Brevet FR2029540A1 — publié le 19701023

ta présente invention concerne un procédé pour la production de l'epsilon-caprolactame. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un procédé de production d'epsilon-caprolactame en faisant réagir l'epsilon-aminocapronitrile et liteau en présence d'un catalyseur particulier, en une seule étape. Le brevet japonais no 203322 au nom de Mitsui Chemical Industries mentionne que l'epsilon-caprolactame est obtenu à partir de l'epsilon-aminocapronitrile en faisant passer l'epsilon- aminocapronitrile en phase gazeuse en même temps que de la vapeur, sur un catalyseur de déshydratation tel que le gel de silice phosphaté au bore ou le gel de silice tungstaté au phosphore, en extrayant ltepsilon-caprolactame par le chloroforme de la solution de réaction ohtenue par refroidissement du mélange réactionnel gazeux, et en recyclant la solution résiduelle dans le réacteur. Cependant, ce procédé exgige des étapes réactionnelles répétées et des étapes d'extraction répétées, le rendement en epsilon-caprolactame pour une réaction en une seule opération étant de 40%. On a aussi reporté, dans le brevet américain n 2 301 964, une solution aqueuse diluée d'epsilon-aminocaprolactame est chaufféeà une température comprise entre 200 C et 37500, tandis que la phase liquide est maintenue sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cependant, lorsque la réaction est conduite en l'absence d'un catalyseur, le rendement en epsiloncaprolactame est au plus de l'ordre d'environ 20% à 40% et il est impossible de récupérer la substance de départ qui n'a pas réagi. Un objet de la présente invention consiste donc en un procédé amélioré pour la production d'epsilon-caprolactame à partir de l'epsilon-aminocapronitrileet en le produit ainsi obtenu. D'autres objets ou buts de la présente invention apparaîtront à la lecture de la présente description et des revendications annexées. En accord avec les objets ou buts précités, et pour parvenir à ceux-ci, un mode de réalisation de la présente invention réside en la production dsilon-caprolactame en mettant en contact l'epsilon-aminocapronitrile et l'eau avec, comme catalyseur, au moins une substance choisie dans le groupe formé par le zinc métallique, le cuivre métallique, les oxydes, hydroxydes, sels d'acides inorganiques, sels d'acides organiques, halogénures, et cyanures des métaux ayant un nombre atomique de 21 à 30 ou de 39 à 48, et du rubidium, du plomb et du mercure. Comme sels inorganiques appropriés on peut citer les nitrates, les sulfates, les thiocyanates et les carbonates. Comme sels organiques appropriés, on peut citer les formates, les oxalates et les acétates. Parmi ces catalyseurs, le système mettant en oeuvre le cuivre est excellent en raison de l'activité élevée du catalyseur. les systèmes à bas de cadmiun, de rubidium et de zinc viennent en second lieu en ce qui concerne l'activité du catalyseur. Ce catalyseur peut être dissous dans les réactant ou mis en supension dans ceux-ci. La quantité préférée de catalyseur est comprise entre 0,001 et 0,05 mole par mole d'epsilon-aminocapronitrile. La quantité d'eau peut être théoriquement équimoléculaire par rapport à l'epsilon-aminocapronitrile, mais comme pour la réaction générale, il est avantageux d'utiliser un excès de l'un des réactaxte, en l'occurrence l'eau dans le cas de la présente invention, en raison de son faible coût, afin d'augmenter le rendement. En conséquence, on utilise l'eau en quantité supérieure à la quantité stoechiométrique. L'eau a également un rôle en ce qui concerne la dissolution des catalyseurs dans le cadre du présent procédé. Des quantités plus élevées d'eau augmentent avantageusement la vitesse de réaction.Cependant, une trop grande quantité d'eau a pour effet d'accroitre inutilement les dimensions de l'appareil et de faire baisser, de façon gênante, la vitesse de réaction en raison de l'abaissement de la concentration du catalyseur; de plus la formation des polymères du lactame est accélérée. La quantité préférée d'eau est de 1,3 à 50 moles par mole d'epsilon-aminocapronitrile. Plus particulièrement, la quantité d'eau que l'on préfère est comprise entre 1,3 et 70 moles par mole d'epsilon-aminocapronitrile. L'utilisation de solvants organique-s s'est révélée efficace pour la suppression de la formation de produits polymérisés du lactame et, en conséquence, les rendements en epsilon-caprolactame sont nettements améliorés, de même que l'étape de purification. Comme solvant organiques appropriés, on peut citer les alcools tels que le méthanol, l'éthanol, le propanol, le butanol, l'éthylèneglycol, l'éthylèneglycol monométhyl éther, ainsi que la méthyléthylcétone, la pyridine et le méthylal. On préfère cependant utiliser les alcools. L'effet de ces solvants organiques est spécialement grand lorsque le rapport molaire de l'eau à l'epsilon-aminocapronitrile est 1,3 - 5 : 1. La température de réaction est de préférence comprise entre 500C et 33000. Lorsque la température de réaction est inférieure à 500C, la vitesse de réaction est considérablement plus faible. D'autre part, une température de réaction supérieure à 3300C cause non seulement la polycondensation ou la décomposition (par exemple la décarboxylation) de l'epsilon-caprolatame produit, mais aussi elle provoque la formation de polymères qui ne peuvent plus être dépolymérisés. La durée de réaction dépend de la température de réaction, des quantités d'eau, de la nature du catalyseur et de la quantité de celui-ci. La durée de réaction est ordinairement comprise entre 10 minutes et plusieurs heures. l'epslon-aminocapronitrile utilisé comme substance de départ peut être facilement obtenu par demi-réduction du nitrile adipique ou par amination d'un epsilon-halocapronitrile. Conformément au procédé de l'invention, l'ammoniac peut être complètement récupéré dans la réaction de cyclisation. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description des exemples ci-après, donnés à titre non limitatif. Exemple 1 On introduit dans un autoclave de 100cc, 11,2g d'epsilonaminocapronitrile, 30g d'eau et 0,39g d'acétate de zinc, en tant que catalyseur, et l'on conduit la réaction à 2200C pendant 50 minutes, sous agitation. On observe la formation d'ammoniac au cours de la réaction. Après refroidissement, on sort le contenu de l'autoclave et on le condense sous pression réduite pour éliminer l'eau par distillation. Ensuite, on distille .le résidu sous pression réduite de façon à obtenir 7,4g d'epsilon-caprolactame ayant un point d'ébullition de 1120C à 1150C (sous 4mm de Hg) ce qui correspond à un rendement molaire de 66%. Exemple 2 On charge, dans un autoclave de 100cc, 25,0 g d'epsilonaminocapronitrile, 10,5g d'eau, 30g d'éthanol et 0,22g de cyanure cuivreux, en tant que catalyseur, et l'on conduit la réaction de la même manière que dans l'exemple 1, ce qui donne 19,9g d'epsilon-caprolactame, avec un rendement molaire de 80fui. Exemple 3 On charge dans une microbombe de 50cc, 5,6g d'epsiloncaprolactame, 15,0g d'eau et une quantité prédéterminée du catalyseur donné dans le tableau I ci-après; on effectue la réaction en choissant diverses durées de réaction et diverses températures de réaction. On détermine les rendements en epsiloncaprolactame au moyen d'un chromatographe à phase gazeuse en utilisant du nitrile glutarique en tant que substance standard interne. les résultats sont donnés dans le tableau I. Exemple 4 On charge dans une microbombe de 50cc, 5,6g dlepsilon-amino- capronitrile, 2,5g d'eau, 10,5g de n-propanol, ainsi que le catalyseur donné dans le tableau II; on effectue la réaction de la même manière que dans l'exemple 3. les résultats sont donnés par le tableau II. Exemple 5 On charge dans une microbombe de 50cc, 5,6g d'epsilonaminocapronitrile, 2,5g d'eau, 10,-5g d'éthanol ainsi que le catalyseur donné dans le tableau III; on effectue la réaction à 1800C pendant 120 minutes. tes résultats sont donnés dans le tableau III. TABLEAU I Rendement en Quantité Température Durée de epsilon Opération de catalyseur de réaction réaction caprolactame n Catalyseur (mg) ( c) (mn) (moles %) 1 - - 180 120 22 2 - - 275 45 36 3 ZnCl2 80 180 120 59 4 CuSO4 80 180 120 65 5 CuCO3,Cu(OH)2 80 180 120 70 6 AgNO3 50 220 120 50 7 V2O5 50 275 20 52 8 Cd(OCOCH3)2 150 275 25 66 TABLEAU II Rendement en Quantité Température Durée de epsilon Opération de catalyseur de réaction réaction caprolactame n Cetalyseur (mg) ( C) (mn) (moles %) 1 - - 180 240 30 2 - - 310 20 37 3 CuCO3,Cu(OH)2 80 120 240 72 4 Cu 25 180 120 70 5 CuBr 50 180 120 83 6 CuNO3 50 180 120 55 7 Zn 25 220 90 58 8 CdCl2 50 275 20 63 9 CuO 25 310 20 71 TABLEAU III Rendement en Quantité de epsilon Opération catalyseur caprolactame n Catalyseur (mg) (m 1 RbC1 80 66 2 PbNOD 150 50 3 HgO 100 59 4 Cu(OCOCH3)2 100 81 5 CuSCN 50 67 6 ZnCO3 50 72 7 PdCl2 100 53 8 MoO3 35 52 9 ZrCl4 80 49 10 PdNO3 80 58 1 1 CrCl2 50 50 12 Mn(OCOCH3)2 60 52 13 Fe(OCOCH3)2 60 45 14 CoCl2 80 51 15 NiCl2 60 46 16 TiCl3 40 50 17 RhC13 80 56 Exemple de comparaison Dans un réacteur en acier inoxydable ayant un diamètre -interne de 5mm et une longueur de 7m, lequel réacteur est maintenu à 2800C, on introduit 200g d'une solution aqueuse à 15% d'epsilonaminocaprolactame, au moyen d'une pompe, et on règle la durée de contact à 25 minutes.La solution réactionnelle résultante est soumise à la condensation et elle est ensuite distillée sous pression réduite de façon à donner 9,1g d'un distillat constitué par de l'epsilon-caprolactame ayant un point de fusion de 640C à 660C. le résidu était de 20g, tandis que le rendement en epsilon-caprolactame était de 30%. Il résulte clairement de ltexamen des opérations n 1 et n des tableaux I et II et de l'exemple de comparaison, que, dans le cas ou la réaction est conduite en l'absence de catalyseurs, le rendement en epsilon-caprolactame est compris entre environ 20% et 40%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits qui sont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la production de l r epsilon-caprolactame caractérisé en ce qu'il consiste à faire réagir l'epsilonaminocapronitrile et l'eau, à chaud, en présence d'un catalyseur constitué par au moins une substance. choisie dans le groupe formé par le zinc métallique, le cuivre métallique, les oxydes, hydroxydes, halogénures, cyanures, sels d'acides organiques et sels d'acides inorganiques de rubidium, de plomb,de mercure et des métaux ayant un nombre atomique compris entre 21 et 30 ou entre 39 et 48. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sel organique est choisi dans le groupe formé par les formates, les oxalates et les acétates, tandis que ledit sel inorganique est choisi dans le groupe formé parmi les nitrates, les sulfates, les thiocyanates et les carbonates. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction est effectuée à une température de 500C à 3300C. 4 - Procédé selon la revendications 1, caractérisé en ce que la quantité d'eau est comprise entre 1 ,3 et 50 moles par mole d'epsilon-aminocapronitrile. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'eau est comprise entre 1,3 et 30 moles par mole d' epsilon-aminocapronitrile. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction est effectuée en présence d'un solvant organique. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité d'eau est comprise entre 1,3 et 5 moles par mole d'epsilon-aminocapronitrile. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de catalyseur est comprise entre 0,001 et 0,05 mole par mole d' epsilon-aminocapronitrile. 9 - Produits obtenus par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8.