Brevet FR2006537A1 — publié le 19691226

la présente invention se rapporte d'une façon génerale à la préparation d'esters bis-hydroxy-alkyliques d'acides benzène-dicarboxyliques et, plus particulièrement, à la préparation de tels esters par la réaction d'un acide benzène-dicarboxylique, tel qu' un acide téréphtalique, avec un oxyde d'alkylène,tel que l'oxyde d'éthylène, en présence d'un catalyseur nouveau. la production d'esters bis-hydroxy-alkyliques d'acides ben zène-dicarboxyliques, par exemple la production d'un téréphtalate de bis(2-hydroxyéthyle), a pris depuis quelques années une grande importance dans l'industrie car on peut polymériser ces diesters pour former des super-polyesters à chaîne droite. Ces polyesters, par exemple le téréphtalate de polyéthylène, sont d'un usage répandu pour la fabrication de textiles, de câblés de pneumatiques et d'autres produite analogues. Probablement le procédé le plus connu et le plus couramment utilisé pour la production de tels esters bis-hydroxy-alkyliques consiste à mettre en suspension un acide benzène-dicarboxylique dans un milieu liquide inerte et ensuite à faire réagir le diacide avec un oxyde d'alkylène en présence d'un catalyseur.Pour exécuter une telle réaction, la littérature spécialisée fait état de divers catalyseurs et de divers milieux de réaction. C'est ainsi, par exemple, que le brevet des Etats-Unis d'Amérique N2 3.037.049, les brevets britanniques Ne 999.242 et 1.029.669, les brevets hollandais N 6.506.220 et 6.601.077, le brevet de la République Fédérale Allemande N 1.157.623, les brevets français N 1.430.842 et 1.415.134, les brevets belges N 660.257 et 666.527 et le brevet japonais Ni 26.341/65 décrivent l'utilisation de milieux de réaction tels que l'eau, des éthers cycliques comme le dioxanne, des cétones, des hydrocarbures, des hydrocarbures halogénés, des nitriles, des alcools, des esters comme l'acétate de butyle et des mélanges de diméthyl-formamide et d'eau.Ces brevets décrivant également des catalyseurs tels que le chlorure -de benzyl-triéthylammonium, la triéthylamine, la triméthylphosphine, la tiréthylarsine, la tributylstibine, ainsi que les chlorures, sulfates ou nitrates de métaux alcalins. I1 est donc évident que l'on conait de nombreux catalyseurs permettant de faire réagir-un acide benzène-dicarboxylique avec un oxyde d'alkylène; néanmoins, et en raison de 1' importance industrielle des polyesters, on continue toujours à rechercher des catalyseurs nouveaux. En conséquence, les principaux buts de l'invention sont - de fournir un procédé de fabrication d'esters bis-hydroxyalkyliques d'acides benzène-dicarboxyliques; - de réaliser un catalyseur nouveau pour un procédé consistant à faire réagir un acide benzène-dicarboxylique avec un oxyde d'alkylène de manière à produire un ester bis-hydroxyalkylique d'un acide benzène-dicarboxylique et surtout un téréphtalate de bis(2-hydroxy-éthyle); - et de réaliser d'autres objectifs qui ressortiront de le description ci-après. Suivant un de ses aspects ltinvention a pour objet un procédé de préparation d'esters bis-hydroxyslkyliques d'acides ben- zène-dicarboxyliques, qui consiste à faire réagir un acide benzène-dicarboxylique en suspension dans un milieu de réaction li quide inerte avec un oxyde d'alkylène en présence d'un catalyse qui est une résine organique, insoluble, échangeuse d'anions, eon-- tenant des groupes d'ammonium quaternaire et sous forme d'un hy- droxyde ou d'un semi-sel de l'acide benze'ne-dicarboxylique. Les catalyseurs que l'on utilise dans l'invention sont de résines organiques solides, échangeuses d'anions et contenant des groupes d'ammonium quaternaire sous forme dshydrolyde ou soue forme d'un benzène-dicarboxylate. Les résines de ce type, qu'on trouve normalement sous forme de perles ou de granules, sont com- posées d'un réseau ou matrice polymère organique tridimensionnel insoluble portant des groupes d'ammonium quaternaire fixés à cette matrice, comme par exemple - N-(CH3)3 OH ou la capacité totale d'une résine échangeuse d'anions est le nombre de groupes ioniques ou fonctionnels (tels que les groupes précités d'ammonium quaternaire) par unité de poids ou unité d volume de la résine et on exprime habituellement cette capacité en milliéqui.valents ou eu équivalents par unités de volume ou de poids de la résine.C'est ainsi qu'une résine échangeuse d'anione portant des groupes d'ammonium quaternaire et ayant une capacité de 3,0 meq/g aura le même nombre de groupes d'ammonium quaternai- re par gramme de résine. la matrice à laquelle sont fixés les groupes fonctionnels peut être de types très différents a8is le plus souvent il s'agit d'un polymère de styrène réticulé avec du divinyl-benzène. Parmi les autres résines que l'on peut utiliser pour la matrice de la résine échangeuse d'ions, on mentionnera les résines phénol-formaldéhyde, les copolymères styrène/divinyl- benzène chlorométhylés, etc..Les résines échangeuses d'anions contenant de l'ammonium quaternaire utilisables dans l'invention peuvent être des résines classiques du type gélifiable qui présentent une porosité relativement faible ou bien des résines macroréticulaires échangeuses d'anions dont la porosité est relativement élevée, ces résines macroréticulaires étant préférées car elles assurent le contact le plus efficace des réactifs avec le catalyseur. Comme le savent bien les spécialistes, les résines échangeuses d'anions contenant de l'ammonium quaternaire sont facilement disponibles dans le commerce et font l'objet d'une utilisation étendue pour l'enlèvement de divers ions des solu- tiens ainsi que pour d'autres applications.Parmi les résines disponibles dans le eommerce et qui conviennent aux fins de l'in invention, on mentionnera les produits vendus par Rohm and Haas Company sous les marques déposées "Amberlite Ira-904", "Amberlite IRA-910", "Amberlite IRA-42" ainsi que les produits vendus par Dow Chemical Company sous les marques déposées t'Dowex 1" et "Dow.x 2". Tes fabricants livrent habituellement des résines échangeuses d'anions cor tenant de l'ammonium quaternaire sous forne de leurs chlorures et, dans de tels cas, il devient nécessaire de convertir la résine en sa forme hydroxyde, par exemple en la mettant en contact avec de l'hydroxyde de sodium, ou de la convertir en sa forme semi-sel d'an acide benzene-dicarboxylique en mettant la résine en contact avec une solution aqueuse d'un semi-sel de métal alcnlin de l'acide benzène-dicarboxylique, par exemple de téréphtalate monosodique. On peut préparer ces semi zels de métaux alcalins en ajoutant 1 mole du diacide à une solu- tion aqueuse contenant 1 mole d'hydroxyde d'un métal alcalin. tes résines préférées selon l'invention sont celles qui contiennent les groupes d'ammonium quaternaire ci-après fixés à la matrice :: -N-(R3)+A - ou formules dans lesquelles R représente un groupe alkyle de 1 à 4 atomes de carbone et en particulier un- groupe méthyle-ou éthyle, ' représente un radical alkylène de 1 à 4 atomes de carbone et en particulier le radical éthylène ou méthylène et A représente un ion hydroxyle ou un ion benzène dicarboxylate, c'est-à-dire OH ou On entend par "radical alkylène", les radicaux de formule -CnH2n, par exemple -CH2- ou -CH2CH2-. Quand on utilise ces résines échangeuses d'anions à titre de catalyseurs, il est ral recommandé de les incorporer en des quantités suffisantes pour introduire environ 0,001 à 0,3, et de préférence, 0,005 à 0,15 équivalent par mole d'acide benzène-dicarboxylique utilisé. On peut mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de plusieurs façons et on peut aussi bien opérer en continu quren discontinu. Les acides benzène-dicarboxyliques qu'on utilise pour le présent procédé sont en général des produits hautemant insolu- 31es et par conséquent, pour mettre en oeuvre le procédé, on met en suspension l'acide benzène-dicarboxylique, de préférence sons une forme finement divisée, par agitation dans une quantite du milieu de réaction qui représente de 1O à 15,0 environ et a préférence de 2,5 à 10,0 fois le poids de l'acide et en -Ite-on fait réagir cette suspension avec l'xyde d'alkylène en prisende du nouveau catalyseur selon l'invention.A la différence Qt dia- cide servant de matière première, le diester bis-hydroxyalkyli- que obtenu est hautement soluble dans le milieu de réaction dans les conditions de la réaction et par consequent il sera entièrement soluble dans ce milieu à la condition d'utiliser des quantités suffisantes du milieu choisi. Les températures à utilise pour ce procédé peuvent varier entre environ 80 et 200:C male sont comprises de préférence entre environ 1152 et 160 C. La pression peut être comprise entre une pression supérieure et ene pression inférieure à l'atmosphérique, la seule exigence étant que cette pression soit-suffisante pour maintenir en phase liquide le milieu liquide de réaction.Habituellement, la pression sera cependant comprise entre environ 1 et 30 atmosphères La du- rée de séjour des réactifs dans la zone de réaction est en géné- ral comprise entre environ 2 et 180 minutes. Les oxydes d'alkylène doivent etre en général présents en une proportion d'environ 1,7 à 5 moles par mole d'acide dicarbo- xylique et de préférence à raison d'environ 2 à 4 moise par mole d'acide. L'oxyde d'alkylène que lion utilise préférence dans le présent procédé est l'oxyde d'éthylène alors que l'acide dicarboxylique préféré est un acide téréphtalique, sans que l'invention soit cependant limitée à ces ingrédients particuliers.Parmi les oxydes d'alkylène appropriés on mentionnera les époxydes vi- cinaux contenant de 2 à 6 atomes de carbone tels que l'oxyde de 1,2-propylène et l'oxyde de 1,2-butylène, alors que d'autres acides benzène-dixarboxyliques utilisables sont notamment l'acide o-phtalique et l'acide isophtalique. L'invention envisage également l'utilisation de mélanges d'oxydes d'alkylène et/ou d mélanges d'acides dicarboxyliques. Le procédéu'on utilise pour séparer les esters bis-hydroxyalkyliques du milieu de réaction ne fait pas partie de l'invention et les spécialistes n'auront aucune difficulté à choisir la technique qui convient le mieux dans chaque cas. Par exemple, une fois que la rdacti-orFd'estérificatien exect-tée par un procédé dis- continu est terminée, le réacteur contiendra vraisemblablement de l'oxyde d'alkylène qui n'a pas réagi, de l'acide dicarboxylique solide n'ayant pas réagi, du milieu de réaction liquide utilisé, du diester soluble (formant le produit) et de la résine échangeuse d'anions insoluble (catalyseur).On peut traiter le contenu du réacteur en commençant par évaporer l'oxyde d'alkylène, après quoi on ehève le diacide solide ainsi que le catalyseur solide par filtration et finalement on refroidit la solution de diester restante de manière à cristalliser le diester. Bien entendu on pourrait ensuite séparer le diester cristallise par filtration avec ou sans lavage ou par une technique analogue. Dans le cadre d'un procédé continu, on peut soutirer l'effluent bu reîcteur~à a travers un filtre de manière à retenir dans le réacteur le diacide solide et la résine solide échangeuse d'anions et, dans ces conditions, l'effluent sera principalement composé d'une solution du diester désiré dans le milieu de réaction liquide et contiendra également une certaine quantité d'oxyde d'alkylène.Dans ce cas, on pourrait soumettre l'effluent à une évaporation éclair pour éliminer l'oxyde d'alkylène et ensuite refroidir l'effluent pour cristalliser le produit. Quand. on cristallise un ester bishydroxy-alkyline d'un acide benzène-dicarboxylique de sa solution dans le milieu liquide, il est facile de déterminer la teipératu- re à laquelle on doit refroidir la solution pour effectuer la cristallisation, température qui varie selon le diester particulier et ive milieu liquide particulier.Par exemple, quand on cristallise du téréphtalate de bis(2-hydroxyéthyle) dans du xy- lène, on préfère refroidir la solution au-dessous de 401C et, mieux encore, au-dessous de 25QC pour assurer la récupération optimale du. diester. Après récupération du diester, on peut le traiter de diverses façons pour le débarrasser des impuretée ré siduelles. C'est ainsi que l'on peut le recristalliser dans une solution aqueuse pour le débarrasser des impuretés du type azoté. Les milieux de réaction inertes que l'on utilise dans l'invention sont bien connus mais il. convient de spécifier d'une fa çon-gdnérale que ce milieu de réaction doit être d'un type qui ne réagit pas avec les réactifs ou qui ne subit aucune decomposition dans les conditions opératoires mises en oeuvre. De préférence, le milieu de réactioncomprend un composé organique, c'est-à-dire un composé organique ou un mélange d'un composé organique avec de l'eau. On a déjà dit que la littérature spécialisée a fait mention de milieux de réaction tels que des éthers cycliques, des cétones, des hydrocarbures, l'eau, des hydrocarbures halogénés, des esters alkyliques d'acides alcanoiques, etc... Les milieux de réaction liquides préférés à utiliser dans l'invention sont les hydrocarbures et les hydrocarbures halogé- nés. Parmi les hydrocarbures, on préfère les alkyl-benzènes sn- tenez de 6 à 10 atomes de carbone tels que le xylène., l'éthyl- benzène, le toluène et le cumène. Parmi les hydrocarbures chlorés, on mentionnera les chloro-aleanes et les produits aromatiques chloré exempts d'insaturations éthylénique et acétylénique, comme par exemple le 1,1,2-trichloréthane, le chlorobenzène, le p -chlorotoluène, le dichlorobenzène et le 1,1,1-trichloréthane. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. Exemple 1 On prépare un catalyseur à partie de "Amberlyst A-26" sous forme de chlorure en le convertissant en la forme hydroxyde. Le produit "Amberlyst A-26" est une marque déposée de Rohm and Haaa et est une résine macroréticulaire échangeuse d'anions contenant de l'ammonium quaternaire, dans laquelle les groupes fonctionnels -N(CH3)3 (sous forme de chlorure) sont incorporés dans une matrice de styrène/divinylbenzène.On convertit la résine en sa forme hydroxyde et pour cela on la place dans une colonne, on la traite avec 10 volumes de lit d'hydroxyde de sodium à 5 %, on la lave avec 5 volumes de lit d'eau distillée, on mélange la résine avec du cyclohexane et on chauffe finalement le mélange dans un évaporateur muni d'un piège Dean-Stark jusqu'au moment où l'eau se sé- pare sous forme d'azéotrope, La capacité de la résine sous sa forme d'hydroxyde est de 0,45 meq/ml. Exemple 2 Dans un autoclave agité d'une contenance de 3 litres, on in troduit 600 g (3,6 moles) d'acide téréphtalique fibrogène, 1600 ml d'acétate de butyle et une quantité de résine catalytique préparée selon l'exemple 1 qui est suffisante pour introduire environ 0,11 équivalent, après quoi on purge l'autoclave avec de 1' azote. On introduit par pompage 473 g (10,75 moles) d'oxyde d' éthylène liquide et on chauffe le réacteur à 130 C en faisant passer pour cela de la vapeur d'eau dans des serpentins internes.On maintient la température à 130 C pendant environ 60 minutes, la pression manométrique étant d'environ 10,5 kgX . Ce laps de temps de 50 minutes écoulé, on arrente la réaction en refoulant ous pression le contenu de l'autoclave dans un récipient dans le- quel on évapore par détente éclair l'oxyde d'éthylène et dont on soutire par filtration l'acide téréphtalique et le catalyseur 80- lide qui n'ont pas réagi. On refroidit le filtrat à environ 259C et on obtient ainsi 90 g (poids sec) de téréphtalate de bis(2hydroxyéthyle). La conversion de l'acide téréphtalique introduit en diester est d'environ 10 moles %. Bien que la température de réaction de 130 C soit supérieure à la température maximum recommandée par le fabricant de la résine 1,Amberlyst -26", on ntob serve qu'unie faible décomposition de la résine échangeuse d'anions Cependant une légère décomposition se produit comme on peut le constater par la présence.de faibles quantités d'impuretés azotées dans le produit. Exemple 3 On procède comme dans l'exemple 2 en utilisant le catalyseur qui a été séparé par filtration dans l'exemple 2; cependant, on utilise 1600 ml de xylène à la place de l'acétate de butyle. On récupère environ 110 g de téréphtalate de bis(2-hydroxyéthyle). Revendications 1 - Procédé de préparation d'esters bis-hydroxy-alkyliques, d'acides benzène-dicarboxyliques, caractérisé en ce qu'on fait réagir un acide benzène-dicarboxylique en suspension dans un milieu de réaction liquide inerte avec un oxyde d'alkylène en présence d'un catalyseur qui est une résine organique insoluble échangeuse d 'anions contenant des groupes d'ammonium quaternaire, sous la forme d'un hydroxyde ou d'un semi-sel de l'acide benzènedicarboxylique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fait réagir un acide téréphtalique avec de l'oxyde d'éthylène pour obtenir ainsi du téréphtalate de bis(2-hydroxy-éthyle). 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de réaction liquide inerte est un hydrocarbure ou un hydrocarbure halogéné. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les groupes d'ammonium quaternaires fixés à la matrice de résine répondent à la formule -N-(R3)3+ + A ou dans laquelle R représente un radical méthyle ou éthyle, R' représente un radical méthylène ou éthylène, A représente un ion hydroxyle ou un ion benzène dicarboxylate, ledit catalyseur étant présent en une quantité suffisante pour introduire environ 0,001 à 0,3 équivalent par mole d'acide benzène-dicarboxylique. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température est comprise entre environ 115 et 160 C, la pression est eomprise entre environ 1 et 30 atnosphères, et l'oxyde dealkylène est présent en une quantité d'environ 2 à 4 moles par mole d'acide benzène-dicarboxylique. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu de réaction liquide inerte comprend un alkyl-benzène ou un hydroearbure halogéné, cet hydrocarbure halogéné étant exempt dtinsaturation éthylénique et acétylenique. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le catalyseur est présent en une quantité suffisante pour introduire environ 0,05.à 0,15 équivalent par mole d'acide benzènedicarboxylique. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu' on fait réagir de l'oxyde d'éthylène avec de l'acide téréphtalique pour obtenir ainsi du téréphtalate de bis(2-hydroxyéthyle). 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la matrice de la résine échangeuse d'anions contenant des groupes d'ammonium quaternaire est un copolymère styrène/divinylbenzène. 10 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la résine échangeuse d'anions contenant des groupes dea onium quaternaire est sous forme d'un hydroxyde. il - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la résine échangeuse d'anions contenant des groupes d'ammonium quaternaire est sous forme d'un semi-sel d'acide téréphtalique.