mes connaissances
"La crainte de Dieu est le commencement de la Science.
Ceux qui méprisent la sagesse et l'instruction sont des
insensés",
Bible: Proverbes de Salomon. 1:7
REMERCIEMENTS
Cette étude a été réalisée au laboratoire de Chimie Industrielle de l'Université
Claude Bernard, Lyon 1. Je remercie Monsieur le Professeur R. LAMARTINE qui m'a
accueilli dans son laboratoire et qui a dirigé mes recherches. Je tiens à lui exprimer toute
ma reconnaissance et ma gratitude pour ses conseils, ses encouragements et son
optimisme pendant les périodes de doute. Je le remercie également de la confiance qu'il
m'a toujours témoigné.
Je remercie tout particulièrement Monsieur J. BASSUS, Maître de Conférences à
l'IUT A de Lyon, qui malgré ses occupations m'a pratiquement accompagné, conseillé,
encouragé tout au long de ces années de travail. Je le remercie également de la confiance
qu'il m'a toujours témoigné.
Monsieur J.P. A UNE, Professeur à l'Université d'Aix-Marseille, a bien voulu se
charger de juger ce travail, ce dont je le remercie sincèrement.
J'adresse tout aussi vivement mes remerciements à Monsieur le Professeur
M. OTTERBEIN, p1"(~fesseur à l'lNSA de Lyon, pour avoir également accepté de juger
ce travail.
Je remercie également Monsieur le Professeur M. THOMALLA, de l'Université
Claude Bernard, Lyon l, d'avoir bien voulu accepté de juger ce travail.
Je remercie sincèrement Monsieur R LONGERA Y, Professeur à l'Université
Claude Bernard, Lyon 1 et Monsieur P. LAN TERI, MaÎtre de Conférences à l'Université
Claude Bernard, Lyon l, qui m'ont dirigé dans la méthodologie des plans d'expériences
et ont consacré une partie de leur temps à réaliser les exploitations. Je tiens à leur
témoigner toute ma reconnaissance.
Je souhaÎte remercier aussi Messieurs B. FENET, au centre de RMN de
l'Université Claude Bernard, Lyon l, 1.B. REGNOUF DE VAINS, Maîtres de
Conférences, et C. DUCHAMP, Technicien, du laboratoire de Chimie Industrielle, ainsi
que Monsieur 1.y. GAUVRIT, Technicien, du laboratoire de Synthèse Organique
Appliquée Merci pour leurs apports et leur disponibilité.
Je remercie aussi Christine, pour sa gentillesse ainsi que tous les membres du
laboratoire de Chimie Industrielle.
SOMMAIRE
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LES CALiXARÈNES
1.1 - Historique
5
1.2 - Nomenclatu re
6
1.3 - Grands procédés de fonctionnalisation
7
1.4 - Substitutions électrophiles
8
7.4.7- Substitutions électrophiles directes
8
7.4.2 - Substitutions électrophiles indirectes
9
a) Chlorométhylation
9
b) Quinone méthyliclène
10
c) Réarrangement cie Claisen
11
1.5 - Réactivité des calixarènes à l'état solide
11
CHAPITRE 2 : PLANS D1EXPÉRI ENCES
2.1 - Introduction
14
2.2 - Démarche.
14
2.3 - Conclusion
14
CHAPITRE 1
ISOPROPYLATION DE PHÉNOLS EN
MILIEU HÉTÉROGÈNE EN PRÉSENCE DE
M x(S04)y/y-AI20 3
1.1 - Isopropylation du métacrésol
19
7.7.7- Introduction.
19
7.7.2 - Conditions expérimentales
20
;1) - Chromatographie en phase vapeur
20
b) - Étalon nage interne
20
c) - Détermination des Ki/e
21
1.1.3 - Préparation du catalyseur contenant 20%
de MxCSO,vy
25
1. 1.4 - Modes opératoires
26
1.1.5 - Recherche exploratoire et criblage des
fuc~u~
26
a) Activité du catalyseur en fonction métal
26
b) Criblage des facteurs
27
c) Effet de la dilution du lit catalytique par du cristal de
roche
30
1.1.6 - Optimisation par la méthode du simplexe
31
1.1.7 - Optimisation et modélisation par la méthode
des surfaces de réponses
33
1.1.8 - Conclusion
38
1.2 - Isopropylation du 2,6-diméthylphénol
39
1.2.1 - Introduction
39
1.2.2 - Partie expérimentale
39
a) Mode opératoire
39
b) Résultats
40
1.2.3 - Conclusion
39
CHAPITRE 2 :
ISOPROPYLATION DU CAlIX[4]ARÈNE
PAR CATALYSE HÉTÉROGÈNE EN
PRÉSENCE DE NiS04/y-AI203
2.1 - Introduction
45
2.1.1 - Critère de réaction de l'état solide organique
45
2. 1.2 - Méthodes d'analyses
45
a) Chromatographie sur couche mince
45
b) Chromatographie en phase liquide haute performance
(CLHP)
46
c) La RMN du proton 1 H
46
d) La RMN du carbone nC
46
e) Les spectres de masse
46
2.2 - Partie expérimentale et résultats
47
2.2.1 - Réaction à pression atmosphérique
47
a) Mode opératoire
47
b) Analyse des résultats
47
2.2.2 - Réaction sous pression de propène.
49
2.2.3 - Réalisation expérimentale du compromis.
51
2.3 - Conclusion
55
CHAPITRE 3 :
ISOPROPYLATION EN MILIEU HOMOCÈNE
EN PRÉSENCE DE CHLORURE
D'ALUMINIUM
3.1 - Étude de l'isopropylation du 2,6-dirnéthylphénol
57
3.1.1 - Introduction
57
3.1.2 - Partie expérimentale
58
a) Équ;1tion de l" rè,lCtion
58
h) Mode opér;1toire et résultats
58
3.1.3 - Conclusion
59
3.2 . Isopropylation des calix[n]arènes
61
3.2.1-lntroduction
61
3.2.2 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[4}arène
en présence de chlorure d'aluminium
61
a) Mode opératoire
62
h) An"lyse des résultats
62
3.2.3 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[6}arène
en présence de chlorure d'aluminium
66
a) Mode opératoire
67
b) Analyse des résultats
67
3.2.4 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[8}arène
en présence de chlorure d'aluminium
70
;1) Mode opér;1toi re
7 a
h) Analyse des résultats
70
3.2.5 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[7}arène
en présence de chlorure d'aluminium
74
a) Mocle opératoire
74
b) Analyse des résultats
75
3.2.6 - Discussions et aspects mécanistiques
77
3.2.7 - Conclusion
78
CHAPITRE 1 :
ÉTUDE DE LA DÉSAlKYLATlON DE PH ÉNOlS
EN MILIEU HÉTÉROGÈNE EN PRÉSENCE DE
NiS04/y-AI2 0 3
1.1 - 1ntroduction
81
1.2 - Conditions expérimentales
82
1.2.1 - Appareillage et mode opératoire
82
1.3 - Étude de la détertiobutylation du p-tert-Butyl-2,6-
diméthylphénol
83
1.3. 1 - Plans d'expériences
83
1.3.2 - Analyse des résultats
84
1.3.3 - Aspects mécanistiques
85
1.4 - Généralisation: Application du procédé à
divers phénols
86
1.5 - Conclusion
87
CHAPITRE 2:
ÉTUDE DE LA DÉTERBUTYLATION DU
P- TERT-BUTYlCALlX[4]ARÈNE EN MILIEU
HÉTÉROGÈNE EN PRÉSENCE DE
NiS04/y-AI 2 0 3
2.1 - Introduction
92
2.2 - Réaction de Ilétat solide organique
92
2.2.1 - Mode opératoire
92
2.2.2 - Analyse des résultats
95
2.3 - Réaction en solution
98
2.3.1 - Introduction
98
2.3.2 - Mode opératoire et résultats
98
2.4 - Conclusion
100
CHAPITRE 3:
RÉACTION DE DÉTERBUTYLATION DE
CALIXARÈNES EN PHASE HOMOGÈNE EN
PRÉSENCE DE CHLORURE D1ALUMINIUM
ET fORMATION DU 2,6 ET
2, 7-DIMÉTHYLANTH RACÈNE
3.1 - Introduction
102
3.2 - Procédé général
102
3.3 - Analyse des résultats
103
3.4 - Détermination de la structure des anthracènes
106
3.5 - Aspects mécanistiques
111
3.6 - Conclusion
113
CHAPITRE 1:
RÉACTION DE DETERBUTYLATION ET
D'ACYLATION DES P-TERT-
BUTYLCALlX[n]ARÈNES EN PHASE
HOMOGÈNE DANS LE
1,2-DICH LOROÉTHANE
1.1 - 1ntroduction
116
1.2 - Réaction de déterbutylation
116
1.2. 1 - Équation de la réaction
116
1.2.2 - Procédé général
117
1.3 - Réaction d'acétylation en "one pot"
124
1.3.1 - Équation de la réaction
124
1.3.2 - Mode opératoire et résultats
124
1.4 - Conclusion
125
CONCLUSION
130
ANNEXES
133
BIBLIOGRAPHIE
137
IN1RODUCTION
Les calixarènes sont des composés polyphénoliques cycliques ayant une cavité
naturelle. Cette caractéristique les rend particulièrement intéressants dans le domaine de la
chimie surpramoléculaire. Les études de fonctionnalisation de ces molécules sont pour
une grande part inspirées de celles effectuées sur les phénols. Ce fait a permis la synthèse
d'un grand nombre de produits dérivés des calixarènes de base. Cependant, malgré une
littérature importante attestant des efforts de recherche réalisés, il subsiste des domaines
insuffisamment explorés tels que les alkylations et les désalkylations à l'état solide ou en
phase liquide sur la partie haute par catalyse homogène ou hétérogène. Cela est très
certainement dû aux problèmes de sélectivités et de purifications qui surgissent lorsqu'on
entreprend de telles réactions (1). En outre, la conduite de réaction en milieu
complètement ou partiellement hétérogène dans le cas des calixarènes par exemple peut
présenter un grand intérêt compte tenu des problèmes de solubilité de ces macrocycles
dans les solvants organiques usuels.
Le travail que nous avons effectué pendant ces années au laboratoire de chimie
industrielle porte sur les aspects susmentionnés. La plupart des réactions étudiées sont
d'abord effectuées sur des motifs simples tels que les phénols. Cela nous permet de tester
dans des conditions simples le type de chimie que nous voulons mettre en oeuvre sur des
calixarènes. Les catalyseurs utilisés peuvent être considérés comme des catalyseurs de
type Friedel et Crafts si l'on se réfère à la définition qu'en donne G. Olah (2). En effet cet
auteur regroupe sous le nom de catalyseurs de Friedel et Crafts, les acides protoniques ou
les acides de Lewis avec ou sans cocatalyseur. Ce travail s'articule autour de trois grands
axes.
Dans une première partie, nous nous sommes intéressés aux réactions d'alkylation
directes de quelques méthylphénols et des calixarènes en utilisant le propène ou le
chlorure d'isopropyle comme agents alkylants. Les résultats obtenus montrent d'une
façon générale que pour ce type de réaction, les phénols présentent un comportement
similaire à celui des calixarènes. Un résultat important concernant la synthèse du p-iso-
propylcalix[4] arène est obtenu et complètement décrit
Dans une deuxième partie nous avons examiné les réactions de désalkylation de p-
tert-butylphénols et p-tert-butylcalix[n]arènes. La déterbutylation permet d'avoir des
motifs avec un site en para disponible sur lequel toute une chimie des aromatiques pourra
être effectuée. Ainsi, un nouveau procédé de désalkylation d'alkylphénols en phase
gazeuse et par catalyse hétérogène est décrit. La déterbutylation des p-tert-
butylcalix[n]arènes dans le toluène en présence de chlOl1lre d'aluminium est étudiée de
façon complète. Ainsi pour la première fois, nous mettons en évidence, la possible
formation de diméthylanthracènes lorsque cette réaction a lieu.
Dans une troisième partie nous avons étudié les réactions de dés alkylation et
d'acétylation en "one pot". Les résultats obtenus ouvrent des perspectives nouvelles dans
les études de fonctionnalisation de ces macrocycles.
La stratégie expérimentale est souvent basée sur l'utilisation des plans
d'expériences. Ce sont des outils mathématiques qui permettent l'étude d'un système,
une réaction chimique par exemple, influencé par plusieurs facteurs simultanément avec
un nombre limité d'essais, sans que cela altère la qualité des infOlTIlations recherchées.
2
GÉNÉRALITÉS
3
CHAPITRE 1
LES CALIXARÈNES
4
1.1- Historique
Par réaction du formaldéhyde avec le phénol en présence d'un acide minéral,
Baeyer obtint en 1872, une résine qu'il ne put caractériser. En 1907, Baekeland
synthétise la bakélite par cuisson de la résine fOlmée lors de la condensation en milieu
basique du phénol et du formol (3).
En 1942, Zinke et Ziegler obtiennent les premières structures tétramériques
(Figure 1.1) par condensation du formaldéhyde et de phénols paraalkylés en présence de
solution de soude aqueuse (4-5).
A
~CH2
H2
~-!I
-h-
R
OH 0:0
R
)--II
OH
H2C y Y C H 2
y
R
Figure 1.1- Structure tétramérique cyclique d'après Zinke et Ziegler.
En 1955, la procédure décrite par Zinke et Ziegler permet à Comforth d'isoler
deux composés cristallisés avec des points de fusion différents (6-7). Pour expliquer la
différence de leur point de fusion il émet l'hypothèse que ces deux produits sont des
diastéréoisomères.
Cette hypothèse va être invalidée par des travaux récents de Gutsche qui ont
montré que les mélanges obtenus lors de ces réactions de condensation sont en réalité
constitués d'oligomères cycliques de tailles différentes (8-9-10). Il isole à paltir du p-tert-
butylphénol, le tétramère, l'hexamère et l'octamère cyclique.
5
1.2 - Nomenclature.
La nomenclature systématique de ces composés étant assez complexe, Gutsche
choisira de leur donner le nom de calixarène (lI). Le préfixe "calix" est en rapport avec la
similitude confOlmationnelle du tétramère cyclique et un vase grec connu sous le nom de
calix crater. Le suffixe "arène" indique la présence de noyaux aromatiques. Pour spécifier
la taille du cycle, il intercale entre le préfixe "calix" et le suffixe "arène", un nombre entre
crochets ou entre parenthèses indiquant le nombre d'unités phénoliques. La nature et la
position des substituants présents sur les noyaux aromatiques précèdent l'appellation
calix [n] arène.
Ainsi dans le cas représenté par la figure 1.2 ci-dessous, nous avons le nom
suivant:
5, 11, 17, 23-tétra-tert-butyl-25, 26, 27, 28-tétrahydroxycalix[4]arène. D'une façon
générale on dira p-tert-butylcalix[4]arène.
Figure 1.2 - 5, 11, 17, 23-tétra-tert-butyl-25, 26, 27, 28-tétrahydroxycalix[4}arène ou
p-tert-butylcalix[4}arène.
6
1.3 - Grands procédés de fonctionnalisation
La deuxième grande phase dans la chimie des calixarènes concerne la mise au
point de procédés permettant l'obtention de produits dérivés des calixarènes de base que
sont les p-tert-butylcalix[n]arènes. Il s'agit d'une façon générale de réactions de
fonctionnalisation sur la partie hydrophile ou lipophile. En effet, on s'est aperçu que la
complexation de molécules neutres ou de cations métalliques n'est pas uniquement le fait
de la cavité naturelle des calixarènes mais dépend aussi de la présence de groupements
fonctionnels appropriés en para du groupe hydroxyle (12). Nous nous intéresserons aux
réactions qui ont lieu sur cette partie de la molécule. Dans ce cas particulier, ces réactions
impliquent nécessairement une désalkylation.
Réactions de désalkylations
Notons que les phénols qui permettent de synthétiser facilement par la voie
classique (13) les calixarènes sont le p-tert-butylphénol, le p-tert-pentylphénol et le p-
(1, 1,3,3-tetaméthylbutyl)phénol. ~omme on peut le constater, ces substituants ramifiés
sont de bons groupes partants dans les réactions de rétro Friedel et Crafts. C'est en 1975
que M. Tashiro a étudié les réactions de transalkylation de phénols dans le benzène, le
toluène ou les xylènes en présence de catalyseurs de Friedel et Crafts (14-15) plus
particulièrement le chlorure d'aluminium. L'application de ces méthodes aux cas des
p-tert-butylcalixarènes a donné des résultats intéressants. Ainsi, Gutsche effectue la
déterbutylation des p-tert-butylcalixarènes selon le schéma suivant (Figure 1.3):
Toluène ou Phénol
Figure 1.3 - Schéma de la réaction de déterbutylation des calix[n]arènes.
Les rendements obtenus montrent que la déterbutylation s'effectue mieux quand la taille
du calixarène augmente.
n = 4
65-70% (16-17)
n = 6
89% (18)
n=8
93%(18)
7
1.4 - Substitutions éJectrophiies
1.4.1- Substitutions électrophiles directes
Les réactions de substitutions électrophiles directes sur la partie haute des
calixarènes ont connu un succès relatif. On peut noter que Shinkai a décrit un certain
nombre de procédés concernant la synthèse de calixarènes hydrosolubles. Il obtient le
calix[6]arène parasulfoné avec un rendement de 75% par traitement du calix[6]arène avec
l'acide sulfurique concentré à 100 oC (19). De même il obtient le paranitrocalix[6]arène
avec un rendement de 15% par traitement du calix[6]arène avec l'acide nitrique à des
températures de 0 à 5 oC pendant 10 heures (20). Ces méthodes vont par la suite être
étendues avec succès au calix[4]arène et au calix[8]arène. Ainsi la nitration du
calix[4] arène avec de l'acide nitrique en solution dans le mélange acide acétique-benzène
conduit au p-nitrocalix[4]arène avec un rendement de 87% (21).
Les réactions d'acylations par les chlorures d'acyles en présence de chlorure
d'aluminium ne conduisent d'une façon générale à des dérivés paraacylés que si l'on
effectue au préalable une réaction de protection des groupes hydroxyles. Ainsi les
acétylations des dérivés méthyléthers des calix[6]arènes et calix[8]arènes conduisent
essentiellement aux produits paraacétylés correspondants avec des rendements de 60 à
65% (18). Il faut cependant noter que des réactions d'acylations ont été effectuées avec
succès sur les calix[n]arènes non protégés dans du nitrobenzène en présence de chlorure
d'aluminium (22).
En ce qui concerne les alkylations directes par des halogénures d'alkyles, des
alcools ou des alcènes sur la partie haute des calixarènes, très peu de références en font
état bien que ce soient des réactions classiques avec les phénols. Dans l'état actuel de nos
connaissances, nous pouvons noter seulement trois exemples concernant les calixarènes.
Le premier porte sur la synthèse du p-cyclohexylcalix[4]arène par réaction du
calix[4]arène avec le cyclohexène en présence d'acide fluoroborique. Le rendement
obtenu est de 42% (23). Les deux autres exemples suivants ont été reportés par la même
équipe en 1994 (24) et 1996 (25). il s'agit de l'adamantylation directe du calix[4]arène
avec une variété d'hydroxyadamantanes dans le mélange p-xylènelacide trifluoroacétique
(figure 1.4). il semble d'après ces résultats que l'utilisation d'un acide très fort limiterait
la o-alkylation au profit de la c-alkylation.
8
50-55 oC, p-xylène
Figure 1.4 - Équation de la réaction d'adamantylation du calix[4}arène.
Ces méthodes bien qu'ayant connu un relatif succès présentent des difficultés de mise en
oeuvre quand il s'agit du calix[4]arène. Pour cette raison, on a été conduit à développer
des méthodes de substitutions indirectes. Il s'agit dans un premier temps d'introduire une
fonction très réactive en para du groupe hydroxyle puis dans un deuxième temps,
d'effectuer des réactions sur cette fonction pour accéder à toute une série de nouveaux
composés. Il faut pour cela faire un choix judicieux des différents substrats.
1.4.2 . Substitutions électrophiles indirectes
a) Chlorométhylation
La réaction du calix[4] arène avec le chlorométhyloctyléther en présence de SnCl4
conduit à 80% de p-chlorométhylcalix[4]arène (26). Ce dernier peut subir différentes
substitutions pour conduire à des délivés du calix[4]arène difficilement accessibles par la
voie classique. La tigure 1.6 et le tableau 1.1 rendent compte des résultats obtenus.
Toluène ou Phénol
Figure 1.6 - Schéma de la chloromérhylation.
9
Réactifs
R
Catalyseur
Solvant
Rendement
LlA1H4
H
THF
83%
CH3L1
CH3
DME
35%
Benzène
CaHs
Benzène
50%
Mésitylène
C9H11
Mésitylène
60%
2,6-dlméthylphénol
CaHgO
Chloroforme
30%
Tableau 1.1 - Conditions opératoires et résultats.
b) Quinone méLhylidène
La p-quilJone méthylidène est ootenue par une réaction de Mannich (27). Ce
composé, du fait de sa grande réactivité, est facilement transformé par des réactions
approptiées comme le montre la ligure 1.7.
• z. NM~
HCIIO
Nu
1Nu
a
Nu Il CN. R. H
r
Nu • ClI(CO.El)h R. H
@j b Nu..OCII.,R.H 1 N••C'(NO.JCO.D.R.H
~N
c
Nu .. N
b
J,
R. H
N•• N~. R.B
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Nu Il H. R. H
N• • Of, R. SO.C.B.a r
e
Nu =SEI. R .. ri
J Na Il Of, Ra so.c.n.cII J
FiRure J.7 - Schéma de Ja !orl1lflfiol1 de la p-qllil1(}l1e mérhvlidè1le.
10
c) Réanangement de Claisen
Le calix[4]arène est d'abord transformé en tétraallyléther. Ensuite par chauffage
dans la N,N-diéthylaniline, le p-allylcalix[4] arène est obtenu avec un rendement de 75%.
Le p-toluène sulfonate de ce dernier composé conduit par des réactions
appropriées à divers composés représentés par la fïgure 1.8 (28-29) .
..
j
R
R
R= CH 2CHO,
CH2CH20H
CH2CH2NH2 CH2CH2N3
CH2CH2CN 2 CH2CH2Br
CHO
CH=NOH
Figure 1.8 - Schéma réactionnel du réa rrangement de Claisen.
1.S . Réactivité des calixarènes à l'état solide
La réactivité des calixarènes à l'état solide a été très peu étudiée. Une telle étude
semble pourtant potentiellement intéressante parce que ces composés sont en général peu
solubles dans les solvants organiques usuels et ont des points de fusion élevés. Une
réaction à l'état solide pourrait dans ce cas présenter des avantages certains. Il faut
cependant noter qu'une étude de chloration des calixarènes à l'état solide a été réalisée au
laboratoire dans le cadre d'un travail de thèse (30). Ce travail s'inspire d'une étude
similaire portant sur les phénols (31). Les résultats montrent que les calixarènes
réagissent à l'état solide vis à vis d'un électrophile tel que le chlore à raison de 2 ou 3
Il
chlores par unité phénolique. Les composés obtenus sont des macrocyc1es constitués de
cétones polychlorées, de p-cyc1ohexadiénones mais aussi d'alcools. il a été établi que la
nature des produits formés dépend des groupes alkyles présents en position para du
groupe hydroxyle. Les auteurs ont également montré que la chloration du calix[6]arène, à
l'inverse des autres calixarènes dépend étroitement de l'état d'organisation du solide.
Réactif à l'état amorphe, il est inactif à l'état cristallisé. En solution, la vitesse de réactivité
des calixarènes vis à vis du chlore gazeux est très supérieure à celle de l'état solide. Mais
les produits formés dans les deux cas restent les mêmes.
12
CHAPITRE 2
PLANS D'EXPÉRIENCES
13
2.1- Intoduction
Les plans d'expériences regroupent un ensemble de méthodes et d'outils
statistiques permettant d'étudier un quelconque phénomène de façon méthodique,
cohérente et d'en exploiter les résultats. Le mot expérience qui renvoie à l'aspect
expérimental indique que l'expérience est la seule façon d'obtenir des informations non
disponibles, ou inexistantes. D'une façon générale, que ce soit dans les sciences
expérimentales classiques (physique, chimie etc.) ou dans les sciences humaines et
économiques, les systèmes subissent dans leur évolution, l'influence de facteurs tant
extérieurs qu'intérieurs. Pour étudier l'ensemble de ces facteurs, il est souvent nécessaire
de prendre en compte des critères de coût, de fiabilité, de délai, etc. Cela implique la
recherche d'un compromis entre les points suivants:
- Parcourir l'ensemble du domaine expérimental.
- Faire le minimum d'expériences.
- Minimiser la durée de l'étude (délai).
- Minimiser les coûts.
Les plans d'expériences permettent de résoudre ce problème de façon
satisfaisante. Ils prévoient l'élaboration de plans à deux niveaux (inférieurs et
supérieurs). Les aspects mathématiques sont volontairement omis dans ce chapitre.
2.2 - Démarche
Le premier pas consiste à effectuer une recherche exploratoire. Il s'agit de faire
une bibliographie exhaustive sur le sujet afin de définir le meilleur domaine possible et
l'ensemble des facteurs susceptibles d'avoir de l'int1uence.
Le deuxième pas consiste en un travail de criblage des facteurs retenus pour
déterminer ceux qui ont réellement de l'int1uence. On utilise généralement une matrice
d'Hadammard H de taille N. C'est une matrice ne possédant que les éléments -1 et +1.
Elle satisfait à la condition H'H = NIN ( H' matrice transposée de H, IN matrice identité
de taille N). C'est à dire que la variance de l'expérimentateur mj est telle que l'on ait Var
(mj) = cr2/N U = 0, 1, 2,
k objets à peser), cr étant l'incertitude sur une réponse Y
étudiée. Ces matlices sont fabriquées selon la méthode de Plackett et Burman (32). Pour
pouvoir comparer, les poids des paramètres (variables indépendantes), il n'est pas
commode d'utiliser les variables naturelles (température, rapports molaires, ... ) dont les
valeurs numériques dépendent des unités. On préfère utiliser les valiables centrées
réduites ou variables codées dont l'Oligine est au centre du domaine.
14
Le passage de l'une à l'autre se fait à l'aide de la fOlmule générale suivante:
x·· = variable codée j pour l'expéIience i
U
.
Uij =valeur de la valiable naturelle j à l'expérience i
Uoj = valeur de la variable j au cent.re du domaine
~ Uj =pas de valiation de la vmiable nat.urelle
Après avoir dét.elminé le nombre de fact.eurs à ét.udier et. la nature des interactions
à examiner. il convient de savoir quelle serait. la plus petite mat.rice que l'on peut. réaliser
pour mener l'étude. On dispose de plans factoriels complets 2k pour k fact.eurs. Ces
mat.Iices fact.Olielles sont constituées d'éléments +1 ou -1. Elles permettent. de prendre en
compt.e des effet.s d'interactions des différents fact.eurs. donc d'avoir une meilleure qualité
de l'information. Ce modèle synergique va permettre de définir pour k fact.eurs. 2k
coefficients calculés selon la méthode des moindres carré et d'établir l'équation du vect.eur
réponse Y du phénomène étudié.
Ces matIices présentent de nombreux avant.ages mais comme on peut. s'en rendre
compt.e. le nombre d'expéliences peut. t.rès rapidement devenir impol1ant. s'il y a plusieurs
fact.eurs à étudier. D'où l'introduct.ion des matrices factorielles fractionnaires 2k-r. Elles
permettent de faire soit la moitié 2k-l soit. le quart. 2k-2 et.c. d'une factorielle et. d'accéder
non sans Iisque aux mêmes infOlmations (33-34).
L'expéIimentateur est parfois amené à rechercher la possibilité de prévoir en tout.
point. du domaine expéIimental. la valeur de la réponse. Il lui faut. pour cela effect.uer une
modélisation empirique de la réponse. Il dispose ent.re aut.res. de mat.rices composit.es.
équiradiales et. de réseaux de Dolhert. (35). Ce sont. des modèles du second degré
permettant. de définir les coefficient.s BO. Bi. Bijk et. Bii. donc d'écrire comme
précédemment. l'équation du modèle:
Un tel modèle. s'il est. validé. va être utilisé à des fins prévisionnelles pour le t.racé
de courbes d'isoréponses (lieu des point.s du domaine expériment.al où la réponse est. la
même). pour le calcul de réponses théoriques en tout point. du domaine expériment.al et.
pour définir un meilleur compromis dans le cas où plusieurs phénomènes sont. étudiés ou
ont. lieu en même t.emps.
15
Le problème peut se poser en d'autres termes. Par exemple, on peut privilégier la
recherche de conditions expérimentales correspondants à un optimum (maximum ou
minimum). On est alors amené à effectuer une optimisation. La méthode du simplexe (36)
permet d'y parvenir de manière purement expérimentale, sans modélisation. Ici, chaque
nouvelle expérience, exception faite de celles constituants la matrice de départ, est
déterminée à partir de l'analyse des résultats précédents. L'algorithme de base consiste à
réaliser un essai en un point symétrique de celui où la réponse est la plus mauvaise, par
rapport au centre de gravité des autres points. Cette méthode implique le choix d'un
critère de décision unique: ce peut être une réponse déterminée ou une "fonction objectif'
prenant en compte simultanément plusieurs réponses. La formule générale de calcul des
coordonnées du nouveau point, symétrique du point éliminé par rapport au centre de
gravité des points conservés du simplexe, est la suivante:
XjM' =2/k (L Xiz) - XiM,
avec Z variant de 1 à k+ 1 mais différent de M
-On appelle Xiz la ième coordonnée du point Z
-M' est le symétrique du plus mauvais point éliminé M
-K est le nombre de facteurs
2.3 . Conclusion
Les plans d'expériences que nous venons de survoler sont un élément clé de la
recherche. Il ne constituent pas cependant, une fin en soi. Il contribuent à mettre en
évidence, des phénomènes auxquels l'expérimentateur devra donner une signification. Il
est donc indispensable que celui-ci et l'outil d'investigation forment un couple cohérent.
16
RÉACTIONS D' ALKYLA TION
17
CHAPITRE 1
ISOPROPYLATION DE PHÉNOLS EN MILIEU
HÉTÉROGÈNE
EN PRÉSENCE DE Mx(S04)y/y-AI203
18
1.1 - Isopropylation du métacrésol
1.1.1- Introduction
La synthèse du n-thymol par alkylation du métacrésol a été décrite dans la
littérature par de nombreux auteurs. L'alkylation peut être réalisée en solution par le
propène, le chlorure d'isopropyle, l'isopropanol et le diisopropyléther (37), en phase
liquide sous pression avec le propène (38-39). Les catalyseurs les plus utilisés sont des
oxydes: aluminium, thorium, tungstène, calcium (37), des hydroxydes calcium (40), des
sulfates métalliques mélangés à la y-alumine (38-39). Les températures préconisées se
situent entre 250 et 400 oc.
Les alkylations du métacrésol par le propène décrites dans la littérature sont
généralement
réalisées
sous
pression
pour
être
dans
des
conditions
thermodynamiquement favorisées. Industriellement, il serait intéressant de pouvoir
travailler à pression atmosphérique. A notre connaissance, seuls deux travaux concernant
l'isopropylation du métacrésol à pression atmosphérique en présence de y-alumine ont été
mentionnés (41-42). Ces travaux bien qu'apportant des informations intéressantes,
présentent des résultats qui nous semblent contradictoires. En effet dans l'un, les auteurs
observent qu'en présence de l'alumine seule, il n'y a pas de transformation du
métacrésol, tandis que l'utilisation de sulfates métalliques supportés sur y-alumine permet
une transformation plus ou moins importante. Dans l'autre travail publié par ces mêmes
auteurs, ils observent que la y-alumine seule permet une transformation du métacrésol
d'environ 70% et une sélectivité en n-thymol de 90%. Aussi avions nous effectué dans
les conditions décrites, la réaction avec différentes y-alumines. Les résultats obtenus
montrent que dans ces conditions les alumines ne présentent pas d'activité catalytique
propre conformément au premier travail qu'ils ont effectué. Il faut également souligner le
fait que les auteurs n'ont pas pris en compte les produits diisopropylés qui, comme nous
allons le montrer, peuvent dans certaines conditions se former de façon importante. Cela
conduit à des sélectivités surestimées.
Nous poursuivons un double objectif dans ce chapitre. Le premier est de
determiner à pression atmosphérique, condition thermodynamiquement défavorable,
l'influence du catalyseur sur la sélectivité en n-thymol. Le deuxième objectif est d'étudier
le comportement de ce catalyseur dans des conditions de réactivité variable pour en
déterminer les conditions optimales d'activité en vue de son utilisation pour effectuer des
réactions d'alkylations sur les calixarènes. Pour ce faire, notre expérimentation a été
structurée à l'aide de plans d'expériences (33-34-35-36) . Le choix du métacrésol tient au
fait qu'il peut conduire au n-thymol, produit industriel particulièrement intéressant. TI est
en effet recherché pour ses applications, en pharmacologie, parfumérie, comme additif,
comme précurseur du menthol, etc.
19
Nous avons choisi un système de catalyse hétérogène avec un catalyseur à base de
sulfate métallique (38-39). La réaction de l'alkylation du métacrésol 1 n'est pas
univoque. Si elle conduit essentiellement au n-thymol 2, elle s'accompagne de la
formation de produits secondaires qui sont par ordre d'importance décroissante: le
métathymol 3, le 4,6-diiso-propyl-3-méthylphénol 4, le parathymol 5 et le thymol vicinal
6 (figure 1.1).
OH
OH
ff +
2
M.(SO.)y!"tAI 20 3
..
OH
OH
Chauffage
4
6
6
Figure 1.1 - Composés obtenus par alkylation du rn-crésol.
1.1.2 • Conditions expérimentales
Méthode d'analyse
a) - chromatographie en phase vapeur
Le brut réactionnel isolé est dissous dans 10 mL d'éther éthylique puis analysé par
chromatographie en phase vapeur. La colonne utilisée est une av 1701 capillaire
GIRDEL 25 m x 0,32 mm avec une phase immobilisée, avec un détecteur à ionisation de
flamme. Les conditions d'analyses sont les suivantes:
- programmation de la température
70 - 180 oC à 2 °C/mn
- atténuation
8
- pression
N2
0,8 bar
H2
1 bar
Air
0,8 bar
b) - Étalonnage interne
La chromatographie en phase vapeur implique l'utilisation d'un étalonnage
interne. Il s'agit de comparer individuellement chacun des pics à évaluer au pic d'une
20
substance étalon convenablement choisie. Le pic de cet étalon ne doit se superposer à
aucun des pics des produits à analyser. Il est également souhaitable qu'il ne soit pas
excentré par rapport à leur domaine de rétention. De tous les essais successifs effectués
avec différents composés, il s'avère que le p-Iert-butylphénol est un étalon interne
convenable pour la détermination des différents coefficients KiJe. Il se solubilise très
facilement dans l'éther et remplit les conditions précédemment soulignées.
c) - Dételmination des KiJe
m
=>
masse pesée
Mi
=>
masse molaire du produit i
A
=>
aire donnée par l'intégrateur
k
=>
coeflicient
étalon
=>
me = ke Ae
composé
=>
mi = kj Aj
En faisant le rapp0I1 et en posant ke = 1, on dételmine :
k. - mi Ac
Ile -
mcAj
En traçant la courbe m/me = f (A/Ae) on doit avoir une droite dont la pente est
égale au coefficient Kj/e .
Nous avons préparé une solution contenant des quantités connues des substances
à étudier et d'étalon. Le tab leau 1.1 représente les quantités utilisées pour préparer la
solution de base. Le volume d'éther éthylique étant fixé à 10 mL. Il suffit d'ajouter
ensuite chaque fois une quantité définie d'étalon pour faire vaIier le rapport m/rne et par
conséquent le rapport A/Ae. Nous avons choisi d'ajouter chaque fois à cette solution de
base, 0.1 g d'étalon
COMPOSES
MASSE Üü
rn-crésol (CR)
0,1032
thymol vicinal (TV)
0,1003
N-thymol (NT)
0,1002
p-Ien-butylphénol (TBP)
0,1001
métathymol (Mn
0,1002
parathymol (PT)
0,1009
diiso-propyI4.6-crésol (OP)
0.1008
Tableau 1.1 - Qual1li1é des d(fférel1ls produ ils lililisés pour préparer la solulion de base.
21
Les différents coefficients représentés dans le tableau 1.2 ont été détenninés en
calculant les pentes des courbes rn/me =f (A/Ae) des figures 1.2 à 1.7.
Kcrésol
Kvicinal
Kn-thymol
Kméta
Kpara
Kdiiso
1,32
0,975
0,939
1,062
1,048
1,029
Tableau 1.2 - Récapitulatif des coefficients Kile.
Calcul des nombres de moles ni
Remarque:
Lors de la réaction, il se fonne un certain nombre de composés (5) en quantité très
faible. Il est cependant important de les prendre en compte dans les bilans. Le couplage
CG-MS montre que ces produits sont des isomères du diiso-propyl-4,6-méthyl-3-phénol.
Nous avons donc supposé que tous ces isomères ont le même coefficient Ki/e et nous
constatons par ailleurs que la moyenne des Ki/e est sensiblement égale à celui du diiso-
propyl-4,6-méthyl-3-phénol.
Représentation de mi~ en fonction de Ai/~
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
O-F---+----f----+----II------1
0,2
0,4
0,6
0,8
°
Figure 1.2 - rn-crésol
22
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 + - - - - + - - - - + - - - - + - - - + - - - - - 1
0,2
0,4
0,6
0,8
°
Figure 1.3 - Thymol vicinal
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
O-F----+----+----+-----ir------;
0,2
0,4
0,6
0,8
1
°
Figure 1.4 - n-Thymol
23
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
O-F-----l----4----+------lf------I
0,2
0,4
0,6
0,8
°
Figure 1.5 - métathymol
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
04L----+-----4---~---1------1
0,2
0,4
0,6
0,8
°
Figure 1.6 - parC/Thymol
24
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0, ,
o+-----+-------ir-----+-----+-----I
0,2
0,4
0,6
0,8
°
Figure 1.7- 2.4-diiso-propyl-5-méthylphénol
d) Temps de rétention des différents composés
Les chromatogrammes obtenus lors de la détermination des Ki/e nous ont pennis
de déterminer les temps de rétention des composés fOlll1és lors de la réaction.
produit
crésol
vicinal
n-thymol
étalon
méta
para
diiso
temps (s)
850
1250
1350
1525
1575
1625
2040
~t
10
50
50
25
25
25
10
Tableau 1.2 - Récapitulatifdes temps de rétention.
1.1.3 - Préparation du catalyseur contenant 20% de Mx (S04)y
La préparation du catalyseur utilisé (sulfate de nickel et de "(-alumine) est dérivée
de celle décrite par Thor (38-39). Le sulfate dissous dans un minimum d'eau est ensuite
mélangé à la y-alumine sous agitation mécanique. La pâte qui en résulte est d'abord
séchée à l'étuve à 100 oC pendant 10 heures, puis calcinée à 450-500 oc. Le solide
résultant est réduit en poudre fine puis stocké à l'abri de l'humidité de l'air.
25
1.1.4 - Modes opératoires
La réaction est conduite dans un réacteur tubulaire à lit fIxe placé dans un four à
régulation électronique. Le réacteur a été décrit dans des travaux antérieurs (43) et son
schéma est donné en annexe A-l. La montée en température se fait sous balayage d'azote
jusqu'à la valeur désirée. Le métacrésol est envoyé dans le réacteur avec un débit fIxe par
un pompe à seringue. Il est vaporisé puis entraîné par le propène à travers le lit catalytique
constitué, soit du catalyseur seul, soit d'un mélange catalyseur/quartz (poudre de cristal
de roche). Les produits formés sont piégés par condensation dans un bain de glace puis le
brut réactionnel ainsi isolé est analysé par chromatographie en phase gazeuse.
Les réponses étudiées sont le taux de transformation TI 1 du métacrésol 1 et la
sélectivité Si en chacun des produits. Étant donné que nous ne pouvions pas
systématiquement quantifier les produits retenus sur le catalyseur, la quantité de
métacrésol réellement engagée dans la réaction est calculée à partir des produits isolés, il
en résulte le mode de calcul suivant:
Si =
nombre de moles du composé i
= 100 nI'
nombre de moles de crésol transformé
L n(
TI =
L nombre de moles des produits i
=
nombre total de moles récupérées: crésol + produits i
ncrésol + L n(
Il a été vérifIé que ncrésol + L ni est sensiblement égal à ncrésol initial.
ncrésol et ni sont respectivement les nombres de moles de crésoll non transformé
et de chacun des produits i formés, rapportés à lOOg de mélange réactionnel isolé: ni =ti /
Mi avec ti = % massique chromatographique et Mi = masse molaire du produit i.
1.1.5 - Recherche exploratoire et criblage des facteurs
La première phase de l'étude a consisté à sélectionner, parmi les sulfates
métalliques envisageables, les deux catalyseurs qui présentent le plus grand intérêt
potentiel. La seconde phase a concerné le criblage des quatre facteurs que nous avons
retenus comme étant susceptibles d'avoir de l'influence.
a) Activité du catalyseur en fonction du métal
Les sulfates métalliques déposés sur de la y-alumine sont connus pour orienter
l'alkylation en ortho de l'hydroxyle phénolique (39). Nous avons étudié la sélectivité vis
26
à vis de la fonTIation du n-thymol en fonction du métal (Ni, AI, Mg, Fe, Mn et Cu) afin
de déterminer les deux qui présentent le plus d'intérêt. Les conditions expérimentales
sont les suivantes:
Température = 280 oC, rapport molaire propène/crésol = 6, le lit catalytique étant
constitué par 9 g de catalyseur. Les résultats sont représentés de manière graphique dans
la figure 1.8 (les numéros des produits correspondent à ceux de la figure 1.1).
Sélectivité
60
50
• 2
40
l1li 3
30
!lm 4
20
ŒIl 5
D 6
10
0
Ni
Nature du métal
Figure 1.8 - Sélectivités en jonction de la nature du métal du catalyseur.
Cette figure penTIet de classer les catalyseurs en deux groupes. Fe, Ni, Al sélectifs
en ortho et Mg, Mn, Cu sélectifs en ortho et en méta du groupe hydroxyle. On
remarquera qu'à l'exception du nickel, le premier groupe est constitué de métaux de degré
d'oxydation +3 et le deuxième groupe de métaux de degré d'oxydation +2. Le rôle du
métal est cependant assez mal connu mais sa présence accroît considérablement l'activité
du catalyseur (39) en comparaison avec l'alumine-y utilisée seule. D'une façon générale si
l'on choisit comme clitère l'activité du catalyseur, on peut faire le classement suivant:
Fe> Ni > AI > Mg > Mn > Cu. Les catalyseurs les plus intéressants sont le sulfate de fer
et le sulfate de nickel.
b) Cliblage des facteurs
Il s'agit d'estimer les effets des facteurs retenus grâce à un modèle polynomial
simple (du premier degré) : si on désigne par Y une réponse mesurée, comme une
sélectivité par exemple et par Xi les facteurs expéIimentaux (explimés en vaIiables codées
entre -1 et +1) que l'on fait varier dans l'expérimentation, on a:
y = bO + L biXi oLI bO est un effet moyen et bi est l'effet du facteur Xi.
27
Dans une première phase, nous avons choisi d'étudier les effets de la température
de réaction (Xl), de la nature du catalyseur (X2), du rapport molaire propène/crésol (X3)
et de la quantité de catalyseur (X4). Le domaine expérimental retenu est décrit dans le
tableau 1.4 (les facteurs expérimentaux exprimés en variables naturelles sont identifiés
par Ui).
UI
Température (OC)
260
300
U2
Nature du catalyseur (S04--)
Fe
Ni
U3
Rapport molaire propène/crésol
3
5
U4
Quantité de catalyseur Cg)
6
9
Tableau 1.4 - Facteurs expérimentaux et domaines de variation retenus.
Notre expérimentation est structurée selon une matrice factorielle fractionnaire
matrice 24- 1 de générateur 1=1234. Le générateur est une combinaison de colonnes qui a
la structure du vecteur identité, c'est à dire le vecteur constitué d'éléments +1. Dans notre
cas, nous n'avions aucune idée précise concernant les éventuelles interactions. On sait
cependant que les interactions d'ordre 2 sont faibles en comparaison avec celles d'ordre
1. Il faut donc éviter les biais entre effets principaux et interactions d'ordre 1. De ce fait,
nous avons choisi de remplacer la colonne résultant du produit des trois premières
(X1X2X3) par X4. On a donc X4 =X1X2X3, d'où le générateur 1 = 1234. Il en résulte
la matrice d'expérience, tableau 1.5. Les résultats obtenus (Si = sélectivité en composé i,
TIl =taux de transformation du métacrésol) sont décrits dans le tableau 1.6.
Essais
Xl
X2
X3
1
2
+
+
3
+
+
4
+
+
5
+
+
6
+
+
7
+
+
8
+
+
+
+
Tableau 1.5 - Matrice d'expériences.
28
Essais
VI
V2
V3
V4
52
53
54
TT1
1
260
Fe
3
6,0
44,2
10,0
25,7
66,4
2
300
Fe
3
9,0
44,4
31,6
8,9
56,0
3
260
Ni
3
9,0
25,3
26,0
21,9
91,0
4
300
Ni
3
6,0
36,4
37,5
7,5
60,0
5
260
Fe
5
9,0
37,9
19,4
22,1
97,6
6
300
Fe
5
6,0
42,2
33,6
7,2
52,1
7
260
Ni
5
6,0
32,3
22,7
22,3
88,1
8
300
Ni
5
9,0
27,0
47,5
5,6
67,9
9
280
Fe
4
7,5
42,2
27,4
12,6
61,6
10
280
Ni
4
7,5
32,6
35,0
12,1
81,3
Tableau 1.6 - Plan d'expérimentation et résultats.
Le calcul des coeflicients du modèle postulé, pour chacunes des réponses, conduit
aux résultats reportés dans le tableau 1.7.
Effets
52
53
54
TT1
Effet moyen
36,2
28,5
15,1
72,4
Température
1,3
9,0
- 7,8
-13,4
Nature du catalyseur
-5,9
4,9
-0,8
4,3
RapP0l1 mol. propène/crésol
-1,4
2,3
-0,9
4,0
Quantité de catalyseur
-2,6
2,6
-0,5
5,7
Tableau 1.7- Effets des facteurs.
L'examen de ces coefficients permet l'analyse suivante des résultats
expélimentaux :
La sélectivité en n-thymol 2 dépend essentiellement de la nature et de la masse du
catalyseur. Les meilleurs résultats sont obtenus avec 6g de Fe2(S04)3 comme catalyseur.
La sélectivité en métathymol 3 dépend plincipalement de la température, puis de la
nature du catalyseur. La formation minimale est obtenue à 260 oC en présence de
Fe2(S04)3·
La sélectivité en 2,4-diiso-propyl-5-méthylphénol 4 n'est contrôlée que par la
température, la formation minimale est obtenue à 300 oC quel que soit le catalyseur.
29
Ces effets confirment l'hypothèse que 4 est un produit cinétique alors que 3 est
un produit thermodynamique.
Le taux de transformation du métacrésol 1 dépend principalement de la
température, en moyenne il diminue de 27% lorsque la température passe de 260 oC à
300°C, puis de la quantité de catalyseur. il augmente en moyenne de Il % quand on passe
de 6 à 9 g de catalyseur. Ces résultats sont en accord avec le fait que la réaction
d'alkylation étant exothermique, L\\H :=:: -80 kJ/mole, elle est thermodynamiquement
défavorisée par une élévation de température. Le catalyseur au fer conduit cependant à un
taux de transformation moins important que celui au nickel.On note en moyenne, une
augmentation de ce taux de l'ordre de 8% quand on passe du fer au nickel.
L'objectif étant de maximiser la sélectivité en n-thymol il est impératif de travailler
en présence de Fe2(S04)3. Pour minimiser la formation des produits secondaires,
compte tenu des effets antagonistes de la température sur les sélectivités en métathymo13
et en 2,4-diiso-propyl-5-méthylphénol 4, le meilleur compromis est de fixer la
température au centre du domaine expérimental (280 OC). L'expérimentation précédente
ne permettant pas d'estimer les effets d'éventuelles interactions, le rapport molaire
propène/crésol et la quantité de catalyseur doivent faire l'objet d'une étude plus fine.
c) Effet de la dilution du lit catalytique par de la poudre de cristal de roche de
granulométrie 0,1-0,5 mm.
Compte tenu du fait que la meilleure sélectivité en n-thymol est obtenue pour la
quantité minimale de catalyseur et inversement que le taux de transformation du
métacrésol est maximum pour la quantité maximale de catalyseur, la notion de temps de
séjour des réactifs dans le réacteur doit se superposer à celle de quantité de catalyseur.
Pour vérifier cette hypothèse, nous avons choisi d'effectuer pour différentes masses de
cristal roche, la réaction en présence de Fe2(S04)3 à 280 oC avec seulement 1,5 g de
catalyseur et un rapport molaire propène/crésol égal à 1,5. Les résultats obtenus sont
illustrés par la figure 1.9. Le choix du cristal de roche tient au fait qu'il est inerte
chimiquement.
30
Sélectivité (%)
8°T
•
70 t
60 •
'.- 2
.-----. ·0- 3
50
40
'.- 4
,o- S
30
_t:.
·A- 6
20
~t:,;---------.t:.-
.t:.- TT
~:;::===:::._=:s;::===~:::=:::==_·:~~~::::~~~~~=~:=:::::~=8
1 0 o--------========:3iiI~C
.-----.A
o +1-----1""1-----t--------r--------jr-------t
o
5
10
15
20
25
Masse de clistal roche (g)
Figure J.9 - Effet de la hauteur du lit catalytique.
Les résultats obtenus valident l'hypothèse de proportionnalité entre le taux de
transfOimation et le temps de séjour qui est contrôlé par la hauteur du lit catalytique: Tf1
varie linéairement avec la quantité de cristal de roche. On peut remarquer dans les
conditions de celle expérimentation que la sélectivité S2 en n-thymol passe par un
maximum (74%) pour lOg de clistal de roche tandis que celle en parathymol passe par un
minimum (5%) dans ces mêmes condiLions. Les auLres sélectivités ne semblent pas vader
significativement en foncLion de la quanLiLé de clistal de roche.
1.1.6 . Optimisation par la méthode du simplexe
Nous avons choisi de plivilégier la sélectivité S2 en n-thymol car indusuiellement:.
un taux de transformation limité n'est pas un handicap s'il s'accompagne d'un recyclage
aisé du réactif, à condiLion que la sélectivité soit très élevée.
Les conclusions de l'étude de criblage nous ont amené à ne faire varier que le
rapport propène/crésol (facteur U3) et la quantité de Fe2(S04)3 (facteur U4), diluée par
10 g de cristal de roche. La température est fixée à 280 oC et le débit d'azote à 15
ml/minute.
Nous avons rassemblé les essais et les résultats dans le tableau 1.8 : les essais 1 à
3 constituent le simplexe de départ, les essais 4 à 7 correspondent à l'évolution du
simplexe selon la sélectivité S2. Le taux de transformation du métacrésol est également
mentionné. La représentation géoméLrique des essais est donnée par la figure 1.10.
31
Essais
U3
U4
S2
TTl
(prop./crésol)
(g FeS04)
1
3,0
6,0
40,0
71,0
2
2,0
6,0
45,0
66,0
3
2,5
4,5
47,3
57,0
4
1,5
4,5
49,0
61,6
5
2,0
3,0
55,0
46,2
6
1,0
3,0
60,0
34,7
7
1,5
1,5
61,8
11,3
Tableau 1.8 - Optimisation de la sélectivité en n-thymol par la méthode du simplexe.
Quantité de catalyseur (g)
2
1
6
4.5
3
6
rapport molaire
1,5
p ropène/crésol
2
3
4
Figure 1.10 - Évolution du simplexe.
Le tableau 1.8 et la figure l.1O confirment les observations précédemment
mentionnées. La sélectivité est d'autant plus grande que le rappOlt molaire et la masse de
catalyseur diminuent tandis que le taux de transformation diminue fOltement dans ces
conditions. Ce simplexe nous permet d'atteindre une zone du domaine expérimental
(essais 6 et 7) assez intéressante. On observe en effet que le point 6 con'espond à un
meilleur compromis entre la sélectivité et le taux de transfOlmation. Il est donc intéressant
de compléter la description du procédé en effectuant une modélisation dans cette zone
d'intérêt par la méthode des surfaces de réponses.
32
1.1.7 - Optimisation et modélisation par la méthode des surfaces de
réponses
L'optimisation par la méthode du simplexe nous ayant permis de définir la zone
d'intérêt, nous avons choisi d'y modéliser la synthèse du n-thymol en fonction de X3
(rapport molaire propène/crésol) et de X4 (quantité de catalyseur), à 280 oC et avec
dilution du catalyseur par 10 g de cristal de roche. Nous avons étudié l'ensemble des
réponses S2, S3, S4, Ss et TIl avec un rapport molaire U3 et une quantité de catalyseur
U4 variant respectivement de 0,4 à 1 et 1,2 à 3,3 g.
Un modèle polynomial du second degré est généralement suffisant pour décrire
les réponses étudiées dans un domaine expérimental peu étendu:
Pour estimer les coefficients de ce modèle avec la meilleure précision possible,
l'expérimentation a été structurée selon une matrice composite, tableau 1.9, comprenant
trois points au centre du domaine. Le plan d'expérimentation et les résultats
expérimentaux ont été rassemblés dans le tableau 1.10. On peut illustrer la continuité des
domaines expérimentaux explorés par la méthode du simplexe et par cette dernière
approche en remarquant que l'essai 4 de cette expérimentation correspond au point 6 de
l'optimisation par la méthode du simplexe.
Essais
Xl
X2
1
-1.00
-1.00
2
+1.00
-1.00
3
-1.00
+1.00
4
+1.00
+1.00
S
-1.41
0.00
6
+1.41
0.00
7
0.00
-1.41
8
0.00
+1.41
9
0.00
0.00
10
0.00
0.00
Il
0.00
0.00
Tableau 1.9 - Matrice composite.
1
i
1·
33
1
l
~ssais
U3
U4
S2
S3
~4
Ss
rrT1
1
0,50
1,50
69,5
2,7
4,6
17,5
6,0
2
1,00
l,50
62,6
6,3
9,2
14,0
20,2
3
0,50
3,00
70,0
8,3
4,3
14,1
12,5
4
1,00
3,00
58,4
8,6
12,2
12,9
38,2
5
0,40
2,25
60,8
9,1
7,7
15,0
23,4
6
1,10
2,25
62,7
5,5
5,6
17,9
11,1
~
0,75
1,19
59,2
14,9
7,2
12,0
32,7
a
0,75
3,31
62,9
9,4
8,9
12,7
27,8
~
0,75
2,25
63,2
10,0
6,5
14,6
20,9
10
0,75
2,25
65,1
11,5
7,0
11,9
24,1
I l
0,75
2,25
65,5
Il,6
5,5
13,0
13,9
Tableau 1.10 - Matrice composite et résultats expérimentaux.
Le calcul des coefficients des modèles postulés, un pour chacunes des réponses,
conduit aux résultats reportés dans le tableau 1.11. Les surfaces de réponses qui en
découlent permettent de décrire complètement le procédé dans la zone d'optimalité.
Coefficients
S2
S3
S4
Ss
TT1
bO
64,60
Il,00
6,30
13,20
19,60
b3
-2,00
-0,15
1, 19
-0,80
2,69
b4
0,19
0,02
0,64
-0,44
2,23
b33
-0,49
-2,68
0,22
1,70
-2,14
b44
-0,84
-0,25
0,92
-0,35
4,14
b34
-1, 18
-0,83
0,83
0,58
2,95
Tableau 1.11 - Coefficients des modèles.
Analyse des résultats
La répétition du point au centre pelmet une estimation de l'écmt type expérimental
pour chacune des réponses: il est d'environ 1,5% pour les sélectivités Si et de 3,5% pour
le taux de transformation. Pour évaluer la qualité prévisionnelle des modèles postulés, il
faut comparer les valeurs expérimentales aux valeurs calculées par les modèles.
34
L'incertitude sur la valeur d'une réponse étant de l'ordre de ± 2cr, tout écart
inférieur à 3% en valeur absolue est donc acceptable pour les sélectivités Si. La
comparaison entre les valeurs expéIimentales et les valeurs calculées est illustrée dans le
tableau 1.12. Nous pouvons constater la bonne qualité prévisionnelle des modèles
obtenus pour les sélectivités.
Essais S2
S2
S3
S3
S4
S4
S5
S5
eXD.
cale.
exp.
cale.
eXD.
cale.
exp.
cale.
1
69,5
63,9
2,7
7,4
4,6
6,5
17,5
15,6
2
62.6
62.3
6.3
8.8
9.2
7,2
14,0
14,3
3
70.0
66.6
8.3
9,1
4.3
6,1
14,1
13,6
4
58,4
60.3
8.6
7.1
12.2
10.1
12.9
14,6
5
60.8
66,4
9.1
5.9
7.7
5,1
15.0
16,7
6
62.7
60.8
5.5
5.5
5.6
8,4
17,9
16,5
7
59.2
62.6
14.9
10.5
7,2
7.3
12.0
13,1
8
62.9
63.2
9,4
10.5
8.9
9,1
12,7
11,8
9
63.2
64.6
10.0
11,0
6.5
6.3
14,6
13,2
10
65.1
64.6
11,5
11,0
7,0
6.3
Il,9
13,2
I l
65.5
64.6
11,6
11,0
5.5
6.3
13.0
13.2
Tableau 1.12 - Qualité prévisionnelle des modèles.
Il n'en est pas de même pour le taux de transformation du métacrésol. En effet, si
la quantification des différentes sélectivités est assez précise dans la mesure où ces
dernières sont directement reliées aux proportions relatives des différents composés
formés. déterminées par chromatographie en phase gazeuse. le taux de transformation du
métacrésol est estimé de manière beaucoup moins précise car il n'est calculé qu'à l'aide de
sa proportion dans le milieu réactionnel isolé. Pour pouvoir faire un bilan massique
complet. il faudrait pouvoir estimer la part de métacrésol dégradé dans la matière plus ou
moins pyrolysée imprégnant le lit catalytique. Or cette estimation est difficile (extraction et
analyse de l'extrait aléatoires). Nous ne retiendrons donc que l'allure générale du
phénomène pour cette dernière réponse car la qualité du modèle obtenu est insuffisante
pour l'utiliser avec précision de manière prévisionnelle.
Dans la limite des remarques précédentes. et à partir des modèles postulés il est
possible de dresser la cartographie de chacune des réponses en fonction du rapport
35
molaire propène/crésol et de la quantité de catalyseur. L'analyse de ces courbes nous
permet d'observer que:
La sélectivité 52 en n-thymol (figure 1.11) est essentiellement contrôlée par le
rapport molaire propène/crésol pour une quantité de catalyseur supérieure à 2,25 g
(X4>0). Elle diminue de 67 à 59% quand ce rapport passe de 0,4 à 1,1 alors que pour
une quantité de catalyseur inférieure à 2,25 g elle est plutôt contrôlée par cette dernière
(d'autant plus que le rapport molaire X3 est plus faible). Dans le domaine étudié, le
modèle postulé prévoit un optimum d'environ 67%.
La sélectivité 53 en métathymol (figure 1.12). est essentiellement contrôlée par le
rapport molaire propène/crésol. Elle passe par un optimum (==10%) pour X3 voisin de
zéro (0.6<rapport molaire propène/crésokO.9).
La sélectivité 54 en 2,4-diiso-propyl-5-méthylphénol (figure 1.13) est contrôlée
simultanément par le rappol1 molaire propène/crésol et la quantité de catalyseur pour une
quantité de catalyseur supérieure à 2,25 g (X4>0). Lorsque les deux variables sont à leur
niveau maximum, le modèle postulé prévoit un optimum d'environ 10%. Une forte
courbure de la surface de réponse apparaît quand la quantité de catalyseur est inférieure à
2,25 g.
La sélectivité 55 en parathymol (figure 1.14) présente une nette zone minimale
pour un rapport molaire propène/crésol voisin de 0,75 (X4=O), minimum d'autant plus
grand que la quantité de catalyseur est plus imp0l1ante (== 12% pour 3,3 g de catalyseur).
On remarquera que l'essai 5 (ratio = 1,1 et masse catalyseur =2,25 g) permet d'obtenir
une sélectivité de 18%. Ce qui montre que dans certaines conditions, il est possible
d'augmenter l'orientation en para du groupe hydroxyle. Ce résultat est intéressant dans la
perspective de l'isopropylation du caIix[4]arène.
La zone de transformation maximale du métacrésol (figure 1.15) est observée
lorsque les deux variables sont à leur niveau maximum, le modèle postulé prévoyant un
optimum d'environ 33% (expélimentalement nous avons obtenu 38%). En comparant les
courbes d'isoréponses de la sélectivité 52 en n-thymol et du taux de transformation du
métacrésol on observe bien le comportement antagoniste des deux réponses: la sélectivité
est d'autant plus élevée que le taux de transfOlmation est plus faible. Cette tendance a été
déjà observée avec le simplexe, ce qui confilme la continuité du domaine d'étude.
36
1,5 J.::::~~
l ,5 -J----!~-=--....L;:~I-,4.II=~....:......:..~
0.4
1.1 Uj
0,4
0,75
1,1 Uj
1
Figure 1.11 - Sélectivité en n-thymol S2
Figure 1.12 - Sélectivité en m-thymol S3
U4
3
""P'-~-r---r---r-=~t>a::::::::::------;
1.5 .J----...::::::::::..+,4-=:::;;""..-~:.-__l
'.5 -t---l..LL...L..!...::::!~h4=:::::"_~.L.IW-I
0.4
0.75
1.1 Uj
0.4
0.75
1,1 Uj
,
Figure 1.13 - Sélectivité en 2,4-diiso-propyl-5-méthylphénol S4
Figure 1.14 - Sélectivité en p-thymol S5
37
1.5 -j-------=---"'=-<h'l-=::::L....--:z...--'O'
0.4
0.75
1.1 U3
1
Figure 1.15· Taux de transformation du rn-crésol TTI
J
1
1
ff
1.1.8 • COllclusioll
1
Le catalyseur sélectionné privilégie bien l'alkylation en OItho puisque quelles que
1
soient les conditions expérimentales le n-thymol demeure le produit majoritaire. Si la
t
température est supélieurc à 280 oC, le métathymol, produit thennodynamique se forme
1
de façon importante, alors que si elle est intërieure à 280 oC, c'est le 2,4-diiso-propyl-5-
méthylphénol qui est favOlisé.
1
A la pression atmosphérique, il est donc possible en opérant à 280 oC avec
Fe2(S04)3 sur alumine-y comme catalyseur et un rappOlt molaire propène/crésol de 0,5
d'atteindre 70% de sélectivité en n-thymol pour un taux de conversion du rn-crésol de
12%.
Les conditions expérimentales optimales de formation du parathymol sont
obtenues pour un ratio de 1,1 et une quantité de catalyseur à base de Fe2(S04)3 fixée à
2,25 g. Dans la perspective d'une isopropylation du caIi[4]arène, ces résultats sont à
relativiser dans la mesure où le métacrésol ne présente pas une similitude structurale avec
ce composé. Ainsi en sc plaçant dans les conditions optimales précédemment définies,
nous avons envisagé l'isopropylation du 2,6-diméthylphénol, composé présentant une
substitution sur les deux sites en ortho du groupe hydroxyle comme c'est le cas du
caIix[4Jarène.
38
1.2 - Isopropylation du 2,6-diméthylphénol
1.2.1 . Introduction
L'isopropylation du métacrésol nous a pelmis d'étudier toute une série de sulfates
supportés sur y-alumine et d'obtenir d'importantes informations au sujet de la mise en
oeuvre de ces catalyseurs. Concernant la sélectivité en OlthO du groupe hydroxyle, le
sulfate fen'ique s'est montré le plus performant. Par contre nous avons constaté que le
sulfate de nickel permettait d'avoir des taux de transfOlmations plus importants. Il nous
faut cependant examiner ce qui se passe lorsque les positions ortho du groupe hydroxyle
sont substitués comme cela est le cas avec les calixarènes. Pour ce faire nous avons étudié
la réaction de l'isopropylation du 2,6-diméthylphénol, composé pouvant être considéré
comme l'unité phénolique de base d'un calixarène. Le taux de transformation sera
privilégié en remarquant que dans le cas du 2,6-diméthylphénol, il y a peu d'isomères
possibles. Il va sans dire que les problèmes de sélectivité sont moins impOitants que dans
le cas du métacrésol. L'étude de l'isopropylation de ce composé pourrait nous donner des
indications susceptibles d'être appliquées au calix[4]arène. L'équation de la réaction est
donnée, figure 2.1.
OH
OH
OH
'(y
+ft+ OH
+
Figure 2.1 - Équation de la réaction.
1.2.2 - Partie expérimentale
a) Mode opératoire
La quantité de catalyseur préalablement mélangée à lOg de cristal de roche est
disposée dans le même réacteur tubulaire, son schéma est donné en annexe A-2. La
réaction se déroule dans les mêmes conditions que l'essai numéro 6 du tableau 1.11, à
l'exception du catalyseur qui est le nickel au lieu du fer.
Catalyseur
NiS04fy-Al20 3
Masse de catalyseur
2,25 g
Raùo
1,1
Température
280°C
39
Le 2,6-diméthylphénol, produit solide à la température ordinaire, est envoyé sous
cette fonne par le haut du réacteur où il est vaporisé. Le propène arrive également par le
haut du réacteur et le mélange gazeux passe à travers le lit catalytique. Les produits de la
réaction sont condensés dans une recette disposée dans un bain de glace.
b) Résultats
Le brut réactionnel est solubilisé dans de l'éther éthylique puis analysé par
couplage CPV-IR. Les résultats sont représentés dans le tableau 2.1.
composés
4-iso-propyl-2,6-
3-iso-propyl-2,6-
3,5-diiso-propyl
diméthylphénol
diméthylphénol
-2,6-diméthylphénol
sélectivités
83,0%
12,2%
2,9%
Tableau 2.1 - Résultats
Les sélectivités obtenues montrent une orientation préférentielle en para du groupe
hydroxyle, confonnément à ce que l'on attendait. Le taux de transfonnation est de 50%.
La faiblesse de ce taux de transfonnation est probablement liée au temps de séjour des
réactifs dans le réacteur et surtout au fait que la réaction est conduite à pression
atmosphérique. Le chromatogramme de la réaction et les spectres infrarouges de chacun
des produits sont donnés.
1.2.3 • Conclusion
Cette étude nous a pennis de vérifier les hypothèses que nous avons émises
initialement. Nous observons que le catalyseur utilisé pennet d'obtenir sélectivement le
p-iso-propyl-2,6-diméthylphénol. Nous pouvons donc affinner que lorsque les positions
ortho du groupe hydroxyle sont initialement substituées, le catalyseur pennet d'obtenir
sélectivement une orientation en para. Ce résultat nous permet d'envisager
raisonnablement, l'étude de l'isopropylation du calix[4]arène.
40
·:l2i:
o
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o
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41
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J
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'-----1
1"* 000
3600
3200
2BOU
2't 00
2000
1600
1200
BOO
If 00
~AVENU"'IBEA
Figure 2.3 - Spectre infrarouge du p-iso-propyl-2,6-diméthylphénol.
N
co
..~
..
:
..,
ii
lf'l
o
1
~--- ï--- _ .._- , .. ..1'-
1
i
g +==.....L.-+.......====~
1
3600
3200
2BOO
2't00
2000
1600
1200
800
."*000
'too
L-lAVENUMBEA
Figure 2.4 - Spectre infrarouge du m-iso-propyl-2,6-diméthylphénol.
42
j
1
1
1
1
Ut
a
oU
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CD
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III
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a
a1''1000 3600 3200 2BOO 2'100 2000
1600
1200
BOO
'100
l-lAVENUMBEA
Figure 2.S - Spectre infrarouge du 3,S-diiso-propyl-2,6-diméthylphénol.
43
CHAPITRE 2
ISOPROPYLATION DU CALIX[4]ARÈNE PAR CATALYSE
HÉTÉROGÈNE EN PRÉSENCE DE NiS04/'i'AI203.
réaction de l'état solide
44
1
J
2.1 . Introduction
j
i
Les p-iso-propylcalix[n]arènes sont obtenus par condensation du p-iso-
propylphénol en milieu alcalin. Cette méthode de synthèse, si elle conduit facilement à
l'hexamère et à l'octamère cyclique, donne des résultats peu satisfaisants en ce qui
1
concerne la formation du p-iso-propylcalix[4]arène. Gutsche par exemple, décrit un
~
protocole conduisant à ce composé avec un rendement de 10% (44). Ce chapitre a pour
1
objectif de proposer une voie altemative d'obtention de ce composé par isopropylation
directe du calix[4]arène. Ce dernier est facilement obtenu par déterbutylation du p-tert-
butylcalix[4] arène dans le toluène en présence de chlorure d'aluminium avec un
rendement de 80%. Le catalyseur choisi est NiS04/y-A1203. En effet, comme nous
l'avons montré dans les exemples précédents et notamment dans le cas du
2,6-diméthylphénol, il oriente essentiellement en para du groupe hydroxyle quand les
positions ortho sont déjà substituées. Cependant, compte tenu du point de fusion
relativement élevé du calix[4]arène, il apparaît difficile de conduire la réaction en phase
gazeuse. Aussi avons-nous envisagé une réaction à l'état solide en utilisant comme agent
alkylant, le propène. Dans un premier temps la réaction est effectuée à pression
atmosphélique et dans un deuxième temps sous pression.
2.1.1 - Critère de réactioll de l'état solide orgallique
Morawetz a indiqué des clitères qui permettent de savoir si l'on a véritablement
une réaction de l'état solide organique (45). Il s'agit de montrer que l'on a des produits de
réaction différents, ou des vitesses de transfOlmation différentes suivant la modification
cristalline considérée, ou suivant l'état dans lequel se trouve la substance étudiée. Perrin
et Lamartine (46) ont definit des critères plus généraux. Ils considèrent que l'on est en
présence d'une réaction de l'état solide lorsque l'un des réactifs est à l'état solide à la
température de la réaction. Le calix[4] arène ayant un point de fusion de 310 oC, il sera
solide dans les conditions d'étude de notre réaction.
2.1.2 - Méthodes d'allalyses
a) Chromatographie sur couche mince
Elles sont réalisées sur des plaques de gel de silice (0,25 mm) avec un indicateur
fluorescent pour obtenir des informations qualitatives sur l'évolution des réactions.
L'éluant utilisé est un mélange de n-heptane et d'acétate d'éthyle (20/80). Les révélations
se font à l'iode et à l'aide d'une lampe UV (254 nm).
45
b) Chromatographie en phase liquide haute pelfonnance (CLHP)
Le dispositif utilisé est décrit dans des travaux réalisés au Laboratoire de Chimie
Industrielle dans le cadre d'une thèse (47).
c) La RMN du proton tH
1
j
La RMN du proton nous a permis d'avoir des informations tant quantitatives que
qualitatives. Cette technique d'analyse s'avère satisfaisante en ce qui concerne l'étude des
calixarènes.
Les spectres ont été obtenus sur un appareil Bruker AC 200 à 200 MHz et
quelques fois à 300 MHz. Les solvants utilisés sont le DMSO et le CHCl3 deutéré avec le
TMS comme étalon inteme.
d) La RMN du carbone l3C
Cette technique est largement utilisée pour caractélisel' les oligomères phénoliques
cycliques. Elle est parfois complétée par l'emploi de la méthode DEPT qui permet de
mettre en évidence. le type de carbone (quatemaire. ternaire). Elle présente un meilleur
pouvoir de résolution que la RMN tH et permet également une localisation exacte des
différents groupements fonctionnels présents.
Les spectres ont été obtenus sur un appareil de type Bruker AC 200 à 50 MHz.
Les solvants utilisés sont le DMSO ou le CHCl3 deutéré et en présence de TMS.
Les analyses par RMN 1H et l3C ont été réalisées au service de RMN de l'École
Supélieure de Chimie Industtielle de Lyon.
e) Les spectres de masse
Les spectres de masse ont été réalisés au laboratoire de spectrométrie de masse,
Service central d'analyse. CNRS. Solaise. France. Nous avons essentiellement utilisé les
techniques FAB et électrospray. Ces méthodes du fait de la faiblesse des champs utilisés
entraînent très peu de fragmentations. Elles peuvent donc servir à identifier des produits
dans un mélange.
46
2.2 - Partie expérimentale et résultats
+
Figure 2.1 - Équation de la réaction.
2.2.1 • Réaction à
pression atmosphérique
a) Mode opératoire
{Jn mélange de 500 mg (1.18 mmoles) de calix[4]arène et de 1.5 g de catalyseur
est broyé de façon à obtenir une poudre parfaitement homogène. Cette poudre est
disposée dans un réacteur tubulaire (43) à lit fixe. La réaction s'effectue à 250 oC sous un
débit de propène de 50 mUmin pendant 3 heures. Les produits organiques sont extraits
au chloroforme à chaud. Après évaporation du solvant, le brut réactionnel est lavé à
l'éther éthylique. Il en résulte un solide rose qui est analysé par la RMN du proton
(figure 2.2).
b) Analyse des résultats
L'examen de la figure 2.2 permet de constater qu'il ya une transformation assez
limitée, environ 20%. La question est de savoir si ce produit est uniquement constitué de
p-iso-propylcalix[4]arène ou s'il y a également des produits d'isopropylations partielles.
Pour ce faire nous utilisons l'éluant acétate d'éthyle, n-heptane (20/80) qui permet de
distinguer chacun de ces produits. Les résultats montrent que nous avons le mélange de
tous les produits partiellement isopropylés, particulièrement, le diisopropylé. Cela est
probablement dû au fait qu'il présente moins d'encombrement stérique. TI est cependant
impossible de les séparer par chromatographie flash car les différences de Rf sont
inférieures à 0,2. Ces résultats sont plus ou moins attendus si on se réfère aux travaux
réalisés sur l'isopropylation du métacrésol (38-39) où il est observé en effet que la
réaction conduite à pression atmosphérique, permet d'obtenir des taux de transformation
du métacrésol nettement moins importants que dans le cas où elle est conduite sous
pression de propène. Il nous faut donc envisager la réaction sous pression de propène.
47
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1
1
n
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••
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J '.
1.1
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1.1
Figure 2.2 - Spectre RMN du produit de départ et du produit isolé.
48
2.2.2 • Réactioll sous pressioll de propèlle
Pour mener cette étude. nous avons choisi de faire varier quatre facteurs
susceptibles d'avoir de l'intluence sur la réaction. Pour ce faire. nous avons réalisé un
plan d'expérience. La nature des facteurs et leur niveau de variation sont représentés dans
le tableau 2.1. Le plan d'expérience (tableau 2.3) résulte d'une matrice factorielle
fractionnaire (tableau 2.2) de générateur 1 =234.
La température valie de 210 oC à 250 oC pour permettre d'une part de rester dans
les limites d'activité maximum du catalyseur (peu actif en dessous de 200 OC) et d'autres
part pour que le calixarène de dépalt et le produit de la réaction restent à l'état solide.
En ce qui concerne les valeurs de la pression. le maximum est fixé à 8,5 105 Pa
qui est la pression de la bouteille de propène. Le vide est préalablement effectué dans le
réacteur, schématisé en annexe A-3, avant de le charger de propène. Le temps de réaction
1
et le ratio sont fixés en tenant compte des précédents résultats.
Facteurs
Niveau infétieur
Niveau supérieur
Température
VI
210°C
250°C
Pression de propène
V2
5,5 105 Pa
8.5 105 Pa
Temps de réaction
V3
3h
6h
Ratio cata/calix
V4
2
4
Tableau 2.1 - Domaine expérimental.
Essais
Xl
X2
X3
X4 =X2X 3
1
+
2
+
+
3
+
4
+
+
5
+
6
+
+
7
+
+
+
8
+
+
+
+
Tableau 2.2 - Man'ice d'expérience.
49
Nous obtenons le plan d'expérimentation et les résultats suivants:
Essai
Température
Pression
Rapp0l1
Durée
rendement
(OC)
(105Pa)
massique
(h)
brut (%)
1
210
5,5
2
6
85
2
250
5,5
2
6
32
3
210
8,5
2
4
76
4
250
8,5
2
4
61
5
210
5,5
4
4
70
6
250
5,5
4
4
57
7
210
8,5
4
6
65
8
250
8,5
4
6
23
Tableau 2.3 - Plan d'expérimentation et résultats.
Les coefficients sont estimés selon la méthode des moindres can·és. Ce mode de
calcul conduit aux valeurs suivantes: BO =58,5; BI =-15,5; B2 =-2,4; B3 =-7,4;
B4 =-4,8.
Ce qui pelmet d'écrire l'équation du modèle:
y= 58,5 + (-15,5)U 1 + (-2,4)U2 + (-7,4)U 3 + (-4,8)U4
Ces coefticients pelmettent de classer les facteurs en deux groupes. Ceux qui sont
très influents (température et durée de réaction) et ceux qui sont peu influents (pression de
propène et rapport massique catalyseur/calix[4]arène).
Lorsque la température passe de 210 oC à 250 oC, le rendement brut diminue de
31 %. Ce qui est en accord avec l'exothelmicité de la réaction d'isopropylation.
Lorsque la durée de la réaction passe de 4 heures à 6 heures on assiste à une
baisse du rendement brut d'environ 15%. Cette baisse est essentiellement due à
l'augmentation des phénomènes de cokéfaction entraînant une diminution de la masse de
produit solide brut obtenu.
Le rapport massique catalyseur/calix[4]arène entraîne une baisse du rendement
brut d'environ 10% quand il passe de 2 à 4. Cela s'explique par des phénomènes de
retenue qui augmentent avec la proportion du catalyseur.
Quant à la pression de propène, elle ne semble pas avoir un effet significatif, ce
qui est du reste surprenant. Il faudrait certainement en chercher l'explication dans un
éventuel phénomène de biais avec une interaction du premier ordre. On peut cependant
remarquer que les coefficients calculés sont tous négatifs. Ce qui signifie que nous ne
50
sommes pas dans le véritable domaine expérimental d'intérêt Un recentrage de ce
domaine nous aurait conduit à refaire huit nouveaux essais, ce qui nous semble peu
astucieux. Nous avons adopté une autre attitude qui consiste à ne considérer que les deux
essais qui donnent les meilleurs résultats. La température fixée à 250 oC entraînant une
dégradation des produits organiques, nous n'avons pris en compte pour la suite que des
essais réalisés à 210 oc. Le compromis expérimental proposé est basé sur les essais 1 et
3, essais conduisant aux meilleurs résultats. Dans les limites de ces remarques, nous
proposons que la réaction soit conduite à 210 oC sous une pression de 7 bar avec un
rapport catalyseur/calix[4]arène de 3. La durée de la réaction est fixée à 5 heures. Le ratio
est fixé à 3 au lieu de 2 comme le suggèrent les essais 1 et 3. Cela s'explique par le fait
que les analyses par chromatographie sur couche mince des essais effectués pour un ratio
de 2 révèlent la présence de faibles proportions de produits di et triisopropylés, ce qui
1
n'est pas le cas pour un ratio fixé à 3. Pour éviter de compliquer les opérations de
i
purification, il semble judicieux de fixer le ratio à 3.
1
2.2.3 • Réalisation expérimentale du compromis
Un mélange de 310 mg (0,72 mmole) de calix[4]arène et 930 mg de catalyseur est
broyé puis disposé dans un réacteur fermé. Ce dispositif dans lequel le vide a été effectué
est préalablement chauffé jusqu'à la température de 180 oC. Il est ensuite chargé de
propène jusqu'à la pression de 7 bar. La température se stabilise autour de 210 oC au bout
de 15 minutes. La réaction est poursuivie pendant 5 heures. On obtient une masse de
produit brut de 464 mg soit un rendement brut de 98%. Après recristallisation dans un
mélange chloroforme-méthanol, on isole 210 mg de p-iso-propylcalix[4]arène (Pf=289-
291°C), ce qui correspond a un rendement de 48,5%.
La même réaction est reprise en chargeant le réacteur de propène avant de
commencer le chauffage. On obtient dans ce cas une masse en produit brut de 489 mg
puis une masse en produit pur de 179,5 mg, soit un rendement de 41%. On peut
remarquer dans ce cas que la masse du brut obtenue est supérieure à celle calculée
théoriquement. Une analyse par chromatographie en phase gazeuse des liqueurs mères
provenant des lavages à l'éther montre que nous avons une forte polymérisation du
propène. Cette polymérisation se fait dans la zone des basses températures lorsque l'on
commence le chauffage (48-49). Cela conduit non seulement à l'augmentation de masse
en produit brut. mais rend également difficiles les opérations de purification.
51
DAr
OH
1
j,
1
i
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'0 0
•
0
• 0
1.0
,
0
..
J
•
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,
1 "
.
Figure 2.3 • Spectre RMN du proton du p-iso-propylcalix[4jarène dans le chloroforme.
C
H
0
% Calculé
79.29
7.98
10.53
% obtenu
79.17
8.04
10.71
Tableau 2.4 - Analyses élémentaires pour C40H4804.J18 CHCl3.
52
6
5 ,7
1
'"
."
..
..
Figure 2.4 - SpecTre RMN du carbone 13 du p-iso-propylcalix{4]arène dans le
chloroforme.
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..
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...
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.
.
'fi
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Figure 2.5 - Spectre DEPT.
53
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18!
592.4
88
68
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48
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1&1.1
28
133.1
295.2
634.4
391.2 425 •3
728·~52.9 794.5 835.4 878.4
8
581.
l , • •'
III
288
388
488
588
688
788
888
981
Figure 2.6 - Spectre de masse FAB+ dup-iso-propylcalix[4Jarène.
f'l'!....:.... " ·~>f""~.._.~~~".,,...,' _.,,-,,~,.' ""_'''''''''''''''''';.:.0'
2.3 . Conclusion
Le procédé que nous avons décrit conduit à la formation du p-iso-
propylcalix[4]arène avec un rendement d'environ 50% dans le domaine exploré. Il est
toutefois impOltant de chauffer le mélange catalyseur-calix[4]arène jusqu'à la température
de 180 oC avant d'envoyer le propène afin de limiter sa polymérisation (48-49). Ce
résultat est l'un des premiers concernant la réactivité du calix[4]arène à l'état solide. Il
faudra certainement envisager l'étude avec les calix[6]arène et calix[8]arène. Nous nous
sommes limités au calix[4]arène parce que nous avions pour objectif de proposer une
voie altemative d'obtention dup-iso-propylcalix[4]arène, difficile d'accès par la méthode
classique, ce qui n'est pas le cas pour le p-iso-propylcalix[6]arène et le p-iso-
propylcalix[8]arène. L'étude pour ces deux demiers cas garde néanmoins tout son intérêt,
puisqu'elle permettrait de généraliser la méthode et de montrer que les calixarènes
réagissent bien à l'état solide.
Après avoir étudié ces réactions en milieu hétérogène, il serait intéressant au plan
expérimental et dans un but de comparaison d'observer ce qui se passe lorsque ces
réactions sont réalisées en milieu homogène. Généralement. on utilise des catalyseurs de
Friedel et Crafts tels que AICl3 ou BF3. La réaction sera effectuée avec le 2.6-
diméthylphénol puis avec les calix[n] arènes.
55
CHAPITRE 3
ISOPROPYLATION EN MILIEU HOMOGÈNE EN PRÉSENCE
DE CHLORURE D'ALUMINIUM
56
,
3.1 - Etude de l'isopropylation du 2,6-diméthylphénol
3.1.1 - Illtroductioll
Les isopropylations des mélhylphénols sont très connues. De nombreux procédés
ont été proposés (50-51-52). Par exemple, Carpenter et Easter (53) obtiennent par
condensation du chlolUre d'isopropyle et de l'orthocrésol dans le 1,2-dichloroéthane en
présence de chlolUre d'aluminium à -15 OC, le méthyl-2-iso-propyl-5-phénol et un peu de
méthyl-2-iso-propyl-3-phénol. La quantité de chlorure d'aluminium joue un rôle très
important. En effet pour des ratios molaires chlorure d'aluminium/phénol inférieurs à 1,
l'isopropylation n'a pas lieu (54). L'explication de ce constat est donnée par les études de
M. Tashiro (55) qui montrent que, les phénols en présence de chlorure d'aluminium
réagissent pour donner des phénates de dichloroaluminium selon le schéma suivant:
solvant ..
+
HCI
Figure 3.1.1 - Équation de formation du complexe phénate de dichloroaluminium.
Il est donc important d'utiliser un excès de chlolUre d'aluminium pour pennettre
l'alkylation d'avoir lieu. Le mécanisme serait le suivant:
RCI
+
O~CI2 O:AIC~
+
- - _ . . 1
R + AICls + HCI
~
~
Figure 3.1.2 - mécanisme de la réaction
Dans ce mécanisme, on peut constater qu'il y a régénération du chlorure
d'aluminium. Il n'est donc pas indispensable d'en utiliser un large excès. Le chlorure
d'hydrogène qui se forme joue le rôle de cocatalyseur (56-57). Son absence empêche
l'alkylation d'avoir lieu. En effet, si le complexe est isolé puis soumis à l'action du
chlolUre d'isopropyle, aucune alkylation n'est observée. Si par contre, on fait barboter du
57
!1
f
chlorure d'hydrogène sec dans le milieu réactionnel, on observe la formation
d'isopropylphénols. Au-delà d'un ratio molaire AlCl3/phénol de 2,5, la formation des
dérivés diisopropylés devient prépondérante (58). D'une façon générale, les études
montrent que le chlorure d'aluminium oriente en méta du groupe hydroxyle phénolique.
3.1.2 - Partie expérimelltale
a) Équation de la réaction
OH
OH
OH
)-CI 1,2-dichloroéthane
Figure 3.1.3 - Équation de la réaction d'isopropylation du 2,6-diméthylphénol.
b) Mode opératoire et résultats
Dans un tricol contenant 50 mL de 1,2-dichloroéthane est disposé 1 g de
2,6-diméthylphénol (8,2 mmoles), sous agitation magnétique à la température ambiante.
2,18 g (16,4 mmoles) de chlorure d'aluminium sont ensuite ajoutés au mélange. La
solution initialement limpide passe au bout de quelques minutes à une coloration rouge
orangée, caractéristique du complexe phénate de dichloroaluminium. Après 10 minutes,
1,5 mL (16,4) mmoles de chlorure d'isopropyle sont ajoutés lentement. La réaction est
alTêtée au bout de 5 heures par une hydrolyse à l'eau, suivie de lavages successifs pour
neutraliser l'acidité résiduelle. La phase organique obtenue après décantation est séchée
sur du sulfate de magnésium puis évaporée à pression réduite. Le brut réactionnel
récupéré par 10 mL d'éther éthylique est analysé par couplage CG-FfIR. Les résultats
obtenus sont représentés dans le tableau 3.1.
Sélectivités
p-iso-propyl-2,6-
m-iso- propyl-2,6-
3,5-Diiso-propyl
diméthylphénol
diméthylphénol
2,6-diméthylphénol
%
31,6
23,3
45,0
Tableau 3.1 - Résultats.
58
Le taux de transfonnation est de 99%. Les résultats confinnent le fait que le
chlorure d'aluminium oriente préférentiellement en méta (76%). Cette orientation peut
s'expliquer par la fonnation du complexe avec le chlorure d'aluminium. En effet, le
groupe OAlCl2 étant fortement électroattracteur, il entraîne une désactivation très forte
des sites otho et para du groupe hydroxyle, favorisant ainsi la substitution en méta.
Figure 3.1.4 - Complexe.
1
La comparaison de ces résultats à ceux obtenus avec le sulfate de nickel, montre
1
que le choix du catalyseur est déterminant dans ce genre de réaction. Le chlorure
1
d'aluminium est plus actif que le sulfate de nickel mais moins sélectif que ce dernier.
!j
3.1.3 • Conclusion
1
Ces résultats confinnent ceux mentionnés dans la littérature. L'orientation
préférentielle du chlorure d'aluminium en méta du groupe hydroxyle phénolique peut être
un handicap dans la perspective de l'isopropylation des calixarènes du fait de
l'encombrement relatif de ces sites. Si les calixarènes réagissent effectivement comme le
2,6-diméthylphénol, il faudrait s'attendre à ce que les taux de transfonnation soient
faibles. La raison tient au fait que les sites méta semblent être encombrés d'une part et
d'autre part au fait que le chlorure d'aluminium n'oriente pas en para.
59
.001
.019
.025
.097
.01tS
.OS1
.073
.085
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60
3.2 - Isopropylation des calix[n]arènes
3.2.1- Introduction
Comme nous venons de le montrer avec le 2.6-diméthylphénol. les alkylations et
particulièrement les isopropylations des phénols en présence de chlorure d'aluminium
conduisent facilement aux isopropylphénols. Il est donc assez surprenant de constater la
quasi-inexistence de travaux de ce type avec les calixarènes. Nul doute que l'explication
proviendrait des énormes difficultés de mise en oeuvre de ces réactions déjà soulignées
par Gutsche (59). L'une de ces difficultés est liée à la faible solubilité de ces macrocycles
dans les solvants organiques usuels. Il faut trouver un solvant qui solubilise au moins
une pal1ie du produit afin de permettre l'amorce de la réaction. L'utilisation du chlorure
d'aluminium comme catalyseur pelmet de contourner ce problème puisque le complexe
qu'il forme avec les calixarènes est très soluble. Il est exclus cependant pour ce type de
réaction que l'on utilise les solvants aromatiques ou certains solvants susceptibles de
réagir avec les calixarènes. En conséquence. nous avons retenu le 1.2-dichloroéthane
utilisé précédemment pour réaliser l'isopropylation du 2.6-diméthylphénol. Sur la base de
ces éléments. nous avons entrepris l'étude comparée de la réactivité des calix[n]arènes
(n = 4. 6. 7. 8). Ce travail devrait nous permettre de déterminer l'influence sur la réaction
de la taille du macrocycle.
3.2.2 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[4]arène en présence
de chlorure d'aluminium
OH
>--el
AICl 3
..
+
1,2-dichloroéthane
Figure 3.2.1 - Équation de la réaction
61
a) Mode opératoire
Dans un uicol muni d'un agitateur magnétique, on dispose 1 g de calix[4]arène
(2,36 mmoles) et 2,5 g de chlorure d'aluminium (2,36 x 2 x 4 = 18,88 mmoles),
auxquels sont ajoutés 50 mL de 1,2-dichloroéthane. La réaction a lieu à la température
ambiante. La phase hétérogène observée dans les minutes initiales peu à peu disparaît
pour conduire à une phase homogène de coloration rouge orangée. Cela atteste de la
formation d'un complexe que l'on suppose être le calixarénate de dichloroaluminium,
comme c'est le cas avec les phénols. Au mélange réactionnel ainsi obtenu, sont ajoutés
1,73 mL de chlorure d'isopropyle (2,36 x 2 x 4 = 18,88 mmoles). L'utilisation d'un
excès de chlorure d'isopropyle tient au fait qu'étant très volatil (Peb =34-36 OC), il est
entraîné par le dégagement de chlorure d'hydrogène issu de la formation du complexe.
Pour suivre l'évolution de la réaction au cours du temps, nous avons effectué trois essais
dans les mêmes conditions. Seuls les temps de réaction varient (l0, 30 et 300 minutes).
L'alTêt de la réaction se fait par une hydrolyse à l'eau suivie de plusieurs lavages pour
éliminer les traces résiduelles d'acidité. Après évaporation de la phase organique, le
résidu plus ou moins pâteux est traité avec 15 mL de n-heptane. La précipitation du
produit se fait immédiatement. Il est filtré sur un verre fritté 3 puis analysé par
chromatographie sur couche mince avec comme éluant le mélange acétate d'éthyle,
n-heptane (30170), par la RMN du proton et par la spectrométlie de masse (électrospray).
L'analyse à lieu sur le brut obtenu non pUlifié.
b) analyse des résulLats.
La chromatographie sur cOllche mince
Elle montre au bout de 10 minutes de réaction la présence des produits mono, di,
tIi et tétraisopropylés. Nous observons également, la présence d'une tache peu intense de
Rf = O.
Au bout de 30 minutes, il n'y a plus de produit de départ. Mais les produits
paltiellement isopropylés sont toujours présents. La tache de Rf =0 devient de plus en
plus intense au détriment des autres produits.
A 300 minutes, nOlis n'observons plus que la seule tache à Rf =O. Elle présente
une très forte intensité par révélation à l'iode. Il est clair qu'il ne s'agit pas
d'isopropylcalixarènes puisque ceux-ci migrent très bien dans l'éluant utilisé. Il est
possible de supposer que la réaction évolue au-delà d'une isopropylation classique. La
dispmition des isopropylcalix[4]arènes pennet de penser que la formation du produit final
obtenu se fait par leur intennédiaire.
62
11
!~l'lii~~LaRMNduprotonel1.masse
;1
il
2
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1
j
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4
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l
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,
-~J
'
' ' ' _
...J
300 minutes
..1
J
f
Il.'
1'.'
1.1
. • • •
1.1
Figure 3.2.2 - Spectre RMN du {Jmton dans CDC/.7 de.f l'mtillit.f brllt.f nb'enll.f au bout
de JO min, 30 mil1, et 300 min.
61
A l'examen de ces spectres RMN (figure 3.2.2) et par comparaison avec celui du
p-iso-propylcalix[4]arène il est possible de dire que les signaux 1 [(CH3)2C, d, 1...2
ppm] et 5 (CH3CHCH3, m, 2,9 ppm) correspondent à des produits isopropylés. Nous
observons également la présence des signaux 2 [(CH.3)2COH, s, 1,4 ppm], 3
[ArC(CH3)20H, s, 1...5 ppm] et 6 [ArC=CH2, d, 5 ppm]. Ils deviennent de plus en plus
visible lorsque la durée de la réaction augmente. L'ajout de 020 pennet de montrer que le
signal 3 est un proton hydroxyle. Le signal 6 représente un système de type AB bien
résolu, caractéristique de protons éthyléniques et le signal 4 [(CH3)C=CH2, s, 2 ppm]
représente le méthyle en Cl de l'éthylénique.
A 300 minutes, nous observons la disparition totale des signaux 1 et 5 au profit
des signaux 2 et 3. Cela est conforme aux observations indiquées par l'analyse par
chromatographie sur couche mince. Le spectre de masse (électropray) figure 3.2.3 pennet
d'envisager la structure représentée sur la figure 3.2.1 pour le produit final c'est à dire le
p-(1-hydroxy-I-méthyl)éthylcalix[4]arène. Le système AB précédemment mentionné
proviendrait donc de la déshydratation de ce produit pour conduire au p-iso-propylidène-
calix[4]arène. Il est cependant dirticile d'obtenir pur cet alcène bien que le spectre RMN
(figure 3.2.4) etlc spectre de masse (figure 3.2.5) indiquent clairement sa fonnation.
952028 ALCOOL
CH30H ( cone -60 )
115120829 , 103761
[M - H - 3H20]-
Scan ES·
100
5lI7
23586
5711.3
h[M -H -H20/-
011
&W/
855.3 [M - H]-
/
581.4
Figure 3.2.3 - Spectre de masse du p-( J-hydroxy-J-méthyl)éthylcalix{4Jarène
64
j
i
1
J
1
J
CH3C=CH2
,
1
ArB
1
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J
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Fi811re 3.2.5 - Spl'clre dt' m(/.\\.H' FAIJ+ d"I,-i.m."ml'ylidhlt'-('(I/i.t/4/(lrhr(' lmIl.
Les informations tirées des spectres RMN pelmettent de représenter l'évolution de
la réaction au cours du temps (figure 3.2.6). Le mode de calcul des pourcentages des
produits à partir de la RMN est basé sur le fait que le nombre de protons hydroxyles du
calixarènes est invaIiant puisque la formation d'éther est impossible du fait de la présence
du complexe (OAICI2). Par une règle de trois on détermine le nombre de proton pour
chaque signal du spectre RMN. Ainsi pour un calix[n]arène avec n = x, on a toujours x
protons hydroxyles. Si chaque noyau phénolique est substitué, on a pour les méthyles
isopropyliques 6x protons. En faisant le rappolt avec le nombre de proton effectivement
obtenu y (dételminé par intégration) , on dételmine le pourcentage ou taux par la relation:
Taux d'isopropylation
% = y/6x
(CH.3)2CH
Taux d'hydroxyisopropylation
% = y/6x
(CH.3)2COH
Taux de déshydratation
% = y/3x
(CH.3)C=CH2)
1
100
1
..-..
80
~
~
VI
60
c
0
'E
40
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c..
0
l -
c..
20
Oc
0
10
30
300
temps (min)
•
- ) K -
~
isopropylation
hydroxyisopropylation
déshydratation
Figure 3.2.6 - Évolution de la réaction au cours du temps.
3.2.3 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[6]arène en présence
de chlorure d'aluminium
AICl J
l,2-d ichloroéthane
m+k =6, m et k sont des entiers naturels
Figure 3.2.7 - Équarion de la réaction.
66
a) Mode opératoire
Dans un tricol muni d'un agitateur magnétique, on dispose 1,5 g de calix[6]arène
(2,36 mmoles) et 3,77 g de chlorure d'aluminium (2,36 x 2 x 6 = 28,32 mmoies),
auxquels sont ajoutés 50 mL de 1,2-dichloroéthane à la température ambiante. Les
observations faites sont les mêmes que dans le cas du calix[4]arène. Au mélange
réactionnel ainsi
obtenu, sont ajoutés
1,73 mL de chlorure d'isopropyle
(2,36 x 2 x 6 = 28,32 mmoles). Pour suivre l'évolution de la réaction au cours du temps,
nous procédons comme précédemment. L'arrêt de la réaction se fait par une hydrolyse à
l'eau suivie de plusieurs lavages pour éliminer les traces résiduelles d'acidité. Après
évaporation de la phase organique, le résidu plus ou moins pâteux est traité avec 15 mL
de méthanol. La précipitation du produit se fait immédiatement. Il est filtré sur un verre
fIiué 3 puis le brut ainsi obtenu est analysé, par chromatographie sur couche mince avec
comme éluant le mélange acétate d'éthyle-heptane (30/70), par la RMN du proton et par la
spectrométIie de masse (électrospray).
b) analyse des résultats.
La chromatographie sur couche mince
Quelle que soit la durée de la réaction, nous observons des produits
d'isopropylation, particulièrement le p-iso-propylcalix[6]arène dont la tache est très
intense. On peut l'estimer a environ 50% du mélange. Il n'y a pas de tache restante sur la
ligne de base comme c'était le cas avec le calix[4]arène.
La RMN du proton et la masse
L'examen de ces spectres RMN (figure 3.2.8) montre que nous n'avons que des
produits isopropylés confonnément aux observations notées avec la chromatographie. Au
bout de 300 minutes, la réaction est pratiquement totale. Le spectre de masse (électropray)
figure 3.2.9, effectué au bout de 30 minutes indique que le produit majoritaire est le p-
iso-propylcalix[6]arène (m = 6, k =0). On observe cependant une très faible proportion
d'alcène.
Cela
suppose
la
formation
transitoire
du
p-(1-hydroxy-l-
méthyl)éthylcalix[6]arène. Nous pouvons remarquer que le calix[4]arène ne réagit pas
comme le calix[6]arène puisque ce dernier conduit essentiellement à des produits
isopropylés. Ce constat tendrait à montrer que la taille du macrocycle joue un rôle
important. Si tel était le cas, le calix[8]arène pennettrait de le confilmer. De l'ensemble de
ces spectres, nous pouvons tirer des infonnations pelmettant de représenter l'évolution de
la réaction au cours du temps.
67
~~~:1
ArC(CH3)2
10 minutes
J
!J~
i
J
;
l
ArCH2Ar
Haromatique
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30 minutes
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J
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300 minutes
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1.1
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1.1
Figure 3.2.8 - Spectre RMN du proton dans CDC/3 des produits bruts obtenu.ç au bout
de /0 min. 30 min, et 300 min.
6R
960582 COP 6H
lHlOS'_ '1OJl82) Sm 1""'. 210701
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Figure 3.2.9 - SpecTre de masse (électrospray) effectuer au bout de 30 minutes
100
90
~.
80
~.
- 70
~
0
•
- 60
c
0
50
-...0c.. 40
0
...
c..
30
20
1 0
0
0
1 0
30
300
temps (min)
- - . - - IsopropyJation
- - 0 - déshydratation
Figure 3.2.10 - Évolution de la réaction au cours du temps
69
3.2.4 • Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[8]arène en présence
de chlorure d'aluminium
AICl 3
..
l,2-dichloroéthane
m+k =8, m et k sont des entiers naturels
Fig ure 3.2.11 - Équation de la réaction.
a) Mode opératoire
Dans un tlicol muni d'un agitateur magnétique, on dispose 2 g de calix[4]arène
(2,36 mmoles) et 5 g de chlorure d'aluminium (2,36 x 2 x 8 =37,76 mmoles), auxquels
sont ajoutés 50 mL de 1,2-dichloroéthane. Au mélange réactionnel ainsi obtenu, sont
ajoutés 1,73 mL de chlorure d'isopropyle (2,36 x 2 x 8 =37,76 mmoles). La réaction est
également suivie au cours du temps. Après évaporation de la phase organique, le résidu
plus ou moins pâteux est u'aiLé avec 15 mL de méthanol. Le précipité obtenu est filtré sur
un velTe fritté 3 puis analysé, par chromatographie sur couche mince avec comme éluant
le mélange acétate d'éthyle, n-heptane (30170), par la RMN du proton et par la
spectroméuie de masse (électrospray).
b) analyse des résultats.
La chromatographie sur couche mince
Toutes les analyses chromatographiques montrent que nous n'avons que des
produits isopropylés et cela quelle que soit la durée de la réaction. La réaction évolue
moins vite que dans les deux cas précédents. Au bout de 300 minutes, on note la
présence d'une fraction importante de produits paItiellement isopropylés.
70
~
La RMN du proton et la masse
La comparaison de ces spectres RMN (figure 3.2.12) confirme les observations
1
obtenues avec la chromatographie. Le spectre de masse (électropray) figure 3.2.13
indique la présence de produits d'isopropylation pmtielle. Il n'y a cependant aucune trace
de réaction d'hydroxyisopropylation. L'évolution de la réaction au cours du temps est
donnée figure 3.2.14.
Contrairement au cas du calix[4]arène et du calix[6]arène, nous constatons que le
calix[S]arène ne donne que des produits isopropylés. Cela permet donc de dire que plus
la taille du cycle augmente, plus la formation de produits isopropylés est majoritaire.
Autrement dit. et dans les limites de nos conditions opératoires, lorsque la taille du
calixarène augmente. les unités phénoliques se comportent de plus en plus comme des
phénols libres.
71
ArCH2Ar
10 minutes
DMSO
ArC(CH3)2
Haromatique
OH
1
1
t
30 minutes
J
1
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J
j
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3UU minutes
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Figure 3.2. J2 - Spectre RMN du prolOn dans CDC/3 des produits brUIs obtenus au bout
de 10 min. 30 min. et 300 min.
72
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960583 cop eH
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1051.1
1141.7
m=8
J
lC12U
t .. O
j
J
j
1
i,
~1
il
Figure 3.2.13 - Spectre de masse (électrospray) effectuée au bout de 30 minutes
90
•
80
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-?ft. 60
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o
t~ 4 a
o
a. 30
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a. 20
1 a
a
a
1 a
30
300
temps (min)
- . ! ! . - isopropylation
Figure 3.2.14 - Évolution de la réaction au cours du temps.
73
3.2.5 - Action du chlorure d'isopropyle sur le calix[7]arène en présellce
de chlorure d'aluminium.
L'étude que nous venons de déclire conceme des calixarènes avec un nombre pair
d'unités phénoliques. Est-ce que les calixarènes à nombre impair d'unités phénoliques
ont le même comporlement. Expélimentalement, nous étudierons le cas du calix[7]arène.
Alel)
1,2-dichloroéthane
+
OH
+
Figure 3.2.15 - Équation de la réaction.
a)Mode opératoire
Dans un tlicol muni d'un agitateur magnétique, on dispose 1,75 g de calix[4]arène
(2,36 mmoles) et 4,4 g de chlorure d'aluminium (2,36 x 2 x 7 = 33,04 mmoles),
auxquels sont ajoutés 50 mL de 1,2-dichloroéthane et 3,02 mL de chlorure d'isopropyle
(2,36 x 2 x 7 = 33,04 mmoles). L'arrêt de la réaction se fait par une hydrolyse à l'eau
suivie de plusieurs lavages pour éliminer les traces résiduelles d'acidité. Après
évaporation de la phase organique, le résidu plus ou moins pâteux est traité avec 15 mL
d'un mélange méthanol-heptane. Le brut obtenu est analysé par chromatographie sur
couche mince avec comme éluant le mélange acétate d'éthyle-heptane (30170) et par la
RMN du proton.
74
b) analyse des résultats.
La chromato~raDhie sur couche mince
Nous observons quelle que soit la durée de la réaction, des produits
d'isopropylation et d'hydroxyalkylation comme c'était le cas avec le calix[4]arène. Au
bout de 300 minutes de réaction, on observe la présence d'une fraction importante de
produits partiellement isopropylés, de produits d'hydroxyalkylation et d'alcènes
correspondant à la déshydratation de ces demiers.
La RMN du proton
La comparaison de ces spectres RMN (figure 3.2.17) montre que nous avons une
coexistence des trois espèces. L'évolution de la réaction au cours du temps est
représentée par la figure 3.2.16.
70
60
-. 50
~
'-"
c
40
0
.-...1-0c.. 30
e
p..
20
10
10
30
300
•
- 0 -
1sopropylation
déshydratation
hydroxyisopropylation
Figure 3.2.16 - Évolution de la réaction au cours du temps.
75
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1
10 minutes
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30 minutes
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J
300 minutes
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1 •
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••
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...
Figure 3.2. / 7 - Spectre RMN dll proton dans Cne!3 des produits hrll!s o!Jtenlls 011 holl!
de /0 min. 30 min. et 300 min.
76
3.2.6 • Discussions et aspects mécanistiques
Si l'on considère les calixarènes avec un nombre pair d'unités phénoliques, on
constate une différence de réactivité quand la taille augmente. Le calixarène se comporte
de plus en plus comme un phénol quand sa taille augmente. En effet,
l'hydroxyisopropylation majoritaire dans le cas du calix[4]arène devient minoritaire avec
le calix[6]arène et n'a pas lieu dans le cas du calix[8]arène. Cette tendance n'est
cependant pas observée avec le calix[7]arène puisque dans ce cas précis on note un
comportement proche de celui du calix[4] arène. Il n'est pas possible de lier ces
observations à la conformation du calixarène. On peut cependant noter qu'à l'exception
du calix[8]arène, l'hydroxyalkylation s'observe avec tous les autres calixarènes.
Dans le cas des phénols, il n'est jamais fait mention dans la littérature de réaction
d'hydroxyisopropylation dans les conditions de réactivités identiques aux notres. La
réalisation de la réaction avec le 2,6-diméthylphénol, composé présentant une similitude
structurale avec les calixarènes ne donne que des produits d'isopropylation. Ces
observations laissent penser que, plus la taille du cycle augmente, plus les unités
phénoliques du calixarène s'individualisent pour se comporter comme des phénols libres.
Dans la littérature (60), nous avons des indications qui permettent d'envisager le
passage du groupe isopropyle au groupe hydroxyisopropyle correspondant via la
formation d'une quinone alkylidène. En effet, les p-iso-propyl-2,6-dialkylphénols
peuvent conduire à une quinone alkylidène selon le schéma suivant:
OH
H
OH
RyR
..
+
X"
-HX
/CRz
RyR
H
HCR2
j_H'
OH
0
Ji)
RyR
RyR
1 1
1
@CR2
CR2
Figure 3.2.18 - Formation d'une quinone alkylidène.
77
Par analogie, il est possible d'envisager le même schéma avec le p-iso-
propylcalix[4]arène et de proposer le mécanisme expliquant la fonnation du p-(l-hydroxy
l-méthyl)éthylcalix[4] arène (figure 3.2.19). Néanmoins, la formation de la quinone
méthylidène doit être considérée comme une hypothèse dans la mesure où nous ne
l'avons pas caractérisée.
>-0..
+ HO
l-HAJa,
e
..
AlC12 ....._ - -
@
-H
IOH
_H<t>
Figure 3.2.19 - Mécanisme réactionnel.
3.2.7 • Conclusion
Cette étude de la réaction des calix[n]arènes avec le chlorure d'isopropyle en
présence de chlorure d'aluminium, nous a permis de montrer que d'une façon générale,
nous obtenons bien des produits d'isopropylation. Cependant dans le cas du
calix[4]arène c'est une hydroxyisopropylation qui a lieu. Seul le calix[8]arène se
comporte totalement comme un phénol.
78
RÉACTIONS DE DÉSALKYLATION
79
CHAPITRE 1
ÉTUDE DE LA DÉSALKYLATION DE PHÉNOLS EN
" ,
,
MILIEU HETEROGENE EN PRESENCE DE NiS04/"t'AI2 0 3
1.
80
1.1 . Introduction
Lorsqu'on veut réaliser de manière sélective une substitution électrophile en ortho
ou en para d'un OH phénolique on peut, soit utiliser des catalyseurs appropriés (38-39),
soit envisager une protection de site par un groupement tertiobutyle suivie d'une
déprotection à l'aide d'une réaction de désalkylation. C'est ainsi que M. Tashiro (61)
obtient le 2,6-diméthylphénol avec un rendement de 78% via la détertiobutylation du
p-tert-butyl-2,6-diméthylphénol dans le toluène en présence de AIC13. D'autres auteurs
ont décrit pour ce type de réaction divers systèmes catalytiques utilisant des
aluminosilicates (62), des oxydes métalliques (Zn, Fe, Mg, Mn) (63), des acides de
Lewis (AICl3, BF3) (64) ou des hétéropolyacides (65) avec des rendements atteignant au
maximum 80%. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons souligné
l'importance des réactions de déterbutylation dans la chimie des calixarènes quand il
s'agit d'effectuer des réactions de fonctionnalisation sur la partie haute. Il faut cependant
noter qu'il n'existe pas de travaux concernant la déterbutylation des calixarènes par
catalyse hétérogène. Par l'étude de la désalkylation de phénols. nous définirons les
conditions optimales de fonctionnement de notre catalyseur. Ces résultats devraient nous
permettre d'envisager la déterbutylation du p-tert-butylcalix[4]arène.
Aussi, ayant établi que des sulfates métalliques sont des catalyseurs sélectifs
d'orthoalkylation de phénols. Nous montrons que ces mêmes catalyseurs permettent la
désalkylation ortho ou para de différents alkylphénols selon le schéma repOlté figure 1.1.
OH
R,
R,
...
+
Alcène
"'"
Figure 1.1 - Schéma réactionnel.
81
Nous avons choisi la désalkylation du p-tert-butyl-2,6-diméthylphénol comme
réaction modèle. Ayant obtenu d'excellents rendements dès l'étude de faisabilité, nous
avons étudié la sensibilité de ce nouveau procédé de désalkylation aux variations des
conditions expérimentales à l'aide des techniques de plans d'expériences (33-34),
techniques qui permettent d'étudier simultanément plusieurs facteurs avec un nombre
limité d'essais.
1.2 • Conditions expérimentales
1.2.1 • Appareillage et mode opératoire
La réaction s'effectue dans un réacteur tubulaire à lit fixe placé dans un four à
régulation électronique. Ce réacteur, spécialement adapté pour le traitement de réactifs
solides, est décrit en annexe A-2. La montée en température se fait sous balayage d'azote
jusqu'à la valeur désirée. Le réactif solide, en poudre, est alors introduit par le haut du
réacteur avec un débit fixe. Il est aussitôt vaporisé puis entraîné par le courant d'azote à
travers le lit catalytique, constitué soit du catalyseur seul, soit d'un mélange
catalyseur/poudre de cristal de roche ou de quartz (pour une quantité donnée de catalyseur
l'utilisation de poudre de quartz de granulométrie 0,1-0,5 mm augmente la hauteur du lit
catalytique). Les produits formés sont récupérés par condensation dans un bain de glace
puis analysés par CPG sur une colonne capillaire av 1701.
Le taux de transformation TI du p-tert-butyl-2,6-diméthylphénol et la sélectivité
Si en chacun des produits phénoliques sont calculés de la façon suivante :
ni et ni sont respectivement les nombres de moles de p-tert-butyl-2,6-
diméthylphénol non transformé et de chacun des produits phénoliques i formés, rapportés
r
à ,100g de produit brut obtenu:
ni =-' avec ti: pourcentage massique
Mi
chromatographique et Mi : masse molaire du produit i.
Pour effectuer l'étude de la désalkylation, nous avons choisi comme réaction
modèle, la déterbutylation du p-tert-butyl-2,6-diméthylphénol. Par exemple, un gramme
de ce phénol solide est introduit en 15 minutes sur un lit catalytique poudre de
quartz/catalyseur (lOg pour 1,5g) à la température de 305 oC sous atmosphère d'azote
82
1
l,1;j
(avec un débit d'azote de 35 mL/mn); on obtient un taux de transformation de 97,5 % et
une sélectivité de 96%.
1
1.3 - Étude de la détertiobutylation du p-tert-butyl-2,6-
1
diméthylphénol
j
1
1
OH
+
Isobutène
Figure 1.2 - Détertiobutylation du p-tert-butyl-2,6-diméthylphénol.
1.3.1 • Plalls d'expériellces
A partir des résultats d'une étude antéIieure utilisant le même réacteur tubulaire, et
d'essais préliminaires sur la détertiobutylation, nous avons décidé d'examiner les quatre
facteurs expérimentaux suivants et leurs domaines de vaIiation rassemblés au tableau 1.1.
Facteurs expéIimentaux
niveau infélieur
niveau supérieur
état codé (-1)
état codé (+1)
Xl
Température
280°C
330°C
X2
Débit d'azote
20mUmn
50mUmn
X3
Poudre de quartz pour 1,5 g de catalyseur
Og
20 g
X4
Durée d'addition de Ig de p-tert-butyl-2,6-
lOmn
20mn
diméthylphénol
Tableau 1.1 - Facteurs expérimentaux et domaines de variation.
Le plan d'expérimentation décl;t dans le tableau 1.3 est constitué de 8 essais selon
Plackett et BUl·man (32) plus deux essais au centre du domaine expérimental. li résulte
d'une matIice factorielle 24- 1 de générateur 1 =1234. La matIice d'expérience est donnée
par le tableau 1.2.
83
Essais
8
5
4
2
6
3
7
1
Ordre des Température Débit de N2 Masse de
Durée
Sélectivité TIl
essais
C'C)
(mUmn)
cristal
de d'addition
du -2,6- (%)
(aléatoire)
roche pour
du phénol diméthyl
1,5 g catal.
(mn)
phénol
(%)
8
280
20
0
10
100
80
5
330
20
0
20
93
91
4
280
50
0
20
100
90
2
330
50
0
10
95
95
6
280
20
20
20
100
98
3
330
20
20
10
99
98
7
280
50
20
10
98
96
1
330
50
20
20
98
98
essais au centre du domaine
9
305
35
10
15
97
97
10
305
35
10
15
98
95
Tableau 1.3 - Plan d'expérimentation et résultats.
1.3.2 • Analyse des résultats
A l'examen du tableau des résultats, il apparaît nettement que les essais se
répartissent en deux groupes: avec ou sans dispersant. Dès lors il est inutile d'exploiter
les résultats selon l'approche statistique traditionnelle. Néanmoins, nous reportons ici les
modèles obtenus à partir des variables codées:
84
Sélectivité en 2.6-diméLhylphénol: S(%)= 98 -1.5 Xl -0,1 X2 + X3 -0.1 X4
Taux de transformation: TI(%) = 93 + 2,4 Xl + 1.6 X2 + 4,4 X3 + 1.2 X4
Il est nécessaire de disperser le catalyseur dans la poudre de cristal de roche et dans ce
cas. la dételtiobutylation est pratiquement quantitative quelles que soient les variations des
autres facteurs expérimentaux dans le domaine expérimental étudié. Le meilleur
compromis maximisant simultanément les deux réponses correspond à l'essai 6.
Étant donné qu'il n'y a pas de réaction secondaire de polymérisation à partir de
l'isobutène. la position de l'équilibre ne dépend que des seuls facteurs étudiés. Ainsi.
l'étude montre que globalement. le taux de transfOimation est favorisé par une élévation
de la température puisqu'en moyenne ce taux augmente de 5 % quand la température
passe de 280 à 330 oC. en accord avec l'endothelmicité de la réaction de détertbutylation
(~H :::::: 84 kI/mole). Par contre. cela se fait au détriment de la sélectivité puisque dans le
même temps celle-ci baisse d'environ 3 %. Cela est aisément explicable en remarquant
que les réactions secondaires d'isomérisation et de transalkylation sur le noyau
phénolique sont des réactions favo'risées par une élévation de température (64-65).
De manière plus sensible. le taux de transformation est favorisé par une
augmentation de la masse de cristal de roche puisqu'on réalise un gain d'environ 9 %
quand elle passe de 0 à 20 g. La dispersion du catalyseur à travers le support inerte que
constitue le quartz favorise l'accessibilité des molécules de p-tert-butyl-2.6-
diméthylphénol aux sites actifs du catalyseur et améliore les transferts de chaleur. Par
ailleurs. on constate que le taux de transformation augmente avec le débit d'azote. donc
avec une diminution de la pression partielle en p-tert-butyl-2.6-diméthylphénol. Cela est
en accord avec le fait que la réaction de désalkylation est une réaction équilibrée avec
augmentation du nombre de molécules.
1.3.3 • Aspects mécallistiques
La sélectivité en 2.6-diméthylphénol est comprise entre 93 et 1()()% et. excepté
pour l'essai 8. le taux de transformation est supérieur à 90%. Quand la sélectivité est
infélieure à 100%. les réactions secondaires obselvées proviennent soit de l'isomérisation
catalytique du 2.6-diméthylphénol en 2.5-diméthylphénol. soit d'une réaction de
transalkylation conduisant au 2-méthylphénol et au 2,4.6-tliméthylphénol (ces produits
ont été identifiés par couplage GC-FfIR). Le chromatogramme et les spectres infrarouge
des différents composés obtenus sont donnés dans les figures lA. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8.
Schématiquement. le mécanisme peut être représenté de la façon suivante (Figure 1.3)
85
OH
+
'Û
Figure 1.3 - Schéma réactionnel.
Ce type de réactions secondaires a déjà été signalé par Given (66), le chromatogramme
figure lA et les spectres IR figures 1.5 à 1.8 sont donnés. D'autre part, nous avons
vérifié par CPG qu'il ne se fOime jamais de produits de polymérisation de l'isobutène
comme cela a été observé dans l'isobutylation de phénols dopés à l'acide sulfurique (68).
1.4 - Généralisation: Application du procédé à divers phénols
En nous plaçant dans les conditions optimales obtenues précédemment, nous
avons réalisé les réactions de désalkylation d'un certain nombre de phénols. Les résultats
obtenus sont rassemblés dans le tableau lA.
Composé de départ
Produit majOlitaire
Sélectivité en Taux de transfor-
phénol (S2) % mation (TT) %
p-tert-butylphénol
Phénol
95,0
95,0
2,6-di-tert-butylphénol
Phénol
80,0
81,0
4-( l, l ,3,3-tétraméthylbutyl)-phénol Phénol
99,7
99,5
Bis-phénol A
Phénol
89,0
100,0
(+3.5-diiso-
Il,0
propylphénol)
Tableau 1.4 - Désal/...'ylation de divers phénols.
86
On remarque que le rendement, c'est à dire le produit TI x 5/100, est d'autant
plus élevé que le groupe partant est plus ramifié. Effectivement, le 4-(1,1,3,3-
tétraméthylbutyl)-phénol donne le meilleur rendement, environ 100%. En ce qui concerne
le 2,6-di-tert-butylphénol, de nombreuses réactions secondaires telles que
monodétertiobutylation et isomérisation diminuent considérablement la sélectivité. Quant à
la transformation du bis phénol A, son processus réactionnel passe probablement par la
formation intermédiaire de phénol et de p-iso-propylphénol suivie de la dismutation de ce
dernier en phénol et 3,5-diiso-propylphénol.
1.5 . Conclusion
Le procédé de désalkylation catalytique des phénols que nous proposons conduit à
des taux de transformation et des sélectivités élevés. Nous avons montré que pour un taux
de dilution suffisant du catalyseur, le procédé proposé est peu sensible aux variations des
conditions réactionnelles. C'est ainsi que, dans les conditions optimales atteintes, on
obtient des sélectivités et des taux de transformation généralement supérieurs à 95%. De
plus, par rapport aux procédés traditionnels en phase liquide qui impliquent des
opérations de séparations plus ou moins complexes, ces taux élevés permettent d'isoler
facilement le produit de désalkylation qui est obtenu directement sous forme cristallisée
avec déjà un haut degré de pureté. La non formation de polymères de l'isobutène permet
au catalyseur de garder longtemps son activité. Ces bons résultats nous ont conduit à
utiliser ce catalyseur pour effectuer la déterbutylation du p-ten-butylcalix[4]arène.
87
DETECTDR SIGNAL.
VOLTS/~C~N
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Figure /.6 - Spectre infrarouge du 2,5-diméthylphénol.
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Figure 1.7 - Spectre infrarouge du 2-méthy/phéno/.
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Figure 1.8 - Spectre infrarouge du 2.4.6-diméthy/phéno[
CHAPITRE 2
ÉTUDE DE LA DÉTERBUTYLATION DU
P-TERT-BUTYLCALIX[4jARÈNE EN MILIEU
HETEROGÈNE EN PRÉSENCE DE NiS04/y-A1203
91
2.I-Introduction
Nous avons montré dans le chapitre précédant que NiS04!y-AI203 est un
excellent catalyseur de désalkylation des phénols. Le plan d'expérience réalisé nous a
permis de déterminer des conditions optimales de désalkylation. Il est donc possible
compte tenu des excellents résultats obtenus pour toute une série d'alkylphénols
d'envisager la déterbutylation du p-tert-butylcalix[4]arène. Cependant, la réaction
conduite en phase gazeuse dans le cas des phénols ne saurait l'être pour le p-tert-
butylcalix[4]arène dont le point de fusion est supérieur à 340 oC. Elle sera dans un
premier temps envisagée à l'état solide puis dans un deuxième temps en solution dans la
tétraline.
2.2 - Réaction de l'état solide organique
NiSO.h·AI~3
..
f i + k =4,
f i et k sont des entiers naturels
Figure 2.1 - Équation de la réaction.
2.2.1 • Mode opératoire
Le mélange du p-tert-butylcalix[4] arène et du catalyseur (ratio massique
catalyseurlp-tert-butylcalix[4]arène =3) est broyé au mortier de façon à obtenir une
poudre fine. Cette poudre est disposée dans un réacteur tubulaire. L'ensemble du
dispositif est chauffé dans un four à régulation électronique sous un balayage d'azote
avec un débit fixe de 15 mUmin. Au bout de 3 h de réaction, le chauffage est arrêté et le
dispositif refroidi. Les produits organiques présents dans le mélange réactionnel sont
ensuite extraits à chaud au chloroforme puis au toluène à l'aide d'un soxhlet Les solvants
organiques sont ensuite évaporés à pression réduite et le produit brut ainsi obtenu est
analysé par CLHP (47).
92
La réaction effectuée dans les conditions obtenues dans le chapitre 1 (ratio 3 et
température 305 OC) ne donne pas des résultats satisfaisants (taux de conversion de 20%).
Nous avons donc décidé en fixant le ratio à 3. de réaliser une étude de la réaction en
fonction de la température. Le tableau 2.1 et la tigure 2.2 permettent de déterminer la
température de conversion optimale qui se situe autour de 250 oC
Température
210°C
220°C
230°C
250°C
280°C
300°C
Taux de
5%
18%
25%
31%
28%
28%
conversion
Tableau 2.1 - RésuLtats obtenus.
35
~
30
~
--c:: 25
c
.~
:-
0
20
>
c::
c
u
1 5
0
"'::l
1 0
><
~
~
r--
5
0
210
220
230
250
280
300
Température (OC)
Figure 2.2 - Évolution de la réaction enfonction de la température.
Cette courbe indique que le catalyseur n'est véritablement actif qu'au delà de
210 oc. Le taux de conversion augmente avec la température. Cela est en accord avec
l'endothelmicité de la réaction de déterbutylation. On constate cependant une stabilisation
de ce taux à partir de 250 oc. Ce fait laisse entrevoir une possible superposition de l'effet
de la température et celui d'un autre phénomène. Ce peut être une limitation
diffusionnelle. phénomène classique dans le cas des réactions mettant en oeuvre des
réactifs solides. Toujours est-il que les taux de conversion obtenus ne dépassent pas
30%. Aussi. avons-nous envisagé de faire varier le ratio massique catalyseur/calixarène.
93
1
1
Pour ce faire. la température de la réaction et le débit de circulation d'azote sont
respectivement tïxés à 250 oC et 15 mUmin. Il faut souligner qu'une telle démarche peut
se justifier dès lors que l'on considère que dans une réaction solide-solide. le nombre de
contacts est un élément important. On peut penser en effet qu'une augmentation de la
quantité de catalyseur peut contribuer à l'amélioration de ces contacts et pattant. du taux
de conversion du p-tert-butylcalix[4]arène. Les résultats obtenus sont donnés tableau 2.2
et figure 2.3 et 2.4.
Ratio
1
2
3
4
8
massique
Taux
de
15%
21%
28%
40%
60%
conversion
Tableau 2.2 - Résultats obtenus
60
~
50
~
'-"
c::
0
40
'(;j
:-
~
>
c::
30
0
':.)
~
'"0
20
><
:::l
~
1 a
f-
a
1
2
3
4
8
Ratio massique catlcalix
Figure 2.3 - Évolution de la réaction enfonction du ratio massique.
94
100
1 423.1
m=O
1 =:> k = 4
2 =:> m = 1
k=3
1
5
m=2
3 =:> k = 2
647.4
1
% .
4 =:>
2
m = 3
k = 1
479.2
5 =:> m = 4
3
k=O
535.3
4
591.4
424.1
648.3
100
150 200
250
300
350
400
450
500 550
600
650
700
Figure 2.4 - Spectre de masse électrospray du produit obtenu pour un ratio massique
catalcalix = 8.
2.2.2 - Analyse des résultots.
L'examen de ces résultats montre qu'effectivement. le taux de conversion du
p-tert-butylcalix[4]arène augmente avec le ratio. ce qui confirme l'hypothèse d'une
réaction solide-solide.
Il est aussi probable que nous soyons limités par un problème de diffusion. Dans
ce cas, la dimension des grains de catalyseur et du réactif solide jouent un rôle important
Pour ce faire, nous avons vérifié que si la réaction est effectuée en mélangeant
simplement le p-tert-butylcalix[4]arène et le catalyseur sans broyer le mélange. nous
95
D'autre part, nous avons remarqué d'une façon générale que la réaction n'évolue
plus au bout de 2 heures. Pour expliquer cela, une hypothèse plausible serait de
considérer que nous sommes dans un cas de limitation diffusionnelle. Si l'on considère
un grain de calixarène. seules les parties en contact avec les grains de catalyseur sont
transformées. Ces parties transformées formeraient une couche de cendre adhérente en
surface qui empêcherait l'accessibilité des sites catalytiques aux parties intérieures non
transfOlmés. On peut aussi penser que la limitation se trouverait au niveau de la diffusion
du produit fluide fonué (isobutène) vers l'extélieur.
Sans entrer dans une étude technique de ce type de modèle qui nécessiterait la
connaissance des dimensions des particules, de la cinétique etc., il est possible par une
réaction simple de vérifier les hypothèses émise. Par exemple, le mélange ayant déjà réagi
pendant trois heures est de nouveau broyé puis chauffé dans les mêmes conditions que
précédemment. La comparaison des analyses en CLHP (ligure 2.6) montre une inversion
des tendances. En effet, après une première réaction, l'analyse CLHP montre que l'ordre
d'importance des proportions de chacun des produits est 5 »
4 > 3 > 1. Après une
deuxième réaction, la tendance se trouve complètement inversée et nous avons
1 »3 > 4 >5 >2.
Ce résultat confinue que nous avons un problème de limitation due au fait qu'il y
a formation d'une couche adhérente autour de la paIticule de calixarène comme le montre
la figure 2.5.
Calixarène non réagi
Calixarène réagi formant une couche adhérente
Figure 2.5 - Grain de calixarène au cours de la réaction
Pour pouvoir mener dans des conditions optimales, la déterbutylation , il faut
disposer d'un système d'agitation et de broyage inteme. On peut cependant retenir que la
déterbutylation a lieu partiellement à l'état solide.
96
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Figure 2.6- Comparaison de specn"es CUlP d'un mélange ayant réagi une fois et du
même mélange ayant réagi une deuxième fois.
97
2.3 . Réaction en sol ution
2.3.1 • Introduction
Théoriquement. la réaction en solution devrait nous conduire à une transfonnation
plus importante compte tenu du fait que nous avons la possibilité d'agiter le mélange
réactionnel et donc d'améliorer les contacts et les transferts de chaleur. Que ce soit dans le
cas d'une réaction en phase gazeuse ou à l'état solide. nous avons montré que le
catalyseur n'est actif qu'à des températures supérieures à 200 oc. Il est donc intéressant
de voir si c'est le cas en solution. Pour ce faire. nous avons effectué la réaction dans le
1.2,4-triméthylbenzène (Seb 168 OC) et dans la tétraline (Seb 209 OC). Ces deux solvants
sont susceptibles de jouer le rôle d'accepteur du groupe teltiobutyle.
NiS04/y-A120 3..
Tétraline
ou Trimétylbenzène
Figure 2.7- Équation de la réaction.
2.3.2 • Mode opératoire et résultats
Dans un tricol, on dispose 15 mL de solvant. 1g de p-tert-butylcalix[4] arène et 3g
de catalyseur sous atmosphère d'azote. Le mélange est porté à ébullition sous agitation
pendant 5 heures. La phase organique est ensuite séparée du catalyseur solide par
filtration sur papier filtre. Le solvant est évaporé à pression réduite. Le résidu est ensuite
traité à l'éther éthylique et le précipité blanc obtenu est ensuite recristallisé dans un
mélange ch10rofonne-ml5thano1.
La juxtaposition des deux spectres RMN (Figure 2.8)
montre qu'il n'y a
pratiquement pas de transformation dans le 1.2,4-triméthylbenzène alors que nous avons
une transfOlmation totale dans la tétraline avec un rendement de 65% en produit pur isolé.
Il est donc indispensable de conduire la réaction à des températures supérieures à 200 oc.
Les résultats obtenus dans la télraline confiment le fait qu'en solution. nous avons de
meilleurs contacts catalyseur-calixar~ne et des meilleurs transfelts de chaleur.
98
ArC(CH:J)3
1
j
t
1
1
a
1
AI'Cll2Ar
1
/
/
1
J_--
Hpara
AI'CH2Ar
Hméla
tétrnline
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i
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1.'
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••
•••
..
•••
1.'
•••
1.'
•••
Figure 2.8- Spectre RMN de la réaction dans le triméthylbenzène et dans la tétraline.
99
2.4 . Conclusion
Cette étude a montré que le catalyseur NiS04ly-A1203 permet d'effectuer la
déterbutylation du p-tert-butylcalix[4]arène aussi bien à l'état solide qu'en solution. Dans
le premier cas nous avons observé des problèmes de limitations diffusionnelles, tandis
que dans le deuxième cas, la transformation est totale à condition d'utiliser un solvant
pellnettant d'effectuer la réaction à une température supéIieure à 200 oC.
100
CHAPITRE 3
RÉACTION DE DÉTERBUTYLATION DES CALIXARÈNES
EN PHASE HOMOGÈNE, EN PRÉSENCE DE CHLORURE
D'ALUMINIUM ET FORMATION DU 2,6 ET 2,7-
DIMÉTHYLANTHRACÈNE
101
3.1 - Introduction
L'application aux p-tert-butylcalix[n]arènes des résultats de Tashiro concernant la
désalkylation (61) a pelmis de réaliser les déterbutylations avec succès. La conséquence
de ce fait est qu'il n'existe pas dans la littérature d'études systématiques et exhaustives de
la déterbutylation des p-tert-butylcalixarènes. En conséquence. des problèmes non
signalés surgissent quand il s'agit d'effectuer ces réactions. D'autre part. ces réactions
peuvent s'accompagner de la formation de nombreux produits volatils et non volatils.
Certains de ces produits. notamment les plus lourds peuvent expliquer les rendements
moyens en produits déterbutylés parfois observés. Par exemple. nous nous sommes
rendu compte que dans certaines conditions. la réaction de déterbutylation des p-tert-
butylcalix[4]arène et p-tert-butylcalix[6]arène s'accompagne de la formation d'un
mélange de 2.6-dimélhylanthracène et de 2.7-diméthylanthracène. Cette fOlmation a pour
conséquence de diminuer les rendements en calixarène pur isolé. Étant donné que la
maîtrise d'un procédé suppose aussi bien un bilan complet que la connaissance de
l'influence des facteurs de la réaction. nous nous emploierons dans ce chapitre. dans un
premier temps à décrire la fonnation de ces anthracènes. à en définir les stlUctures par une
étude de RMN. puis dans un deuxième temps. à discuter des aspects mécanistiques de la
réaction. La déterbutylation du p-tert-butylcalix[4]arène est choisie comme réaction
modèle (Figure 3.1).
•
Toluène
Figure 3.1 - Équation de la réaction.
3.2 - Mode opératoire général
Dans un tricoI, sont disposés 1 g de p-tert-butylcalix[4]arène (l,54 mmole) et 50
ml de toluène. Au mélange obtenu. est ajouté du chlorure d'aluminium à des ratios
molaires chlorure d'aluminium/p-tert-butylcalix[ 4]arène de 1, 2. 3•.....• 10. La réaction
est poursuivie pendant 5 heures sous agitation magnétique. suivie d'une hydrolyse à
l'eau. La phase organique obtenue est séchée sur du sulfate de magnésium. Une petite
102
fraction de toluène obtenue après évaporation à pression réduite est analysée par
chromatographie en phase gazeuse. Les conditions d'analyses sont les suivantes:
colonne BPX5. 25m. diamètre interne 0,32 mm. d'épaisseur de phase 0.5 micron
programmation 40 oC (10 min)
6 °C/min
2S0 oC (15 min)
séparatrice KBrlGe
1
détecteur DTGS
·z~
résolution S cm- l
4
î
Le brut réactionnel est ensuite lavé à l'éther éthylique. Un produit solide de
coloration jaune verdâtre est obtenu. L'évolution de la réaction est suivie par
1
chromatographie sur couche mince. éluant heptane-acétate d'éthyle (S0/20)
1
3.3 • Analyse des résultats
La figure 3.2 représentant l'évolution de la réaction en fonction du ratio molaire
chlolUre d'aluminium/p-tert-butylcalix[4]arène pelmet de mettre en évidence. trois zones.
calix(4)arène
calix(4)arène
+
produits de
Q)
c:
déterbutylation
'Q)
1-<
ce
.........
+
partielle
'<f'
.........
X
....
+
-ceu
produit de
anthracènes
départ
1
1
1
1
1
1
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Figure 3.2 - Domaine d'existence des entités chimiques en jonction du ratio I1wlaire
ch/antre d'a/uminium/p-tert-buty/ca/ix{4]arène.
Pour des ratios compris entre
1 et 4. On
note la présence du
p-tert-butylcalix[4]arène. des produits de déterbutylation partielle. et du calix[4]arène. Ce
constat reste valable quand on suit la réaction au cours du temps. Théoriquement, on
aurait pu penser qu'une mole de chlorure d'aluminium pouvait réagir avec une mole de
calixarène pour fonncr le complexe A comme le montre de la figure 3.3.
103
8
Figure 3.3 - Complexarion possible du chlorure d'aluminium et d'une mole p-tert-
bmylcalix[4]arène.
Cependant, deux éléments pennettent d'éliminer une telle éventualité:
- la réaction n'est jamais totale dans l'intervalle de ratio 1 à 4, ce qui aurait dû l'être pour
des ratios supérieurs à 1.
- la formation du calix[4]arène augmente avec le ratio.
n faut donc admettre comme l'a montré M. Tashiro avec les phénols (61) que
chaque unité phénolique du calixarène réagit avec 1 mole de chlolUre d'aluminium pour
conduire au complexe B.
Pour des ratios compris entre 4 et 6, on n'a que du calix[4]arène. Cela confirme le
fait qu'il est indispensable d'être en excès de chlorure d'aluminium. Aucune formation
d'anthracènes n'est cependant observée.
Pour des ratios supérieurs à 6 on note l'apparition d'anthracènes d'autant plus
impOltante que le ratio augmente. Le maximum est atteint lorsque l'on a un ratio de 8.
Ces résultaLIi montrent qu'il est difficile d'effectuer des déterbutylations partielles
de façon sélective dans ks conditions expérimentales décrites. On aurait pu penser en
effet qu'en utilisant un ratio de 1 par exemple, on obtiendrait essentiellement du
monodéterbutylé, ou en utilisant un raLÎo de 2, on ferait du didéterbutylé. Ce qui n'est pas
le cas puisqu'on observe toujours un mélange de tous les produits déterbutylés possibles.
104
Les anthracènes se forment quand on est en très large excès de chlorure
d'aluminium. Leur présence a pour conséquence de diminuer le rendement en
calix(4)arène par la formation probable d'un complexe calix[4]arène-anthracène,
cristallisant facilement dans l'acétone. Son spectre RMN donné figure 3.4 montre bien la
superposition des spectres de chacun des constituants. Lorsque cette formation
d'anthracène a lieu. les rendements de détertiobutylation obtenus dans le meilleur des cas
pour le calix(4)arène ne depassent pas 60%. En effet la présence des anthracènes. même
en quantité relativement faible rend difficile les opérations de purification du produit
obtenu. Cela se confirme lorsque nous réalisons la déterbutylation avec un ratio molaire
de 5. pour lequel nous ne notons pas de formation d'anthracènes. Le rendement dans ce
cas est de 80% après rectistallisation dans un mélange chloroforme-méthanol.
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1 •
• •
rr.
Figure 3.4 - Spectre RMN 1H du complexe calix{4/arène-anthracène
105
3.4 - Détermination de la structure des anthracènes
Le produit tluorescent est obtenu par sublimation du complexe précédemment
f
mentionné. La sublimation s'effectue de la façon suivante:
1
Le complexe est disposé dans un pistolet de séchage à la température du toluène à
l'ébullition sous le vide d'une pompe à palette pendant au moins 24 h. Dans ces
)
conditions, les anthracènes se subliment et se déposent sur la partie froide du pistolet
Le produit ainsi obtenu se comporte comme un corps pur en ce sens qu'il a un
point de fusion net et bien défini (225-226°C) et de plus il ne forme pas de picrate. La
RMN du proton de ce produit (figure 3.5) fait penser à un diméthylanthracène. Cela est
d'ailleurs confirmé par le spectre infrarouge (figure 3.6) où on note la présence d'une
bande vers 1630 cm- l et une autre vers 1535 cm- l caractéristiques des anthracènes. Mais
ces spectres ne correspondent à aucun des spectres des anthracènes existants dans la
littérature. Les signaux que nous avions à 8.20; 8.26 et 8.31 ppm semblent représenter
un triplet. Si tel était le cas. les protons qu'ils représentent doivent être couplés avec
d'autres protons. Il suffit pour s'en rendre compte d'effectuer des expériences de
découplage par irradiation. Ces irradiations effectuées sur tous les signaux du spectre
RMN du proton n'ont aucune incidence sur ce triplet apparent. Ce constat permet
d'avancer l'hypothèse de trois singulets.
D'autres méthodes peuvent nous aider à aller plus loin dans notre analyse. Le
spectre de corrélation hétéronucléaire lH-l3C (HQSC gradient) figure 3.7 permet de dire
que les trois signaux à 8.20; 8.26 et 8.31 ppm sont des protons différents liés à des
carbones différents et ne présentent pas de couplage entre eux comme les expériences
d'irradiation l'ont du reste montré. Nous avons donc affaire à trois singulets. Le spectre
RMN montre également la présence d'un singulet à 2.5 ppm. Il s'agit vraisemblablement
de proton ArCH3. Son extrémité particulièrement épaisse pour un singulet nous a
conduit à en effectuer un agrandissement (figure 3.8). Cette opération montre qu'il s'agit
en fait de deux signaux qui se superposent. Sur la base de ces constats et en considérant
certains travaux reportés dans la li ttérature (69-70) nous pouvons raisonnablement
émettre l'hypothèse du mélange du 2.6-diméthylanthracène et du 2,7-diméthylanthracène.
Cette hypothèse est confortée par le fait que le point de fusion du mélange eutectique de
ces deux produits reporté dans la littérature est le même que celui de notre mélange
(225-226 OC) (71).
106
1
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'CCC(
1
J
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Figure 3.5 . RMN du prOlon du mélange des alllhracèneJ dan.'i CDCI3.
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3200
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2000
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Figure 3.6 . Spectre infrarouge du mélange des anthracènes.
J
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1
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1
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1
1
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14
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I l
7 ,
J'
f .
".
Figure 3.7- Spectre de corrélation hétéronucléaire JH-J 3C.
260
258
256
254
252
250
248
(ppml
Figure 3.8 - Agrandissement du méthyle du spectre RMN du proton.
11\\0
1
t
Nous avons ensuite effectué des expériences de type NOE. L'effet NOE (Effet
Overhauser Nucléaire) pennet d'établir la proximité spatiale de noyau dans une molécule.
Pratiquement, si on in'adie sélectivement, un proton A voisin d'un proton B, on observe
une variation d'intensité du signal du proton B. Cette contribution dipolaire est
inversement proportionnelle à la puissance sixième de la distance intemucléaire. Les
spectres RMN de la littérature (70) indiquent que les singulets à 8,31; 8,26 et 8,20 ppm
sont ceux fixés sur les carbones 9 et 10 des deux diméthylanthracènes en question.
L'irradiation du signal à 8,31 ppm, figure 3.9, donne un effet NOE sur le doublet
à 7,9 ppm. Cela montre que ce proton est voisin d'un système AX. La même opération
effectuée sur le signal à 8,20 ppm, figure 3.10, donne un effet NOE sur un singulet à 7,8
ppm. Ces résultats sont en accord avec la structure du 2,7-diméthylanthracène pour
laquelle on a la situation représentée figure 3.11 et où les protons 9 et 10 ne sont pas
équivalents. Le 9 voit un singulet et le 10 un doublet.
J
\\
!
l 1 J
l
l 711
(1
i 1
Figure 3.9 - Effet NOE à 8,31 ppm.
-
"(
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Figure 3.10 - Effet NOE à 8,20 ppm.
109
1
j
j
s. singulet
d. doublet
s
4
H
H
1
1
J
H
H
H
{
d
d
Figure 3.11 - Représentation spatiale du 2.7-diméthylanthracène.
1
,
L'irradiation du proton 9 et 10 à 8.26 ppm (figure 3.12) donne un effet NOE sur
un singulet et un doublet. Cela est en accord avec la stl1lcture du 2.6-diméthylanthracène
1
dont la représentation spatiale est donnée figure 3.13.
1
1
,1
/~
1
1
l
Figure 3.12 - Effet NOE cl 8.26 ppm.
110
1
t•
s =singulet
d =doublet
d
s
H
H
H
H
H
H
s
d
Figure 3.13 - représentation spatiale du 2,6-diméthylanthracène.
Les protons 9 et 10 sont équivalents et voient un doublet et un singulet.
3.5 - Aspects mécanistiques.
Dans ce paragraphe, nous avons envisagé d'étudier le rôle des groupements
tertiobutyles, hydroxyles et de la cage du calixarène dans la formation des anthracènes.
Cela nous a conduit à réaliser des essais avec des ratios pour lesquels la formation
d'anthracènes est constatée. Ces tests vont s'appuyer sur le fait que lorsqu'on considère
la stlUcture des anthracènes il apparaît évident que le toluène joue un rôle. En effet comme
nous allons le voir dans le chapitre suivant, la déterbutylation réalisée dans le 1,2-
dichloroéthane en présence de phénol comme accepteur ne conduit en aucun cas à la
formation d'anthracènes.
Avec du toluène en présence de chlorure d'aluminium, aucune formation
d'anthracènes n'est observée. Cela montre que la présence de toluène n'est pas une
condition suffisante pour la formation de ces anthracènes. Le même résultat est observé
si à ce mélange, est ajouté du phénol ou du calix[4]arène. On peut donc conclure que le
groupement hydroxyle ne joue pas un rôle dans la formation des anthracènes. Lorsque
l'on ajoute par contre au mélange réactionnel, du p-tert-butylphénol ou du p-tert-
butylcalix[4]arène, on note la formation des anthracènes. On peut donc en déduire que le
phénomène n'est pas spécifique aux calixarènes. Il n'est pas non plus lié à un éventuel
effet cage. Tous ces résultats montrent que seuls les cas où il y a la possibilité d'avoir des
réactions de déterbutylation pelmettent d'observer la fOlmation d'anthracènes.
D'autre part, nous avons cherché à savoir quels sont les sous-produits volatils qui
se forment au cours de la réaction de déterbutylation. Nous avons effectué une
chromatographie en phase gazeuse couplée à l'infrarouge de la phase toluénique obtenue
par évaporation à pression réduite. Les résultats montrent la présence de faible proportion
des isomères méta et para du tertiobutyltoluène, des isomères du xylène, du
III
1
1
1
tert-butylbenzène et de trace d'éthylbenzène. Tous ces produits résultent de réactions de
!
transalkylation et d'isomérisation en présence de chlorure d'aluminium (72-73). D'un
point de vue purement mécanistique. nous sommes amenés à considérer la formation
d'un carbocation benzylique à partir des xylènes méta et para. Ce carbocation se ferait par
transfelt d'hydrure avec le groupe tertiobutyle comme accepteur (74). La demière étape
est une simple réaction de déshydrogénation en présence de chlorure d'aluminium (75).
Sur la base de ces éléments. le mécanisme suivant de la réaction est proposé figure 3.14.
Toluène ..
+ 8AICI3
+
4 [
AICIf>. ~ 1 + 4 HCI
III
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1
Y
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-2AICf3
VI
IV +
VII
Figure 3.14 - Mécanisme réactionnel.
3.6 - Conclusion
Cette étude nous a permis de mettre en évidence certains points non signalés
jusqu'alors dans la liltérature. Nous avons déterminé les sous-produits qui peuvent se
former et particulièrement les 2.6 et 2.7 -diméthylanthracènes qui sont pour la première
fois mentionnés en rapport avec la réaction de déterbutylation dans le toluène. Il faut
néanmoins souligner que ce travail ne concerne que la déterbutylation des p-tert-
butylcalix[4]arène el calix[6]arène. Pour les calixarènes de tailles supérieures. la réaction
nécessite la présence de phénol comme accepteur. Cependant. cette formation
d'anthracène est un phénomène qui peut se généraliser.
113
RÉACTION ONE POT
114
CHAPITRE 1
RÉACTION DE DÉTERBUTYLATION ET D'ACYLATION
DES P-TERT-BUTYLCALIX[njARÈNES EN PHASE
HOMOGÈNE, DANS LE DICHLORO-l,2-ÉTHANE
115
1.1 . Introduction
Plusieurs réactions de fonctionnalisation sur la partie haute des calixarènes sont
mentionnées dans la littérature. Ce sont des réactions assez bien connues. Généralement,
elles s'effectuent au moins en deux étapes. La première consistant à préparer le calixarène
déterbutylé. Nous avons trouvé dans la littérature que certaines de ces réactions de
fonctionalisation telles que les acylations se font en présence de chlorure d'aluminium
(22) qui lui-même est utilisé dans les réactions de déterbutylation. Il est donc possible
dans ce cas de gagner une étape en effectuant les réactions dans le même pot (" one pot").
Une telle démarche trouve sa justification dans le fait qu'industriellement, faire
l'économie d'une étape de purification intelmédiaire représente un gain appréciable.
Cependant dans l'état actuel de nos connaissances, les réactions de déterbutylation
s'effectuent généralement dans des solvants aromatiques tels que le benzène, le toluène,
l'éthylbenzène ou les xylènes. Or ces solvants sont aussi réactifs vis à vis des chlorures
d'acyles (76). Il n'est donc pas commode de les utiliser comme solvant. Nous avons
montré dans les chapitres précédents que le dichloro-l,2-éthane est un bon solvant à la
fois de réaction de Friedel Crafts et de rétro Friedel Crafts. Cependant, son utilisation
comme solvant de déterbutylation nécessite la présence d'un accepteur tel que le phénol.
Il faut pour cela déterminer le ratio molaire minimum phénol/calix[n]arène pour lequel la
réaction se déroule normalement. Des essais préliminaires nous ont conduit à retenir un
ratio égal à n c'est à dire 1 mole de phénol par mole d'unité phénolique du calix[n]arène.
Dans un premier temps, nous nous employons à montrer que la réaction de
déterbutylation s'effectue nOimalement dans ces conditions.
1 2 . Réaction de déterbutylation
1.2.1 - Équation de la réaction
Figure 1.1 - Equation de la réaction
116
1.2.2 • Procédé général
Dans un tricol. on dispose du p-tert-butylcalix[n]arène, du phénol, du chlorure
d'aluminium et du 1,2-dichloroéthane dans les proportions données tableau 1.1. Le
mélange est agité pendant 5 heures à la température ambiante. La réaction est arrêtée par
ajout d'eau distillée. La phase organique lavée plusieurs fois pour éliminer les traces
résiduelles d'acidité est séchée puis évaporée à pression réduite. Le bmt est ensuite traité
avec de l'éther éthylique ou du méthanol. Le solide obtenu est ensuite recristallisé.
calix[4] arène
calix[6]arène
calix[7]arène
calix[8]arène
Quantité calix
1.54
1,03
0,88
0,77
(mmoles)
phénol
6,16
6.16
6,16
6,16
(mmoles)
AlCl3
13.86
13.86
13,86
13,86
(mmoles)
VDCE
25
25
25
25
(mL)
rendement
63
72
82
88
(%)
Tableau 1.1 - Conditions expérimentales et résultats.
Les rendements sont inférieurs d'environs 3% à ceux obtenus en réalisant la
déterbutylation dans le toluène. Mais les résultats confirment le fait que le
1,2-dichloroéthane est un bon solvant de Friedel et Crafts. Il faut noter que dans le cas de
la déterbutylation du p-tert-butylcalix[7]arène et du p-tert-butylcalix[8] arène l'hydrolyse
se fait facilement avec de l'eau distillée. contrairement au cas du toluène où elle nécessite
l'utilisation d'acide chlorhydrique 2N. Les analyses par chromatographie en phase
gazeuse indiquent qu'en moyenne. nous avons une transformation du phénol d'environ
90% dont 62% de mono-tert-butylphénols et 38% de di-tert-butylphénols (pourcentages
CPV). Cela est intéressant car du fait de leurs grosses tailles, les groupes tertiobutyles
peuvent produire des effets d'encombrements stériques, et empêcher les attaques
électrophiles sur ces phénols au cours de la réaction en "one pot". Les figures 1.2 à 1.13
et les tableaux 1.2 à 1.3 confirment la faisabilité de la réaction de déterbutylation des
calixarènes dans le dich loro-1,2-éthane en présence de phénol.
117
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CALIX[4]A RENE
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Figure 1.2 - Spectre RMN du proton dans CDCl].
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Figure J.] - Spectre de masse électrospray positif.
C
H
0
% Calculé
76.87
5.54
14.56
% obtenu
76.38
5.63
14.61
Tableau 1.2 - Analyses élémentaires pour C28H2404.JI8CHCl].
118
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4
1
5
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119
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Figure 1.6 - Spectre RMN du proton dans CDCl3.
;_.,:--:.:7.
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H=-,- - - - - - - - - - - - - - - - - lM + Nnl+ - - - -
"1ltIQJI'" '101'11"'" . . . . . . . ,.XlIDI
\\
,œ
. . . . . .
--,
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...
Figure 1.7- Spectre de masse électrospray.
C
H
0
% Calculé
77.40
5.56
14.73
% oblenu
77.23
5.57
14.28
Tableau 1.3 - Analyses élémentaires pour C42H4806-l/8CHC/3.
120
;f
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.,.:
~
n ~
~~
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Figure 1.8 - Spectre RMN du carbone 13 dans CDC13.
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1
1
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1
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Figure 1.9 - DEPT.
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CALIX[7]ARENE
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• 1
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1 1
I l
Figure 1.10 - Spectre RMN du proton dans DMSO.
960748 YK 7H
lI60613Ol1 1 10.2611
[M - H]-
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lOG-
741.1
1.2Se7
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,,42.1
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143.2
G
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100
150
200
250
300
350
400
450
!IOO
550
eoo
ll!O
7IlO
7!0
eoo
Figure 1.11 - Spectre de masse électl"Ospray.
122
j
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1
CALIX[8]ARENE
j
1
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,
1
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1 1
1 1
1 •
• 1
• 1
1.1
1.1
1.1
Figure 1./2 - Spectre RMN du proton dans DMSO.
86074' YK 8H
llllllII1311 1 (0.3141
100-
Figure 1.13 - Spectre de masse é/ectrospray.
123
1.3 • Réaction d'acétylation en "one pot"
1.3.1 • Équation de la réaction
A1C1a
+
CHaCOCI
•
Figure 1.14 - Équation de la réaction.
1.3.2 • Mode opératoire et résultats
Dans un tricol muni d'une agitation magnétique, on dispose 1 g de
p-tert-butylcalix[4]arène (l,54 mmole) ou 1 g de p-tert-butylcalix[7]arène (0,88 mmole),
0,579 g de phénol (6,16 mmoles), 2,87 g de chlorure d'aluminium (21,56 mmoles) et 25
mL de 1,2-dichloroéthane. Le mélange est agité pendant 5 h puis 0,97 g (12,32 mmoles)
de chlorure d'acétyle y est ensuite ajouté et la réaction est poursuivie pendant 24 h. Une
hydrolyse à l'eau distillée ou avec une solution d'acide chlorhydrique 1 N est effectuée
puis la phase organique obtenue après décantation est lavée avant d'être évaporée à
pression réduite. Le résidu est traité par 25 mL d'acétone.
Dans le cas du p-tert-butylcalix[4] arène, le résidu pateux est soluble dans
l'acétone. TI est indispensable donc de laisser le mélange au congélateur pendant 48 h. Le
précipité obtenu après filtration est dissous à chaud dans le chloroforme puis filtré. La
solution obtenue est refroidie puis on y ajoute du méthanol jusqu'à la limite de solubilité.
La recristallisation est poursuivie au congélateur pendant 48 h. On isole après filtration
379 mg de p-acétylcalix[4]arène soit un rendement de 41,5% par rapport au p-tert-
butylcalix[4]arène, Pf = 176-178 oc.
Dans le cas du p-tert-butylcalix[7]arène, le traitement du résidu avec l'acétone
entraîne la précipitation immédiate d'un produit. Ce dernier une fois isolé reste insoluble
dans la plupart des solvants organiques. Il est donc simplement lavé à chaud dans le
chloroforme. A l'issue de ce traitement, on isole 445 mg de p-acétylcalix[7]arène (49%)
par rapport au p-tert-butylcalix[7]arène, Pf> 330 oc.
124
Ces résultats montrcnt qu'il est possible en choisissant de façon convenable. les
conditions opératoires de réaliser dans le même pot. une réaction de rétro Friedel et Crafts
et de Friedel et Crafts. Ces résultats sont meilleurs que ceux obtenus dans le cas où la
réaction est effectuée en deux étapes. En effet. dans le cas du calix[4]arène. le seul
protocole d'acétylation directe sur la partie aromatique de ce composé décrit dans la
litttérature (22) conduit au p-acétylcalix[4]arène avec un rendement de 40%. Ce
rendement ne tient pas compte de l'étape de la déterbutylation qui dans le meilleur des cas
conduit au calix[4]arène avec un rendement de 70%. Ce qui donne un rendement global
de (40 x 70/100)% = 28%. Dans notre cas. nous obtenons un rendement de 41.5% soit
un gain d'environ 14%. Par ailleurs. il est intéressant de signaler qu'à notre
connaissance. le p-acétylcalix[7]arène est un nouveau produit.
Les résultats des analyses sont donnés par les figures 1.15 à 1.20 et par les
tableaux 1.4 et 1.5.
1.4 . Conclusion
Ce paragraphe illustre la possibilité d'effectuer les réactions de déterbutylation des
p-tert-butylcalix[n]arènes dans le 1,2-dichloroéthane en présence de phénol. Ce résultat
est impOitant d'autant plus qu'il ouvre des perspectives intéressantes pour la réalisation
de réactions one pot. les exemples choisis ayant été concluants. Les réactions de
substitutions électrophiles sur la partie haute des calixarènes avec le chlorure d'aluminium
comme catalyscur peuvent désormais être envisagées en une seule étape au lieu de deux
étapes.
tétraacéty\\calix
C
H
0
[4]arène
% Calculé
68.08
5.35
22.50
% obtenu
68.25
5.49
22.20
Tableau lA - Analyses élémentaires pour C3{)1320S.lI4CHCl3.H2o.
heptaacétylcalix
C
H
0
[7]arène
% Calculé
68.95
5.27
21.55
% obtcnu
68.24
5.49
21.95
Tableau 1.5 - Analyses élémentaires pour C63H56014.1I4CHCI3.112H20.
125
CIf3CO
ArH
An:H2Ar
OH
Figure 1.15 - Spectre RMN du proton du tétraacétvlcalixf4Jarène dans DMSO à 60 oc.
CH3CO
ArH
ArCH2Ar
1
OH
/ '
/
.'
Figure 1.16 - Spectre RMN du proton de l'heptaacétylcalixl7Jarène dans DMSO cl
60 oC.
126
1IG74S YKAtG7
[M - Hl-
...
......
" ' t » t ' I D "
,
Figure 1.17 - Spectre de masse électrospray du tétraacétylcalix[4]arène.
960741 YK ft108
. . .Im llt.2ll, ... (tott.ZlIt.IOI
. . . 0-
1.17.1
1
1350
2lIS 1
lM -H ]-
\\
ZID.I
ID:IS.'
11117.1
tin
Figure 1.18 - Spectre de masse électrospray de l'heptaaeétylcalix[7]arène.
127
2
3
4
7
1
6
5
.
1
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i
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1
1
T
..
..
'U
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i
."
i
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"
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1
...
1
..
..
lU
,:.
.;,
'Ir
Figure 1.19 - Spectre du carbone 13 et du DEPT du p-tétraacétylcalix{4]arène.
12X
CONCLUSION
130
Ce travail. porlant aussi bien sur les réactions de substitution électrophile sur la
partie aromatique de phénols et de calixarènes que sur les réactions de désalkylation de
ces mêmes composés. nous a pennis d'obtenir les résultats ci-dessous mentionnés.
L'élUde de l'isopropylation du métacrésol. réaction non sélective. a permis de
déterminer les conditions optimales de formation du n-thymol. produit présentant un
intérêt sur le plan industriel. Conduite à la pression atmosphérique et en présence de
sulfate métallique/y-alumine. la réaction a été optimisée par les plans d'expériences. Cette
stratégie nous a pennis de passer de sélectivités initiales en n-thymol de l'ordre de 40% à
des sélectivités de 70%. soit un gain de 30%.
Ces sulfates métalliques/y-alumine. permettant une isopropylation du
2.6-diméthylphénol quasiment sélective en para du groupe hydroxyle. ont été utilisés
pour catalyser l'isopropylation du calix[4]arène à l'état solide. Nous avons montré que
dans des conditions opératoires convenablement choisies (déterminées à l'aide des plans
d'expériences). il est possible d'obtenir le p-iso-propylcalix[4]arène avec un rendement
de l'ordre de 50%. Ce résultat est l'un des premiers concernant les réactions de l'état
solide organique des calixarènes.
Concernant toujours les réactions de substitution électrophile. nous nous sommes
intéressés aux réactions d'isopropylation en solution des calixarènes en présence de
chlorure d'aluminium. Nous avons constaté que la réactivité est différente selon la taille
de
ces
macrocycles.
Avec
le
calix[4]arène.
nous
avons
une
réaction
d'hydroxyisopropylation. Le calix[6]arène donne essentiellement des produits
d'isopropylation et le calix[8]arène conduit uniquement à des produits d'isopropylation.
Cette tendance n'est cependant pas observée avec le calix[7]arène pour lequel nous
observons à la fois la présence de produits d'isopropylation et d'hydroxyisopropylation.
Dans une deuxième partie. les sulfates métalliques/y-alumine précédemment
utilisés pour les substitutions électrophiles. nous ont permis de développer un procédé
général de désalkylation quantitative de tertiobutylphénols.
Avec le p-tert-butylcalix[4]arène. ces catalyseurs conduisent à des déterbutylations
partielles si la réaction à lieu à l'état solide. Tandis qu'en solution. nous observons une
déterbutylation totale à condition d'utiliser un solvant pelmettant d'effectuer la réaction à
une température supélieure à 200 oc.
Concernant toujours ces réactions de désalkylation. nous avons mis en évidence
pour la première fois. que l'utilisation en large excès de chlolUre d'aluminium comme
catalyseur pour la déterbutylation (2 moles par mole d'unité phénolique) conduit en plus
..
du produit déterbutylé. à la formation d'un mélange de 2.6 et de 2.7-diméthylanthracène.
Cela a pour conséquence de diminuer le rendement en produit déterbutylé par la formation
d'un complexe dillïcilcment pUlitiable.
131
Dans la dernière partie, nous avons synthétisé le p-acétylcalix[4]arène et le p-
acétylcalix[7]arène en "one pot" à partir des p-tert-butylcalixarènes con"espondants. Nous
avons ainsi amélioré les rendements globaux de la formation de ces deux produits en
comparaison avec ceux existants dans la littérature.
132
1
,
1
,
2
3
4
7
6
1
5
,
1
1
1
1
,
,
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I l
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••
Figure /.20 - Spectre du carbone /3 et du DEPT du p-hepraacétylcalix{7Jarène.
l '11\\
ANNEXES
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
ANNEXEA-2
~- Phénol solide
....,._- Vibreur
Entrée d'azote
Four
• •~~+i- Mélange brut
Schéma du procédé de désalkylation de phénols
135
ANNEXEA-l
Entrée des gaz
(N2 oUA)
,
Introduction du méta crésol
"
Pompe à seringue
Régulation
four
Four
Recette refroidie
dans eau + glace
~~~- Mélange brut
Schéma du procédé d'alkylation du métacrésol
134
Annexe A-3
A
B
o
c
E
G
A
Capteur de pression
B
Capteur de température
C
Pompe à palette
o
Four avec régulation de température
E
Réacteur
F
Compresseur
G
Réselvoir de propène
Shéma du procédé d'alkylation du calix[4]arène à l'état solide
136
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1973, p 196.
141
l'''J
1
TIIESE de L'UNIVERSITE DE LYON l (SCIENCES)
NOM:
YAO
DATE de SOUTENANCE
(avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant)
~rénoms: Kouassi Benjamin
Soutenue le 24 Octobre 1996
TITRE":
ALKYLATION ET DESALKYLATION DE PHENOLS ET DE CALIXARENES:
OPTIMISATION DE PROCEDES
NATURE:
Numéro d'ordre: 248 - 96
1
NOUVEAU
LABEL EUROPEEN
Spécialité: Chimie Industrielle
lE] OOCf
o OUI 0 NON
Cote D.I.U. - Lyon :T 50/210/19 /
et
bis
CLASSJ;::
RESUME:
,
Dans.la première partie. nous étudions en présence de différents catalyseurs, les
isopropylations de phénols et de calixarènes. Nous montrons que dans des conditions
optimales déterminées à l'aide des plans d'expériences. le système métacrésol-sulfate
fen'ique supporté sur alumine-propène. pelmet d'obtenir le n-thymol avec une sélectivité
de soixante dix pour cent. tandis que dans une réaction de l'état solide organique, le
système calix[4]arène-sulfate de nickel supporté sur alumine-propène sous pression
conduit au p-iso-propylcalix[4]arène avec un rendement de cinquante pour cent. D'autre
part. l'étude du système calix[n]arène-chlorure d'aluminium-dichloroéthane-chlorure
d'isopropyle montre une différence de réactivité en fonction de la taille du calixarène.
Dans la deuxième partie. nous développons à l'aide des plans d'expériences, un
procédé généralisable d~ déterbutylation en phase gazeuse de phénols. avec sulfate de
nickel supporté sur alumine comme catalyseur. Ce catalyseur pennet également de
déterbutyler le p-tert-butylcalix[4] arène de façon pllitielle.dans une réaction de l'état solide
organique et de façon totale en solution. Nous montrons par ailleurs. pour la première
fois que le système p-tert-buty1calix[4]arène-chlorure d'aluminil,lm-toluène conduit à la
fonnation parallèle du 2.6 et 2.7-diméthylanthracène si le ratio molaire chlorure
d'aluminium/p-tert-butylcalix[4]arène est supélieur à sept.
Entïn. nous réalisons l'acétylation de calixarènes en "one pot" en présence de
chlorure d'aluminim en utilisant. Cela permet d'améliorer les rendements en produits
acétylés.
MOTS-CLES :
Alkylation, desalkylation, phénols et calixarènes, réaction de l'état solide. catalyse
homogène et hétérogène, plans d'expériences, optimisation de réactions.
Laboratoire(S) de recherches :
Directeur de recherches:
R. LAMARTINE
Président de jury :
R. LAMARTINE
Composition dujury
R. LAMARTINE, 1. P. AUNE, M. OlTERBEIN, M. THOMALLA.
1. BASSUS, P. LANTERI