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Synthese et polymerisation du diamino-3,4 styrene
Eur. Polvm..I. Vol. 18, pp. 893 to 900. 1982 Printed in Great Britain. All rights reserved
0014-3057 82'100893-08503.00/0 Copyright © 1982 Pergamon Press Ltd
S Y N T H E S E ET P O L Y M E R I S A T I O N DIAMINO-3,4 STYRENE
DU
APPLICATION A UNE METHODE GENERALE DE P R E P A R A T I O N DE POLYVINYL-5(6) B E N Z I M I D A Z O L E S A. BREMBILLA, J. CUNY, D. ROIZARD et P. LOCHON Laboratoire de Chimie Physique-Macromoleculaire, C.N.R.S., ERA no 23, Ecole Nationale Superieure des Industries Chimiques, 1, rue Grandville-54042. Nancy Cedex, France (Re~,u le 19 fevrier 1982} Resum£'~Description d'une methode generale de preparation de polyvinyl-5-{6) benzimidazoles substitues en 2 "a partir d'un nouveau polymere, le polydiamino-3,4 styrene. Le monomere(diamino-3.4 styrene) est obtenu par un processus original en 6 etapes 'a partir de la p-amino acetophenone avec amelioration du rendement global. La polymerisation par amor~:age radicalaire donne les meilleurs resultats en operant en emulsion. La transformation en polyvinyl-5(6) benzimidazole est realisee en une seule ,;tape avec an taux de conversion eleve.
Les r e c h e r c h e s e n t r e p r i s e s a u l a b o r a t o i r e sur de n o u veaux modeles synthetiques catalysant Fhydrolyse d ' e s t e r s p - n i t r o p h e n y l i q u e s o n t m o n t r e q u e les m o l t cules a s s o c i a n t u n h e t e r o c y c l e b e n z i m i d a z o l i q u e et u n e f o n c t i o n thiol [-1,2] p r e s e n t a i e n t u n e activite e s t d r o l y t i q u e elevee. D a n s le b u t de m o d e l i s e r p l u s e t r o i t e m e n t F a c t i o n e n z y m a t i q u e et d ' i m m o b i l i s e r les sites p r e c e d e n t s s u r u n p o l y m e r e ( e n z y m e - l i k e polymer}, il est n e c e s s a i r e d'effectuer le t r a n s f e r t d e s m o t i f s benzimidazolethiols sur un enchainement macromoleculaire. C e t t e o p e r a t i o n a e g a l e m e n t p o u r b u t de faire appara'itre u n effet h y d r d p h o b e s u p p l e m e n t a i r e d o n t la c o n s e q u e n c e est d ' a c c r o i t r e le p o u v o i r c a t a l y t i q u e de ces c o m p o s t s . C e p e n d a n t la p r e p a r a t i o n de tels p o l y m e r e s "a partir d ' u n m o n o m e r e c o m p o r t a n t ~. la fois les f o n c t i o n s c a t a l y t i q u e s et u n g r o u p e p o l y m e r i s a b l e , est difficile h realiser c a r la p o l y m e r i s a t i o n est s o u v e n t i n h i b e e p a r ces m&mes g r o u p e m e n t s , en p a r t i c u l i e r p a r la f o n c t i o n thiol. En outre, c h a q u e m o n o m e r e e x i g e a n t u n e s y n t h e s e particuliere 'a 6tapes m u l t i p l e s : il n o u s a p e r u preferable de realiser d ' a b o r d u n p r e p o l y m e r e , la p o l y v i n y l o - p h e n y l e n e d i a m i n e (ou p o l y d i a m i n o - 3 , 4 styrene) qui p e r m e t u l t e r i e u r e m e n t le p a s s a g e en polyvinyl-5(6) b e n z i m i d a z o l e , en cyclisant le m o t i f o - p h e n y l e n c d i a m i n e p a r F a c t i o n d ' u n acide c a r b o x y l i q u e selon la m e t h o d e de Phillips [3]. D a n s cet article, n o u s d 6 c r i v o n s les p r e m i e r s r e s u l t a t s de la m i s e au p o i n t de cette n o u v e l l e m e t h o d e d ' a c c e s ~, des polyvinylbenzimidazotes. PARTIE EXPERIMENTALE
lmtications ,qenerales L'awmcement des reactions est suivie par chromatographie sur couche mince de silice, lorsque cela est possible, avec c o m m e eluant, un melange toluene ether de petrole ou ether sulfurique ether de petrole. Les spectres i.r. (~ en cm ~) sont enregistres i~ I'aide d'un spectrophotometre U N I C A M SP 1200, il partir de pastilles de KBr, pour les 893
composes solides, ou de films liquides. Les spectres R M N IH sont enregistres sur un appareil Hitachi R 24-A. Les deplacements chimiques sont donnes en cStppm) par rapport au T.M.S., utilise c o m m e reference interne. S = singulet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, m = multiplet. Les spectres u.v. et mesures cinetiques effectues sont enregistres 'a Faide d'un appareil Hitachi, modele 320 )cuves en quartz d'epaisseur: 1 cm. ), en rim).
Synthese du diamino-3,4 styrene Acdtamido-4 ac&ophg'none(b). La p-aminoacetophenone (0,18 mol) est ajoutee par petites quantitds dans 85 ml d'anhydride acatique refroidis par un bain de glace. AWes 2 3 h, Famide est recuperee par filtration et htvee abond a m m e n t h l'eau. Rendement quantitatif: F ' = 170'. solide blanc. i.r.--v~n: 3300 ~3250: Vc o ...... ,i,~: 1690; vc o .mid~: 1680. Ac~tamido-4 nitro-3 ac&oph~none(c). L'amide precedente est utilisee sans purification: 0,165 mol est additionnee, en petites quantites, dens 85 ml d'acide nitrique concentr6 (d = 1,491: la reaction est fortement exothermique, et la temperature doit ~tre maintenue proche de 0 C. Apres 3 h, la solution reactionnelle est versee lentement dans 1,5 ,t 2 litres d'eau froide: le derive nitre precipite instantanement et est recupere par filtrations et lavages successifs "2 l'eau. Rendement: 90"/, 95°~,; F = 139, cristaux jaune p;*de. i.r. VNn: 3340: Vc O . . . . . . . t i q u c : 1680; vc o a,nidc = 1710. Amino-4 nitro-3 ac&oph&;one (d). 0,144 mol du produit precedent est ajoute dens 100ml d'acide sulfurique 18 N it 2 5 ; la temperature du milieu rdactionnel est progressivement portee "a 65 70 : a w e s 2 hr, la solution brune obtenue est versde dans une litre d'eau froide, puis neutralisee par une solution d ' a m m o n i a q u e jusqu'h pH = 7 8. Un precipite ocre est recupere par filtration, puis lave ~ I'eau. Rendement: 80!~{,, F' = 145, cristaux jaune d'or Recristallisation darts le benzene. i.r. vxn~: 3450.3330; Vc_o: 1675; 6y.n: 1640. R M N IH: (solvant CDCI3): a l l ( o - N O 2 ) = 8,85d: ,4H (p-NO2) = 8,15d., bH(o-NH2) = 7,4 6,9t.: aH~aminest = 7,3 6,5 massif; 6H methyl = 2,5 s. Diamino-3,4 ac&oph&tone (e). 16 mmol du derive nitre (d) sont ajoutees dans 15 ml d'eau off sont dissoutes 5 0 m m o l de Na2S, 9 H 2 0 : le milieu cst porte ;/ reflux sous
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atmosph6re inerte(N2) pendant 2hr; la solution brune obtenue est extraite par 300 ml d'ac6tate d'6thyle. Apr6s 6vaporation sous pression r6duite du solvant, 60~o de produit diamin~ sont r6cup6r6s. 2brae Mdthode. Le d6riv6 nitr6 (d) (30 mmol) est dissous dans une solution concentr6e d'acide chlorhydrique 16 N (60 ml) avec 15 g de chlorure stanneux; le milieu r6actionnel est thermostat6 h 80 ° pendant 5 hr. Apr+s retour/t temp6rature ambiante, la solution est vers6e dans 150 ml d'eau froide, que l'on neutralise avec une solution d'ammoniaque. La phase aqueuse obtenue est extraite par le chloroforme (100 ml) et l'on isole, apr6s 6vaporation du solvant, 45 50~0 de produit diamin6. F ° = 124°_127 °. i.r.--Vsn ~ = 3440-3360; VNn = 3250; VC=O: 1670; 6NU,: 1620. RMN~H--(solvant CDC13) 6H aromatiques = 7,5 t. et 6,8 d.; 6 Hamines = 4,3 massif; 6H m6thyl = 2.5. CsH~0N20: calc. ~o C = 63,98, ~, N = 18,65; trouv6; C = 64,01, ~,,, N = 18,27. Amino-4 nitro-3(hydroxy-I ')bthyl benzbne(f). On dissout 5. chaud 0,1 mol d'amino-4 nitro-3 ac6toph6none recristallis6e dans 250ml d'&hanol absolu; apr6s refroidissement du milieu fi 0", un exc6s de NaBH4 (0,09 mol) est ajout6 par petites quantitds (coloration rouge du milieu r6actionnel). Apr6s 6 hr fi 5 ~:, l'exc6s d'hydrure est d6truit par addition d'eau; l'alcool est 6vapor6 sous pression r6duite, puis la pfite restante est extraite par l'ac6tate d'6thyle (300 ml). 80 h 90~,, de produit orang6 sont r6cupdr6s apr6s 6vaporation du solvant. Recristallisation dans le benz6ne. F°: 83 °, cristaux orangds. i.r.--vNu : 3480-3350; VC,~: 2960; 6NH: 1645. RMNIH~solvant CDC13) 6H(o-NO2) = 8,1 s.; 6H(p-N02) = 7,45d.; 6H(o-NH2) = 6,85d.; 6H amines: 6,2s,; 6H benzylique: 4,85q.; 6H hydroxylique: 2,6s.; 6CH 3 : 1,5 d. CsH10NeO3: calc. ~o C = 52,74, ~,,~ N = 15,37; trouv6: ~,, C = 52,60, ~o N = 15,45. Diamino-3,4 (hydroxy-l')dthyl benzbne (g). lbre Mdthode. 16 mmol de diamino-3,4 ac6toph6none sont dissoutes dans l'6thanol absolu (20 ml), puis refroidi/t 0 °, avant l'addition de 15 mmol de borohydrure de lithium. Apr6s 16 hr, l'hydrolyse est faite par addition d'un peu d'eau distill~e; l'6thanol est 6vapor6 sous pression r6duite et l'on obtient une huile brune dont aucun produit purifi6 n'a pu ~tre isol6 soit par recristallisation, soit par pr6paration du chlorhydrate correspondant. 2brae Mdthode. On dissout/t chaud 31 mmol d'amino-4 nitro-3(hydroxy-l') 6thyl benz6ne dans une solution aqueuse de sulfure de sodium (90 mmol). Apr6s 3 hr, la solution brun orang6 est extraite par 100 ml de cloroforme; aucun produit purifi6 n'a pu ~tre isol~ de l'huile ainsi obtenue. Amino-4 nitro-3 styrbne (h). L'alcool benzylique (f) (0,0165 mol) est dissous dans 50ml de H.M.P.T. et port6 /~ 180-190" pendant 7 fi 8 hr, sous atmosph6re inerte (N2); apr~s retour h temp6rature ambiante, le solvant est 6vapor6 fi 90~ sous pression r6duite (0,5 mm de Hg). L'huile rouge fonc6 obtenue est chromatographi6e sur silice (~b = 1,8 cm, 20g de silice pour 1 g de produit ~t s~parer; 61uant: tolu6ne%ther de p6trole). Rendement: 45~o-60~o; F = 83 °, cristaux rouges. Recristallisation dans l'hexane. i,r.--vNn~: 3480-3350; VN,: 3260; 6r~,~: 1640; VC-C: 1630. RMN:H--(solvant: CDCI3) 60oH(o-NO2) = 8,02; 6flH(p-NO2)= 7,43d; 6yH(o-NH2)= 6,77d.; et Jfl? = 6 Hz; 6H(benzylique) = 6,55 t.; 6H(vinylique) = 5,55 d-5,15 d.; 6H (amines) = 6,20 massif. C s H s N 2 0 : : calc. ~ C = 58,53, ~o N = 17,06; trouv6: ~o C = 58,40, ~ N - 16,78. Diamino-3,4 styrbne (i). Le d~riv6 nitr6 (h) (0,018 mmol) est additionn6 fi chaud dans une solution hydroalcoolique
(10ml H , O + 5ml EtOH), de sulfure de sodium (22g), sous atmosph6re inerte. Apr6s 4 hr /t reflux, la solution brune est extraite par 150 ml d'ac&ate d'6thyle; cette phase organique est lav6e avec 10 ml d'eau distill6e, puis 6vapor6e sous pression r6duite. Un solide blanc ocre est r6cup6r6, (rendement: 80~, F ° 45 °) et recristallis6 dans l'hexane. Rendement: 60~o; F ° 51-52 °, cristaux incolores. L'action de HCI gazeux sur l'amine dissoute dans l'ac6tone anhydre conduit h la formation du seul monochlorhydrate. CI calcul6 (pour le monochlorhydrate) = 20,82, trouv6: 21,22. i.r.--VNH2: 3370; VN,: 3280; Vc~c: 1630; 6NH2: 1630. R M N 1 H - - 6 H (aromatique) = 6,85 fi 6,7 m.; 6H~ (benzylique) = 6,6 m.; 6Ha = 5,55 d. et j'~a = 17 Hz; 6Hp, = 5,05 d. et j,a, = 11 Hz; jpa, = 2 H z ; 6H amines = 3,3 (solvant: CDCI3). u.v.~(T = 25°--solvant: dioxanne) (;~.... e) = (320,6300), (279,9500), (230,15000). CsHloN2: calc. ~ C: 71,61, ~ H: 7,5, ~ N: 20,87; trouv6: ~ C: 71,44, ~ H: 7,61 ~oN: 20,60.
Homopolymerisation du diamino-3,4 styrene Les essais de polym6risation en masse et en solution sont r6alis6s dans un tube /~ polym6risation (L = 6cm, q5 = 1 cm), en utilisant une agitation magn6tique. Les essais de polym6risation en suspension et en 6multion sont r6alis~s dans un r6acteur en verre (L = 7 cm, ~b = 2cm) permettant une agitation mbcanique par une tige en verre (vitesse de rotation -~2500 tours par min. Les quantit6s des r6actifs (amorceur, monom6re, 6mulsifiant, collo'ide protecteur) sont exprim6es en pourcentage en poids par rapport fi la phase aqueuse. Polym~risation en masse. Le monom6re (l,5mol) est introduit dans un tube fi polym6risation avec 0,2~),5~ en poids d'amorceur (A.I.B.N.); des d6gazages successifs sont r6alis6s par plusieurs cycles de cong61ation (plong6e du r6acteur dans l'air liquide) suivie de d6cong61ation sous pression r6duite (0,1-0,2 mm de Hg). Le milieu r6actionnel, sous atmosph6re inerte est port6 fi 70 ° pendant 6 jours. La masse vitreuse brune r6cup6r6e est dissoute dans du dioxanne (2-3 ml); la solution obtenue est filtr6e (filtres t+flon, ~b = 5/a), puis pr6cipit6e goutte ~ goutte dans de l'6ther sulfurique (200ml), une poudre, blanche est r6cup6r6e apr6s s6chage. Rendement: 60~,,; F ° = 120 130°. i.r.--vNn~: 3500-3300; Vsn 11~: 3260-3220, Vcn: 2950--2850; 6Nn2: 1630. RMN~H---(solvant: CDCI3)--fH aromatiques = 6,7-6,2 massif; 6H amines = 4; 6H m6thine = 1,9m; ~SH m6thyl6ne = 1,3 massif. u.v.--{solvant: dioxanne--T°: 25°). (2,m, Em~): (304,5000); (250,8700); (217,30 000). C s H s N 2, nHzO: calc. n = 0, ~ C: 71,61 ; ~,,, H: 7,5; ~o N: 20,87, n = 0,5 ~ C: 67,10; ~o H: 7,74; ~,,, N: 19,56 trouv6: n = 0,4; ~o C: 69,68; ~o H: 7,74; ~,,; N: 19,54. Polym~risation en solution. Le monom6re (1,5 mmol) est dissous dans le nitrobenz6ne (0,5ml) avec 0,1-0,5~,, en poids par rapport au solvant d'amorceur (A.I.B.N.). Apr6s d6gazages successifs, la solution rouge obtenue est port6e/t 60 °, sous atmosph6re inerte, pendant 4 jours; le milieu visqueux obtenu est vers6 goutte h goutte dans 100ml de tolu6ne; une poudre brune est r6cup6r6e. Rendement: 50~0; F = 140 °. Polym~risation en suspension. Le monom6re (3,4 mmol) est fondu fi 60 ° sous atmosph6re inerte (Ar); I'amorceur (0,1-0,4~o) y est ajout6, et ce milieu r6actionnel est aussit6t additionn6e goutte /~ goutte dans 4ml d'une solution aqueuse d'alcool polyvinylique (0,1-0,6~0); agitation m6canique vive; T ° = 60°; [N2]). Un ph6nom6ne d'agglutination d'une partie du monom/~re est souvent observ6 dans ces essais. Apr~s 24 hr le milieu r6actionnel est d6cant6, et de petites billes brun clair (~b = 1-2 mm) sont r6cup6r6es,
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Synth~se et polym6risation du diamino-3,4 styr6ne puis dissoutes dans du dioxanne (5-8ml); la solution ambr6e est filtrde et pr6cipit~e goutte ~ goutte dans 150 ml d'6ther sulfurique et le polym6re est recueilli par filtration. Rendement: 50°,;;; F = 140 °, poudre brun clair. Alcool polyvinylique utilis~: MOWIOL 40-88 (HOECHST). Polym&isation en dmulsion. L'6mulsifiant, le n-lauryl sulfate de sodium (NaLauSO4, 1,3 1,5%) est dissous dans de l'eau distill+e, d~soxyg6nde (4-5 ml) que l'on thermostate ~. 7@ (agitation mdcanique vive, atmosph6re inerte); le monom~re solide (4 5 mmol, 10%) est ajout6 par petites quantites qui fondent et se solubilisent dans la phase aqueuse (coloration ros6e); apr6s quelques minutes, l'amorceur (NH4)zS2Os: 0,1-43,2°/0) dissous dans quelques gouttes d'eau, est introduit dans le r6acteur. Une agitation rapide est maintenue pendant 3-4 hr. Lors de certains essais, on observe peu apr6s l'addition de l'initiateur, un ph6nom6ne d'agglutination d'une partie du monom6re ou d'oligom6res. Apr6s retour/~ temp6rature ambiante, un sel d'aluminium [AI2(SO,0 > 5 mg par mg de tensioactif utilis6] est ajoute pour casser l'6mulsion: de petites particules blanches apparaissent alors dans le r6acteur. La poudre obtenue est purifi6e par dissolution dans du dioxanne, filtration de cette solution brune (filtre t6flon, ¢P = 5#i et repr6cipitation dans de l'6ther sulfurique (200 ml). Par une nouvelle filtration, on recueille un produit blanc finement divise. Rendement: 80%: F ~ = 175-180'. Mesures ~iscosim{triques. Elles sont r6alisees/~ Fade d'un viscosim6tre du type UBBELOHDE (capillaire de diam~tre q~ = 0,4mint ~ 25 + 0,02 ° en utilisant de la pyridine distill6e; des dilutions successives sont r6alis6es, de Co initiale ( _~8. I0 2 M) b, 3 Co. La viscosit6 inlrins~que la plus forte [q]_~7ml.g ~, est enregistr6e pour le polym6re synth6tis6 en emulsion. Preparation et caracterisation des polyvinyl-5(6) benzimidazoles et de leur.s modeles Mode op&atoire ,q~n&al. Le r6actif difimin6 est dissous dans une solution d'acide chlorhydrique (4N); l'acide aliphatique choisi pour la cyclisation ( -~ 10 fois en exc6s par
i.r.--vyn: 3400; Vs.H ~,: 3200/l 2700; Vc=N: 1490. RMN~H--(solvant: pyridine Ds). 6H aromatiques = 8 7,5 massif; 6H amines = 5,4 ~ 4,9 massif; 6H cha]ne aliphatique = 1,8 ~. 1,3 massif. u.v.--(solvant: 6thanol a b s o l u - - T ° = 25°). ()-.... ~)=(283,6800); (277,7300); (242,7700); [215,12 000). C9HaN2, n H20: calc. n = 0: ~o C: 74,97: !~ H: 5,59: '}~; N: 19,43; n = 1: % C: 66,6; o / H : 6,2; % N: 17,2; n = 2: % C : 5 9 , 9 8 ; % H:6,71;~% N: 15,54. trouv6: let bchantillon °/o C: 63,13; o~ H: 5.54: ~,;;N: 15,61; 2g'me &hantillon ~, C: 67,14; ~,,, H: 5,90; ~; N: 14,12. Polym~thyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole. Quantit& expd'rimentales utilis&s. Polydiamino-3.4 styr6ne: 0,75 mmol, HCI aqueux (4N): 3 ml, acide acetique: 0,5 ml, coloration brune du milieu r~actionnel. K2CO3: 4 g (pH final -~7-8). Rendement: 1101~, en poids (solide blanck % cyclisation: 96,5. Transformation sur le banc de Kofler fi T': 260 270. i.r. VNn: 3400; VNU ~i~: 3200 fi 2800; VC_N: 1490. RMN~H--~solvant: D M S O d6). 6H aromatiques = 7,5 'a 6,9 massif; 6H amine = 6,8 fi 6 massif: ,6H m6thyt-2 = 8,5; 6H cha]ne aliphatique = 1,7 '~ 1,3 massif. u.v.~solvant: dioxanne 6thanot ( 5 0 / 5 0 ) ~ T = 25' }. ()-.... e): (256,5800); (277,5700); (216,16 000). C~oHloN> n HzO: calc.: n = 0 '~, C: 75,82; '~, H: 6.37; °/~;N: 17,7 n = I '~,; C: 68,16; ~(, H: 6,86; 3~i N: 15,89 n = 2 ~?, C: 61,83; o~, H: 7,26; !~il N: 14,66 trouv6: n = 23~, C: 66,14: o~ H: 6,27; !~;; N: 15,27. Determination du taux de cyclisation par dosaqe des ,qroupements amines restants Le dosage par condensation avec le p-dimethylaminocinnamald6hyde est effectu6 5_ l'aide d'un spectro u.v. ~_ T = 25 ~ selon la methode d6crite par Querschi et coll. [14]. Dans le cas d'une o-ph6nylOne diamine seule la monobase de SCHIFF est form6e. R&ultats
T = 25 ° ":-m,*= 490 nm
']~; Cyclisation +_ t%,
rapport a la diamine) est alors ajout6, et le milieu r6actionnel (coloration rosee) est plong+ dans un bain d'huile thermostat6 5_ 110C pendant 15 hr (reflux sous atmosph6re inerte). Apr6s retour ~ temperature ambiante, la solution limpide obtenue brune ou verte est vers~e goutte fi goutte dans de l'eau froide (volume 5 frois sup6rieur) oh est dissous assez de carbonate de potassium pour avoir un pH final proche de la neutralit6; le ddriv6 benzimidazolique qui a pr6cipit6, est r6cup6r6 par filtration. Polyvinyl-5(6) benzimidazole. Quantit& exp&imentales. Polydiamino-3,4 styrane: 0,75 mmol, HC1 aqueux (4N): 3 ml, acide formique: 0,5-1 ml, coloration brune du milieu rdactionnel, K2CO3: 4 g (pH final: 7-8). Rendement: 60 70°,, en poids (solide blanchfitre) % cyclisation = 97. Transformation sur le banc de Kofler '~ T': 200-210 °. Pur!fication. Dissolution dans 2 3 ml d'6thanok filtration de la solution (filtre t6flon de ~b = 5/~) repr6cipitation dans 50 ml d'6ther sulfurique.
Polydiamino-3A styr6ne
P.B.I
P.B.II
approx. = 27 500 0
97
96,5
I. S Y N T H E S E
DU
DIAMINO-3.4
STYRENE
Deu× voles de synth6se de ce c o m p o s 6 a r o m a t i q u e sont rapport6es dans la litt~rature: la premi6re d6crite par O v e r b e r g e r [4] c o n d u i t fi un r e n d e m e n t de 2,3'~; en p r o d u i t diamin6. Le s e c o n d m o d e de p r 6 p a r a t i o n est r~alis~ 5_ partir de l'amino-4 nitro-3 b e n z a l d ~ h y d e d o n t la synth6se est d~crite par G a n a p a t i [5]: cet ald6hyde a permis fi M a n e c k e [6] d ' o b t e n i r apr~s 5 6tapes, 20% de diamino-3,4 styrene. D a n s c h a c u n e de ces m6thodes, on n o t e que l'obtention du m o t i f vinylique est l'~tape d~terminante. La synth6se du d i a m i n o - 3 A styrene que nous p r o p o s o n s suit une vole q u e l q u e peu diff~rente, fi partir d'un p r o d u i t largement commercialis6, la p - a m i n o a c e toph~none. Le processus op6ratoire est decrit dans le sch6ma r~actionnel suivant (Sch6ma 1). L'acylation de Famine primaire est facilement r6alis6e avec l ' a n h y d r i d e ac~tique: le p r o d u i t est isol6 avec d'e×cellents r e n d e m e n t s et utilis6 sans purification particuli6re.
896
A. BREMBILLAet al.
~
0 Ac~O
HNO~
:--
~
H~SO~ NO~
NHAc
NH2
(a)
NHAc
(c)
(b)
(d)
"~"~a2St9H20 I NO2 NH2
~'~ (e) I
NH 2
NH2
) ~
Na2S,9H20
[
NH2 NH~ (i)
H PT NOa
NH~ (h)
Na2S~9 H~O /NO~ NH.,
NH 2
(g)
(f) Sch6ma 1. Synth6se du diamino-3,4 styr6ne
La nitration s'effectue par addition lente de (b) dans de l'acide nitrique concentr6, la substitution 61ectrophile est orient6e en position 3 par les effets attracteurs du groupement c6tonique et donneur de l'azote. La formation de produit dinitr6 n'est pas observ~e. Sans blocage pr6alable de la fonction amine, aucun produit ne peut &re isol6 dans les conditions exp6rimentales d6crites. L'hydrolyse de l'amide est r6alis6e darts l'acide sulfurique 18 N; apr6s neutralisation, le d6riv6 amin+ correspondant (d) est isol6 avec de bons rendements. La r6duction du groupe carbonyle du compos6 (d) a lieu de mani6re quasi quantitative en employant des hydrures doubles tels que LiBH 4 ou NaBH4 en solution alcoolique. La d6shydratation thermique de (f) a 6t6 6tudi6e syst6matiquement afin d'optimiser le rendement final en (h) (Tableau 1). Elle est irr6alisable ou s'accompagne de r6actions parasites lorsque l'on emploie les m6thodes classiques. Seule une m6thode r6cente utilisant l'hexam6thylphosphorotriamide [7, 8] g6n6ralise les observations des auteurs et permet la synth6se de (h). Apr6s distillation du solvant sous pression r6duite et purification du produit par chromatographie en phase liquide, le d~riv6 styr6nique est isol6 avec 60% de rendement. Cependant m~me avec des temps de r+action importants, la disparition de (f) n'est pas totale. Dans la derni6re phase, la r6duction du groupe
nitr6 aromatique peut ~tre effectu6e soit par hydrog6nation catalytique, soit par un rdducteur chimique. Dans le cas present, elle est r6alisable par le chlorure stanneux en milieu chlorhydrique ou par le sulfure de sodium en solution aqueuse. La derni6re m~thode conduit aux meilleurs r6sultats (80%). Cependant la purification extr6me, n6cessaire, du d6riv6 styr6nique par recristallisation dans l'6ther de p6trole ou par chromatographie sur colonne, se traduit par une perte assez importante de produit, due fi une oxydation rapide et fi des r6actions d'oligom6risation. Nous avons 6galement explor6 la voie parall61e (d)---~(e)---~(g) mais les tentatives de d6shydratation du diamino alcool(g)en (i) n'aboutissent qu'/~ des oligom6risations. II. POLYMERISAT1ON DU DIAMINO-3,4 STYRENE
Aucune synth~se du polydiamino-3,4 styrene n'est rapport~e dans la litt~rature. Les seuls polystyr~nes porteurs de fonctions amines, actuellement d~crits sont le polydiamino-2,4 styrene obtenu par dinitration [9] du polystyrene suivie de r6duction, et le poly p-aminostyr~ne [10, 11] r~sultant de la polym~risation de la vinylaniline. Nous avons 6tudi6 plusieurs m6thodes de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne (Schema 2); les r6sultats obtenus font ressortir la difficult~ d'obtention d'un encha'inement de forte masse mol6cu[aire.
897
Synthese et potym6risation du diamino-3,4 styrene Tableau 1. Essais de ddshydratation de l'amino-4 nitro-3(hydroxy-l') ~thylbenz6ne (f)
Essais*
(f) mM
Solvant
t'
Temps de r+action (hr)
1 2 3 4 5
11 5,5 5,5 5,5 5,5
Benz6ne (30 cc) D6caline (60 cc) D.M.S.O. (30 cc) D.M.S.O. (20 cc) H.M.P.T. (60 cc)
Reflux 190 140 130 180
2 1 h. 30 2 2 4
6 7
17 17
H.M.P.T. {45 cc) H.M.P.T. (60cc)
190 190
3 6
Agent de d6shydratation
P205 (5 mM) P205 (2,5 mM) PzO5 (2,5 mM) Acide p-tolu6ne sulfonique (5 mM) P205 (2,5 mM) --
Styr+ne: h tRdt u;)+
t + + + +
30 20
+ +
40 60 45 60
* Avancement de la reaction d6termin6e par c.c.m. (chromatographie en couche mince de silice). t " + "" Identifi+ par c.c.m. : " - " non identifi6. ~. Produit purifi+.
Polym{risation en masse
Polymdrisation en solution
L'amorceur radicalaire (azobisisobutyronitrile) et le d6riv6 styrdnique sont ajout6s dans le r6acteur; apr6s plusieurs d6gazages successifs, celui-ci est plong6 dans un bain thermostat6; l'agitation magn6tique initiale est interrompue apr6s quelques heures par la prise en masse du milieu r6actionnel. Au bout de 6 jours, on r6cup6re un solide d'aspect vitreux qui est purifi6 par dissolution dans le dioxanne, puis reprdcipit6 dans de l'6ther sulfurique; une poudre blanche finement divis6e est alors obtenue (rendement = 60"/~, F = 120 C). Par chromatographie sur couche mince de silice d'dchantillons pr61evds dans la phase 6thdrde, la pr6sence de monom6re et d'autres produits de coefficients de rdtention plus faibles peut ~tre observ6e. Cette technique de polym6risation facile /t mettre en oeuvre, se heurte g6n6ralement aux difficultes lides ",i l'augmentation de la viscosit6 du milieu rdactionnel. En efl'et, celle-ci occasionne des variations locales de temp6rature favoisant des rdactions de transfert. La rapide prise en masse constatee est donc un facteur limitant dans nos essais.
Le solvant utilis6 est le nitrobenz6ne, pour ses qualit6s de solubilit6 du polydiamino-3,4 styrene observ6es pr6c6demment. L avancement de la r6action suivie par spectrom6trie de rdsonance magn6tique nucl6aire du proton et chromatographie sur couche mince, montre la disparition rapide du monomere pendant les premi6res heures de la r6action; apr+s 24 h /t 80°C, la pr6sence de monom6re ne raagissant plus est observ6e. Apr6s retour ',i temperature ambiante, le liquide visqueux est vers6 goutte "fi goutte dans du tolu6ne; un pr6cipit6 16g6rement color6 est alors recueilli (rendement 5(~60~; F = 140'C). Les caract6ristiques physiques du produit (i.r. et RMN) sont identiques *5.celles du polym6re pr6cddent. Polymbrisation en suspension
Le poly p-aminostyr6ne, un des rares polystyr+nes aminds connus dans la littdrature, est synth6tis6 par polym6risation en suspension du p-aminostyr6ne: Kotlarchik et coll. [10] d6crivent l'obtention d'un polymare de haut poids moldculaire
Polym6risation en Masse 80°-A.I.B.N. - 6 jours
Polymensahon en Solution 80 °- A.I.B.N24h
•L•n NH2
Polyrn6risation en Suspension 7 0 " - A . I .B.N. - 2 4 h
/ .
,
Polymerlsotlon en Emulsion 70°-(NH4)2 $208- 4 h
Sch6ma 2. Polymerisaiion du diamino-3,4 styrene
NH 2
898
A. BREMBILLAet al. Tableau 2. Mesures viscosim6triques sur le polydiamino-3,4 styr6ne Echantillon
"NH2
NH:
Masse Solution Suspension Emulsion
Rdt (~o)
[q]i.t. ml'g -1.
F°
--
120
60
140 140 170-180
50-60 40-70 70-80
5 5 7
* t = 25°; solvant: pyridine. ([q] = 129mlg 1; 2,1 x 1 0 - 3 m o l dans 100ml de DMF), supbrieur ",i ceux d6jfi connus. Compte tenu de la similitude existant entre les monom6res mono et diamin6s, nous avons r6alis6 dans les m~mes conditions, en suspension aqueuse, les essais de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne. L'amorceur azobisisobutyronitrile est dissous dans le monom6re vers 60°C. Ce m61ange visqueux est aussit6t additionn6 dans une solution aqueuse d'alcool polyvinylique (0,1q?,6~o en poids) utilis6e comme collo'ide protecteur. Le milieu r6actionnel est vivement agit6 pour former une suspension, la temp6rature 6tant maintenue fi 80°C pendant 24 hr. Apr6s retour fi temp6rature ambiante, de petites billes irreguli6res ( l - 2 m m de diam+tre) sont r6cup6r6es par d6cantation ; une purification ult6rieure permet d'obtenir une poudre brun-clair ou blanche (rendement 40-70~o, F = 140°C). Cependant ces essais qui n'ont pas abouti aux rdsultats escompt6s, peuvent s'expliquer par la difficult6 de mise en oeuvre de cette r6action avec un monomare poss6dant un point de fusion assez bas. La dissolution de l'initiateur devant ~tre effectude dans le monomare fondu (55-60°C), la polym6risation peut commencer avant que la suspension ne soit effective, emp~chant une bonne dispersion en petites gouttelettes du monom6re dans l'eau (ph6nom6ne d'agglutination). Polymdrisation en ~mulsion
Dans un tube en verre de 1 cm de diam+tre, l'6mulsifiant (1-2~) est dissous dans de l'eau distill6e d6soxyg6n6e. Le milieu rdactionnel plong6 dans un bain thermostat6 fi 70°C est agit6 m6caniquement (vitesse de rotation 3000trs/min); le monom6re (9-10~o en poids de la phase aqueuse) est ajout6 goutte/L goutte, et apr6s quelques minutes, l'amorceur (NH4)2S2Os est introduit. Au bout de 4 hr de r6action, l'6mulsion est cassde par addition de sulfate d'aluminium, apr6s retour fi temp6rature ambiante, ce qui entraine la Tableau 3. Solubilit6 du polydiamino-3,4 styrene Solvants test6s (t ° ambiante et 6bullition) Soluble H20 (pH ~< 5) MeOH CHaCN DMF Pyridine
Dioxanne D.M.E. Nitrobenz6ne DMSO
Insoluble Cyclohexane Tolu6ne [~ther sulfurique Chloroforme H20 (pH = 7)
pr6cipitation de la polyvinylorthoph6nyl6nediamine (70-80~o). Pour l'ensemble des essais r6alis6s, les diff6rents 6chantillons de polym6re ont essentiellement 6t6 caract6ris6s par des mesures viscosim6triques dont les r6sultats ont 6t6 rassembl6s dans le Tableu 2. Les caract6res de solubilit6, importants pour les transformations ult6rieures sont consign6es dans le Tableau 3. Conclusion
Parmi les diff6rentes m6thodes utilis6es, celle de la polym6risation en 6mulsion donne les meilleurs r6sultats, mais le probl6me de l'obtention d'un polym6re de plus haute masse mol6culaire reste/t r6soudre. La difficult6 de synth6se d'un tel compos6 semblerait plut6t li~e / t u n probl6me d'ordre exp6rimental qu'~ la nature chimique m~me du monom6re, si l'on consid6re la facilit6 d'oligom6risation du diamino-3,4 styr6ne; il ne faut toutefois pas ignorer le fait que les fonctions amines peuvent jouer un r61e non n6gligeable dans la terminaison pr6matur6e des cha]nes en croissance, par r6action de transfert de radicaux libres. Cependant le but de cette 6tude est avant tout d'avoir pu montrer la possibilit6 de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne, mais bien que les masses des premiers 6chantillons obtenus soient peu ~lev6s, elles sont sutiisantes pour r6aliser des essais de cyclisation en polyvinyl-5(6) benzimidazoles. i1I. TRANSFORMATION DE LA POLYVINYLORTHOPHENYLENEDIAMINE EN POLYVINYL-5(6) BENZIMIDAZOLES Deux essais de transformation ont ~t~ r6alis6s, conduisant respectivement au polyvinyl-5(6) benzimidazole et au polym6thyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole. Le polydiamino-3,4 styr6ne obtenu par polym6risation en emulsion est utilis6 pour la pr6paration de ces polym6res. La cyclisation du motif o-ph6nyl6nediamine en benzimidazole est effectu6e par la m6thode de Phillips [3] qui donne en g6n6ral les meilleurs r6sultats pour les benzimidazoles simples, et consiste/t faire r6agir/L reflux la quantit6 6quivalente d'acide carboxylique dans de l'acide chlorhydrique dilu6. Cette mbthode a permis d'obtenir sous l'action de l'acide formique le polyvinyl-5(6) benzimidazole (d6j~ obtenu par Overberger [12, 13], en polym6risant le vinyl-5(6) benzimidazole, ou par dbhydrochloration directe du (chloro-l')6thyl-5(6) benzimidazole) et le
Synthese et polymerisation du diamino-3,4 styrene
899
Tableau 4. Caracterisation u.v. des polyvinyl-5(6) benzimidazoles
Solvant = EtOH~h~o~
Solvant = Dioxanne, EtOH~b~oh,
1/2 ,~nmmaX 284 277 252 (el 245 211
E
,;,nmmaX
5000 5300 4900 5500 12000
283 277 253 (6) 242 215
1/2
E
J.nmmaX
E
).nmrrlax
E
6800 7300 7000 7700 12000
284 278
4900 5600
286 277
5800 5700
244 211
5500 13000
246 (el 216
6100 16000
(6), t~paulement. Tableau 5. Caracterisation i.r. des polyvinyl-5(6) benzimidazoles Vibrations caracteristiq, v~u VNH,~ Vsn Vc N 6cn~.cu ~ VcHN 6CH ....... (subst 1-2-4) ~CH .......
M~thyl-5(6) benzimidazole
Polyvinyl-5(6) benzimidazole
Dimethyl-2,5(6l benzimidazole
Poly methyl-2 vinyl -5(6) benzimidazole
3400 F* 3200-2400 F1
3400 F 3200-2750 F1
3500 ml 3100-2700 F1
3400 F 1 3200-2800 FI
1490 F 1450 F 1280 F 1160 f
1490 F 1460 F 1280 F 1140 f
1490 m 1450 F 1280 m 1180 f
1480 F (~) 1460 F 1275 m 1140 f
1120 m
1120 m
1140 m
960 m 865 m 810 F
960 m 870 m 810 F
950 m 860 m 805 F
970 f 870 m 815 F
* Ten cm - ~. F = forte: m = moyenne; f = faible; 1 = large. 6 = 6paulement. p o l y m e t h y l - 2 vinyl-5(6) b e n z i m i d a z o l e l'acide acetique.
Caractdrisation benzimidazoles
physico-chimique
des
en
utilisant
polyvinyl-5(6)
Les p r o p r i e t e s s p e c t r o s c o p i q u e s (u.v. et i.r.) des p o l y m e r e s c o m p a r e e s fi celles de leurs m o d e l e s corresp o n d a n t s on 6t6 r e s p e c t i v e m e n t r a p p o r t e e s d a n s les T a b l e a u x 4 et 5. Les p r o p r i e t e s de solubilit6 sont consignees d a n s le T a b l e a u 6. La solubilisation directe par l'eau distillee (pH = 7) est q u a s i m e n t nulle, mais si le p o l y m e r e est d ' a b o r d dissous d a n s un b o n solvant, il est alors possible d ' a j o u t e r un fort p o u r c e n t a g e d'eau sans observer l ' a p p a r i t i o n de t r o u b l e s ; cette particularit6 i n d i q u e qu'fi l'etat solide les cha'ines du p o l y m e r e d o i v e n t &re f o r t e m e n t repliees sur elles-m~mes et autoassociees par des liaisons h y d r o g e n e . A l'6tat solide ces p r o d u i t s a b s o r b e n t e n t r e 1 et 2 molecules d ' e a u par m o t i f monomerique.
Etude du taux de cyclisation II est p r o b a b l e que lors des cyclisations du polydiamino-3,4 styrene, certains des n o y a u x benz6niques
d i a m i n e s d ' u n e m~me cha]ne du p o l y m e r e n'aient pas reagi. Cette 6ventualit6 c o n d u i t fi d e t e r m i n e r un taux de cyclisation, p a r a m e t r e i m p o r t a n t pour caracteriser u l t e r i e u r e m e n t une activit6 catalytique. Deux types de d o s a g e ont 6te realises en m e t t a n t en jeu les fonctions a m i n e s libres residuelles: un d o s a g e s p e c t r o p h o t o m e trique u.v. fond6 sur l ' a b s o r p t i o n des n o y a u x d i a m i n e s Tableau 6. Solubilit6 des polyvinyl-5(6) benzimidazoles Solvants EtOH Dioxanne D.M.F. D.M.S.O. H 2 0 (pH H 2 0 (pH H 2 0 (pH (9) H 2 0 (pH {9)
-~ 7} < 31 = 7,0); EtOH (l) = 7}; D M F (1}
P.B. I
P,B. I1
Soluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Soluble Soluble
Soluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Soluble Soluble
Soluble
Soluble
P.B. I: polyvinyl-5(6) benzimidazole. P.B. II: polymethyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole.
900
A. BREMBILLAet al.
ou des noyaux benzimidazoles form6s; un dosage chimique des fonctions amines. Dosaye par spectroscopie dlectronique
Les noyaux aromatiques diamin6s pr6sentent notamment une bande d'absorption centr6e sur un maximum fi 2m,x = 304 nm alors que celle des noyaux benzimizoles est centr6e "~ 2m,x = 286 rim. L'examen des spectres des polym6res P.B.I. et P.B.II fair appara]tre une faible absorption ",i 2 = 304 nm, donc la prdsence de noyaux diamin6s; la densit6 optique correspondante cumule en fait les contributions des chromophores des motifs diamin6s libres et celle r6siduelle/~ cette longueur d'onde du chromophore benzimidazolique (estim6 ~t 50% de la densit6 optique totale 2 = 304 nm). Rdsultats
PolydiaminoP.B. I 3,4 styr6ne 2 = 304nm ~,,, De noyaux diamin6s (par exc6s)
100
10
monom6re, le diamino-3,4 styr6ne selon un nouveau processus en 6 6tapes, /l partir d'un compos6 tr6s courant la paraaminoac6toph6none, en am61iorant sensiblement le rendement en produit final que l'on obtient tr6s pur. Divers essais de polym6risations radicalaires montrent que la technique en 6mulsion est la plus appropri6e bien que les masses obtenues soient encore faibles, mais ce r6sultat semble dr] /l la technique m~me de la polym6risation plut6t qu'fi la nature du monom6re, et nous conduit/~ rechercher de meilleurs agents dispersants. Les polydiamino-3,4 styr6ne ainsi obtenus se transforment rapidement (avec un taux de conversion 61ev6, sup6rieur fi 96%) et de mani~re simple en polyvinyl-5(6) benzimidazoles parfaitement caract6ris6s. Les encha]nements porteurs de groupements benzimidazoles substitu6s en 2 par une fonction polaire (groupe thiol en particulier) et /t forte activit6 catalytique [15] seront d6crits ult6rieurement.
P.B. II BIBLIOGRAPHIE
9
1. J. Schoenleber et P. Lochon, Tetrahedron 32, 3023 (1976). 2. A. Brembilla, Th6se de Doctorat d'Etat, Nancy, Mars (1982). 3. M. A. Phillips, J. chem. Soc. 172, 2393 et 3134 (1928); J. chem. Soc. 1143 (1931). 4. C. G. Overberger, B. Ktisters et T. St. Pierre, J. Polym. Sci. A-I, 5, 1987 (1967). 5. K. Ganapati, J. Ind. chem. Soc. 15, 121 (1938). 6. G. Manecke et U. Rotter, Makromolek. chem. 127, 264 (1969). 7. R. S. Monson, Tetrahedron Lett. 7, 567 (1971). 8. R. S. Monson et D. N. Priest, J. Or9. chem. 36, 3826 (1971). 9. E. E. Ergozhin, S. R. Rafikov et Kh. R. Khangereeva, Vysokomolek. Soedin. Ser. B, II(3), 191 (1969). 10. C. Kotlarchik et L. M. Minsk, J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 13, 1743 (1975).
I1 est 6vident que la marge d'erreur de ces r6sultats est importante et nous avons cherch6 ~ mettre au point une m&hode de dosage qui fair intervenir uniquement les fonctions amines libres dans une r6action chimique caract6ristique. Le principe de ce dosage [14] est de former avec les noyaux diamin6s et le p-N-dim6thylaminocinnamald6hyde, une base de Schiff facilement identifiable. Les noyaux aromatiques ainsi fonctionnalis6s sont dos6s par spectroscopie ~lectronique ~t 2max = 490 nm, le coefficient d'extinction molaire de la monobase de Schiff form6e fi partir du polydiamino-3,4 styr6ne servant de r6f6rence. ROsultats
"~max =
490 nm E = 27500
Polydiamino-3,4 styr6ne
P.B. I
P.B. II
100
3
3,5
~o Noyaux diamin6s _+ 1%
IV. C O N C L U S I O N
Ce travail d6crit les premiers r6sultats concernant une m6thode g6n6rale de pr6paration d'encha]nements macromol6culaires porteurs lat6ralement de motifs benzimidazoles (polyvinyl-5(6) benzimidazoles) auxquels peuvent ~tre fix6es (en position 2) des fonctions inhibitrices de polym6risation (fonction thiol en particulier). Pour r6soudre ce probl6me, une solution est de passer par un pr6polym6re, le polydiamino-3,4 styr6ne. Nous avons donc repris la synth6se du
11. A. Skogseid, Oslo Norsk Patent no. 73344 Norv6ge (1945). 12. C. G. Overberger, T. St Pierre, N. Vorchheimer, J. Lee et S. Yaroslavsky, J. Am. chem. Soc. 87, 296 (1965). 13. C. G. Overberger et L. J. Mathias, J. Polym. Sci., Polym. chem. Ed. 16, 627 (1978). 14. M. Querschi et I. A. Khan, Analyt. Chim. Acta 86, 309 (1976). 15. D. Roizard, Th6se de Doctorat de 3+me Cycle, Nancy, Octobre (1981).
Abstract--We describe a new method for preparation of 2-substituted poly-5(6) vinyl benzimidazoles starting from a new polymer, poly3,4-diaminostyrene. The monomer (3,4-diamino-styrene) is synthesized by an original 6-step process with an improved overall yield using p-aminoacetophenone. The radically induced polymerization affords the best results under emulsion conditions. The one-step transformation into poly-5(6) vinyl benzimidazole is achieved with a high degree of conversion.
0014-3057 82'100893-08503.00/0 Copyright © 1982 Pergamon Press Ltd
S Y N T H E S E ET P O L Y M E R I S A T I O N DIAMINO-3,4 STYRENE
DU
APPLICATION A UNE METHODE GENERALE DE P R E P A R A T I O N DE POLYVINYL-5(6) B E N Z I M I D A Z O L E S A. BREMBILLA, J. CUNY, D. ROIZARD et P. LOCHON Laboratoire de Chimie Physique-Macromoleculaire, C.N.R.S., ERA no 23, Ecole Nationale Superieure des Industries Chimiques, 1, rue Grandville-54042. Nancy Cedex, France (Re~,u le 19 fevrier 1982} Resum£'~Description d'une methode generale de preparation de polyvinyl-5-{6) benzimidazoles substitues en 2 "a partir d'un nouveau polymere, le polydiamino-3,4 styrene. Le monomere(diamino-3.4 styrene) est obtenu par un processus original en 6 etapes 'a partir de la p-amino acetophenone avec amelioration du rendement global. La polymerisation par amor~:age radicalaire donne les meilleurs resultats en operant en emulsion. La transformation en polyvinyl-5(6) benzimidazole est realisee en une seule ,;tape avec an taux de conversion eleve.
Les r e c h e r c h e s e n t r e p r i s e s a u l a b o r a t o i r e sur de n o u veaux modeles synthetiques catalysant Fhydrolyse d ' e s t e r s p - n i t r o p h e n y l i q u e s o n t m o n t r e q u e les m o l t cules a s s o c i a n t u n h e t e r o c y c l e b e n z i m i d a z o l i q u e et u n e f o n c t i o n thiol [-1,2] p r e s e n t a i e n t u n e activite e s t d r o l y t i q u e elevee. D a n s le b u t de m o d e l i s e r p l u s e t r o i t e m e n t F a c t i o n e n z y m a t i q u e et d ' i m m o b i l i s e r les sites p r e c e d e n t s s u r u n p o l y m e r e ( e n z y m e - l i k e polymer}, il est n e c e s s a i r e d'effectuer le t r a n s f e r t d e s m o t i f s benzimidazolethiols sur un enchainement macromoleculaire. C e t t e o p e r a t i o n a e g a l e m e n t p o u r b u t de faire appara'itre u n effet h y d r d p h o b e s u p p l e m e n t a i r e d o n t la c o n s e q u e n c e est d ' a c c r o i t r e le p o u v o i r c a t a l y t i q u e de ces c o m p o s t s . C e p e n d a n t la p r e p a r a t i o n de tels p o l y m e r e s "a partir d ' u n m o n o m e r e c o m p o r t a n t ~. la fois les f o n c t i o n s c a t a l y t i q u e s et u n g r o u p e p o l y m e r i s a b l e , est difficile h realiser c a r la p o l y m e r i s a t i o n est s o u v e n t i n h i b e e p a r ces m&mes g r o u p e m e n t s , en p a r t i c u l i e r p a r la f o n c t i o n thiol. En outre, c h a q u e m o n o m e r e e x i g e a n t u n e s y n t h e s e particuliere 'a 6tapes m u l t i p l e s : il n o u s a p e r u preferable de realiser d ' a b o r d u n p r e p o l y m e r e , la p o l y v i n y l o - p h e n y l e n e d i a m i n e (ou p o l y d i a m i n o - 3 , 4 styrene) qui p e r m e t u l t e r i e u r e m e n t le p a s s a g e en polyvinyl-5(6) b e n z i m i d a z o l e , en cyclisant le m o t i f o - p h e n y l e n c d i a m i n e p a r F a c t i o n d ' u n acide c a r b o x y l i q u e selon la m e t h o d e de Phillips [3]. D a n s cet article, n o u s d 6 c r i v o n s les p r e m i e r s r e s u l t a t s de la m i s e au p o i n t de cette n o u v e l l e m e t h o d e d ' a c c e s ~, des polyvinylbenzimidazotes. PARTIE EXPERIMENTALE
lmtications ,qenerales L'awmcement des reactions est suivie par chromatographie sur couche mince de silice, lorsque cela est possible, avec c o m m e eluant, un melange toluene ether de petrole ou ether sulfurique ether de petrole. Les spectres i.r. (~ en cm ~) sont enregistres i~ I'aide d'un spectrophotometre U N I C A M SP 1200, il partir de pastilles de KBr, pour les 893
composes solides, ou de films liquides. Les spectres R M N IH sont enregistres sur un appareil Hitachi R 24-A. Les deplacements chimiques sont donnes en cStppm) par rapport au T.M.S., utilise c o m m e reference interne. S = singulet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, m = multiplet. Les spectres u.v. et mesures cinetiques effectues sont enregistres 'a Faide d'un appareil Hitachi, modele 320 )cuves en quartz d'epaisseur: 1 cm. ), en rim).
Synthese du diamino-3,4 styrene Acdtamido-4 ac&ophg'none(b). La p-aminoacetophenone (0,18 mol) est ajoutee par petites quantitds dans 85 ml d'anhydride acatique refroidis par un bain de glace. AWes 2 3 h, Famide est recuperee par filtration et htvee abond a m m e n t h l'eau. Rendement quantitatif: F ' = 170'. solide blanc. i.r.--v~n: 3300 ~3250: Vc o ...... ,i,~: 1690; vc o .mid~: 1680. Ac~tamido-4 nitro-3 ac&oph~none(c). L'amide precedente est utilisee sans purification: 0,165 mol est additionnee, en petites quantites, dens 85 ml d'acide nitrique concentr6 (d = 1,491: la reaction est fortement exothermique, et la temperature doit ~tre maintenue proche de 0 C. Apres 3 h, la solution reactionnelle est versee lentement dans 1,5 ,t 2 litres d'eau froide: le derive nitre precipite instantanement et est recupere par filtrations et lavages successifs "2 l'eau. Rendement: 90"/, 95°~,; F = 139, cristaux jaune p;*de. i.r. VNn: 3340: Vc O . . . . . . . t i q u c : 1680; vc o a,nidc = 1710. Amino-4 nitro-3 ac&oph&;one (d). 0,144 mol du produit precedent est ajoute dens 100ml d'acide sulfurique 18 N it 2 5 ; la temperature du milieu rdactionnel est progressivement portee "a 65 70 : a w e s 2 hr, la solution brune obtenue est versde dans une litre d'eau froide, puis neutralisee par une solution d ' a m m o n i a q u e jusqu'h pH = 7 8. Un precipite ocre est recupere par filtration, puis lave ~ I'eau. Rendement: 80!~{,, F' = 145, cristaux jaune d'or Recristallisation darts le benzene. i.r. vxn~: 3450.3330; Vc_o: 1675; 6y.n: 1640. R M N IH: (solvant CDCI3): a l l ( o - N O 2 ) = 8,85d: ,4H (p-NO2) = 8,15d., bH(o-NH2) = 7,4 6,9t.: aH~aminest = 7,3 6,5 massif; 6H methyl = 2,5 s. Diamino-3,4 ac&oph&tone (e). 16 mmol du derive nitre (d) sont ajoutees dans 15 ml d'eau off sont dissoutes 5 0 m m o l de Na2S, 9 H 2 0 : le milieu cst porte ;/ reflux sous
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A. BREMBILLAet al.
atmosph6re inerte(N2) pendant 2hr; la solution brune obtenue est extraite par 300 ml d'ac6tate d'6thyle. Apr6s 6vaporation sous pression r6duite du solvant, 60~o de produit diamin~ sont r6cup6r6s. 2brae Mdthode. Le d6riv6 nitr6 (d) (30 mmol) est dissous dans une solution concentr6e d'acide chlorhydrique 16 N (60 ml) avec 15 g de chlorure stanneux; le milieu r6actionnel est thermostat6 h 80 ° pendant 5 hr. Apr+s retour/t temp6rature ambiante, la solution est vers6e dans 150 ml d'eau froide, que l'on neutralise avec une solution d'ammoniaque. La phase aqueuse obtenue est extraite par le chloroforme (100 ml) et l'on isole, apr6s 6vaporation du solvant, 45 50~0 de produit diamin6. F ° = 124°_127 °. i.r.--Vsn ~ = 3440-3360; VNn = 3250; VC=O: 1670; 6NU,: 1620. RMN~H--(solvant CDC13) 6H aromatiques = 7,5 t. et 6,8 d.; 6 Hamines = 4,3 massif; 6H m6thyl = 2.5. CsH~0N20: calc. ~o C = 63,98, ~, N = 18,65; trouv6; C = 64,01, ~,,, N = 18,27. Amino-4 nitro-3(hydroxy-I ')bthyl benzbne(f). On dissout 5. chaud 0,1 mol d'amino-4 nitro-3 ac6toph6none recristallis6e dans 250ml d'&hanol absolu; apr6s refroidissement du milieu fi 0", un exc6s de NaBH4 (0,09 mol) est ajout6 par petites quantitds (coloration rouge du milieu r6actionnel). Apr6s 6 hr fi 5 ~:, l'exc6s d'hydrure est d6truit par addition d'eau; l'alcool est 6vapor6 sous pression r6duite, puis la pfite restante est extraite par l'ac6tate d'6thyle (300 ml). 80 h 90~,, de produit orang6 sont r6cupdr6s apr6s 6vaporation du solvant. Recristallisation dans le benz6ne. F°: 83 °, cristaux orangds. i.r.--vNu : 3480-3350; VC,~: 2960; 6NH: 1645. RMNIH~solvant CDC13) 6H(o-NO2) = 8,1 s.; 6H(p-N02) = 7,45d.; 6H(o-NH2) = 6,85d.; 6H amines: 6,2s,; 6H benzylique: 4,85q.; 6H hydroxylique: 2,6s.; 6CH 3 : 1,5 d. CsH10NeO3: calc. ~o C = 52,74, ~,,~ N = 15,37; trouv6: ~,, C = 52,60, ~o N = 15,45. Diamino-3,4 (hydroxy-l')dthyl benzbne (g). lbre Mdthode. 16 mmol de diamino-3,4 ac6toph6none sont dissoutes dans l'6thanol absolu (20 ml), puis refroidi/t 0 °, avant l'addition de 15 mmol de borohydrure de lithium. Apr6s 16 hr, l'hydrolyse est faite par addition d'un peu d'eau distill~e; l'6thanol est 6vapor6 sous pression r6duite et l'on obtient une huile brune dont aucun produit purifi6 n'a pu ~tre isol6 soit par recristallisation, soit par pr6paration du chlorhydrate correspondant. 2brae Mdthode. On dissout/t chaud 31 mmol d'amino-4 nitro-3(hydroxy-l') 6thyl benz6ne dans une solution aqueuse de sulfure de sodium (90 mmol). Apr6s 3 hr, la solution brun orang6 est extraite par 100 ml de cloroforme; aucun produit purifi6 n'a pu ~tre isol~ de l'huile ainsi obtenue. Amino-4 nitro-3 styrbne (h). L'alcool benzylique (f) (0,0165 mol) est dissous dans 50ml de H.M.P.T. et port6 /~ 180-190" pendant 7 fi 8 hr, sous atmosph6re inerte (N2); apr~s retour h temp6rature ambiante, le solvant est 6vapor6 fi 90~ sous pression r6duite (0,5 mm de Hg). L'huile rouge fonc6 obtenue est chromatographi6e sur silice (~b = 1,8 cm, 20g de silice pour 1 g de produit ~t s~parer; 61uant: tolu6ne%ther de p6trole). Rendement: 45~o-60~o; F = 83 °, cristaux rouges. Recristallisation dans l'hexane. i,r.--vNn~: 3480-3350; VN,: 3260; 6r~,~: 1640; VC-C: 1630. RMN:H--(solvant: CDCI3) 60oH(o-NO2) = 8,02; 6flH(p-NO2)= 7,43d; 6yH(o-NH2)= 6,77d.; et Jfl? = 6 Hz; 6H(benzylique) = 6,55 t.; 6H(vinylique) = 5,55 d-5,15 d.; 6H (amines) = 6,20 massif. C s H s N 2 0 : : calc. ~ C = 58,53, ~o N = 17,06; trouv6: ~o C = 58,40, ~ N - 16,78. Diamino-3,4 styrbne (i). Le d~riv6 nitr6 (h) (0,018 mmol) est additionn6 fi chaud dans une solution hydroalcoolique
(10ml H , O + 5ml EtOH), de sulfure de sodium (22g), sous atmosph6re inerte. Apr6s 4 hr /t reflux, la solution brune est extraite par 150 ml d'ac&ate d'6thyle; cette phase organique est lav6e avec 10 ml d'eau distill6e, puis 6vapor6e sous pression r6duite. Un solide blanc ocre est r6cup6r6, (rendement: 80~, F ° 45 °) et recristallis6 dans l'hexane. Rendement: 60~o; F ° 51-52 °, cristaux incolores. L'action de HCI gazeux sur l'amine dissoute dans l'ac6tone anhydre conduit h la formation du seul monochlorhydrate. CI calcul6 (pour le monochlorhydrate) = 20,82, trouv6: 21,22. i.r.--VNH2: 3370; VN,: 3280; Vc~c: 1630; 6NH2: 1630. R M N 1 H - - 6 H (aromatique) = 6,85 fi 6,7 m.; 6H~ (benzylique) = 6,6 m.; 6Ha = 5,55 d. et j'~a = 17 Hz; 6Hp, = 5,05 d. et j,a, = 11 Hz; jpa, = 2 H z ; 6H amines = 3,3 (solvant: CDCI3). u.v.~(T = 25°--solvant: dioxanne) (;~.... e) = (320,6300), (279,9500), (230,15000). CsHloN2: calc. ~ C: 71,61, ~ H: 7,5, ~ N: 20,87; trouv6: ~ C: 71,44, ~ H: 7,61 ~oN: 20,60.
Homopolymerisation du diamino-3,4 styrene Les essais de polym6risation en masse et en solution sont r6alis6s dans un tube /~ polym6risation (L = 6cm, q5 = 1 cm), en utilisant une agitation magn6tique. Les essais de polym6risation en suspension et en 6multion sont r6alis~s dans un r6acteur en verre (L = 7 cm, ~b = 2cm) permettant une agitation mbcanique par une tige en verre (vitesse de rotation -~2500 tours par min. Les quantit6s des r6actifs (amorceur, monom6re, 6mulsifiant, collo'ide protecteur) sont exprim6es en pourcentage en poids par rapport fi la phase aqueuse. Polym~risation en masse. Le monom6re (l,5mol) est introduit dans un tube fi polym6risation avec 0,2~),5~ en poids d'amorceur (A.I.B.N.); des d6gazages successifs sont r6alis6s par plusieurs cycles de cong61ation (plong6e du r6acteur dans l'air liquide) suivie de d6cong61ation sous pression r6duite (0,1-0,2 mm de Hg). Le milieu r6actionnel, sous atmosph6re inerte est port6 fi 70 ° pendant 6 jours. La masse vitreuse brune r6cup6r6e est dissoute dans du dioxanne (2-3 ml); la solution obtenue est filtr6e (filtres t+flon, ~b = 5/a), puis pr6cipit6e goutte ~ goutte dans de l'6ther sulfurique (200ml), une poudre, blanche est r6cup6r6e apr6s s6chage. Rendement: 60~,,; F ° = 120 130°. i.r.--vNn~: 3500-3300; Vsn 11~: 3260-3220, Vcn: 2950--2850; 6Nn2: 1630. RMN~H---(solvant: CDCI3)--fH aromatiques = 6,7-6,2 massif; 6H amines = 4; 6H m6thine = 1,9m; ~SH m6thyl6ne = 1,3 massif. u.v.--{solvant: dioxanne--T°: 25°). (2,m, Em~): (304,5000); (250,8700); (217,30 000). C s H s N 2, nHzO: calc. n = 0, ~ C: 71,61 ; ~,,, H: 7,5; ~o N: 20,87, n = 0,5 ~ C: 67,10; ~o H: 7,74; ~,,, N: 19,56 trouv6: n = 0,4; ~o C: 69,68; ~o H: 7,74; ~,,; N: 19,54. Polym~risation en solution. Le monom6re (1,5 mmol) est dissous dans le nitrobenz6ne (0,5ml) avec 0,1-0,5~,, en poids par rapport au solvant d'amorceur (A.I.B.N.). Apr6s d6gazages successifs, la solution rouge obtenue est port6e/t 60 °, sous atmosph6re inerte, pendant 4 jours; le milieu visqueux obtenu est vers6 goutte h goutte dans 100ml de tolu6ne; une poudre brune est r6cup6r6e. Rendement: 50~0; F = 140 °. Polym~risation en suspension. Le monom6re (3,4 mmol) est fondu fi 60 ° sous atmosph6re inerte (Ar); I'amorceur (0,1-0,4~o) y est ajout6, et ce milieu r6actionnel est aussit6t additionn6e goutte /~ goutte dans 4ml d'une solution aqueuse d'alcool polyvinylique (0,1-0,6~0); agitation m6canique vive; T ° = 60°; [N2]). Un ph6nom6ne d'agglutination d'une partie du monom/~re est souvent observ6 dans ces essais. Apr~s 24 hr le milieu r6actionnel est d6cant6, et de petites billes brun clair (~b = 1-2 mm) sont r6cup6r6es,
895
Synth~se et polym6risation du diamino-3,4 styr6ne puis dissoutes dans du dioxanne (5-8ml); la solution ambr6e est filtrde et pr6cipit~e goutte ~ goutte dans 150 ml d'6ther sulfurique et le polym6re est recueilli par filtration. Rendement: 50°,;;; F = 140 °, poudre brun clair. Alcool polyvinylique utilis~: MOWIOL 40-88 (HOECHST). Polym&isation en dmulsion. L'6mulsifiant, le n-lauryl sulfate de sodium (NaLauSO4, 1,3 1,5%) est dissous dans de l'eau distill+e, d~soxyg6nde (4-5 ml) que l'on thermostate ~. 7@ (agitation mdcanique vive, atmosph6re inerte); le monom~re solide (4 5 mmol, 10%) est ajout6 par petites quantites qui fondent et se solubilisent dans la phase aqueuse (coloration ros6e); apr6s quelques minutes, l'amorceur (NH4)zS2Os: 0,1-43,2°/0) dissous dans quelques gouttes d'eau, est introduit dans le r6acteur. Une agitation rapide est maintenue pendant 3-4 hr. Lors de certains essais, on observe peu apr6s l'addition de l'initiateur, un ph6nom6ne d'agglutination d'une partie du monom6re ou d'oligom6res. Apr6s retour/~ temp6rature ambiante, un sel d'aluminium [AI2(SO,0 > 5 mg par mg de tensioactif utilis6] est ajoute pour casser l'6mulsion: de petites particules blanches apparaissent alors dans le r6acteur. La poudre obtenue est purifi6e par dissolution dans du dioxanne, filtration de cette solution brune (filtre t6flon, ¢P = 5#i et repr6cipitation dans de l'6ther sulfurique (200 ml). Par une nouvelle filtration, on recueille un produit blanc finement divise. Rendement: 80%: F ~ = 175-180'. Mesures ~iscosim{triques. Elles sont r6alisees/~ Fade d'un viscosim6tre du type UBBELOHDE (capillaire de diam~tre q~ = 0,4mint ~ 25 + 0,02 ° en utilisant de la pyridine distill6e; des dilutions successives sont r6alis6es, de Co initiale ( _~8. I0 2 M) b, 3 Co. La viscosit6 inlrins~que la plus forte [q]_~7ml.g ~, est enregistr6e pour le polym6re synth6tis6 en emulsion. Preparation et caracterisation des polyvinyl-5(6) benzimidazoles et de leur.s modeles Mode op&atoire ,q~n&al. Le r6actif difimin6 est dissous dans une solution d'acide chlorhydrique (4N); l'acide aliphatique choisi pour la cyclisation ( -~ 10 fois en exc6s par
i.r.--vyn: 3400; Vs.H ~,: 3200/l 2700; Vc=N: 1490. RMN~H--(solvant: pyridine Ds). 6H aromatiques = 8 7,5 massif; 6H amines = 5,4 ~ 4,9 massif; 6H cha]ne aliphatique = 1,8 ~. 1,3 massif. u.v.--(solvant: 6thanol a b s o l u - - T ° = 25°). ()-.... ~)=(283,6800); (277,7300); (242,7700); [215,12 000). C9HaN2, n H20: calc. n = 0: ~o C: 74,97: !~ H: 5,59: '}~; N: 19,43; n = 1: % C: 66,6; o / H : 6,2; % N: 17,2; n = 2: % C : 5 9 , 9 8 ; % H:6,71;~% N: 15,54. trouv6: let bchantillon °/o C: 63,13; o~ H: 5.54: ~,;;N: 15,61; 2g'me &hantillon ~, C: 67,14; ~,,, H: 5,90; ~; N: 14,12. Polym~thyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole. Quantit& expd'rimentales utilis&s. Polydiamino-3.4 styr6ne: 0,75 mmol, HCI aqueux (4N): 3 ml, acide acetique: 0,5 ml, coloration brune du milieu r~actionnel. K2CO3: 4 g (pH final -~7-8). Rendement: 1101~, en poids (solide blanck % cyclisation: 96,5. Transformation sur le banc de Kofler fi T': 260 270. i.r. VNn: 3400; VNU ~i~: 3200 fi 2800; VC_N: 1490. RMN~H--~solvant: D M S O d6). 6H aromatiques = 7,5 'a 6,9 massif; 6H amine = 6,8 fi 6 massif: ,6H m6thyt-2 = 8,5; 6H cha]ne aliphatique = 1,7 '~ 1,3 massif. u.v.~solvant: dioxanne 6thanot ( 5 0 / 5 0 ) ~ T = 25' }. ()-.... e): (256,5800); (277,5700); (216,16 000). C~oHloN> n HzO: calc.: n = 0 '~, C: 75,82; '~, H: 6.37; °/~;N: 17,7 n = I '~,; C: 68,16; ~(, H: 6,86; 3~i N: 15,89 n = 2 ~?, C: 61,83; o~, H: 7,26; !~il N: 14,66 trouv6: n = 23~, C: 66,14: o~ H: 6,27; !~;; N: 15,27. Determination du taux de cyclisation par dosaqe des ,qroupements amines restants Le dosage par condensation avec le p-dimethylaminocinnamald6hyde est effectu6 5_ l'aide d'un spectro u.v. ~_ T = 25 ~ selon la methode d6crite par Querschi et coll. [14]. Dans le cas d'une o-ph6nylOne diamine seule la monobase de SCHIFF est form6e. R&ultats
T = 25 ° ":-m,*= 490 nm
']~; Cyclisation +_ t%,
rapport a la diamine) est alors ajout6, et le milieu r6actionnel (coloration rosee) est plong+ dans un bain d'huile thermostat6 5_ 110C pendant 15 hr (reflux sous atmosph6re inerte). Apr6s retour ~ temperature ambiante, la solution limpide obtenue brune ou verte est vers~e goutte fi goutte dans de l'eau froide (volume 5 frois sup6rieur) oh est dissous assez de carbonate de potassium pour avoir un pH final proche de la neutralit6; le ddriv6 benzimidazolique qui a pr6cipit6, est r6cup6r6 par filtration. Polyvinyl-5(6) benzimidazole. Quantit& exp&imentales. Polydiamino-3,4 styrane: 0,75 mmol, HC1 aqueux (4N): 3 ml, acide formique: 0,5-1 ml, coloration brune du milieu rdactionnel, K2CO3: 4 g (pH final: 7-8). Rendement: 60 70°,, en poids (solide blanchfitre) % cyclisation = 97. Transformation sur le banc de Kofler '~ T': 200-210 °. Pur!fication. Dissolution dans 2 3 ml d'6thanok filtration de la solution (filtre t6flon de ~b = 5/~) repr6cipitation dans 50 ml d'6ther sulfurique.
Polydiamino-3A styr6ne
P.B.I
P.B.II
approx. = 27 500 0
97
96,5
I. S Y N T H E S E
DU
DIAMINO-3.4
STYRENE
Deu× voles de synth6se de ce c o m p o s 6 a r o m a t i q u e sont rapport6es dans la litt~rature: la premi6re d6crite par O v e r b e r g e r [4] c o n d u i t fi un r e n d e m e n t de 2,3'~; en p r o d u i t diamin6. Le s e c o n d m o d e de p r 6 p a r a t i o n est r~alis~ 5_ partir de l'amino-4 nitro-3 b e n z a l d ~ h y d e d o n t la synth6se est d~crite par G a n a p a t i [5]: cet ald6hyde a permis fi M a n e c k e [6] d ' o b t e n i r apr~s 5 6tapes, 20% de diamino-3,4 styrene. D a n s c h a c u n e de ces m6thodes, on n o t e que l'obtention du m o t i f vinylique est l'~tape d~terminante. La synth6se du d i a m i n o - 3 A styrene que nous p r o p o s o n s suit une vole q u e l q u e peu diff~rente, fi partir d'un p r o d u i t largement commercialis6, la p - a m i n o a c e toph~none. Le processus op6ratoire est decrit dans le sch6ma r~actionnel suivant (Sch6ma 1). L'acylation de Famine primaire est facilement r6alis6e avec l ' a n h y d r i d e ac~tique: le p r o d u i t est isol6 avec d'e×cellents r e n d e m e n t s et utilis6 sans purification particuli6re.
896
A. BREMBILLAet al.
~
0 Ac~O
HNO~
:--
~
H~SO~ NO~
NHAc
NH2
(a)
NHAc
(c)
(b)
(d)
"~"~a2St9H20 I NO2 NH2
~'~ (e) I
NH 2
NH2
) ~
Na2S,9H20
[
NH2 NH~ (i)
H PT NOa
NH~ (h)
Na2S~9 H~O /NO~ NH.,
NH 2
(g)
(f) Sch6ma 1. Synth6se du diamino-3,4 styr6ne
La nitration s'effectue par addition lente de (b) dans de l'acide nitrique concentr6, la substitution 61ectrophile est orient6e en position 3 par les effets attracteurs du groupement c6tonique et donneur de l'azote. La formation de produit dinitr6 n'est pas observ~e. Sans blocage pr6alable de la fonction amine, aucun produit ne peut &re isol6 dans les conditions exp6rimentales d6crites. L'hydrolyse de l'amide est r6alis6e darts l'acide sulfurique 18 N; apr6s neutralisation, le d6riv6 amin+ correspondant (d) est isol6 avec de bons rendements. La r6duction du groupe carbonyle du compos6 (d) a lieu de mani6re quasi quantitative en employant des hydrures doubles tels que LiBH 4 ou NaBH4 en solution alcoolique. La d6shydratation thermique de (f) a 6t6 6tudi6e syst6matiquement afin d'optimiser le rendement final en (h) (Tableau 1). Elle est irr6alisable ou s'accompagne de r6actions parasites lorsque l'on emploie les m6thodes classiques. Seule une m6thode r6cente utilisant l'hexam6thylphosphorotriamide [7, 8] g6n6ralise les observations des auteurs et permet la synth6se de (h). Apr6s distillation du solvant sous pression r6duite et purification du produit par chromatographie en phase liquide, le d~riv6 styr6nique est isol6 avec 60% de rendement. Cependant m~me avec des temps de r+action importants, la disparition de (f) n'est pas totale. Dans la derni6re phase, la r6duction du groupe
nitr6 aromatique peut ~tre effectu6e soit par hydrog6nation catalytique, soit par un rdducteur chimique. Dans le cas present, elle est r6alisable par le chlorure stanneux en milieu chlorhydrique ou par le sulfure de sodium en solution aqueuse. La derni6re m~thode conduit aux meilleurs r6sultats (80%). Cependant la purification extr6me, n6cessaire, du d6riv6 styr6nique par recristallisation dans l'6ther de p6trole ou par chromatographie sur colonne, se traduit par une perte assez importante de produit, due fi une oxydation rapide et fi des r6actions d'oligom6risation. Nous avons 6galement explor6 la voie parall61e (d)---~(e)---~(g) mais les tentatives de d6shydratation du diamino alcool(g)en (i) n'aboutissent qu'/~ des oligom6risations. II. POLYMERISAT1ON DU DIAMINO-3,4 STYRENE
Aucune synth~se du polydiamino-3,4 styrene n'est rapport~e dans la litt~rature. Les seuls polystyr~nes porteurs de fonctions amines, actuellement d~crits sont le polydiamino-2,4 styrene obtenu par dinitration [9] du polystyrene suivie de r6duction, et le poly p-aminostyr~ne [10, 11] r~sultant de la polym~risation de la vinylaniline. Nous avons 6tudi6 plusieurs m6thodes de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne (Schema 2); les r6sultats obtenus font ressortir la difficult~ d'obtention d'un encha'inement de forte masse mol6cu[aire.
897
Synthese et potym6risation du diamino-3,4 styrene Tableau 1. Essais de ddshydratation de l'amino-4 nitro-3(hydroxy-l') ~thylbenz6ne (f)
Essais*
(f) mM
Solvant
t'
Temps de r+action (hr)
1 2 3 4 5
11 5,5 5,5 5,5 5,5
Benz6ne (30 cc) D6caline (60 cc) D.M.S.O. (30 cc) D.M.S.O. (20 cc) H.M.P.T. (60 cc)
Reflux 190 140 130 180
2 1 h. 30 2 2 4
6 7
17 17
H.M.P.T. {45 cc) H.M.P.T. (60cc)
190 190
3 6
Agent de d6shydratation
P205 (5 mM) P205 (2,5 mM) PzO5 (2,5 mM) Acide p-tolu6ne sulfonique (5 mM) P205 (2,5 mM) --
Styr+ne: h tRdt u;)+
t + + + +
30 20
+ +
40 60 45 60
* Avancement de la reaction d6termin6e par c.c.m. (chromatographie en couche mince de silice). t " + "" Identifi+ par c.c.m. : " - " non identifi6. ~. Produit purifi+.
Polym{risation en masse
Polymdrisation en solution
L'amorceur radicalaire (azobisisobutyronitrile) et le d6riv6 styrdnique sont ajout6s dans le r6acteur; apr6s plusieurs d6gazages successifs, celui-ci est plong6 dans un bain thermostat6; l'agitation magn6tique initiale est interrompue apr6s quelques heures par la prise en masse du milieu r6actionnel. Au bout de 6 jours, on r6cup6re un solide d'aspect vitreux qui est purifi6 par dissolution dans le dioxanne, puis reprdcipit6 dans de l'6ther sulfurique; une poudre blanche finement divis6e est alors obtenue (rendement = 60"/~, F = 120 C). Par chromatographie sur couche mince de silice d'dchantillons pr61evds dans la phase 6thdrde, la pr6sence de monom6re et d'autres produits de coefficients de rdtention plus faibles peut ~tre observ6e. Cette technique de polym6risation facile /t mettre en oeuvre, se heurte g6n6ralement aux difficultes lides ",i l'augmentation de la viscosit6 du milieu rdactionnel. En efl'et, celle-ci occasionne des variations locales de temp6rature favoisant des rdactions de transfert. La rapide prise en masse constatee est donc un facteur limitant dans nos essais.
Le solvant utilis6 est le nitrobenz6ne, pour ses qualit6s de solubilit6 du polydiamino-3,4 styrene observ6es pr6c6demment. L avancement de la r6action suivie par spectrom6trie de rdsonance magn6tique nucl6aire du proton et chromatographie sur couche mince, montre la disparition rapide du monomere pendant les premi6res heures de la r6action; apr+s 24 h /t 80°C, la pr6sence de monom6re ne raagissant plus est observ6e. Apr6s retour ',i temperature ambiante, le liquide visqueux est vers6 goutte "fi goutte dans du tolu6ne; un pr6cipit6 16g6rement color6 est alors recueilli (rendement 5(~60~; F = 140'C). Les caract6ristiques physiques du produit (i.r. et RMN) sont identiques *5.celles du polym6re pr6cddent. Polymbrisation en suspension
Le poly p-aminostyr6ne, un des rares polystyr+nes aminds connus dans la littdrature, est synth6tis6 par polym6risation en suspension du p-aminostyr6ne: Kotlarchik et coll. [10] d6crivent l'obtention d'un polymare de haut poids moldculaire
Polym6risation en Masse 80°-A.I.B.N. - 6 jours
Polymensahon en Solution 80 °- A.I.B.N24h
•L•n NH2
Polyrn6risation en Suspension 7 0 " - A . I .B.N. - 2 4 h
/ .
,
Polymerlsotlon en Emulsion 70°-(NH4)2 $208- 4 h
Sch6ma 2. Polymerisaiion du diamino-3,4 styrene
NH 2
898
A. BREMBILLAet al. Tableau 2. Mesures viscosim6triques sur le polydiamino-3,4 styr6ne Echantillon
"NH2
NH:
Masse Solution Suspension Emulsion
Rdt (~o)
[q]i.t. ml'g -1.
F°
--
120
60
140 140 170-180
50-60 40-70 70-80
5 5 7
* t = 25°; solvant: pyridine. ([q] = 129mlg 1; 2,1 x 1 0 - 3 m o l dans 100ml de DMF), supbrieur ",i ceux d6jfi connus. Compte tenu de la similitude existant entre les monom6res mono et diamin6s, nous avons r6alis6 dans les m~mes conditions, en suspension aqueuse, les essais de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne. L'amorceur azobisisobutyronitrile est dissous dans le monom6re vers 60°C. Ce m61ange visqueux est aussit6t additionn6 dans une solution aqueuse d'alcool polyvinylique (0,1q?,6~o en poids) utilis6e comme collo'ide protecteur. Le milieu r6actionnel est vivement agit6 pour former une suspension, la temp6rature 6tant maintenue fi 80°C pendant 24 hr. Apr6s retour fi temp6rature ambiante, de petites billes irreguli6res ( l - 2 m m de diam+tre) sont r6cup6r6es par d6cantation ; une purification ult6rieure permet d'obtenir une poudre brun-clair ou blanche (rendement 40-70~o, F = 140°C). Cependant ces essais qui n'ont pas abouti aux rdsultats escompt6s, peuvent s'expliquer par la difficult6 de mise en oeuvre de cette r6action avec un monomare poss6dant un point de fusion assez bas. La dissolution de l'initiateur devant ~tre effectude dans le monomare fondu (55-60°C), la polym6risation peut commencer avant que la suspension ne soit effective, emp~chant une bonne dispersion en petites gouttelettes du monom6re dans l'eau (ph6nom6ne d'agglutination). Polymdrisation en ~mulsion
Dans un tube en verre de 1 cm de diam+tre, l'6mulsifiant (1-2~) est dissous dans de l'eau distill6e d6soxyg6n6e. Le milieu rdactionnel plong6 dans un bain thermostat6 fi 70°C est agit6 m6caniquement (vitesse de rotation 3000trs/min); le monom6re (9-10~o en poids de la phase aqueuse) est ajout6 goutte/L goutte, et apr6s quelques minutes, l'amorceur (NH4)2S2Os est introduit. Au bout de 4 hr de r6action, l'6mulsion est cassde par addition de sulfate d'aluminium, apr6s retour fi temp6rature ambiante, ce qui entraine la Tableau 3. Solubilit6 du polydiamino-3,4 styrene Solvants test6s (t ° ambiante et 6bullition) Soluble H20 (pH ~< 5) MeOH CHaCN DMF Pyridine
Dioxanne D.M.E. Nitrobenz6ne DMSO
Insoluble Cyclohexane Tolu6ne [~ther sulfurique Chloroforme H20 (pH = 7)
pr6cipitation de la polyvinylorthoph6nyl6nediamine (70-80~o). Pour l'ensemble des essais r6alis6s, les diff6rents 6chantillons de polym6re ont essentiellement 6t6 caract6ris6s par des mesures viscosim6triques dont les r6sultats ont 6t6 rassembl6s dans le Tableu 2. Les caract6res de solubilit6, importants pour les transformations ult6rieures sont consign6es dans le Tableau 3. Conclusion
Parmi les diff6rentes m6thodes utilis6es, celle de la polym6risation en 6mulsion donne les meilleurs r6sultats, mais le probl6me de l'obtention d'un polym6re de plus haute masse mol6culaire reste/t r6soudre. La difficult6 de synth6se d'un tel compos6 semblerait plut6t li~e / t u n probl6me d'ordre exp6rimental qu'~ la nature chimique m~me du monom6re, si l'on consid6re la facilit6 d'oligom6risation du diamino-3,4 styr6ne; il ne faut toutefois pas ignorer le fait que les fonctions amines peuvent jouer un r61e non n6gligeable dans la terminaison pr6matur6e des cha]nes en croissance, par r6action de transfert de radicaux libres. Cependant le but de cette 6tude est avant tout d'avoir pu montrer la possibilit6 de polym6risation du diamino-3,4 styr6ne, mais bien que les masses des premiers 6chantillons obtenus soient peu ~lev6s, elles sont sutiisantes pour r6aliser des essais de cyclisation en polyvinyl-5(6) benzimidazoles. i1I. TRANSFORMATION DE LA POLYVINYLORTHOPHENYLENEDIAMINE EN POLYVINYL-5(6) BENZIMIDAZOLES Deux essais de transformation ont ~t~ r6alis6s, conduisant respectivement au polyvinyl-5(6) benzimidazole et au polym6thyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole. Le polydiamino-3,4 styr6ne obtenu par polym6risation en emulsion est utilis6 pour la pr6paration de ces polym6res. La cyclisation du motif o-ph6nyl6nediamine en benzimidazole est effectu6e par la m6thode de Phillips [3] qui donne en g6n6ral les meilleurs r6sultats pour les benzimidazoles simples, et consiste/t faire r6agir/L reflux la quantit6 6quivalente d'acide carboxylique dans de l'acide chlorhydrique dilu6. Cette mbthode a permis d'obtenir sous l'action de l'acide formique le polyvinyl-5(6) benzimidazole (d6j~ obtenu par Overberger [12, 13], en polym6risant le vinyl-5(6) benzimidazole, ou par dbhydrochloration directe du (chloro-l')6thyl-5(6) benzimidazole) et le
Synthese et polymerisation du diamino-3,4 styrene
899
Tableau 4. Caracterisation u.v. des polyvinyl-5(6) benzimidazoles
Solvant = EtOH~h~o~
Solvant = Dioxanne, EtOH~b~oh,
1/2 ,~nmmaX 284 277 252 (el 245 211
E
,;,nmmaX
5000 5300 4900 5500 12000
283 277 253 (6) 242 215
1/2
E
J.nmmaX
E
).nmrrlax
E
6800 7300 7000 7700 12000
284 278
4900 5600
286 277
5800 5700
244 211
5500 13000
246 (el 216
6100 16000
(6), t~paulement. Tableau 5. Caracterisation i.r. des polyvinyl-5(6) benzimidazoles Vibrations caracteristiq, v~u VNH,~ Vsn Vc N 6cn~.cu ~ VcHN 6CH ....... (subst 1-2-4) ~CH .......
M~thyl-5(6) benzimidazole
Polyvinyl-5(6) benzimidazole
Dimethyl-2,5(6l benzimidazole
Poly methyl-2 vinyl -5(6) benzimidazole
3400 F* 3200-2400 F1
3400 F 3200-2750 F1
3500 ml 3100-2700 F1
3400 F 1 3200-2800 FI
1490 F 1450 F 1280 F 1160 f
1490 F 1460 F 1280 F 1140 f
1490 m 1450 F 1280 m 1180 f
1480 F (~) 1460 F 1275 m 1140 f
1120 m
1120 m
1140 m
960 m 865 m 810 F
960 m 870 m 810 F
950 m 860 m 805 F
970 f 870 m 815 F
* Ten cm - ~. F = forte: m = moyenne; f = faible; 1 = large. 6 = 6paulement. p o l y m e t h y l - 2 vinyl-5(6) b e n z i m i d a z o l e l'acide acetique.
Caractdrisation benzimidazoles
physico-chimique
des
en
utilisant
polyvinyl-5(6)
Les p r o p r i e t e s s p e c t r o s c o p i q u e s (u.v. et i.r.) des p o l y m e r e s c o m p a r e e s fi celles de leurs m o d e l e s corresp o n d a n t s on 6t6 r e s p e c t i v e m e n t r a p p o r t e e s d a n s les T a b l e a u x 4 et 5. Les p r o p r i e t e s de solubilit6 sont consignees d a n s le T a b l e a u 6. La solubilisation directe par l'eau distillee (pH = 7) est q u a s i m e n t nulle, mais si le p o l y m e r e est d ' a b o r d dissous d a n s un b o n solvant, il est alors possible d ' a j o u t e r un fort p o u r c e n t a g e d'eau sans observer l ' a p p a r i t i o n de t r o u b l e s ; cette particularit6 i n d i q u e qu'fi l'etat solide les cha'ines du p o l y m e r e d o i v e n t &re f o r t e m e n t repliees sur elles-m~mes et autoassociees par des liaisons h y d r o g e n e . A l'6tat solide ces p r o d u i t s a b s o r b e n t e n t r e 1 et 2 molecules d ' e a u par m o t i f monomerique.
Etude du taux de cyclisation II est p r o b a b l e que lors des cyclisations du polydiamino-3,4 styrene, certains des n o y a u x benz6niques
d i a m i n e s d ' u n e m~me cha]ne du p o l y m e r e n'aient pas reagi. Cette 6ventualit6 c o n d u i t fi d e t e r m i n e r un taux de cyclisation, p a r a m e t r e i m p o r t a n t pour caracteriser u l t e r i e u r e m e n t une activit6 catalytique. Deux types de d o s a g e ont 6te realises en m e t t a n t en jeu les fonctions a m i n e s libres residuelles: un d o s a g e s p e c t r o p h o t o m e trique u.v. fond6 sur l ' a b s o r p t i o n des n o y a u x d i a m i n e s Tableau 6. Solubilit6 des polyvinyl-5(6) benzimidazoles Solvants EtOH Dioxanne D.M.F. D.M.S.O. H 2 0 (pH H 2 0 (pH H 2 0 (pH (9) H 2 0 (pH {9)
-~ 7} < 31 = 7,0); EtOH (l) = 7}; D M F (1}
P.B. I
P,B. I1
Soluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Soluble Soluble
Soluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Soluble Soluble
Soluble
Soluble
P.B. I: polyvinyl-5(6) benzimidazole. P.B. II: polymethyl-2 vinyl-5(6) benzimidazole.
900
A. BREMBILLAet al.
ou des noyaux benzimidazoles form6s; un dosage chimique des fonctions amines. Dosaye par spectroscopie dlectronique
Les noyaux aromatiques diamin6s pr6sentent notamment une bande d'absorption centr6e sur un maximum fi 2m,x = 304 nm alors que celle des noyaux benzimizoles est centr6e "~ 2m,x = 286 rim. L'examen des spectres des polym6res P.B.I. et P.B.II fair appara]tre une faible absorption ",i 2 = 304 nm, donc la prdsence de noyaux diamin6s; la densit6 optique correspondante cumule en fait les contributions des chromophores des motifs diamin6s libres et celle r6siduelle/~ cette longueur d'onde du chromophore benzimidazolique (estim6 ~t 50% de la densit6 optique totale 2 = 304 nm). Rdsultats
PolydiaminoP.B. I 3,4 styr6ne 2 = 304nm ~,,, De noyaux diamin6s (par exc6s)
100
10
monom6re, le diamino-3,4 styr6ne selon un nouveau processus en 6 6tapes, /l partir d'un compos6 tr6s courant la paraaminoac6toph6none, en am61iorant sensiblement le rendement en produit final que l'on obtient tr6s pur. Divers essais de polym6risations radicalaires montrent que la technique en 6mulsion est la plus appropri6e bien que les masses obtenues soient encore faibles, mais ce r6sultat semble dr] /l la technique m~me de la polym6risation plut6t qu'fi la nature du monom6re, et nous conduit/~ rechercher de meilleurs agents dispersants. Les polydiamino-3,4 styr6ne ainsi obtenus se transforment rapidement (avec un taux de conversion 61ev6, sup6rieur fi 96%) et de mani~re simple en polyvinyl-5(6) benzimidazoles parfaitement caract6ris6s. Les encha]nements porteurs de groupements benzimidazoles substitu6s en 2 par une fonction polaire (groupe thiol en particulier) et /t forte activit6 catalytique [15] seront d6crits ult6rieurement.
P.B. II BIBLIOGRAPHIE
9
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I1 est 6vident que la marge d'erreur de ces r6sultats est importante et nous avons cherch6 ~ mettre au point une m&hode de dosage qui fair intervenir uniquement les fonctions amines libres dans une r6action chimique caract6ristique. Le principe de ce dosage [14] est de former avec les noyaux diamin6s et le p-N-dim6thylaminocinnamald6hyde, une base de Schiff facilement identifiable. Les noyaux aromatiques ainsi fonctionnalis6s sont dos6s par spectroscopie ~lectronique ~t 2max = 490 nm, le coefficient d'extinction molaire de la monobase de Schiff form6e fi partir du polydiamino-3,4 styr6ne servant de r6f6rence. ROsultats
"~max =
490 nm E = 27500
Polydiamino-3,4 styr6ne
P.B. I
P.B. II
100
3
3,5
~o Noyaux diamin6s _+ 1%
IV. C O N C L U S I O N
Ce travail d6crit les premiers r6sultats concernant une m6thode g6n6rale de pr6paration d'encha]nements macromol6culaires porteurs lat6ralement de motifs benzimidazoles (polyvinyl-5(6) benzimidazoles) auxquels peuvent ~tre fix6es (en position 2) des fonctions inhibitrices de polym6risation (fonction thiol en particulier). Pour r6soudre ce probl6me, une solution est de passer par un pr6polym6re, le polydiamino-3,4 styr6ne. Nous avons donc repris la synth6se du
11. A. Skogseid, Oslo Norsk Patent no. 73344 Norv6ge (1945). 12. C. G. Overberger, T. St Pierre, N. Vorchheimer, J. Lee et S. Yaroslavsky, J. Am. chem. Soc. 87, 296 (1965). 13. C. G. Overberger et L. J. Mathias, J. Polym. Sci., Polym. chem. Ed. 16, 627 (1978). 14. M. Querschi et I. A. Khan, Analyt. Chim. Acta 86, 309 (1976). 15. D. Roizard, Th6se de Doctorat de 3+me Cycle, Nancy, Octobre (1981).
Abstract--We describe a new method for preparation of 2-substituted poly-5(6) vinyl benzimidazoles starting from a new polymer, poly3,4-diaminostyrene. The monomer (3,4-diamino-styrene) is synthesized by an original 6-step process with an improved overall yield using p-aminoacetophenone. The radically induced polymerization affords the best results under emulsion conditions. The one-step transformation into poly-5(6) vinyl benzimidazole is achieved with a high degree of conversion.