FR2913979A1 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF POLYMERS WITH NITROXIDE FUNCTIONS - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne la synthèse de polymères à fonctions nitroxydes par oxydation du précurseur à fonctions amines correspondant, plus particulièrement l'invention a pour objet un procédé de préparation d'un poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridinyloxy par oxydation du poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine à l'aide d'un peracide à un pH contrôlé.The present invention relates to the synthesis of polymers with nitroxide functions by oxidation of the corresponding amine functional precursor, more particularly the subject of the invention is a process for the preparation of a 2,2,6,6-tetraalkylpiperidinyloxy poly (meth) acrylate by oxidation of the 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine poly (meth) acrylate with a peracid at a controlled pH.
Description
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La présente invention concerne la synthèse de polymères à fonctions nitroxydes par oxydation du précurseur à fonctions amines correspondant, plus particulièrement l'invention a pour objet un procédé de préparation d'un poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridinyloxy par oxydation du poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine à l'aide d'un peracide à un pH contrôlé. Dans la présente invention, le terme (méth)acrylate signifie un dérivé de l'acide acrylique ou de l'acide méthacrylique. Les polymères à fonctions nitroxydes sont avantageusement utilisés pour former des électrodes de batteries rechargeables (US 2003/0096165). En particulier, NAKAHARA K. et al dans Chem. Phys. Lett. 359 (2002) 351-354 proposent d'utiliser le polyméthacrylate de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridinyloxy, désigné ci-après par PTMA, pour préparer une cathode d'une batterie rechargeable. Le PTMA est obtenu par oxydation avec l'acide 3- chloroperbenzoïque (mCPBA) du polymère résultant de la polymérisation radicalaire du. monomère méthacrylate de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine. Les acides perbenzoiques tels que l'acide 3-chloroperbenzoique en solution dans des solvants organiques tels que le chlorure de méthylène sont en effet connus pour oxyder efficacement de nombreuses amines secondaires en nitroxydes (Journal of American Chemical Society, 1967, 89(12) 3055-3056). Ce procédé de préparation du PTMA présente cependant de nombreux inconvénients : d'une part, l'acide 3-chloroperbenzoïque est une matière première onéreuse, d'autre part il y a formation d'acide chlorobenzoïque comme sous-produit qu'il est nécessaire de séparer pour obtenir le PTMA avec une pureté adaptée à son utilisation, notamment comme matériau pour réaliser des électrodes pour batteries. Ce procédé de préparation du PTMA est ainsi difficilement exploitable à l'échelle industrielle. L'eau oxygénée - H2O2 - est connue comme oxydant peu onéreux et son utilisation en présence de catalyseurs pour oxyder des amines secondaires a été largement décrite dans l'état de la technique. Cependant, ces procédés à l'eau oxygénée ne sont applicables qu'à des couples amine/nitroxyde solubles dans l'eau. Quand il s'agit de polymères à fonctions amines, tel que le polymère précurseur du PTMA, le substrat n'est pas suffisamment soluble dans l'eau, ce qui rend cette méthode d'oxydation non utilisable. Il apparaît particulièrement intéressant de disposer d'un procédé de préparation de PTMA qui pallie ces inconvénients. La solution proposée est d'oxyder les fonctions amines secondaires du polymère précurseur du PTMA au moyen de peracides aliphatiques en milieu biphasique solvant organique / eau avec un pH de la phase aqueuse contrôlé. Cette méthode d'oxydation est décrite dans le document WO 00/40550 de la Société Déposante pour oxyder des amines secondaires (ou polyamines secondaires) à empêchement stérique ou à celles possédant un -CH en a de l'atome d'azote. Les composés oxydés selon cette méthode sont des amines ou polyamines secondaires de bas poids moléculaire, généralement de masse inférieure à 5000, telle que par exemple la polyamine connue sous le nom CHIMASSORB 944 qui a une masse moléculaire de 3000. The present invention relates to the synthesis of polymers with nitroxide functions by oxidation of the corresponding amine functional precursor, more particularly the subject of the invention is a process for the preparation of a 2,2,6,6-tetraalkylpiperidinyloxy poly (meth) acrylate by oxidation of the 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine poly (meth) acrylate with a peracid at a controlled pH. In the present invention, the term (meth) acrylate means a derivative of acrylic acid or methacrylic acid. Polymers with nitroxide functions are advantageously used to form rechargeable battery electrodes (US 2003/0096165). In particular, NAKAHARA K. et al in Chem. Phys. Lett. 359 (2002) 351-354 propose to use 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy polymethacrylate, hereinafter referred to as PTMA, to prepare a cathode of a rechargeable battery. The PTMA is obtained by oxidation with 3-chloroperbenzoic acid (mCPBA) of the polymer resulting from the free radical polymerization. monomer 2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate. Perbenzoic acids such as 3-chloroperbenzoic acid dissolved in organic solvents such as methylene chloride are known to effectively oxidize many secondary amines nitroxides (Journal of American Chemical Society, 1967, 89 (12) 3055 -3056). However, this process for the preparation of PTMA has many drawbacks: on the one hand, 3-chloroperbenzoic acid is an expensive raw material, on the other hand there is formation of chlorobenzoic acid as a by-product that is necessary to separate to obtain the PTMA with a purity adapted to its use, especially as a material for producing battery electrodes. This process for preparing the PTMA is thus difficult to use on an industrial scale. Oxygenated water - H2O2 - is known as an inexpensive oxidant and its use in the presence of catalysts for oxidizing secondary amines has been widely described in the state of the art. However, these hydrogen peroxide processes are applicable only to water-soluble amine / nitroxide pairs. When it comes to amine functional polymers, such as the PTMA precursor polymer, the substrate is not sufficiently soluble in water, which renders this oxidation method unusable. It is particularly interesting to have a process for preparing PTMA which overcomes these disadvantages. The proposed solution is to oxidize the secondary amine functions of the precursor polymer of the PTMA by means of aliphatic peracids in two-phase organic solvent / water with a pH of the controlled aqueous phase. This oxidation method is described in WO 00/40550 of the Applicant Company for oxidizing secondary amines (or secondary polyamines) hindered or those having a -CH a to the nitrogen atom. The compounds oxidized according to this method are secondary amines or polyamines of low molecular weight, generally with a mass of less than 5000, such as, for example, the polyamine known under the name CHIMASSORB 944 which has a molecular weight of 3000.
On a maintenant découvert que cette méthode peut être utilisée pour oxyder des polymères à fonctions amines tels que les poly(méth)acrylates de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine, de masse moléculaire nettement supérieure, par exemple de 10 000 et plus, tout en gardant de bonnes cinétiques de réaction malgré les difficultés d'accessibilité des sites réactifs de ces polymères. It has now been discovered that this method can be used to oxidize amine functional polymers such as 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine poly (meth) acrylates, which have a significantly higher molecular weight, for example 10,000 or more, while keeping good kinetics of reaction despite the accessibility difficulties of the reactive sites of these polymers.
La réaction d'oxydation avec des peracides aliphatiques présente en outre l'avantage d'être effectuée avec des oxydants peu coûteux, commercialement disponibles, selon des conditions douces, rapidement et avec des rendements élevés. De plus, la purification du polymère à fonctions nitroxyde obtenu est 25 simple et les effluents (sels d'acides organiques) peuvent être éventuellement valorisés. La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un polymère à fonctions nitroxydes à partir du monomère à fonction amine secondaire correspondant comprenant les étapes suivantes : 30 a) on prépare un polymère à fonctions amines secondaires par polymérisation en solution, en masse, en émulsion ou en suspension d'un (méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine, 3 The oxidation reaction with aliphatic peracids furthermore has the advantage of being carried out with inexpensive, commercially available oxidants under mild conditions, rapidly and with high yields. In addition, the purification of the nitroxide functional polymer obtained is simple and the effluents (organic acid salts) can be optionally recovered. The subject of the present invention is therefore a process for preparing a nitroxide functional polymer from the corresponding secondary amine functional monomer comprising the following steps: a) a secondary amine functional polymer is prepared by mass solution polymerization in emulsion or suspension of a 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine (meth) acrylate, 3
b) on solubilise le polymère avec un solvant organique, non miscible à l'eau, puis on ajoute de l'eau, c) on ajoute ensuite simultanément et sous forte agitation au milieu biphasique ainsi obtenu, une quantité de peracide aliphatique selon un rapport molaire peracide / fonctions amines secondaires allant de 1,5 à 3,5, de préférence de 2 à 3, et une quantité suffisante d'une solution aqueuse basique pour obtenir un pH de la phase aqueuse du milieu biphasique allant de 4 à 12, à une température comprise entre -10 C et +40 C, jusqu'à conversion complète des fonctions amines secondaires, puis d) on récupère la phase organique par simple décantation, et on isole le polymère à fonctions nitroxydes par évaporation du solvant organique sous pression réduite. Selon la présente invention, le solvant organique doit être non miscible à l'eau, inerte vis-à-vis des réactifs et des produits et avoir un bon pouvoir solvant des réactifs et des produits obtenus. A titre d'illustration de tels solvants organiques utilisables selon la présente invention, on citera les hydrocarbures aliphatiques ou cycloaliphatiques tels que le pentane, l'hexane, l'heptane, le décane, le cyclohexane, le cyclododécane ; les hydrocarbures aromatiques tels que le benzène, le toluène, les xylènes ; les hydrocarbures chlorés tels que le chlorure de méthylène, le 1,2-dichloroéthane, le chloroforme, le chlorobenzène ; les esters d'acides aliphatiques tels que l'acétate d'éthyle, le propionate d'éthyle ou un mélange d'au moins deux des solvants précités. b) the polymer is solubilized with an organic solvent, immiscible with water, then water is added, c) then, simultaneously and with vigorous stirring, in the biphasic medium thus obtained, a quantity of aliphatic peracid in a ratio of peracid molar / secondary amine functions ranging from 1.5 to 3.5, preferably from 2 to 3, and a sufficient amount of a basic aqueous solution to obtain a pH of the aqueous phase of biphasic medium ranging from 4 to 12, at a temperature of between -10 ° C. and + 40 ° C., until complete conversion of the secondary amine functions, then d) the organic phase is recovered by simple decantation, and the polymer with nitroxide functions is isolated by evaporation of the organic solvent under pressure scaled down. According to the present invention, the organic solvent must be immiscible with water, inert with respect to the reactants and the products and have a good solvent power of the reagents and products obtained. By way of illustration of such organic solvents which can be used according to the present invention, mention may be made of aliphatic or cycloaliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane, decane, cyclohexane and cyclododecane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylenes; chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride, 1,2-dichloroethane, chloroform, chlorobenzene; esters of aliphatic acids such as ethyl acetate, ethyl propionate or a mixture of at least two of the abovementioned solvents.
A titre d'illustration de peracides aliphatiques utilisables selon la présente invention, on citera l'acide peracétique, l'acide perpropionique, l'acide perbutanoïque. De préférence, on utilisera l'acide peracétique ou l'acide perpropionique. Le procédé de la présente invention consiste d'abord à préparer un poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine. La polymérisation du (méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine peut s'effectuer selon un procédé 4 By way of illustration of aliphatic peracids which can be used according to the present invention, mention may be made of peracetic acid, perpropionic acid and perbutanoic acid. Preferably, peracetic acid or perpropionic acid will be used. The process of the present invention first consists of preparing a 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine poly (meth) acrylate. The polymerization of 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine (meth) acrylate can be carried out according to a method 4
radicalaire en solution, en masse, en émulsion ou en suspension selon les méthodes bien connues de l'homme du métier. Plus particulièrement, on effectuera la polymérisation du (méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine en masse avec un initiateur de radicaux libres, 5 tels qu'un peroxyde organique ou un composé azoïque. Dans le procédé selon l'invention, on cherchera à obtenir un polymère de masse moléculaire en nombre allant de 5000 à 200 000, de préférence de 7500 à 100 000, en particulier de 7500 à 50 000. Le procédé de la présente invention consiste ensuite à solubiliser, sous 10 agitation, le poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridine dans un solvant organique, non miscible à l'eau et inerte vis-à-vis des fonctions amines du polymère et des réactifs mis en oeuvre. La quantité de solvant organique utilisée est fonction de la solubilité du polymère dans ledit solvant, et dépend en particulier de la masse moléculaire 15 du polymère. Cette quantité de solvant organique n'est pas critique et peut varier dans une large mesure. Cependant, pour des motifs économiques et dans un souci de respect de l'environnement, l'homme du métier s'efforcera de choisir un solvant organique (ou un mélange de solvants) de façon à n'utiliser que des 20 quantités minimales pour solubiliser le polymère. A la solution organique, on ajoute, sous agitation, de l'eau, puis on ajoute simultanément sous forte agitation, au milieu biphasique obtenu le peracide aliphatique, généralement en solution dans l'acide aliphatique correspondant, selon un rapport molaire peracide / amine secondaire tel que défini 25 précédemment et une quantité suffisante d'une solution aqueuse basique de manière à ce que le pH de la solution aqueuse du milieu biphasique soit maintenu à une valeur allant de 4 à 12 et, de préférence, allant de 5 à 9. La solution aqueuse basique peut être une solution d'un carbonate ou d'un hydrogénocarbonate d'un métal alcalin ou d'un métal alcalino-terreux, ou 30 une solution d'hydroxyde d'un métal alcalin ou d'un métal alcalino-terreux, tels que l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium, l'hydroxyde de calcium ou l'hydroxyde de magnésium. radical solution, mass, emulsion or suspension according to methods well known to those skilled in the art. More particularly, the polymerization of 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine (meth) acrylate in bulk with a free radical initiator such as an organic peroxide or an azo compound will be carried out. In the process according to the invention, it will be sought to obtain a polymer with a number-average molecular weight ranging from 5,000 to 200,000, preferably from 7500 to 100,000, in particular from 7500 to 50,000. The process of the present invention then consists of to solubilize, with stirring, the 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine poly (meth) acrylate in an organic solvent, immiscible with water and inert with respect to the amine functions of the polymer and the reagents implemented. The amount of organic solvent used is a function of the solubility of the polymer in said solvent, and depends in particular on the molecular weight of the polymer. This amount of organic solvent is not critical and can vary to a large extent. However, for economic reasons and in a concern for the environment, a person skilled in the art will endeavor to choose an organic solvent (or a mixture of solvents) so as to use only minimum amounts to solubilize the polymer. To the organic solution is added, with stirring, water and then added simultaneously with vigorous stirring, the biphasic medium obtained aliphatic peracid, generally in solution in the corresponding aliphatic acid, in a molar ratio peracid / secondary amine as defined above and a sufficient amount of a basic aqueous solution such that the pH of the aqueous solution of the biphasic medium is maintained at a value ranging from 4 to 12 and preferably from 5 to 9. The basic aqueous solution may be a solution of an alkali metal or alkaline earth metal carbonate or hydrogencarbonate, or an alkali metal hydroxide solution or an alkali metal hydroxide solution. earthy, such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide or magnesium hydroxide.
Selon la présente invention, on utilisera, de préférence, une solution aqueuse basique d'un carbonate ou d'un hydrogénocarbonate d'un métal alcalin. A titre d'illustration de carbonates ou d'hydrogénocarbonates de métaux 5 alcalins utilisables selon la présente invention, on citera NaHCO3, KHCO3, K2CO3, Na2CO3. On peut également utiliser des solutions ammoniacales. La concentration pondérale des solutions aqueuses en carbonates ou en hydrogénocarbonates des métaux alcalins ou alcalino-terreux est fixée par la limite de solubilité de ces espèces dans l'eau. On s'efforcera d'utiliser des solutions les plus concentrées possibles. La réaction d'oxydation des fonctions amines secondaires en fonctions nitroxydes est effectuée à une température allant de -10 C à +40 C et, de préférence, allant de -5 C à +30 C jusqu'à ce que les amines secondaires soient totalement transformées. L'avancement de la réaction peut être suivi par des méthodes analytiques telles que le dosage chimique du peracide mis en oeuvre selon des méthodes connues de l'homme du métier (dosage avec la méthode à l'iodure de potassium et au thiosulfate de sodium) et la chromatographie en phase gazeuse. According to the present invention, use will preferably be made of a basic aqueous solution of an alkali metal carbonate or hydrogencarbonate. By way of illustration of alkali metal carbonates or hydrogen carbonates which may be used according to the present invention, mention may be made of NaHCO 3, KHCO 3, K 2 CO 3 and Na 2 CO 3. It is also possible to use ammoniacal solutions. The concentration by weight of aqueous solutions of carbonates or hydrogenocarbonates of alkali or alkaline earth metals is determined by the solubility limit of these species in water. Efforts will be made to use the most concentrated solutions possible. The oxidation reaction of the secondary amine functions to nitroxide functions is carried out at a temperature ranging from -10 ° C. to + 40 ° C. and preferably ranging from -5 ° C. to + 30 ° C. until the secondary amines are totally transformed. The progress of the reaction can be followed by analytical methods such as the chemical determination of the peracid implemented according to methods known to those skilled in the art (assay with the potassium iodide and sodium thiosulfate method) and gas chromatography.
On opère de préférence à pression atmosphérique. La réaction terminée, on récupère la phase organique, généralement, par simple décantation. Cette phase organique peut être éventuellement lavée avec une eau déminéralisée puis séchée. On isole le poly(méth)acrylate de 2,2,6,6-tétraalkylpipéridinyloxy formé par évaporation du solvant organique sous pression réduite. Si nécessaire, la pureté du polymère peut être améliorée par dissolution et reprécipitation. L'invention porte aussi sur l'utilisation du polymère à fonctions nitroxydes obtenu selon le procédé de d'invention, pour préparer des électrodes de batteries ou comme catalyseur d'oxydation d'alcools. It is preferably carried out at atmospheric pressure. When the reaction is complete, the organic phase is recovered, generally, by simple decantation. This organic phase may optionally be washed with demineralized water and then dried. The formed 2,2,6,6-tetraalkylpiperidinyloxy poly (meth) acrylate is isolated by evaporation of the organic solvent under reduced pressure. If necessary, the purity of the polymer can be improved by dissolution and reprecipitation. The invention also relates to the use of the nitroxide functional polymer obtained according to the process of the invention, for preparing battery electrodes or as a catalyst for the oxidation of alcohols.
Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté pour préparer le PTMA selon le schéma réactionnel suivant : C H3CO3 H AIBN CH3--r CH3 CH3~NCH3 CH3 CH3 CH3 1 CH3 O avec n pouvant aller de 20 à 800, de préférence de 30 à 500, plus particulièrement de 40 à 100. The process according to the invention is particularly well suited for preparing the PTMA according to the following reaction scheme: ## STR1 ## with n being able to range from 20 to 800, preferably from 30 to 500, more particularly 40 to 100.
Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. The following examples illustrate the present invention without, however, limiting its scope.
Exemples On utilise comme monomère à fonction amine secondaire le méthacrylate de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine (disponible commercialement chez Asahi Denka sous la référence LA-87). EXAMPLES 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine methacrylate (commercially available from Asahi Denka under the reference LA-87) is used as the secondary amine monomer.
On effectue une polymérisation radicalaire en masse, amorcée par l'AIBN (2,2'-azobisisobutyronitrile) pour obtenir un polyméthacrylate de tétraméthylpipéridine de masse Mn=10 000 g/mol. Dans un réacteur double-enveloppe de 500 ml muni d'une agitation de type ancre, de 2 ampoules de coulée, d'une sonde de température et d'une sonde de pH, on charge 10 g de polyméthacrylate de tétraméthylpipéridine, 100 g de dichlorométhane et 50 g d'eau. On ajoute simultanément en 30 minutes, à 20 C et sous agitation, 23,8 g d'acide peracétique à 40 0/0 (0,125 mol) et 60 g d'une solution aqueuse à 35 % de carbonate de potassium. L'addition est réalisée de telle sorte que le pH de la phase aqueuse soit maintenu entre 7 et 7,4. En fin de coulée, on laisse réagir 2 heures à température ambiante, puis on augmente le pH à 9 par ajout de carbonate de potassium (solution aqueuse à 35 %). On laisse décanter. La phase organique est récupérée, lavée avec 50 g d'eau, puis on évapore le dichlorométhane sous pression réduite. On obtient 9,2 g d'un solide orange paramagnétique.25 Mass radical polymerization initiated by AIBN (2,2'-azobisisobutyronitrile) is carried out to obtain a tetramethylpiperidine polymethacrylate having a mass Mn = 10,000 g / mol. In a 500 ml double-jacketed reactor equipped with anchor-type stirring, 2 casting ampoules, a temperature probe and a pH probe, 10 g of tetramethylpiperidine polymethacrylate, 100 g of dichloromethane and 50 g of water. 23.8 g of peracetic acid at 40% (0.125 mol) and 60 g of a 35% aqueous solution of potassium carbonate are added simultaneously in the course of 30 minutes at 20 ° C. with stirring. The addition is carried out so that the pH of the aqueous phase is maintained between 7 and 7.4. At the end of casting, it is allowed to react for 2 hours at ambient temperature, then the pH is increased to 9 by addition of potassium carbonate (35% aqueous solution). Let's decant. The organic phase is recovered, washed with 50 g of water and then the dichloromethane is evaporated off under reduced pressure. 9.2 g of a paramagnetic orange solid are obtained.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |
Effective date: 20101130 |