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N" d'ordre 277 1 d LJ
129 UNIVERSITG DES SCIENCES ET T E C H N I W E S DE LILLE
présentée
A L'UNIVERSITÉ DES SCIENCES E T TECHNIQUES
DE LILLE
pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR DE TROISIÈME CYCLE
Par
Alain BOLLET
PHOTOCHIMIE DE L'ISOTHIAZOLE
ET DES MET~TISOTHIAZOLES ,/ y,T9.\
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soutenue le 11 Octobre 1 9 7 1 , ' ' ~ ~ v ~ ~ t la Commission d'examen.
M. A. EABLACHE-COh5BIER Président
M. @. JOURNEL M.M . PECWE
i \ Examinateurs
M. J.P. PETE Membre invité
UNIVERSITE DES SCIENCES
ET TECHNIQUES DE L I L L E
DOYENS HONORAIRES
MM. H . LEFEBVRE, PARREAU
PROFESSEURS HONORAIRES
M. ARNOULT, Mme BEAUJEU, MM. BEGHIN, BROCHARD, CAU, CHAPPELON, CHAUDRON, CORDONNIER, DEHEUVELS, DEHORNE, DEHORS, FAUVEL, FLEURY, P . GERMAIN, HEIM DE BALSAC, HOCQUETTE, KAMPE DE F E R I E T , KOURGANOFF, LAMOTTE, LELONG, Mme LELONG, LIEBAERT, MARTINOT-LAGARDE, MAZET, MICHEL, NORMANT, PARISELLE, PASCAL, PAUTHENIER, PEREZ, ROIG, ROSEAU, ROUBINE, ROUELLE, WIEMAN, ZAMANSKY.
PRESIDENT DE L I U N I V E R S I T E
DES SCIENCES E T TECHNIQUES DE L I L L E
M. DEFRETIN R e n é P r o f e s s e u r d e B i o l o g i e M a r i n e
PROFESSEURS TITULAIRES
M. M. M. M. M. M. M. M. M. Mme M. M. M. M.
BACCHUS P i e r r e BEAUFILS J e a n - P i e r r e BECART - ~ a u r i ce BLOCH V i n c e n t BIAYS P i e r r e BONNEMAN P i e r r e BONTE A n t o i n e BOUGHON P i e r r e BOURIQUET R o b e r t CAPET M a r c e 1 - F r a n c i s <:S'.ET P a u l Cu,.iJTANT E u g è n e CORSIN P i e r r e DECUYPER M a r c e l DEDECKER P a u l D E Y E T I N R e n é
DELATTRE C h a r l e s DURCKON M a u r i c e FOURET R e n é GABILLARC : ' o b e r t GEHU Je a n - M a r i e GLACET C h a r l e s GONTIER G é r a r d GUILLAUME Je an HEUBEL J o s e p h LENOBLE J a c q u e l i n e LOMBARD J a c q u e s MONTARIOL F r é d é r i c MONTREUIL Jean POUZET P i e r r e
A s t r o n o m i e e t C a l c u l N u m é r i q u e C h i m i e G é n é r a l e P h y s i q u e P s y c h o p h y s i o l o g i e G é o g r a p h i e e t A m é n a g e m e n t S p a t i a l C h i p i e I n d u s t r i e l l e G é o l o g i e A p p l i q u é e M a t h é m a t i q u e s B o t a n i q u e I n s t i t u t d e P r é p a r a t i o n aux A f f a i r e s G é o l o g i e G é n é r a l e P h y s i q u e I n d u s t r i e l l e P a l é o b o t a n i q u e M a t h é m a t i q u e s M a t h é m a t i q u e s B i o l o g i e A n i m a l e - D i r e c t e u r de l ' I n s t i t u t d e B i o l o g i e M a r i t i m e de W i m e r e u x G é o l o g i e G é n é r a l e Z o o l o g i e G é n é r a l e e t A p p l i q u é e P h y s i q u e R a d i o - E l e c t r i c i t é e t E l e c t r o n i q u e I n s t i t u t A g r i c o l e C h i m i e O r g a n i q u e M é c a n i q u e d e s F l u i d e s B i o l o g i e V é g é t a l e C h i m i e M i n é r a l e P h y s i q u e E x p é r i m e n t a l e ( O p t i q u e A t m o s p h é r i q u e ) S o c i o l o g i e C h i m i e A p p l i q u é e C h i m i e B i o l o g i q u e I n f o r m a t i q u e
Mme SCHWARTZ Marie-Hélsne M. TILLIEU J a c q u e ~ M. TRIDOT G a b r i e l M. VAILLAND J e a n M. VIDAL P i e r r e M. VIVIER Emile M. WATERLOT Gérard M. WERTHEIMER Raymond
BOUISSET Simon DELHAYE Michel FLATRES P i e r r e LEBRUN André LINDER Robert LUCQUIN Michel PARREAU Michel PRUDHOMME Rémy SAVART J e a n SCHALLER F r a n ç o i s SCHILTZ René
M. BELLET J e a n M. BODARD Marcel M. BOILLET P i e r r e M. DERCOURT Jean-Michel M. DEVRAINNE P i e r r e Mle MARQUET Simone M. PROUVOST J e a n
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ADAM Michel ANDRE C h a r l e s ANGRAND Jean-P ie r re AUBIN T h i e r r y BEGUIN Pau l BILLARD J e a n BKOUCHE Rudolphe BOILLY Bénoni BONNEMAIN ' an-Loui s BONNOT E m e s t BRIDOUX Miche 1 RQTJYELLE P i e r r e CAPURON Al£ r e d CAi,REZ C h r i s t i a n CHOQUET Marcel CORDONNIER Vincent CORTOIS J e a n
Economie P o l i t i q u e Mathématiques e t S t a t i s t i q u e s Géographie Mathématiques P u r e s Mécanique d e s F l u i d e s Physique Mathématiques Zoologie B i o l o g i e Végé ta le B i o l o g i e Végé ta le Chimie Géographie e t Aménagement S p a t i a l B i o l o g i e Animale Analyse Numérique B i o l o g i e Appl iquée I n £ ormat i q u e Physique
M. COULON Jean-Paul M. DEBRABANT Pierre M. ESCAIG Bertrand Mme EVRARD Micheline M. FAIDHERBE Jacques M. FONTAINE Jacques M. FROELICH Daniel M. G-AMBLIN André M. GOBLOT Rémi M. GOSSELIN Gabriel M. COUDK4ND Pierre PI. GRANELLE Jean-Jacques M. GRUSON Laurent M. GUILBAULT Pierre M. HERMAN Maurice M. HUARD DE LA MARRE Pierre M. JOLY Robert M. JOURNEL Gérard Mle KOSMANN Yvette M. LABLACHE-COMBIER Alain M. LACOSTE Louis M. LANDAIS Jean M. LAURENT François El. LAVAGNE Pierre Mle LEGRAND Solange M. LEHMANN Daniel Mme LEHMANN Jos iane M. LENTACKER Firmin M. LEROY Jean-Marie M. LEROY Yves M. LHENAFF René M. LOCQUENEUX Robert M. LOUAGE Francis M. LOUCHEUX Claude M. MAES Serge Mme MAILLET Monique M. MAIZIERES Christian M. MALAUSSENA Jean-Louis M. MESSELYN Jean M. MIGEON Michel M. MONTEL Marc M. MONTUELLE Bernard M. MUSSCHE Guy M- alTCOLE Jacques M. OUZI.??UX Roger M. PANET Marius M. PAQUET Jacques M. PARSY Fernand M. PONSOLLE Louis M. POVY Jean-Claude M. RACZY Ladislas Mme RENVERSEZ Françoise M. ROUSSEAU Jean-Paul M. KOYNETTE Bernard M. SALEfER Georges
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Chimie Analytique Construction Mécanique Physique Industrielle Géotechnique Mathématiques Appliquées Chimie (Valenciennes) Automatique non linéaire Physique Industrielle et Radioélectricité Sciences Economiques Physiologie Animale Mathématiques Radio-Electricité et Electronique
M. SEGUIER Guy M. SIMON Michel M. SMET P i e r r e M. SOMME Jean Mle SPIK Geneviève M. THOMAS Daniel M, TOULOTTE Jean-Marc M. TREANTON Jean-René M. VANDORPE Bernard M. VILETTE ~ i c h e l M. WATERLOT Michel Mme Z I N N JUSTIN Nicole
Elec t ron ique Psychologie Physique Géographie Chimie Biologique Chimie Minérale Appliquée 1 iformat ique Psychologie Chimie Minérale Génie Mécanique Géologie Mathématiques
A Monsieur LABLACHE-COMBIER
Maître de Conférences à l'université des Sciences et Techniques de LILLE,
qui a inspiré et dirigé ce travail.
Par 1 'intérêt constant qu'il lui a prodigué, i l en a favorisé le déve-
1 oppement . Qu'il trouve ici l'expression de ma sincère reconnaissance,
Je tiens à exprimer mes remerciements
à Monsieur J.P. PETE, Maître de Conférences à 1 'Université de REIMS,
à Monsieur G. JOURNEL, Directeur de 1 ' Institut Technico-Commercial de
LILLE,
à Monsieur M. PECQUE, Maître de Conférences à l'I.U.T. de BETHUNE,
d 'avoir accepté de juger ce travai 1 .
Mes remerciements vont aussi à tous mes camarades de laboratoire.
A mes P a r e n t s
T A B L E D E S M A T I E R E S
-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
C H A P I T R E 1 : INTRODUCTION
PHOTOISOMERISATIONS DE COMPOSES HETEROARQMATIQUES
A CINQ CHAINONS
C H A P I T R E II: ISOTHIAZOLES
C H A P I T R E III: PHOTOISOMERISAT ION DES ISOTHIAZOLES
C H A P I T R E I V : PHOTOOXIDATION DES AMINES PRIMAIRES PAR LE METHYL
3 ISOTHIAZOLE ET LE METHYL 5 ISOTHIAZOLE
C H A P I T R E V : DISCUSSION DES RESULTATS
C O N C L U S I O N
P A R T I E E X P E R I M E N T A L E
C H A P I T R E 1
- ' 0 ~ 0 0 ~ ' -
I N T R O D U C T I O N
P H O T O I S O M E R I S A T I O N S D E C O M P O S E S
H E T E R O A R O M A T I Q U E S A C I N Q C H A I N O N S
Lorsqu'une molécule, par absorption d 'énergie 1 umineuse, e s t amenée à u n niveau électroniquement excité, e l l e peut se désactiver de plusieurs façons :
- Par des transit ions radiatives qui sont de deux types :
. Une émission de fluorescence qui a pour origine, (en solution) 1 l ' é t a t singulet So .
. Une émission de phosphorescence qui a pour origine 1 ' é t a t
t r i p l e t T i . Le diagramme de JABLONSKI résume ces transit ions ( f ig .1) .
- Dans l a plupart des cas, l a somme des rendements quantiques (Q) de fluorescence e t de phosphorescence e s t inférieure à 1. Une part ie de l ' éner - gie absorbée e s t donc transformée en énergie non radiative. Le mécanisme de ce t te transformation e s t u n des grands problèmes de la photochimie (1) .
Dans l e cas des molécules aromatiques, une des voies de transit ions non radiatives e s t 1 ' isomérisation ( 2 ) .
Le diagramme 2 rend compte de l ' isomérisation : ( A ) e s t l ' é t a t fondamen- t a l , (B) l ' é t a t exci té . La transit ion ( A ) + ( B ) e s t d'autant plus d i f f i c i l e que
la différence énergétique e s t grande (3) .
Pour certains dérivés aromatiques, l ' é t a t excité (B) conduit à u n isomère ( C ) , non exci t é , non aromati que, thermodynami quement peu stabl e.
Par réaromatisation ( C ) donnerait s o i t l e produit de départ, s o i t u n iso- mère de celui-ci ; i l jouerait donc l e r6le d'intermédiaire.
Dans l e cas du benzène, on e s t parvenu à mettre en évidence les formes intermédiaires correspondantes à (C) .
A par t i r du t r i - t .but-1,2,4, benzène ( 4 ) on a isolé : u n benzène de Dewar,
nombre de molécules subissant le processus -- .-.--
nombre àe qurryza aosorbés p a r le système
Xn générai
un benzvalène et un prismane (provenant de l'irradiation du benzène de Dewar)
( f i g . 3).
Dans l e cas des composés hétéroaromatiques â c i n q chalnons, peu d ' i n t e r -
méd ia i res o n t é t é i s o l é s (5 ) .
En ce qu i concerne 1 ' i s o t h i a z o l e r i en n ' a v a i t é t é f a i t quand a débuté ce
t r a v a i l .
VAN TAMELEN e t WHITESIDES (6) o n t mis en évidence, comme I n t e r m é d i a i r e
du photoréarrangement du d i - t . but-2,5-furanne en d i - t . but-2,4-furanne, une cy-
c l opropènyl cétone ( f i g . 4 ) .
Les i r r a d i a t i o n s d i r e c t e s ou photosensi b i 1 i sées par l e mercure de dé r i vés
mono e t d i -méthy lés du furanne, du f u r f u r a l , du v i n y l 2 furanne ( 7 ) (8) (9 ) con-
f i r m e n t l a s t r u c t u r e de c e t i n t e rméd ia i r e .
Le Chiophène a un comportement s i m i l a i r e à c e l u i du furanne.
Le premier mécanisme, proposé par WYNBERG pour exp l i q u e r l e photoréarran-
gement du phényl-2-thiophène en phényl-3-thiophène (10) é t a i t analogue à c e l u i
proposé pour l e s i somér i sa t i ons du benzène. ( f i g . 5 ) .
Les i r r a d i a t a o n s d ' a r y l thiophènes e t de diphényl thiophènes ( I l ) , de deu-
térophényl thiophènes (12) e t de méthyl -phényl thiophènes (13) 1 ' o n t amené à propo-
s e r un mécanisme f a i s a n t i n t e r v e n i r 1 ' i n t e r a c t i o n des o r b i t a1 es 3d du souf re avec
1 es carbones Ce e t C3 ( f i g . 6) .
Le mécanisme de con t rac t i on p u i s d'expansion du cyc le , avec comme i n t e r -
méd ia i re une th iocé tone ou un thioaldéhyde, non admis par WYNBERG, e s t cependant
for tement étayé par l ' o b t e n t i o n de N p ropy l -py r ro les l o r s de l ' i r r a d i a t i o n dans l a
propylamine, de N cyc lohexyl - py r ro l es l o r s de 1 ' i r r a d i a t i o n dans l a cyc lohexyla-
mine (14). Ces mêmes py r ro les on t é t é obtenus à p a r t i r de furannes correspondants,
i r r a d i é s dans l e s mêmes cond i t ions (15).
Un i n te rméd ia i re a z i r i d i n e a é t é i s o l é par ULLMAN e t SINGH, l o r s de l ' i r -
r a d i a t i o n des d i a n y l 3,5 isoxazoles (16) f i g . 7) .
F I G U R E 7
T o u t e f o i s l e photoréarrangement du d iphenyl 2 $ 5 oxazole n ' a pas permis
d ' i s o l e r un i n t e r m é d i a i r e semblable (17) ( f i g . ' -8) .
Les pho to isomér isa t ions des py razo les en imidazoles e t des indazoles en
benzimidazol es peuvents/expl i quer par ce même mécanisme de con t rac t ion-expans ion
du c y c l e (18) (19) (20) ( f i g . 9 ) .
Deux mécanismes peuvent e x p l i q u e r l e s photoréarrangements des phényl t h i a -
zo les (21) :
un f a i s a n t i n t e r v e n i r un i n t e r m é d i a i r e b i c y c l i que du type benzvalè-
ne ,un au t re f a i s a n t i n t e r v e n i r un z w i t t e r i o n du t ype c a t i o n sulphonium t r i c y c l i-
que ( f i g . 10).
L ' i n t e r m é d i a i r e b i c y c l i q u e e s t également avancé par VERNIN, DOU e t METZGER
dans l e u r s études sur l e s a r y l 2 t h i a z o l e s (22) .
En f i n , récemment HIRAOKA par i r r a d i a t i o n de N-méthyl , cyano 2 p y r r o l e
a i s o l é un i n t e r m é d i a i r e de ce type ( p y r r o l e type Dewar) (23) ( f i g . 1 1 ) .
Imi dazole
F I G U R E 9
Mécanisme par intermédi aires Dicycliques
Intermédiaires Cations "~u i~hon ium Tricy:lLq&e t f
Nous avons e n t r e p r i s l ' é t u d e photochimique de l ' i s o t h i a z o l e a f i n de com-
p a r e r son comportement à c e l u i du thiophène e t du furanne, e t à c e l u i de 1 ' i s o -
xazol e.
C H A P I T R E 11
I S O T H I A Z O L E S
-=0000000=-
PREPARAT I O N :
Au début de ce t r a v a i l , l e s i s o t h i a z o l e s n ' é t a i e n t pas commercial isés.
L ' i s o t h i a z o l e a é t é s y n t h é t i s é s u i v a n t l a méthode de WILLE (24) mod i f i ée pa r
RAAP (25) .
Le propynal , obtenu pa r oxyda t ion chromique de l ' a l c o o l p ropargy l ique (26) ,
add i t i onne l e t h i o s u l f a t e de sodium.
Le c i s - s o d i um-2-thiosul fate-3-propénal obtenu e s t cyc l i sé en l s o t h i a z o l e
pa r 1 'ammoniac l i q u i d e ( f i g . 12).
F I G U R E 1 2
IDENTIFICATION :
L ' isothiazole synthétisé e t les 3 méthyl isothiazoles commercialisés(') , après d i s t i l l a t ion ont é té ident i f iés par leur spectre de résonance magnétique
nucléaire (W.
Les valeurs des glissements chimiques e t des constantes de couplage données
dans l e tableau 13 sont en accord avec celles données dans l a l i t t é r a tu re ( 2 7 ) .
SPECTRES U . V . :
1" - Dans l e dioxane :
Les bandes d'absorption sont t r è s larges, les maxima peu précis.
2" - Dans l a ~ r o ~ v l a m i n e :
On observe un déplacement des bandes d'absorption vers les grandes lon-
gueurs d'onde ( e f fe t bathochrome dû à 1 'augmentation de polar i té du solvant) e t
u n affinement de ces bandes.
Les 3 dérivés présentent approximativement l e même maximum d'absorption.
Isothiazole x max : l o g €
O .
: méthyl 3 isothiazole 2535 A : 3,70
: méthyl 4 isothiazole 2540 A i 3,78
: méthyl 5 isothiazole 2545 A 3,84
x Solutions à 4 . 1 0 - ~ g/l dans la propylamine. .
On note également par rapport au dioxane, une diminution de 1 'absorption
beaucoup plus prononcée pour l e méthyl 5 isothiazole, e t surtout l e méthyl 3 iso-
thiazole que pour l e méthyl 4 isothiazole.
( x ) RAYLO CHEMICALS LIMITED 8045 Argyll Road Edmonton, 82, ALBERTA, CANADA.
('9) Les spectres R . M . N . ont é t é pris dans CClq, référence interne T.M.S. sur
appareil VARIAN A-60-A à 60 MHz.
T A B L E A U .t 7
220 230 240 250 260 270 280 29c 1, mp
Snec tres U. 7. des rn4thyf lso+hi azoles (~olvant : dioxanne )
C'A?@3E 'X .a. Log E L
&,O5
7 , P4
7, P7
Taothf azole
Mkthyl 7 i sothiazole
K E t h y l h i sothiazol e
1 Ykthyl 5 isothiazole
a45 mp
p47 rnp
751 mr mr
t ; -- --.-
C H A P I T R E III
P H O T O I S O M E R I S A T I O N D E S I S O T H I A Z O L E S
-=ooooooo=-
L ' i s o t h i a z o l e e t ses dé r i vés monométhylés son t i r r a d i é s par des lampes à
vapeur de mercure, basse p ress ion (HANAU NN 1544, 15 W ) . Les s o l u t i o n s son t à 1% en poids en i s o t h i a z o l e .
Les durées d ' i r r a d i a t i o n sont :
- 3 heures pour 1 ' i s o t h i azo l e
- 24 heures pour l e s mé thy l l so th i azo les .
(Ces temps o n t é t é é t a b l i s pour c o n c i l i e r i somér i sa t i on maximum e t polymé-
r i s a t i o n minimum).
Les p r o d u i t s de r é a c t i o n son t i s o l é s par chromatographie s u r colonne de
s i l i c e pu is , s u i v a n t l e s cas, par d i s t i l l a t i o n ou par chromatographie en phase
vapeur (c . p. v. ) .
IRRADIATIONS DE L'ISOTHIAZOLE :
Quel que s o i t l e so l van t u t f l i s é , l e s I r r a d i a t i o n s donnent l i e u à f o r t e
po l ymér i sa t i on su r l e s p a r o i s du réac teu r .
Seule l a s o l u t i o n d ' i s o t h i a z o l e dans l a propylamine permet d i i s o l e r l e
t h i a z o l e formé, l e t a u x de photoconvet-sion dans l e s au t res so lvan ts é t a n t t r o p
f a i b l e .
Des s o l u t i o n s i den t i ques , chauf fées à r e f l u x à l ' a b r i de l a lumière pen-
dant 3 heures ,ne jûnncnl pas de r é a c t i o n d ' i somér i sa t i on .
Sol van t Photoprodui t s :
: Ether E t h y l ique : Souf re ( x )
: Th iazo le 0,5% (x%) :
Benzène
Méthanol
Propy l ami ne
Soufre + Polymères
Polymères
Th iazo le (7%) (xxx) :
(*> Oxydé pa r HN03 fumant e t p r é c i p i t a t i o n de Ba S04*
(9%) Analyse c.p,v. su r colonne c a p i l l a i r e (Carhowax 20M + 1% KOH).
(xxx ) I s o l é par c.p,v,.
Ca rac té r i sé pa r spect res R.M.N. e t I . R . o
IRRADIATIONS DES METHYLSIOTHIAZOLES :
Les 3 dé r i vés son t i r r a d i é s dans 3 so l van t s :
- l e cyclohexane
- l ' é t h a n o l absolu
- l a propylami ne anhydre
Lorsque l e s o l v a n t e s t l a propylamine, l e s pho toprodu i ts du méthyl 4 i s o -
t h i a z o l e e t du méthyl 5 i s o t h i a z o l e o n t é t é i s o l é s e t ca rac té r i sés par l e u r s pro-
p r i é t é s spectroscopiques.
Le méthyl 2 t h i a z o l e obtenu à p a r t i r du méthyl 3 I s o t h i a z o l e , a é t é iden-
t i f i é par son temps de,.auétention en c.p.v. su r 3 colonnes d i f f é r e n t e s ( x ) .
Dans l e cas des au t res so lvan ts , l e s pho toprodu l ts sont Identifiés par
c.p.v. . Les r é s u l t a t s expérimentaux sont rassemblés dans l e tab leau 14.
Le tab leau 15 d é c r l t l e s spect res R.M,N, des t h i a z o l e s .
(x) Nous tenons à remerc ie r l e D r . DOU pour ses é c h a n t i l l ons de méthyl t h i a z o l e s .
C H A P I T R E IV
-=0000000=-
P H O T O O X I D A T I O N D E S A M I N E S P R I V A I R E S
P A R L E M E T H Y L 3 I S O T H I A Z O L E
E T L E M E T H Y L 5 I S O T H I A Z O L E
Dans des s o l u t i o n s d'amines p r ima i res contenant un peu d 'eau (5% env i ron)
l e s i r r a d i a t i o n s de méthyl 3 i s o t h i a z o l e e t méthyl 5 i so th iazo9e, eh p l u s des i s o -
mé r i sa t i ons d é j à d é c r i t e s dans l e cas des s o l u t i o n s anhydres, donnent des p rodu i t s
de pho toox ida t l on de l ' am ine .
Le méthy l 4 i s o t h i a z o l e ne donne pas c e t t e r é a c t i o n de pho toox ida t i on quand
il e s t i r r a d i é dans ces cond i t i ons .
Le t a b l e a u 16 compare l e s r é s u l t a t s obtenus dans des s o l u t i o n s d'amlnes
anhydres e t des s o l u t i o n s d'amines hydratées.
Les 2 aldéhydes, i s o l é s par chromatographie su r ge l de s i l i c e e t p u r i f i é s
par c.p.v., s o n t i d e n t i f i é s par spec t roscop ie R.M.N. e t comparaison avec l e s va-
l e u r s données dans l a l i t t é r a t u r e (28(29) e t avec des é c h a n t i l l o n s au then t ique
( v o i r synthèses dans l a p a r t i e expér imenta le ) .
Le t a b l e a u 17 rassemble l e s spec t res R.M.N. des 2 aldéhydes i s o l é s .
L ' i r r a d i a t i o n du méthyl 3 i s o t h i a z o l e dans des s o l u t i o n s de n.butano1,
avec ou sans eau, ne donne n i f somér isa t ion , n i p r o d u i t d ' oxyda t i on du so l van t .
La pho toox ida t i on du s o l v a n t e s t donc s p é c i f i q u e à l ' a m i n e e t son importance dé-
pend de l ' i s o t h i a z o l e .
C H A P I T R E V
D I S C U S S I O N D E S R E S U L T A T S
-=0000000=-
I - MECANISMES DE PHOTOISOMERISATION POSSIBLES :
Nous a l l o n s env isager à quels p r o d u i t s de photoréarrangements des 3 mé-
t h y l i s o t h i a z o l e s c o n d u i r a i e n t l e s mécanismes su i van t s :
- Contract ion-expansion du c y c l e (Thiophènes e t furannes, I soxazo les )
- Systëme b i c y c l i que (Phényl t h i a z o l es, cyano-2-pyrrol es)
- Cat ion su lphoni um t r l c y c l i q u e (Thiophène se lon WYNBERG) .
1" - Mécanlsme de Contract ion-Expansion du c y c l e :
Ce mécanisme f a i t i n t e r v e n i r un i n t e r m é d i a i r e du type t h i océ tone ou t h i o -
aldéhyde dans l e cas du thiophène, cétone ou aldéhyde dans l e cas du furanne ou
de l ' i s o x a z o l e .
Par un mécanisme analogue, nous pouvons p o s t u l e r deux i n te rméd ia i r es q u i
se réar rangent respect ivement en t h i a z o l e ou en i so th iazo le .
Le tab leau 18 schématise ce mécanisme app l iqué à l ' i s o t h i a z o l e e t donne
l a s t r u c t u r e des p r o d u i t s auxquels 11 c o n d u i r a i t .
2" - Mécanisme avec i n t e r m é d i a ~ r e b i c y c l i q u e :
Ce mécanisme conv ien t à KOJIMA e t MAEDA e t à VERNIN, DOU e t METZGER pour
e x p l i q u e r l e réarrangement des phény l th iazo les . D0.U exp l i que l e s photoréarrange-
ments de phényl 3 i s o t h i a z o l e en phényl 4 t h i a z o l e e t de phényl 5 i s o t h i a z o l e en
phényl 3 i s o t h i a z o l e e t phényl 4 t h i a z o l e , également par ce mécanisme (30) .
Le tab leau 19 - i l l u s t r e l ' a p p l l c a t l o n de ce mécanisme à l ' l s o t h i a z o l e .
âcan:r,rrie D a r con~rac2lon-exnansinn d ï cyc le . - - - . . . - -+--- - -I--_-_I -- ^ .__" ----_-_ __
?f'rhrpni sme 7ar tn*,erm4CIi qi res b i c y ~ l i q ~ e s -- - _ -11 1 . _ - 1 --.
Ssnmè-es non exnlj qü*s
-MF c e rntscan! sme
3" - Mécanisme avec intermédiaire cation sul~honium tricvcl iaue :
WYNBERG propose un tel intermédiaire dans le mécanisme de photoréarrange-
ment des thiophènes. Dans un travail récent sur le phényl-3-isothiazole, le phényl 5 isothiazole et le diphényl-3,5-isothiazole, OHASHI et ses collaborateurs invo- quent la formation d'intermédiaires de ce type (31).
Nous pouvons écrire, en plus des 2 intermédiaires avancés par OHASHI,
2 autres formes de zwitterioniques. Le tableau 20 présente les intermédiaires pos-
tulés, et le tableau 21 résume les isomères auxquels conduisent ces intermédiaires.
II - CHOIX DU MECANISME D'ISOMERISATION :
. Le mécanisme de contraction-expansion du cycle peut expl iquer partiel 1 e- ment les isomérisations observées. Mais si les photoisomérisati~ns avaient lieu suivant ce mécanisme, on devrait obtenir des N-propyl imidazol es ou N-propyl pyra- zole en irradiant les méthylisothiazoles dans la propylamine.
En effet le furanne, ses dérivés méthylés et certains de ses dérivés d i -
méthylés, le thiophène, ses dérivés mono et diméthylés, irradiés dans la propyla-
mine conduisent à des N-propylpyrroles (32).
La formation de ces produits est interprétée comme une preuve du passage par un intermédiaire cétone ou aldéhyde (furannes) thiocétone ou thioaldghyde (thiophènes) ; ces intermédiaires sont plégés par l'amine suivant le schéma réac- tionnel :
Mdc mi sme par Cation Sulphonium Trie yc lique
T A B L E A U 2 0
Le fait qu'aucun imidazole oy pyrazole n'est formé par irradiation des
méthylisothiazoles dans les amines primaires doit être considéré comme la cause
de la non formation d'intermédiaire thiocétonique ou thioaldéhydique. Ceci peut être également une preuve que si de tels composés intermédiaires se forment, ils sont pièges par 1 'amine.
. Le mécanisme faisant intervenir un système bicyclique qui explique les photoisoméri sations observées avec les dérivés phényl és ne convient pas dans le cas des dérivés méthylés. Les isomérisations théoriques que nous devrions observer ne correspondent pas avec celles obtenues expérimentalement.
. Le troisième mécanisme est le plus probable. OHASHI le fait intervenir pour expl iquer 1 es isomérisations de phényl isothiazoles et du diphényl-9-isothia- zole. Les intermédiaires qu'il postule sont II et IV (cf tableau 20).
Dans notre cas, nous pouvons noter que 1 est 1 'intermédiaire expliquant la photoconversion isothiazole-thiazole correspondant. Il intervient dans les 3 cas et donne 1 ieu à 1 'isomérisation principale sauf dans le cas de 1 'irradiation du méthyl 5 isothiazole dans le cyclohexane où l'isomérisation principale est différente et fait intervenir l'intermédiaire III. L'intermédiaire II est invoqué pour expl iquer la formation du méthyl 3 isothiazole lors de 1 ' irradiation du mé- thyl 5 isothiazole dans l'éthanol absolu.
En résumé nous faisons intervenir principalement un zwitterion avec la charge posi'tive sur le saufre et la charge négative en a du soufre, sur le car- bone en position 5 ; l'effet de solvant observé est favorable à un tel intermé- diaire, les zwitterions sont d'autant plus stabilisés que le solvant est plus po- laire.
III - COMPARAISON ENTRE METHMLISOTHIAZOLES ET PHENYLISOTHIAZOLES :
Les t ravaux e f f ec tués su r 1 es phényl i s o t h i a z o l es sont t r è s récen ts (30)
(31) Les premières cons ta ta t i ons f o n t appa ra f t r e un comportement t r è s d i f f é r e n t
e n t r e un méthyl i s o t h i a z o l e e t l e phényl i s o t h i a z o l e s u b s t i t u é sur 1 a même pos i t i o n .
Le t ab leau 22 résume l e s r é s u l t a t s acquis pour 1 ' i n s t a n t .
Remargues ----- --- : a OHASHI ne p a r l e pas du photoréarrangement p o s s i b l e du phényl
4 i s o t h i a z o l e (31) .
D'après DOU ce d é r i v é ne se réar range pas.
. Le phényl 4 t h l a z o l e , p r o d u i t de photoréarrangment du phényl
5 i s o t h i a z o l e n ' e s t s i g n a l é que par DOU e t pas pa r OHASHI.
Les z w i t t e r i o n s pos tu l és par OHASHI p résen ten t l a charge néga t l ve en B
du sou f re . DOU f a i t remarquer que seu ls l e s i n te rméd ia i r es b i c y c l i q u e s p résen tan t
une conjugaison e n t r e l e phényl e t l a double l i a i s o n donnent l i e u à une Isomér i -
sa t i on .
Mise à p a r t 1 ' i s o m é r i s a t i o n en phényl 4 t h i a z o l e à p a r t i r du phényl 5 i s o -
t h i a z o l e l e s 2 mécanismes ne se con t red i sen t pas.
Empjriquement nous pouvons cons ta te r que l a f a c i l i t é de photoréarrangement
des m é t h y l i s o t h i a z o l e s e s t :
méthyl 4 i s o t h i a z o l e 2 méthyl 5 i s o t h l a z o l e > méthyl 3 i s o t h i a -
z o l e a l o r s q u ' e l l e e s t pour l e s phény l l so th i azo les .
phényl 4 i s o t h i a z o l e phényl 5 i s o t h i a z o l e i phényl 3 i s o t h i a -
zo le .
A 1 'heure ac tue l l e , l a d i f f é r e n c e de r é a c t i v i t é e n t r e méthyl i s o t h i a z o l e s
e t phény l i so th i azo les e s t i n e x p l i c a b l e .
I V - PHOTOOXIDATION DE L'AMINE :
L ' o b t e n t i o n d'aldéhyde se f a i t dans des cond i t i ons b l en p réc ises : e l l e
n ' a l i e u que dans des s o l u t i o n s d'amines, e t il e s t nécessai re d ' a ~ o u t e r un peu
d 'eau à ces s o l u t i o n s .
En i r r a d i a n t l e méthyl 3 i s o t h l a z o l e (également l e méthyl 5 i s o t h i a z o l e )
dans des amines p r ima i res séchées, dans un réac teu r étanche e t dans des c o n d i t i o n s
Zn* emPdi ni res
anhydres, i l n'y a pas formation d'aldéhyde.
De même, des irradiations f a i t e s avec l e n-butanol aqueux comme solvant ne
conduisent pas non plus à un aldéhyde.
Le mécanisme suivant e s t proposé comme explication de la formation de l ' a l -
déhyde ; l a figure 23 l e schématise :
L'isothiazole e t 1 'amine forment u n complexe de t ransfer t de charge
qui conduit au radical anion de l 'hétérocycle e t au radical cation de l'amine.
Le radlcal cat ion, en présence d'eau, évolue e t fournit 1 'aldéhyde
correspondant à 1 'amine. Par al do1 ïsat ion, puis crotonl sation ,cet aldéhyde donne
1 'aldéhyde insaturé.
La formation d ' u n complexe de t ransfer t de charge dans lequel l'amine e s t
l e donneur d'électron e s t souvent invoqué.
BARLTROP e t OWERS (33) pensent que l e radical cation de la triéthylamine
e s t un produit primaîre de l a photoaddition de ce t te amine sur l e naphtalène
( f ig . 24)*
Cet intermédiaire e s t également proposé par DAVIDSON (34) lors de l a pho-
toréduction de l'anthracène e t de l'acénaphtylène par la triéthylamine.
BRYCE-SMITH e t ses collaborateurs l'invoquent également pour expliquer
l 'addi t ion 1,4 de la triéthylamine sur l e benzène (35) . I l s montrent par u n e f f e t de solvant, l a formation probable d ' u n complexe de t ransfer t de charge entre
l e benzène e t Ta triéthylamine : 1 ' introductlon de méthanol favorise 1 'addition
1,4 en s tab i l i san t l e dipole formé par l e complexe (f lg .25) .
Les travaux de photoréduetlons de cétones aromatiques par les amines font
toujours intervenir des mécanismes différents des réductions habituelles par les
alcools (abstraction du proton en a de O H ) .
COHEN propose comme mécanisme de ces réactions l a formation d ' u n complexe
de t ransfer t de charge entre l a cétone et l'amine (36). La figure 26 donne l e sché-
ma réactionnel proposé par COHEN,
Des hypothèses identiques sont également formulées par CALDWELL pour des
photoréductions analogues (37 ) .
Aucun des auteurs c l t é s précédemment n'apporte une preuve formel l e s o i t de
l 'exis tence d ' u n complexe de t ransfer t de charge, s o i t de la présence de radicaux
anion e t cation. WAGNER e t KEMPPAINEN admettent l 'exls tence d'une "sorte de complexe
de t ransfer t de charge" avec u n net caractère dipolaire, dans l e cas de la photo-
réduction intramoléculaire de la y diméthylamino butyrophénone ; toutefois i l s
notent certains e f fe t s de solvant contraires à ceux escomptés s i u n complexe de
t ransfer t de charge se forme :
Les réac t i ons passant par un complexe de t r a n s f e r t de charge sont beaucoup
p l us importantes dans 1 'acé ton i tri l e que dans 1 e benzène (38) . Les auteurs no tent
peu de d i f f é rences ent re l e s réac t i ons f a i t e s dans l e benzène e t l ' a c é t o n i t r i l e
e t une n e t t e d iminut ion lol*sque l e so l van t e s t l e méthanol (39).
COHEN donne comme v é r i f i c a t i o n de l ' i n t e r v e n t i o n du r a d i c a l c a t i o n de l ' a -
mine, l a format ion d'aldéhyde en a j o u t a n t de 1 'eau au m i l i e u réac t i onne l . De c e t t e
façon, par photoréduct ion de l a benzophénone par l a t r i é thy lam ine aqueuse, il
o b t i e n t de l 'acé ta ldéhyde e t de l a d iéthy lamine. La f i g u r e 27 rend compte de c e t t e
réac t ion .
Nous avons v é r i f i é l a format ion d 'un aldéhyde dans deux cas où l a forma-
t i o n d 'un complexe de t r a n s f e r t de charge e s t probable :
- l e naphtalène i r r a d i é dans l a propylamine aqueuse (10%) donne l e méthy12 pentène a l .
2
- l e benzo b thiophène, qu i photochimiquement se comporte comme l e
naphtalène, donne également l e méthy12 pentène2 a l (40).
Nous avons également v é r i f i é que l ' i r r a d i a t i o n de propylamine aqueuse ne
condui t pas â l a format ion de méthyl 2-pentène-2 a l . En e f f e t , STENBERG a montré
que l ' i r r a d i a t i o n d'amines a l i pha t i ques condu i t à l a format ion d ' im ines (41) qu i
par hydro lyse pour ra ien t donner des dér ivés carbonylés.
Le f a i t que l o r s de l a r é a c t i o n témoin aucun aldéhyde ne se forme, s e r a i t
d'après, l e s r é s u l t a t s de STENBERG, un argument permettant de penser que 1 'a ldé-
hyde se forme à p a r t i r de 1 'amine, p ré fé ren t i e l l emen t su i van t l e schéma b que
suivant l e schéma a, de l a f i g u r e 23.
Nous pouvons constater une analogie en t re i es réac t i ons d é c r i tes précé-
demment e t c e l l e s des isothiazoles.L1hypothèse de l a format ion i n i t i a l e d'un com-
plexe de t r a n s f e r t de charge donnant l i e u à une réac t i on d 'oxydo-réduct ion peut
ê t r e avancée.
Seule e s t mise en évidence pour l ' i n s t a n t l ' o x y d a t i o n de l 'amine en
aldéhyde, oxydat ion f a i s a n t t r è s probablement i n t e r v e n i r l e r a d i c a l ca t i on de
1 'amine.
Les p rodu i t s de réduct ion de 1 ' i s o t h i a z o l e n ' o n t pas é t é mis en évidence,
1 eur éventuel l e i n s t a b i 1 i t é peut en ê t r e 1 'exp l i c a t i o n .
F I G U R E 2 6
C O N C L U S I O N
-=ooooooo=-
Des résultats expérimentaux obtenus actuellement, apparaissent deux réac- tions :
- UNE REACTION DE PHOTOESOMERLSATION - Le mécanisme de cette réaction est différent de celles subies par le fu-
ranne et le thiophène et également de l'isoxazole.
Le fait de remplacer l'oxygène par le soufre semble modifier profondément le caractère photochimique de l'isothiazole par rapport à l'isoxazole alors qu'il n'en est rien pour le couple thiophène-furanne.
Le mécanisme de photoisomérisation passe probablement par un intermédiaire zwitterionique du type cation sulphonium tricyclique. Les effets de solvants con- firment la possibilité d'un tel intermédiaire, beaucoup plus stabilisé dans un solvant polaire comme la propylamine que dans un solvant peu polaire comme le cy- cl ohexane.
- UNE REACTION DE PHOTOOXIDATION W SOLVANT -
Cette réaction, spécifique à 1 'amine, dépend du méthyl isothiazole consi- déré.
Elle ne semble pas, du point de vue rendement, être en compétition avec la réaction de photoisomérisation.
Cette réaction a pour étape initiale la formation d'un complexe de trans- fert de charge entre 1 ' i sothiazol e et 1 ' ami ne, ce complexe évol uant en radical anion de l'isothiazole et en radical cation de l'amine ; l'action de l'eau sur ce dernier donne un aldéhyde, produit d'oxydation de l'amine.
Ces résultats étant acquis, i l reste à confirmer le mécanisme d' isoméri- sation, toutefois la mise en évidence expérimentale de 1 'intermédiaire zwitterio-
nique semble pour l'instant, difficile. OHASHI confirmera peut-être ce mécanisme
par 1 'étude théor ique q u ' i l annonce dans sa p u b l i c a t i o n (31) .
Quant à l a deuxième réac t i on , nous nous attacherons, d'une p a r t à "p ièger "
l e s p rodu i t s de réduct ion de l ' i s o t h i a z o l e , d ' a u t r e p a r t à met t re en évidence
1 'ex is tence du complexe de t r a n s f e r t de charge postulé.
P A R T I E E X P E R I M E N T A L E
-=0000000=-
1 - SYNTHESE DE L'ISOTHIAZOLE - El le se fait en 3 étapes :
1" - Propynal (26) :
3 3 210 g de Cr03 en solution dans 400 cm d'eau et 135 cm d'acide sulfuri- 3 3 que sont ajoutés goutte à goutte à 120 cm d'alcool propargylique , 135 cm d'aci-
'l
de sulfurique et 440 cm3 d'eau. Le mélange réactionnel est agité et maintenu en- tre 0°C et 10°C.
Le propynal formé est extrait par ébullition sous vide partiel (30 à
40 mm de mercure) et balayage d'azote. Il est piégé à -78°C (acétone-carboglace).
Rdt = 40%
Spectre R.M.N. : singulet acétylénique 6 = 3,5 ppm
singulet aldéhyque 6 = 9,2 ppm
2" - Cis Sodium-2-Thiosul fate-3-Propènal (25) : 505 g de Na2S203 (2 moles) dans 600 cm3 d'eau, sont ajoutés en 1 heure à
3 une solution de 97 g de propynal, 111 g d'acide acétique, 370 cm d'eau et 185 cm 3
d'acétone. La température est maintenue entre -5°C et O°C durant l'addition. Après 3 conservation à 0°C pendant 1/2 heure on ajoute 400 cm d'acétone froid et on fil-
tre.
Rdt - 65% à 70%
3" - C y c l i s a t i o n (25) :
486 g de C i s sodium 2 t h i o s u l f a t e 3 propènal son t a j ou tés par p e t i t e s f r a c -
t i o n s à 11 d'ammoniac l i q u i d e . On a g i t e pendant 3 heures, en maintenant l a tempé-
r a t u r e à -60°C. Après évapora t ion de l 'ammoniac l e s o l i d e b l anc e s t dissous dans 3 l ' e a u e t on e x t r a i t avec 600 cm d ' é t h e r en qua t re f o i s . L ' i s o t h i a z o l e e s t d i s -
t i l l è .
S t r u c t u r e v é r i f i é e par R.M.N. ( c f . t ab leau 13 )
II - IRRADIATIONS -
Les s o l u t i o n s à 1% en poids son t i r r a d i é e s dans des réac teu rs à tube p lon-
geant en qua r t z avec système de barbot tage d 'azo te .
Les lampes son t à vapeur de mercure, basse p ress ion HANAU NN 1544, 15 W.
Le s o l v a n t e s t évaporé sous p ress ion r é d u i t e .
Le brut de r g a c t i r après "f i 1 t r a t i o n " sur s i 1 i c e e s t chromatographié su r
g e l de s i l i c e (Merck 0,05 - 0,2 mm).
Les p r o d u i t s de r é a c t i o n son t s o i t d i s t i l l é s des f r a c t i o n s de chromatogra-
p h i e su r ge l , s o i t p u r i f i é s par chromatographie vapeur (Autoprep. A 700, Colonne
Carbowax 20 M à 10% longueur 3 mètres, l e f o u r é t a n t à 160°C).
Le méthyl 2 t h i a z o l e , obtenu par i r r a d i a t i o n du méthyl 3 i s o t h i a z o l e , e s t
i d e n t i f i é à p a r t i r d ' u n é c h a n t i l l o n au then t ique par c.p.v. su r l e s colonnes s u i -
vantes :
Carbowax 20 M, IO%, 3m 1 su r Autoprep A 700
SE 30, 20%, 3m
C a p i l l a i r e PPG 763, l O O m su r Perkin-Elmer 154
Pour l e s i r r a d i a t i o n s dans d ' a u t r e s so l van t s que l a propylamine, l a carac-
t é r i s a t i o n des pho toprodu i ts e s t f a i t e par c.p.v. su r C a p i l l a i r e Carbowax 20 M
t 1% KOH, lOOm (chromatographe GIRDEL 75 FH).
Les spec t res R.M.N. sont p r i s su r VARIAN A-60- 4 dans CC14, avec l e TMS
comme ré fé rence i n t e r n e .
Pour les irradiations faites dans des conditions anhydres, la propylamine
est séchée sur potasse. L'azote est séché par passage dans 2 tubes à actigel. Les tuyauteries et le montage sont en verre.
Irradiations témoins :
. Une sol ution de propylamine à 10% d'eau est Irradié 24 heures. El le reste incolore.
Après distillation totale de 1 'amine, le test à la 2,4 dinitrophé-
nylhydrazine effectué sur la phase aqueuse, est négatif.
. 3,5 g de naphtalène sont irradiés pendant 24 heures dans 350 cm' 3 de propylamine et 35 cm d'eau. Après distillation de l'amine, la phase aqueuse
donne un test positif à la 24 DNPH.
2,4 DNPH du méthyl 2 pentène 2 al 162 - 163°C.
III - ECHANTILLONS D'ALDEHYDES - Ils sont obtenus par aldolisation puis crotonisation de l'aldéhyde saturé
correspondant à l'amine.
Méthvl 2 ~entène 2 al :
A 140 g de propionaldéhyde vigoureusement agités à O°C, on ajoute 50cm' de sol ution de soude % 10%.
L'alcool formé, extrait à l'éther est crotonisé dans un flacon de Claisen avec 0,l g d ' Iode (catalyseur de déshydratation).
Le méthyl 2 pentène 2 al distille sous forme d'azéotrope.
2,4 DNPH = 162 - 164°C
Ethvl 2 hexène 2 al :
Le mode opératoire est identique. L'aldéhyde de départ est le butyraldé- hyde .
2,4 DNPH = 120 - 121°C
R E F E R E N C E S B I B L I O G R A P H I Q U E S
-=0000000=-
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