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REVENDICATIONS
Procédé d'hydrogénation stéréosélective au moyen de l'hydrogène gazeux élémentaire, d'un composé cyclique comprenant un groupe hydroxyle fixé à un centre asymétrique du cycle et au moins une double liaison carbone-carbone non aromatique située de telle façon que son hydrogénation crée un centre d'asymétrie supplémentaire dans le cycle, caractérisé en ce qu'on favorise l'approche de l'hydrogène du côté de la molécule qui comporte le substituant - OH vers cette double liaison et donc la stéréosélectivité correspondante, en effectuant l'hydrogénation en présence d'un catalyseur d'hydrogénation contenant du nickel dont une partie des surfaces réactives a été inactivée par traitement avec un modificateur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé insaturé cyclique est un alcool carbocyclique terpénique.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit groupement hydroxyle est allylique par rapport à la double liaison oléfinique carbone-carbone.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composé insaturé cyclique est le d-trans-pipéritol, le produit d'hydrogénation étant de manière prédominante le d-isomenthol.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur d'hydrogénation est un catalyseur au nickel de Raney.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un catalyseur parpartiellement inactivé par traitement avec un modificateur choisi parmi les sels minéraux des métaux des groupes I à VIII, périodes 4 à 7, et les terres rares de la classification périodique; les halogénures organiques, aliphatiques et aromatiques; I'éthérate de BF3; et l'AsCl3.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on utilise un catalyseur prétraité par une solution du modificateur, ledit prétraitement consistant à agiter la solution de modificateur et le catalyseur pendant un certain temps puis à enlever l'excès de solution de modificateur.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on ajoute ledit modificateur directement au mélange réactionnel du catalyseur et du composé insaturé cyclique avant hydrogénation, la quantité de modificateur étant 0,01 à 100% du poids du catalyseur.
9. Procédé selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que le composé insaturé cyclique est le d-trans-pipéritol qui a été débarrassé du soufre qu'il contient comme contamination avant hydrogénation.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'une partie des surfaces réactives dudit catalyseur a été inactivée par traitement dudit catalyseur avec un modificateur choisi dans le groupe formé de Nif12 et de CuCI2.
La présente invention concerne l'hydrogénation stéréosélective de composés insaturés cycliques. L'invention est particulièrement applicable à l'hydrogénation stéréosélective d'alcools allyliques monocycliques terpéniques et sera décrite en se référant à l'hydrogénation du d-trans-pipéritol en d-isomenthol, bien qu'il soit apparent pour l'homme de l'art que l'invention a une plus large application.
La stéréosèlectivité est un concept décrit dans la littérature.
Elle désigne essentiellement la synthèse qui produit un diaséroéisomère (ou une paire de diastéréo-isomère) d'une structure donnée de manière nettement prédominante par rapport à tous les autres diastéréo-isomère (ou paire de diastéréo-isomère) possibles de la même structure. On peut se référer à Stereochemistry of Carbon
Compounds , E. L. Eliel, 1962, chapitre 15, pages 434-446,
McGraw-Hill.
Un principal intérêt du d-trans-pipéritol est son utilisation comme intermédiaire permettant d'obtenir le d-isomenthol par hydrogénation. Le d-isomenthol est un produit important car on l'isomèrise facilement en t-menthol qui est à son tour un ingrédient aromatisant ou rafraîchissant important pour des produits, pharmaceutiques et autres.
On connaît depuis longtemps l'hydrogénation du d-trans-pipéritol en d-isomenthol et des procédés d'hydrogénation apparentés, qui sont décrits dans les publications suivantes:
1. Synthesis of Laevo-menthol from a Citrus By-product,
J.C. Leffingwell and R.E. Shackelford , présentée par le Dr. Leffingwell à la Conférence annuelle des Tobacco Research Chemists, Winston-Salem, Caroline du Nord, U.S.A., le 5 octobre 1973.
2. Menthol, Part 4: Manufacturing processes and Syntheses , D Siegfried Mignat et Fredrich Porsch, Dragoco Report, 1962, No. 1, 10-23 (page 17).
3. Reactions of Alpha, Beta-Unsaturated Cyclic Aldehydes and Ketones Part IX , A. Killen Macbeth et J. S. Shannon, Journal of the Chemical Society, 1952 , 2852-2856.
4. Reactions of Alpha, Beta-Unsaturated Cyclic Aldehydes and Ketones Part XI , A. Killen Macbeth, B. Milligan et J. S.
Shannon, Journal ouf tue Chemical Society, 1953 , 901-902.
5. Brevet des E.U.A. N" 3028418, Exemple N" 22.
6. Brevet des E.U.A. N" 2894040.
7. Brevet des E.U.A. N" 2935526.
L'hydrogénation du d-trans-pipéritol et les autres procédés apparentés sont représentatifs des synthèses stéréosélectives dans lesquelles on produit un diastéréo-isomère en quantité nettement prédominante par rapport aux autres diastéréo-isomères. Cependant, de manière générale la stéréosélectivité n'est pas totale.
Bien que de bons rendements en d-isomenthol soient indiqués dans la technique antérieure, pratiquement tous les travaux de la technique antérieure ont été effectués avant que l'on dispose de la chromatographie en phase vapeur pour l'analyse. Des sélectivités indiquées allant jusqu'à 95% en d-isomenthol, déterminées par analyse, infra-rouge, sont donc sujettes à question.
L'expérience de la titulaire avec l'hydrogénation classique du d-trans-pipéritol est que l'on obtient en plus du d-isomenthol désiré une certaine quantité du d-menthol isomère, comme indiqué dans l'équation suivante:
EMI1.1
d-trans-Pipéritol
EMI1.2
d-Isomenthol d-Menthol
Il a été déterminé qu'il existe en fait 8 isomères du menthol: le vt-isomenthol, le t-néo-isomenthol, le d-menthol, le -nèomen- thol, le d-isomenthol, le d-néo-isomenthol, le C-menthol et le dnéomenthol. Les préfixes d et e se référent au pouvoir rotatoire optique de chaque substance et n'indiquent pas les configurations relatives.
Ainsi, le St-menthol est apparenté au point de vue configuration aux d-iso, d-néo et d-néo-isomenthols. Le préfixe iso signifie que le groupement méthyle est en position axiale, et le préfixe neo signifie que le groupement hydroxyle est en position axiale (à comparer aux positions équatoriales). On peut trouver une bonne discussion sur les menthols dans la publication The
Terpenes , Vol. 1, part. 1, chapitre 2, pages 230-250, de J. L.
Simonsen, Cambridge at the University press, 1947.
La différence entre le d-isomenthol et le d-menthol réside dans la position du groupement méthyle par rapport aux positions des
groupements hydroxyle et isopropyle de la molécule. En fait dans le d-isomenthol, le groupement méthyle est en position axiale, le groupement hydroxyle étant équatorial, alors que dans le d-menthol, les deux groupements méthyle et hydroxyle sont équatoriaux. Le groupement isopropyle en raison de son encombrement stérique, est placé presque exclusivement en position équatoriale.
Cette hydrogénation stéréosélective préférentielle, mais incomplate des alcools allyliques cycliques, a également été observée par
S. Mitsui et aL, comme indiqué dans Chemistry and Industry , 14 octobre 1967 (1746-1747). En utilisant le 3-méthylcyclohex-2énol, ils ont trouvé que, sur du nickel de Raney, I'hydrogène a tendance à attaquer du même côté de la double liaison que celui où se trouve le groupement hydroxyle [dans la synthèse stéréosé- lective du d-isomenthol, en se référant à l'équation précédente, on suppose comme dans l'article de Mitsui et al., qu'il y a une attaque préférentielle de l'hydrogène du même côté de la double liaison que celui où se trouve le groupement hydroxyle, ce qui force le groupement méthyle en position 1 à former une liaison axiale.
Une certaine quantité d'hydrogène attaque du côté opposé cependant, ce qui force le groupement méthyle à former une liaison équatoriale avec la molécule] pour donner de manière stéréosélective l'isomère trans, alors que sur un catalyseur au palladium il se forme davantage d'isomère cis. Cependant, comme indiqué, la stéréosélectivité n'est pas totale et ils indiquent un rendement en pourcentage de produits de seulement 87% de l'isomère trans.
Le brevet des E.U.A. précédent N" 3028418 décrit l'hydrogénation sélective des pipéritols (et en particulier dans l'exemple 22, rhydrogénation sélective du d-cis-pipéritol et du t-trans-pipéritol en néomenthol et isomenthol respectivement). La référence donne des résultats de 92 à 95% de stéréosélectivité, par analyse infrarouge, alors que les essais de la titulaire effectués dans des conditions similaires mais avec le d-trans-pipéritol donne une stéréosé- lectivité en produits de seulement 89,5% déterminée par chromatographie en phase vapeur.
Le t-menthol doit être très pur au point de vue optique pour satisfaire les exigences de la pharmacopée des E.U.A., et la présence de d-menthol abaisse très sérieusement la pureté optique du e-menthol. En fait, la présence du d-menthol produit un mélange racémique dans lequel 5% de d-menthol donnent, après traitement ultérieur, une pureté optique de seulement 90% pour le t-menthol. Alors que le d-isomenthol est facilement isomérisé en vt-menthol, le d-menthol ne l'est pas et est très difficile à séparer du d-isomenthol. La présence du d-menthol a également un effet important sur l'abaissement du point de fusion en dessous des normes.
Ainsi, une augmentation de la stéréo sélectivité de seulement environ 5% pour obtenir une valeur d'environ 92% et de préférence d'environ 95% ou plus, dans la synthèse du d-isomenthol, serait très importante industriellement.
Une publication intéressante eu égard à la présente invention est intitulée: Some Factors Influencing the Activity of Raney
Nickel Catalyst. III. The poisoning of Raney Nickel by Halogen
Compounds John N. Pattison et Ed. F. Degering, Journal
American Chem. Soc. , 73, 1951, pages 611-613. Si l'on se réfère en particulier à la fig. 1 de la publication, il est indiqué qu'un catalyseur de nickel de Raney a des surfaces de réactivités différentes, et que des poisons, dans ce cas HCL, réagissent ou bloquent les surfaces les plus réactives d'abord. En particulier, la figure montre une rupture distincte dans l'effet sur la vitesse de réaction d'hydrogénation, dans l'hydrogénation du styrène, lorsque l'on ajoute plus de 0,05 g de HCI.
Pattison et aL, ne font aucune mention de l'effet de l'empoisonnement sur la stéréosélectivité, ni sur l'hydrogénation d'alcools allyliques ou la synthèse du t-menthol dans cet article. Le seul but de l'article est de montrer l'effet sur les vitesses de réaction de l'empoisonnement du catalyseur par des composés halogénés.
Une discussion similaire se trouve dans Ann. , 660, (1962), pages 1-23. Cette publication décrit l'empoisonnement relatif du nickel de Raney par de nombreux composés, déterminé par réduction de la vitesse d'hydrogénation. Cette publication ne contient aucune référence à la stéréo sélectivité.
La présente invention réside dans la découverte que dans un procédé d'hydrogénation, par l'hydrogène élémentaire en présence d'un catalyseur d'hydrogénation et sous des conditions d'hydrogénation, d'un composé insaturé cyclique ayant un groupement hydroxyle fixé à un centre asymétrique du cycle du composé et une double liaison oléfinique carbone-carbone, qui lorsqu'elle est saturée dans le procédé d'hydrogénation crée un centre d'asymétrie supplémentaire dans le cycle, on obtient une stèréosélectivité accrue ou une addition accrue de l'hydrogène sur le côté de la liaison oléfinique qui correspond au côté de la molécule de composé dans lequel se trouve ledit groupement hydroxyle,
en effectuant l'hydrogénation avec un catalyseur d'hydrogénation contenant du nickel dont une partie substantielle de la surface réactive a été inactivée par un traitement avec un modificateur. En particulier, on a découvert que l'on peut obtenir une synthèse stéréosélective de 92% ou mieux dans l'hydrogénation de composés cycliques tels que définis.
Un aspect particulier de l'invention réside dans l'hydrogénation des alcools allyliques cycliques terpéniques dans lesquels le groupement hydroxyle a un effet directeur maximum sur l'attaque de la double liaison de la molécule par l'hydrogène. L'invention est particulièrement applicable à l'hydrogénation du d-trans-pipéritol en d-isomenthol.
Des exemples d'autres alcools cycliques que l'on peut hydrogéner de manière stéréosélective selon les concepts de la présente invention, comprennent les cis- et trans-isopipériténols, le cispipéritol, les cis- et trans-verbénols, les cis- et trans-3-p-menthène-5-ols, les cis- et trans-carvéols, les cis- et trans-pulégols, les cis- et trans-psi-carvéols, les cis- et trans-l-menthéne-5-ols, le 3méthylcyclopent-3-énol, les cis- et trans-pinocarvéols, les cis- et trans-umbellerols, l'eucarvol et le 3-méthylcyclopent-2-énol. Les formules de ces composés types sont données dans le tableau 1 suivant.
Tabkau I
EMI2.1
Carvéol
EMI2.2
Pipéritol
EMI2.3
Isopipériténol l-Menthene-5-ol 3-p-Menthène-5-ol
Tableau 1 (suite)
EMI3.1
Pulégol psi-Carvéol
EMI3.2
Pinocarvéol Umbellérol Verbénol
EMI3.3
Eucarvol 3-Méthylcyclopent-2-énol 3-Méthylcyclopent-3-énol.
Si l'on considère le tableau 1, on verra que dans chacun des composés précédents, le radical hydroxyle est fixé à un centre asymétrique du cycle du composé. On voit également que dans tous les composés représentés, une double liaison conduit à un atome de carbone tertiaire et son hydrogénation donnera donc la formation d'un second centre asymétrique.
Les substituants en position 1 et 4 du cycle ne sont pas nécessairement des groupements méthyle et isopropyle, car la présente invention est applicable indépendemment du ou des substituants particuliers fixés à ces positions. Le composé peut être hétérocyclique.
Comme indiqué dans le tableau 1, le groupement hydroxyle ou tout autre substituant n'est pas nécessairement allylique vis-à-vis de la double liaison, bien que comme mentionné cela soit préférable. Le composé en question peut être un composé cyclique à 5, 6 ou 7 chaînons.
Un catalyseur au nickel préféré pour l'utilisation dans le procédé de la présente invention est un catalyseur de nickel de Raney, bien que l'on verra d'après la description suivante que l'invention est applicable à tous les types de catalyseurs au nickel, sur support ou du type de Raney. Les catalyseur du type nickel de Raney appropriés, sont ceux vendus par W. R. Grace & Co. sous la marque de fabrique Raney 28 et Raney 30. Le terme Raney est indiqué comme étant une marque de fabrique déposée de W. R.
Grace & Co. Cependant, il est utilisé très généralement dans la technique pour désigner une catégorie de catalyseurs, et pour les besoins de cette demande, il est ainsi utilisé. D'autres catalyseurs au nickel appropriés du type Raney comprennent un catalyseur au nickel spongieux vendu par Activated Metals Inc., sous la marque de fabrique A-5000, et un catalyseur préparé selon le mode opératoire indiqué dans Organic Syntheses Collective
Volume 3 , John Wiley & Sons, New York, copyright 1955, page 176.
Les catalyseurs de nickel supportés comprennent le catalyseur au nickel 1404 P de Harshaw Chemical Co. (marque de fabrique de Harshaw Chemical Co.) qui est 68% de nickel sur un support particulier appartenant à la Société; et le catalyseur G-69 de Girdler (marque de fabrique de Girdler Chemical Inc.), catalyseur au nickel qui est du nickel activé par du zirconium sur de la kieselguhr, 55% de nickel, et 2% de zirconium. D'autres catalyseurs sont évidents pour l'homme de l'art.
Le catalyseur au nickel peut avoir une partie de ses surfaces réactives désactivée par utilisation de l'un quelconque d'un grand nombre de modificateurs de catalyseur. Un tel modificateur préféré est une solution aqueuse à 7,5% de MCI2 - 6H20, et l'on effectue le traitement du catalyseur en mélangeant la solution avec le catalyseur et en agitant pendant une courte période de temps à la température ambiante. Puis on effectue l'hydrogénation en présence d'un solvant non réactif comme l'isopropanol jusqu'à ce que la prise d'hydrogène cesse.
Les composés modificateurs peuvent être organiques ou minéraux et sont de préférence choisis dans le groupe comprenant: les sels minéraux des métaux des groupes I à VIII (de préférence des périodes 4 à 7 et les terres rares) de la classification périodique; les halogénures organiques des types aliphatiques et aromatiques, et des composés non métalliques comme BF3 Et2O et Asti3. De tels modificateurs particuliers qui sont des sels métalliques comprennent HCI (décrit par
Pattison et aL); AlCl(i-Pro2); et Al(OH)- (OAc)2; CuCk;
Cu(OAc)2; CuSO4; CuBr2; SrCk; Znck; ZnS04; Zn(OAc)z 2H2O ZnBr2; CdCl2; HgCk; TiC13; Ti2(C204)3;
SnC4; VBr3;
CrC13 6ho0; MoCI5; Mn(OAck 4Hz0; MnSO4 H20; Fe(OH) (OAc)2; FeBr3; Cocu; Co(OAc)2 4H2O;
NiSO4; Nif12 6H20; NiBr2 6H2O; NiI2 6H20; RuCk et SmC13. Certains modificateurs organiques sont: CH2Ck; CHCl3; CCl4; CHBr3; CH2Br2; CBr4; CBrC13; le 3-chloropropène; le 3bromopropéne;
I'acide trichloroacétique; le 1 ,2-dichloroéthane; la chloroacétone; le 2-chloroèthanol; le chlorobenzène; I'o-chlo rotoluène; le pchlorophénol; la pchloroacétophénone ; et le chlorure de benzoyle. L'abrévation i-Pro désigne le radical isopropoxy; OAc remplace le radical acétate.
Le solvant utilisé dans le procédé d'hydrogénation n'est pas déterminant pour autant qu'il n'empoisonne pas le catalyseur. Sur cette base, on ne peut évidemment pas utiliser des solvants comme le chloroforme et le diméthylsulfoxyde. Cependant, les solvants appropriés comprennent le toluène, le menthane, l'acétone,
I'alcool isopropylique, I'alcool éthylique, et l'alcool méthylique.
Le solvant n'a pas besoin d'être anhydre et en fait des quantités d'eau allant jusqu'à environ 8% ou plus peuvent amener une stéréosélectivité légèrement améliorée.
On utilise dans le procédé d'hydrogénation les conditions d'hydrogénation classiques; par exemple, en ce qui concerne la pression (100 mm absolue à 350 kgiem2), les proportions, la température (-20 à + 150"C) et la durée. Cependant, on peut déterminer une stéréosélectivité optimale à des pressions comprises entre la pression atmosphérique et 28 kg/em2 effectifs et à des températures comprises entre environ 10 C et environ 850 C, et de préférence à la température ambiante (25-35 C). Pour les besoins de la présente demande, I'expression conditions d'hydrogénation, lorsqu'elle est utilisée, désignera les conditions d'hydrogénation classiques.
Il faut utiliser des quantités catalytiques classiques du catalyseur d'hydrogénation, c'est-à-dire environ 0,01-20% de métal catalyseur, bien que l'on ait déterminé de bons résultats avec environ 1 à 6% de métal catalyseur, de préférence environ 4% de métal catalyseur en poids, par rapport au poids de l'alcool, par exemple le d-trans-pipéritol.
On peut ajouter directement le modificateur de catalyseur au mélange d'hydrogénation au lieu de prétraiter le catalyseur à l'aide du modificateur. Dans ce cas, la quantité de modificateur utilisé peut varier entre 0,01 et 100% du poids du catalyseur.
Lorsque l'on utilise pour traiter le catalyseur une solution du modificateur, avant l'hydrogénation, la solution surnageante du modificateur est enlevée par décantation ou tout autre moyen.
Un aspect de l'invention réside dans la découverte que l'on obtient des résultats optimaux en amenant une charge de d-transpipéritol ou d'un autre alcool ou substrat qui est pratiquement exempte de soufre.
Bien que la titulaire ne désire pas se tenir à une quelconque théorie particulière quant aux raisons des résultats améliorés obtenus selon la présente invention, on pense, comme indiqué par Pattison et al., que le catalyseur au nickel a deux types distincts de surfaces réactives et que les surfaces plus réactives sont des sites moins sélectifs pour l'hydrogénation. On pense en outre que les composants modificateurs indiqués tendent à désactiver les surfaces les plus réactives, en améliorant la stéréosélectivité du catalyseur. Cela est confirmé par une diminution détectable de la vitesse de réaction après addition du modificateur. Cependant, la modification du catalyseur est insuffisante pour le rendre inutilisable à un quelconque degré significatif.
Un avantage de l'invention est que l'on peut réutiliser le catalyseur modifié dans des réactions d'hydrogénation successives, 2, 3 ou plusieurs fois.
L'invention apparaîtra d'après les exemples suivants. Dans les exemples, il est entendu que tous les pourcentages ou les parties sont des pourcentages ou des parties en poids et que les températures sont en degrés Celsius à moins d'indications contraires. La pression est la pression mesurée au manomètre. Les durées sont exprimées en heures.
Exemple I
Dans cet exemple, pour des besoins de comparaison, on effectue l'hydrogénation avec des catalyseurs au nickel de Raney qui ne sont pas traités ou qui ont été traités selon les concepts de la présente invention. On effectue le traitement d'un catalyseur au nickel de Raney (en particulier Raney 28 et Raney 30 de Grace) en ajoutant 20 ml d'une solution aqueuse à 7,5% de NiC12 6H20 à un échantillon de 4 g du catalyseur, en agitant le mélange pendant 30 mn à la température ambiante puis en laissant le catalyseur décanter. On décante l'excès de liqueur surnageante, et on lave le catalyseur trois fois avec 35 ml d'isopropanol.
On effectue l'hydrogénation en ajoutant 10 g de d-trans-pipéritol, 10 g d'isopropanol et 0,4 g de catalyseur dans un agitateur de
Parr, puis en mettant l'agitateur sous pression avec de l'hydrogène à diverses températures et pressions jusqu'à ce que la prise d'hydrogène cesse. On obtient les résultats suivants:
Tableau I
Traitement du % du cat.
Pres. (kg/cm2) Temp. ( C) % catalyseur
Conv. d-Men d-Iso
Aucun 4 4,2 25 100,0 13,9 86,1
Aucun 5 28 28 99,9 14,3 85,6
Aucun 5 28 28 99,9 13,7 86,1
Aucun 2 28 70 99,6 14,2 85,8 7,5% Nicol 4 Atm. 25 99,0 3,4 96,6 7,5% NiCI2 4 4,2 25 97,5 2,5 97,5 7,5% NiCI2 4 4,2 50-55 100,0 4,8 95,2 7,5% Nif12 4 4,2 65-75 100,0 6,1 93,9 7,5% NiCk 4 14 25 100,0 2,9 97,1
Dans le tableau I, d-Men désigne le d-menthol et d-Iso désigne le d-isomenthol. Pres. est la pression d'hydrogène et Temp. est la température du mélange réactionnel. Cat. désigne le catalyseur et
Conv. désigne le taux de transformation du pipéritol.
On voit d'après le tableau suivant que l'on obtient des transformations satisfaisantes en d-isomenthol désiré seulement avec le catalyseur traité. Des températures supérieures donnent une stéréosélectivité inférieure en d-isomenthol. Les valeurs de la pression et la durée ne sont pas déterminantes.
Exemple 2
Cet exemple illustre l'aptitude d'un catalyseur au nickel de
Raney traité selon les concepts de la présente invention, à hydrogéner successivement des charges multiples de d-trans-pipéritol avec un taux de transformation élevé et un faible changement de la stéréo sélectivité.
On effectue l'hydrogénation avec 2000 g de d-trans-pipéritol, 2000 g d'isopropanol, 80 g de catalyseur au nickel de Raney (N" 30 de chez Grace) traité comme dans l'exemple 1, à une pression effective de 4,34 kg/cm2, une température de 25"C et une agitation de 1000 t/mn. On obtient les résultats suivants avec trois charges successives.
Tableau Il
Charge Durée de N" réaction (h) Conv. d-Men d-Iso 1 2,8 99,1 4,6 95,3 2 5,6 100,0 4,8 95,2 3 5,0 97,4 4,8 95,2
Exemple 3
Cet exemple illustre les avantages de l'invention avec l'addition de différents modificateurs minéraux à un catalyseur au nickel Raney 28.
On utilise 10 g de d-trans-pipéritol, 10 g d'isopropanol ou d'un autre solvant, et 0,4 g du catalyseur au nickel Raney 28. On effectue l'hydrogénation à une pression effective de 3,5-4,2 kg/cm2 à la température ambiante. On obtient les résultats suivants:
Tableau III
Essai Modificateur du Groupe de la Poids modificateur/ Solvant % de conversion % de
catalyseur4 classification poids catalyseur stéréosélectivité
périodique
HCI (B)I 0,005 i-PrOH 98,2 93,4
2 Cul12 (B)I B 0,075 2-Butanone 100 98,4
3 Cu(OAc)2 (B)I B 0,250 i-PrOH 99 94,6
4 CuSO4 (B)I B 0,250 i-PrOH 98 95,8
5 Cube2 (B)I B 0,033 i-PrOH 98 97,5
6 SrC12 (A)II A 0,200 i-PrOH 100 92,0
7 ZnC12 (B)II B 0,025 i-PrOH 99,8 96,1
8 ZnSO4 (B)II B 0,400
i-PrOH 100 96,0
9 Zn(OAc)2 2H2O (A)II B 0,200 i-PrOH 82 95,1 10 ZnBr2 (A)II B 0,250 i-PrOH 97,7 96,4 Il CdCl2 (A)II B 0,200 i-PrOH 97,8 93,0 12 HgCl2 (B)II B 0,200 i-PrOH 92,6 92,9 13 BF3 Et20 (B)III B 0,100 Toluène 16,2 92,1 14 AlCI(l-PrOk (B)III B 0,100 i-PrOH 99,0 93,7 15 Al(OH) (OAc)2 (A)III B 0,100 i-PrOH 100 94,0 16 TiCI3 (B)IV A 0,030 Toluène 89,8 96,8 17 Ti(C204)3- l0H2O (B)IV A 0,020 Toluène 97,7 93,8 18 SnC4 (A)IV B 0,200 i-PrOH 62,7 97,4 19 VBr3 (A)V A 0,020 i-PrOH 100 95,1 20 AsC13 (B)V B 0,012 i-PrOH 99,1 95,3 21 CrCI3 6H20 (B)VI A 0,036 i-PrOH 95 96,7 22 <RTI
ID=5.20> MoCls (B)VI A 0,100 i-PrOH 84,7 96,8 23 Mo(OAck 4H20 (A)VII A 0,200 i-PrOH 99 93,3 24 MnSO4 H2O (A)VII A 0,200 i-PrOH 98 92,6 25 Fe(OH) (OAc)2 (B)VIII 0,020 CH3OH 95,9 95,7 26 FeBr3 (B)VIII 0,025 i-PrOH 100 97,3 27 CoCI2 (B)VIII 0,019 i-PrOH 96 96,8 28 Co(OAck 4H20 (B)VIII 0,200 i-PrOH 100 95,6 29 NITS04 (A)VIII 0,050 i-PrOH 99 95,1 30 NiCI2 6H2O (A)VIII 0,375 i-PrOH 97,5 97,5 31 NiBr2 6H20 (A)VIII 0,250 i-PrOH 99,9 97,5 32 NiI2 6H20 (A)VIII 0,050 i-PrOH 67,6 97,1 33 RuC12 (A)VIII 0,020 i-PrOH 87,8 92,4 34 SmC13 (A)Terre rare 0,050 i-PrOH 100 93,1 35 CuCI (B)I
B 0,013 i-PrOH 97,9 92,0
4 Le catalyseur est modifié par l'une des deux méthodes suivantes avant d'être utilisé dans l'hydrogénation.
Méthode A: On agite le catalyseur pendant 30 mn avec une solution aqueuse du modificateur avant de décanter la solution en excès et de laver le catalyseur trois fois avec le solvant que l'on
utilisera pour l'hydrogénation.
Méthode B: On ajoute le modificateur sous forme d'un solide ou d'une solution au catalyseur dans le solvant utilisé pour l'hydrogénation.
Dans le tableau précédent, i-PrOH désigne l'isopropanol, i
Pro désigne de nouveau un radical isopropoxy, et OAc représente un groupement acétate.
On voit d'après le tableau III que les modificateurs minéraux les plus appropriés pour obtenir un taux de transformation élevé et une stéréosélectivité supérieure à 92% sont ceux des métaux choisis parmi les groupes I à VIII, de préférence les périodes 4 à 7, les composés du bore et de l'arsenic, et les sels des terres rares. On obtient les résultats optimaux dans l'essai N" 6 avec CuCI2.
L'anion des sels peut être un anion acétate, halogénure, sulfate, ou autre.
La sélectivité dans le tableau III est définie comme le pouroen- tage de d-isomenthol divisé par la somme du pourcentage de d-isomenthol et du pourcentage de d-menthol, multiplié par 100.
Exemple 4
On répète le mode opératoire de l'exemple 3 avec un certain nombre de modificateurs organiques, les résultats obtenus étant donnés dans le tableau suivant IV.
(Tableau en tête de la page suivante)
Les essais 14 et 18 sont effectués dans le toluène et tous les autres sont effectués en utilisant l'isopropanol comme solvant.
Bien que les essais 11, 13 et 15 donnent des stéréosélectivités légèrement inférieures à la limite minimale préférée de 92%, ces essais font encore partie du domaine de la présente invention.
Exemple 5
On effectue une série d'essais pour déterminer l'effet de la teneur en soufre dans le d-trans-pipéritol. Dans ces essais, on traite un catalyseur de nickel de Raney 30 de W. R. Grace and
Co., par une solution à 7,5% de Nif12 6H2O comme dans l'exemple 1. On effectue l'hydrogénation pendant environ 22,5 h.
Avec 40-50 ppm de soufre, on obtient un taux de transformation de 61,8% donnant 4,8% de d-menthol et 95,3% de d-isomenthol.
La stéréosélectivité est légèrement accrue à 96,1% à 32 ppm de soufre et à 96,5% avec 21 ppm de soufre. On obtient un taux de transformation optimal de 94% produisant 2,3% de d-menthol et 97,6% de d-isomenthol avec 0 ppm de soufre.
Tableau IV
Essai Modificateur du catalyseur Poids modificateur/ % de conversion % de
poids catalyseur stéréosélectivité
CH2C12 0,200 98,0 95,6
2 CHOCl3 0,015 100,0 96,4
3 CCl4 0,015 77,8 97,1
4 CHBr3 0,016 100,0 96,0
5 CH2Br2 0,016 100,0 96,7
6 CBr4 0,006 100,0 92,5
7 CBrCl3 0,012 99,7 95,2
8 3-Chloropropène 0,200 20,7 94,8
9 3-Bromopropène 0,050 44,0 96,4 10 Acide trichloroacétique 0,050 83,0 97,0 il 1,2-Dichloroéthane 0,013 97,8 91,6 12 Chloroacétone 0,050 98,1 96,0 13 2-Chloroéthanol 0,200 98,3 91,2 14 Chiorobeuzène 0,100 99,2 96,6 15 o-Chlorotoluène 0,013 93,8 91,5 16 p-Chlorophénol 0,050 98,6 95,9 17 p-Chloroacétophènone 0,200 100,0 96,8 18 Chlorure de benzoyle 0,050 98,0 94,8
Exemple 6
Cet exemple illustre les résultats
améliorés obtenus en utilisant d'autres catalyseurs au nickel. Le tableau suivant illustre les résultats obtenus.
Tableau V
Catalyseur Modificateur/% Taux de % de
conversion (%)/ stéréo
Durée (h) sélectivité
Raney 28 Nicl2/7,5 100/12 99,0
Raney 28 NiCl2/7,5 100/20,5 98,6
Raney 30 NiCl2/7,5 99,5/22,5 97,4
A-5000 NiCl2/7,5 99/21,5 97,1 Girdler G-69 Aucun 95,4/4,5 93,5 Girdler G-69 CuCk/2 99/11 97,0
Les catalyseurs Raney 28 et Raney 30 sont fabriqués par W. R.
Grace and Co., et le catalyseur A-5000 fabriqué par Activated
Metals Inc. Le traitement du catalyseur est effectué seulement avec le modificateur du catalyseur à 230 C pendant 30 mn; sauf dans le cas du catalyseur Girdler G-69 où l'on active d'abord le catalyseur dans l'isopropanol avec de l'hydrogène à une pression de 28-35 kg/cm2 effectifs pendant 1 à 2 h avant d'ajouter le dtrans-pipéritol à la suspension refroidie (25"C) du catalyseur. On effectue l'hydrogénation avec 10 g de d-trans-pipéritol, 10 g d'isopropanol et 0,4 g de catalyseur, à la température ambiante et à une pression d'hydrogène de 3,5 à 4,2 kg/cm2. Les résultats obtenus avec le catalyseur au nickel A-5000 et le catalyseur Raney 30 font partie du domaine de l'invention ainsi que ceux obtenus avec
G-69 modifié.
Les exemples précédents sont tous effectués avec un pré-traitement du catalyseur avec un ou plusieurs des composés modificateurs indiqués. Il est possible, au lieu du pré-traitement, d'utiliser les composants modificateurs comme additifs directs au mélange réactionnel d'hydrogénation, comme dans la méthode B de l'exemple 3. Cependant, la méthode d'addition nécessite que la quantité de modificateur ajoutée soit rendue optimale pour obtenir une stéréosélectivité équivalente, et en conséquence on peut préférer le pré-traitement du catalyseur.
R
Exemple 7
Cet exemple illustre les possibilités d'application de l'invention à l'hydrogénation d'autres alcools monocycliques. Dans cet exemple, on hydrogène un mélange de cis- et de trans-iso-pipériténols; le d-cis-isopipériténol fournit par hydrogénation une certaine quantité de t-néo-isomenthol et une quantité prédominante de d-néomenthol, alors que le C-trans-isopipériténol fournit une certaine quantité de e-menthol et une quantité prédominante de t-isomenthol. On effectue l'analyse par chromatographie en phase vapeur. On effectue deux réactions toutes deux avec un catalyseur au nickel de Raney, dont un a été traité par 0,375 kg de NiCi2 6H2O par gramme de catalyseur.
On obtient les résultats suivants:
Tableau VI
Essai Modificateur % de % de stéréosélectivité
du catalyseur conversion
d-Néo3 2-Iso4 1 Aucun 100 80,0 84,5 2 NiCk 6H20 100 95,2 97,4 3 100 [d-Néomenthol]
%d-Néomenthol = 100.[d-isomenthol]
[d-Néomenthol] + [d-Néo-l-Néo-isomenthol] 100 %l-Isomenthol] 4 % l-Isomenthol=
[4somenthol3 + [-t-Menthol]
Dans encore un autre exemple, on hydrogène le e-cis-pipéritol pour obtenir une certaine quantité de d-néo-isomenthol et une
quantité prédominante de t-néomenthol, comme suit:
:
Tableau VII
Essai Modificateur (h) % de % C-néos
conversion
1 Aucun 6,0 75 86,8 2 NiCl2 6H20 3,5 56 94,0 100.[l-Néomenthol]
5% l-Néomenthol= [l-Néomenthol] + [d-Néo-isomenthol]
** ATTENTION ** start of the DESC field may contain end of CLMS **.
CLAIMS
Process for stereoselective hydrogenation using elementary hydrogen gas, of a cyclic compound comprising a hydroxyl group attached to an asymmetric center of the ring and at least one non-aromatic carbon-carbon double bond located in such a way that its hydrogenation creates a additional center of asymmetry in the cycle, characterized in that the approach of hydrogen is favored on the side of the molecule which contains the substituent - OH towards this double bond and therefore the corresponding stereoselectivity, by carrying out the hydrogenation in presence of a hydrogenation catalyst containing nickel, part of the reactive surfaces of which has been inactivated by treatment with a modifier.
2. Method according to claim 1, characterized in that the cyclic unsaturated compound is a terpene carbocyclic alcohol.
3. Method according to claim 2, characterized in that said hydroxyl group is allylic with respect to the carbon-carbon olefinic double bond.
4. Method according to claim 3, characterized in that the cyclic unsaturated compound is d-trans-piperitol, the hydrogenation product being predominantly d-isomenthol.
5. Method according to claim 1, characterized in that the hydrogenation catalyst is a Raney nickel catalyst.
6. Method according to claim 1, characterized in that one uses a catalyst partially inactivated by treatment with a modifier chosen from the mineral salts of the metals of groups I to VIII, periods 4 to 7, and the rare earths of the periodic table ; organic, aliphatic and aromatic halides; BF3 etherate; and AsCl3.
7. Method according to claim 6, characterized in that one uses a catalyst pretreated with a modifier solution, said pretreatment consisting in stirring the modifier solution and the catalyst for a certain time then in removing the excess solution of modifier.
8. Method according to claim 6, characterized in that said modifier is added directly to the reaction mixture of the catalyst and of the cyclic unsaturated compound before hydrogenation, the amount of modifier being 0.01 to 100% by weight of the catalyst.
9. Method according to claims 4 and 6, characterized in that the cyclic unsaturated compound is d-trans-piperitol which has been freed from the sulfur which it contains as contamination before hydrogenation.
10. Method according to any one of claims 6 to 9, characterized in that a part of the reactive surfaces of said catalyst has been inactivated by treatment of said catalyst with a modifier chosen from the group formed by Nif12 and CuCl2.
The present invention relates to stereoselective hydrogenation of cyclic unsaturated compounds. The invention is particularly applicable to the stereoselective hydrogenation of monocyclic terpene allyl alcohols and will be described with reference to the hydrogenation of d-trans-piperitol to d-isomenthol, although it is apparent to humans of the art that the invention has wider application.
Stereoselectivity is a concept described in the literature.
It essentially designates the synthesis which produces a diastereoisomer (or a pair of diastereoisomers) of a given structure in a clearly predominant manner compared to all the other possible diastereoisomers (or pair of diastereoisomers) of the same structure. We can refer to Stereochemistry of Carbon
Compounds, E. L. Eliel, 1962, chapter 15, pages 434-446,
McGraw-Hill.
A main advantage of d-trans-piperitol is its use as an intermediate allowing d-isomenthol to be obtained by hydrogenation. D-isomenthol is an important product because it is easily isomerized into t-menthol which is in turn an important flavoring or refreshing ingredient for products, pharmaceuticals and others.
Hydrogenation of d-trans-piperitol to d-isomenthol and related hydrogenation processes have been known for a long time, which are described in the following publications:
1. Synthesis of Laevo-menthol from a Citrus By-product,
J.C. Leffingwell and R.E. Shackelford, presented by Dr. Leffingwell at the Annual Tobacco Research Chemists Conference, Winston-Salem, North Carolina, U.S.A., October 5, 1973.
2. Menthol, Part 4: Manufacturing processes and Syntheses, D Siegfried Mignat and Fredrich Porsch, Dragoco Report, 1962, No. 1, 10-23 (page 17).
3. Reactions of Alpha, Beta-Unsaturated Cyclic Aldehydes and Ketones Part IX, A. Killen Macbeth and J. S. Shannon, Journal of the Chemical Society, 1952, 2852-2856.
4. Reactions of Alpha, Beta-Unsaturated Cyclic Aldehydes and Ketones Part XI, A. Killen Macbeth, B. Milligan and J. S.
Shannon, Journal ouf tue Chemical Society, 1953, 901-902.
5. U.S. Patent No. "3028418, Example No." 22.
6. U.S. Patent No. 2894040.
7. U.S. Patent No. 2935526.
The hydrogenation of d-trans-piperitol and the other related methods are representative of stereoselective syntheses in which a diastereoisomer is produced in a quantity which is clearly predominant compared to the other diastereoisomers. However, in general, the stereoselectivity is not total.
Although good yields of d-isomenthol are indicated in the prior art, virtually all of the work in the prior art has been carried out before vapor chromatography is available for analysis. Indicated selectivities of up to 95% in d-isomenthol, determined by analysis, infrared, are therefore subject to question.
The incumbent's experience with the conventional hydrogenation of d-trans-piperitol is that, in addition to the desired d-isomenthol, a certain amount of the d-menthol isomer is obtained, as indicated in the following equation:
EMI1.1
d-trans-Piperitol
EMI1.2
d-Isomenthol d-Menthol
It has been determined that there are in fact 8 menthol isomers: vt-isomenthol, t-neo-isomenthol, d-menthol, -nèomen- thol, d-isomenthol, d-neo-isomenthol, C-menthol and dneomenthol. The prefixes d and e refer to the optical rotary power of each substance and do not indicate the relative configurations.
Thus, St-menthol is related in configuration to d-iso, d-neo and d-neo-isomenthols. The prefix iso means that the methyl group is in the axial position, and the prefix neo means that the hydroxyl group is in the axial position (compare to the equatorial positions). A good discussion of menthols can be found in the publication The
Terpenes, Vol. 1, part. 1, chapter 2, pages 230-250, by J. L.
Simonsen, Cambridge at the University press, 1947.
The difference between d-isomenthol and d-menthol lies in the position of the methyl group relative to the positions of the
hydroxyl and isopropyl groups of the molecule. In fact in d-isomenthol, the methyl group is in the axial position, the hydroxyl group being equatorial, while in d-menthol, the two methyl and hydroxyl groups are equatorial. The isopropyl group, because of its steric hindrance, is placed almost exclusively in the equatorial position.
This preferential, but incomplete, stereoselective hydrogenation of cyclic allylic alcohols has also been observed by
S. Mitsui et aL, as reported in Chemistry and Industry, October 14, 1967 (1746-1747). Using 3-methylcyclohex-2enol, they found that, on Raney nickel, hydrogen tends to attack on the same side of the double bond as that where the hydroxyl group is found [in the stereoselective synthesis of d-isomenthol, with reference to the previous equation, it is assumed as in the article by Mitsui et al., that there is a preferential attack of hydrogen on the same side of the double bond as that where is found the hydroxyl group, which forces the methyl group in position 1 to form an axial bond.
A certain amount of hydrogen attacks on the opposite side, however, which forces the methyl group to form an equatorial bond with the molecule] to stereoselectively give the trans isomer, while on a palladium catalyst more is formed. cis isomer. However, as noted, the stereoselectivity is not total and they indicate a percentage yield of products of only 87% of the trans isomer.
The U.S. Patent previous No. 3028418 describes the selective hydrogenation of piperitols (and in particular in Example 22, selective hydrogenation of d-cis-piperitol and t-trans-piperitol to neomenthol and isomenthol respectively). The reference gives results of 92 at 95% stereoselectivity, by infrared analysis, while the holder's tests carried out under similar conditions but with d-trans-piperitol gives a stereoselectivity in products of only 89.5% determined by vapor phase chromatography.
T-menthol must be optically very pure to meet the requirements of the U.S. Pharmacopoeia, and the presence of d-menthol very seriously lowers the optical purity of e-menthol. In fact, the presence of d-menthol produces a racemic mixture in which 5% of d-menthol gives, after further treatment, an optical purity of only 90% for t-menthol. While d-isomenthol is easily isomerized to vt-menthol, d-menthol is not and is very difficult to separate from d-isomenthol. The presence of d-menthol also has a significant effect on lowering the melting point below standards.
Thus, an increase in stereo selectivity of only about 5% to obtain a value of about 92% and preferably about 95% or more, in the synthesis of d-isomenthol, would be very important industrially.
An interesting publication with regard to the present invention is entitled: Some Factors Influencing the Activity of Raney
Nickel Catalyst. III. The poisoning of Raney Nickel by Halogen
Compounds John N. Pattison and Ed. F. Degering, Journal
American Chem. Soc. , 73, 1951, pages 611-613. If we refer in particular to fig. 1 of the publication, it is indicated that a Raney nickel catalyst has surfaces with different reactivities, and that poisons, in this case HCL, react or block the most reactive surfaces first. In particular, the figure shows a distinct break in the effect on the rate of hydrogenation reaction, in the hydrogenation of styrene, when more than 0.05 g of HCl is added.
Pattison and aL make no mention of the effect of poisoning on stereoselectivity, or on the hydrogenation of allyl alcohols or the synthesis of t-menthol in this article. The sole purpose of the article is to show the effect on the reaction rates of poisoning of the catalyst by halogenated compounds.
A similar discussion can be found in Ann. , 660, (1962), pages 1-23. This publication describes the relative poisoning of Raney nickel by many compounds, determined by reducing the rate of hydrogenation. This publication does not contain any reference to stereo selectivity.
The present invention lies in the discovery that in a hydrogenation process, with elemental hydrogen in the presence of a hydrogenation catalyst and under hydrogenation conditions, of a cyclic unsaturated compound having a hydroxyl group attached to a asymmetric center of the compound cycle and a carbon-to-carbon olefinic double bond, which when saturated in the hydrogenation process creates an additional center of asymmetry in the cycle, increased stereoselectivity or increased addition of hydrogen on the side of the olefinic bond which corresponds to the side of the compound molecule in which said hydroxyl group is found,
by carrying out the hydrogenation with a hydrogenation catalyst containing nickel, a substantial part of the reactive surface of which has been inactivated by treatment with a modifier. In particular, it has been discovered that a stereoselective synthesis of 92% or better can be obtained in the hydrogenation of cyclic compounds as defined.
A particular aspect of the invention lies in the hydrogenation of terpene cyclic allylic alcohols in which the hydroxyl group has a maximum directing effect on the attack of the double bond of the molecule by hydrogen. The invention is particularly applicable to the hydrogenation of d-trans-piperitol to d-isomenthol.
Examples of other cyclic alcohols which can be stereoselectively hydrogenated according to the concepts of the present invention include cis- and trans-isopiperenols, cispiperitol, cis- and trans-verbenols, cis- and trans- 3-p-menthene-5-ols, cis- and trans-carveols, cis- and trans-pulegols, cis- and trans-psi-carveols, cis- and trans-l-menthen-5-ols, 3methylcyclopent-3-enol, cis- and trans-pinocarveols, cis- and trans-umbellerols, eucarvol and 3-methylcyclopent-2-enol. The formulas of these typical compounds are given in Table 1 below.
Tabkau I
EMI2.1
Carveol
EMI2.2
Piperitol
EMI2.3
Isopiperityol l-Menthene-5-ol 3-p-Menthene-5-ol
Table 1 (continued)
EMI3.1
Pulégol psi-Carvéol
EMI3.2
Pinocarveol Umbellerol Verbenol
EMI3.3
Eucarvol 3-Methylcyclopent-2-enol 3-Methylcyclopent-3-enol.
If we consider Table 1, we will see that in each of the preceding compounds, the hydroxyl radical is attached to an asymmetric center of the compound cycle. We also see that in all the compounds represented, a double bond leads to a tertiary carbon atom and its hydrogenation will therefore give the formation of a second asymmetric center.
The substituents in position 1 and 4 of the ring are not necessarily methyl and isopropyl groups, since the present invention is applicable independently of the particular substituent (s) attached to these positions. The compound can be heterocyclic.
As indicated in Table 1, the hydroxyl group or any other substituent is not necessarily allylic with respect to the double bond, although as mentioned this is preferable. The compound in question can be a 5-, 6- or 7-membered cyclic compound.
A preferred nickel catalyst for use in the process of the present invention is a Raney nickel catalyst, although it will be seen from the following description that the invention is applicable to all types of nickel catalysts , on support or Raney type. Suitable Raney nickel type catalysts are those sold by W. R. Grace & Co. under the trademarks Raney 28 and Raney 30. The term Raney is indicated to be a registered trademark of W. R.
Grace & Co. However, it is used very generally in the art to designate a category of catalysts, and for the purposes of this request, it is thus used. Other suitable nickel catalysts of the Raney type include a spongy nickel catalyst sold by Activated Metals Inc., under the trademark A-5000, and a catalyst prepared according to the procedure indicated in Organic Syntheses Collective
Volume 3, John Wiley & Sons, New York, copyright 1955, page 176.
The supported nickel catalysts include the nickel catalyst 1404 P from Harshaw Chemical Co. (trademark of Harshaw Chemical Co.) which is 68% nickel on a particular support belonging to the Company; and Girdler catalyst G-69 (trademark of Girdler Chemical Inc.), a nickel catalyst which is nickel activated by zirconium on kieselguhr, 55% nickel, and 2% zirconium. Other catalysts are obvious to those skilled in the art.
The nickel catalyst can have a portion of its reactive surfaces deactivated by the use of any of a large number of catalyst modifiers. One such preferred modifier is a 7.5% aqueous solution of MCI2 - 6H20, and the catalyst treatment is carried out by mixing the solution with the catalyst and stirring for a short period of time at room temperature. The hydrogenation is then carried out in the presence of a non-reactive solvent such as isopropanol until the hydrogen uptake ceases.
The modifier compounds can be organic or inorganic and are preferably chosen from the group comprising: the mineral salts of the metals from groups I to VIII (preferably from periods 4 to 7 and the rare earths) of the periodic table; organic halides of the aliphatic and aromatic types, and non-metallic compounds such as BF3 Et2O and Asti3. Such particular modifiers which are metal salts include HCI (described by
Pattison et aL); AlCl (i-Pro2); and Al (OH) - (OAc) 2; CuCk;
Cu (OAc) 2; CuSO4; CuBr2; SrCk; Znck; ZnSO4; Zn (OAc) z 2H2O ZnBr2; CdCl2; HgCk; TiC13; Ti2 (C204) 3;
SnC4; VBr3;
CrC13 6ho0; MoCI5; Mn (OAck 4Hz0; MnSO4 H20; Fe (OH) (OAc) 2; FeBr3; Cuckold; Co (OAc) 2 4H2O;
NiSO4; Nif12 6H20; NiBr2 6H2O; NiI2 6H20; RuCk and SmC13. Some organic modifiers are: CH2Ck; CHCl3; CCl4; CHBr3; CH2Br2; CBr4; CBrC13; 3-chloropropene; 3bromopropene;
Trichloroacetic acid; 1,2-dichloroethane; chloroacetone; 2-chloroethanol; chlorobenzene; O-chlo rotoluene; pchlorophenol; pchloroacetophenone; and benzoyl chloride. The abbreviation i-Pro denotes the isopropoxy radical; OAc replaces the acetate radical.
The solvent used in the hydrogenation process is not critical as long as it does not poison the catalyst. On this basis, obviously, solvents such as chloroform and dimethyl sulfoxide cannot be used. However, suitable solvents include toluene, menthane, acetone,
Isopropyl alcohol, ethyl alcohol, and methyl alcohol.
The solvent does not need to be anhydrous and in fact amounts of water of up to about 8% or more can provide slightly improved stereoselectivity.
Conventional hydrogenation conditions are used in the hydrogenation process; for example, with regard to pressure (100 mm absolute at 350 kgiem2), proportions, temperature (-20 to + 150 "C) and duration. However, optimal stereoselectivity can be determined at pressures between atmospheric pressure and 28 kg / em2 effective and at temperatures between approximately 10 ° C. and approximately 850 ° C., and preferably at ambient temperature (25-35 ° C.) For the purposes of the present application, the expression conditions of hydrogenation, when used, will designate conventional hydrogenation conditions.
Conventional catalytic amounts of the hydrogenation catalyst should be used, i.e., about 0.01-20% catalyst metal, although good results have been determined with about 1-6% catalyst metal , preferably about 4% of metal catalyst by weight, relative to the weight of the alcohol, for example d-trans-piperitol.
The catalyst modifier can be added directly to the hydrogenation mixture instead of pretreating the catalyst using the modifier. In this case, the amount of modifier used can vary between 0.01 and 100% of the weight of the catalyst.
When a solution of the modifier is used to treat the catalyst, before hydrogenation, the supernatant solution of the modifier is removed by decantation or any other means.
One aspect of the invention resides in the discovery that optimum results are obtained by providing a charge of d-transpiperitol or another alcohol or substrate which is practically free of sulfur.
Although the licensee does not wish to adhere to any particular theory as to the reasons for the improved results obtained according to the present invention, it is believed, as indicated by Pattison et al., That the nickel catalyst has two distinct types of reactive surfaces and that the more reactive surfaces are less selective sites for hydrogenation. It is further believed that the modifier components indicated tend to deactivate the most reactive surfaces, improving the stereoselectivity of the catalyst. This is confirmed by a detectable decrease in the reaction rate after addition of the modifier. However, the modification of the catalyst is insufficient to render it unusable to any significant degree.
An advantage of the invention is that the modified catalyst can be reused in successive hydrogenation reactions, 2, 3 or more times.
The invention will appear from the following examples. In the examples, it is understood that all percentages or parts are percentages or parts by weight and that the temperatures are in degrees Celsius unless otherwise indicated. The pressure is the pressure measured on the pressure gauge. The durations are expressed in hours.
Example I
In this example, for comparison purposes, the hydrogenation is carried out with Raney nickel catalysts which are not treated or which have been treated according to the concepts of the present invention. The treatment of a Raney nickel catalyst (in particular Raney 28 and Raney 30 from Grace) is carried out by adding 20 ml of a 7.5% aqueous solution of NiC12 6H20 to a 4 g sample of the catalyst, stirring the mixture for 30 min at room temperature then leaving the catalyst to settle. The excess supernatant liquor is decanted, and the catalyst is washed three times with 35 ml of isopropanol.
The hydrogenation is carried out by adding 10 g of d-trans-piperitol, 10 g of isopropanol and 0.4 g of catalyst in a stirrer.
Then pressurize the agitator with hydrogen at various temperatures and pressures until the hydrogen intake ceases. The following results are obtained:
Table I
Treatment of% of cat.
Near. (kg / cm2) Temp. (C)% catalyst
Conv. d-Men d-Iso
None 4 4.2 25 100.0 13.9 86.1
None 5 28 28 99.9 14.3 85.6
None 5 28 28 99.9 13.7 86.1
None 2 28 70 99.6 14.2 85.8 7.5% Nicol 4 Atm. 25 99.0 3.4 96.6 7.5% NiCI2 4 4.2 25 97.5 2.5 97.5 7.5% NiCI2 4 4.2 50-55 100.0 4.8 95.2 7.5% Nif12 4 4.2 65-75 100.0 6.1 93.9 7.5% NiCk 4 14 25 100.0 2.9 97.1
In Table I, d-Men denotes d-menthol and d-Iso denotes d-isomenthol. Near. is the hydrogen pressure and Temp. is the temperature of the reaction mixture. Cat. denotes the catalyst and
Conv. denotes the transformation rate of piperitol.
It can be seen from the following table that satisfactory transformations to the desired d-isomenthol are obtained only with the catalyst treated. Higher temperatures give lower stereoselectivity to d-isomenthol. The values of pressure and duration are not decisive.
Example 2
This example illustrates the suitability of a nickel catalyst for
Raney treated according to the concepts of the present invention, to successively hydrogenate multiple charges of d-trans-piperitol with a high transformation rate and a small change in stereo selectivity.
The hydrogenation is carried out with 2000 g of d-trans-piperitol, 2000 g of isopropanol, 80 g of Raney nickel catalyst (No. 30 from Grace) treated as in Example 1, at an effective pressure of 4.34 kg / cm2, a temperature of 25 "C and an agitation of 1000 rpm. The following results are obtained with three successive charges.
Table II
Load Duration of N "reaction (h) Conv. D-Men d-Iso 1 2.8 99.1 4.6 95.3 2 5.6 100.0 4.8 95.2 3 5.0 97.4 4.8 95.2
Example 3
This example illustrates the advantages of the invention with the addition of various mineral modifiers to a Raney 28 nickel catalyst.
10 g of d-trans-piperitol, 10 g of isopropanol or of another solvent, and 0.4 g of the Raney 28 nickel catalyst are used. The hydrogenation is carried out at an effective pressure of 3.5-4 , 2 kg / cm2 at room temperature. The following results are obtained:
Table III
Weight modifier modifier test / Solvent% conversion% of
catalyst4 weight classification catalyst stereoselectivity
periodic
HCI (B) I 0.005 i-PrOH 98.2 93.4
2 Cul12 (B) I B 0.075 2-Butanone 100 98.4
3 Cu (OAc) 2 (B) I B 0.250 i-PrOH 99 94.6
4 CuSO4 (B) I B 0.250 i-PrOH 98 95.8
5 Cube2 (B) I B 0.033 i-PrOH 98 97.5
6 SrC12 (A) II A 0.200 i-PrOH 100 92.0
7 ZnC12 (B) II B 0.025 i-PrOH 99.8 96.1
8 ZnSO4 (B) II B 0.400
i-PrOH 100 96.0
9 Zn (OAc) 2 2H2O (A) II B 0.200 i-PrOH 82 95.1 10 ZnBr2 (A) II B 0.250 i-PrOH 97.7 96.4 Il CdCl2 (A) II B 0.200 i-PrOH 97, 8 93.0 12 HgCl2 (B) II B 0.200 i-PrOH 92.6 92.9 13 BF3 Et20 (B) III B 0.100 Toluene 16.2 92.1 14 AlCI (l-PrOk (B) III B 0.100 i -PrOH 99.0 93.7 15 Al (OH) (OAc) 2 (A) III B 0.100 i-PrOH 100 94.0 16 TiCI3 (B) IV A 0.030 Toluene 89.8 96.8 17 Ti (C204) 3-10H2O (B) IV A 0.020 Toluene 97.7 93.8 18 SnC4 (A) IV B 0.200 i-PrOH 62.7 97.4 19 VBr3 (A) VA 0.020 i-PrOH 100 95.1 20 AsC13 ( B) VB 0.012 i-PrOH 99.1 95.3 21 CrCI3 6H20 (B) VI A 0.036 i-PrOH 95 96.7 22 <RTI
ID = 5.20> MoCls (B) VI A 0.100 i-PrOH 84.7 96.8 23 MB (OAck 4H20 (A) VII A 0.200 i-PrOH 99 93.3 24 MnSO4 H2O (A) VII A 0.200 i-PrOH 98 92.6 25 Fe (OH) (OAc) 2 (B) VIII 0.020 CH3OH 95.9 95.7 26 FeBr3 (B) VIII 0.025 i-PrOH 100 97.3 27 CoCI2 (B) VIII 0.019 i-PrOH 96 96.8 28 Co (OAck 4H20 (B) VIII 0.200 i-PrOH 100 95.6 29 NITS04 (A) VIII 0.050 i-PrOH 99 95.1 30 NiCI2 6H2O (A) VIII 0.375 i-PrOH 97.5 97, 5 31 NiBr2 6H20 (A) VIII 0.250 i-PrOH 99.9 97.5 32 NiI2 6H20 (A) VIII 0.050 i-PrOH 67.6 97.1 33 RuC12 (A) VIII 0.020 i-PrOH 87.8 92, 4 34 SmC13 (A) Rare earth 0.050 i-PrOH 100 93.1 35 CuCI (B) I
B 0.013 i-PrOH 97.9 92.0
4 The catalyst is modified by one of the following two methods before being used in the hydrogenation.
Method A: The catalyst is stirred for 30 min with an aqueous solution of the modifier before decanting the excess solution and washing the catalyst three times with the solvent which is
will use for hydrogenation.
Method B: The modifier is added in the form of a solid or a solution to the catalyst in the solvent used for the hydrogenation.
In the previous table, i-PrOH denotes isopropanol, i
Pro again designates an isopropoxy radical, and OAc represents an acetate group.
It can be seen from Table III that the most suitable mineral modifiers for obtaining a high conversion rate and a stereoselectivity greater than 92% are those of the metals chosen from groups I to VIII, preferably periods 4 to 7, the compounds of boron and arsenic, and rare earth salts. Optimal results are obtained in test No. 6 with CuCI2.
The salt anion can be an acetate, halide, sulfate, or other anion.
The selectivity in Table III is defined as the percentage of d-isomenthol divided by the sum of the percentage of d-isomenthol and the percentage of d-menthol, multiplied by 100.
Example 4
The procedure of Example 3 is repeated with a certain number of organic modifiers, the results obtained being given in the following table IV.
(Table at the top of the next page)
Tests 14 and 18 are carried out in toluene and all the others are carried out using isopropanol as solvent.
Although tests 11, 13 and 15 give stereoselectivities slightly below the preferred minimum limit of 92%, these tests are still within the scope of the present invention.
Example 5
A series of tests is carried out to determine the effect of the sulfur content in d-trans-piperitol. In these tests, a Raney nickel catalyst from W. R. Grace and
Co., with a 7.5% solution of Nif12 6H2O as in Example 1. The hydrogenation is carried out for approximately 22.5 h.
With 40-50 ppm of sulfur, a conversion rate of 61.8% is obtained giving 4.8% of d-menthol and 95.3% of d-isomenthol.
The stereoselectivity is slightly increased to 96.1% at 32 ppm of sulfur and to 96.5% with 21 ppm of sulfur. An optimal conversion rate of 94% is obtained, producing 2.3% of d-menthol and 97.6% of d-isomenthol with 0 ppm of sulfur.
Table IV
Test Catalyst modifier Weight modifier /% conversion% of
weight catalyst stereoselectivity
CH2C12 0.200 98.0 95.6
2 CHOCl3 0.015 100.0 96.4
3 CCl4 0.015 77.8 97.1
4 CHBr3 0.016 100.0 96.0
5 CH2Br2 0.016 100.0 96.7
6 CBr4 0.006 100.0 92.5
7 CBrCl3 0.012 99.7 95.2
8 3-Chloropropene 0.200 20.7 94.8
9 3-Bromopropene 0.050 44.0 96.4 10 Trichloroacetic acid 0.050 83.0 97.0 il 1.2-Dichloroethane 0.013 97.8 91.6 12 Chloroacetone 0.050 98.1 96.0 13 2-Chloroethanol 0.200 98, 3 91.2 14 Chiorobeuzene 0.100 99.2 96.6 15 o-Chlorotoluene 0.013 93.8 91.5 16 p-Chlorophenol 0.050 98.6 95.9 17 p-Chloroacetophenone 0.200 100.0 96.8 18 Benzoyl chloride 0.050 98.0 94.8
Example 6
This example illustrates the results
improved by using other nickel catalysts. The following table illustrates the results obtained.
Table V
Catalyst Modifier /% Rate of% of
conversion (%) / stereo
Duration (h) selectivity
Raney 28 Nicl2 / 7.5 100/12 99.0
Raney 28 NiCl2 / 7.5 100 / 20.5 98.6
Raney 30 NiCl2 / 7.5 99.5 / 22.5 97.4
A-5000 NiCl2 / 7.5 99 / 21.5 97.1 Girdler G-69 None 95.4 / 4.5 93.5 Girdler G-69 CuCk / 2 99/11 97.0
The Raney 28 and Raney 30 catalysts are manufactured by W. R.
Grace and Co., and the A-5000 catalyst manufactured by Activated
Metals Inc. The catalyst treatment is carried out only with the catalyst modifier at 230 C for 30 min; except in the case of the Girdler G-69 catalyst where the catalyst is first activated in isopropanol with hydrogen at a pressure of 28-35 kg / cm2 effective for 1 to 2 h before adding the dtrans-piperitol to the cooled suspension (25 "C) of the catalyst. The hydrogenation is carried out with 10 g of d-trans-piperitol, 10 g of isopropanol and 0.4 g of catalyst, at room temperature and at hydrogen pressure from 3.5 to 4.2 kg / cm 2. The results obtained with the nickel catalyst A-5000 and the Raney 30 catalyst form part of the field of the invention as well as those obtained with
G-69 modified.
The preceding examples are all carried out with a pretreatment of the catalyst with one or more of the modifier compounds indicated. It is possible, instead of the pretreatment, to use the modifier components as direct additives to the hydrogenation reaction mixture, as in method B of Example 3. However, the addition method requires that the amount of added modifier is made optimal to obtain equivalent stereoselectivity, and therefore pre-treatment of the catalyst may be preferred.
R
Example 7
This example illustrates the possibilities of application of the invention to the hydrogenation of other monocyclic alcohols. In this example, a mixture of cis- and trans-iso-piperityols is hydrogenated; d-cis-isopipererol provides by hydrogenation a certain amount of t-neoisomenthol and a predominant amount of d-neomenthol, while C-trans-isopipererol provides a certain amount of e-menthol and a predominant amount of t- isomenthol. The analysis is carried out by vapor phase chromatography. Two reactions are both carried out with a Raney nickel catalyst, one of which has been treated with 0.375 kg of NiCi 2 6H 2 O per gram of catalyst.
The following results are obtained:
Table VI
Stereoselectivity% modifier% test
catalyst conversion
d-Néo3 2-Iso4 1 None 100 80.0 84.5 2 NiCk 6H20 100 95.2 97.4 3 100 [d-Néomenthol]
% d-Neomenthol = 100. [d-isomenthol]
[d-Néomenthol] + [d-Néo-l-Néo-isomenthol] 100% l-Isomenthol] 4% l-Isomenthol =
[4somenthol3 + [-t-Menthol]
In yet another example, e-cis-piperitol is hydrogenated to obtain a certain amount of d-neoisomenthol and a
predominant amount of t-neomenthol, as follows:
:
Table VII
Test modifier (h)% of% C-neos
conversion
1 None 6.0 75 86.8 2 NiCl2 6H20 3.5 56 94.0 100. [l-Neomenthol]
5% l-Neomenthol = [l-Neomenthol] + [d-Neoisomenthol]