Brevet FR2064778A1 — publié le 19710723

La présente invention a pour objet un procédé de préparation méthylisobutylcétone en un seul stade avec une sélectivité extrêmement élevée par condensation d'acétone en phase liquide en présence 'un catalyseur particulier. On connaît un procédé de production de méthylisobutylcétone selon lequel on transforme l'acétone en diacétone-alcool en présence d'un catalyseur basique de condensation comme l'hydroxyde de baryum, puis on déshydrate au moyen de l'action d'acides et on chauffe pour former de l'oxyde de mésityle et ensuite on hydrogène l'oxyde de mésityle résultant en méthylisobutylcétone. Au lieu de ce procédé multistades , on a proposé récemment des procédés pour produire la méthylisobutylcétone en un seul stade à partir d'acétone dans la phase liquide; par exemple dans le brevet britanique N 994 657, on fait réagir l'acétone en phase liquide avec de l'hydrogène à une température élevée en présence d'un mélange d'un échangeur de cations acide et d'une substance efficace comme catalyseur pour hydrogéner sélectivement les doubles liaisons oléfini- que, Dans ce cas, comme échangeur de cations acide, on utilise une résine échangeuse de cations acide sulfonique d type gel, dite DOWEX 50W-X8 (résine polystyrène-divinylbenzène silfonée produite par la Dow Chemical Company, E.U.A.) et, comme catalyseur d'hydrogénation, on utilise du palladium déposé sur un carbone ou le ni cel de Raney. Dans les brevets allemand N 1 260 454 et belge N 701 003, on a décrit un procédé selon lequel on utilise comme catalyseur une matière obtenue en imprégnant une résine échangeuse de cations acide d'une solution d'un sel de métal noble,après quoi on réduit à l'aids d'hydrogène pour déposer le métal noble sur la résine dans son état métallique. Comme précédement, on utilise selon cette méthode une résine échangeuse de cations du type gel.Dans les deux procédés en un seul stade précités , la sélectivité en ce qui concerne la méthylisobutylcétone à partir de l'actétone est généralement de l'ordre de 85 à 90 %. Or on a trouvé que si l'on met en contact l'acétone liquide et l'hydrogène á une température élevée avec le catalyseur spécifié ci-après, on obtient la méthylisobutylcétone, d'une manière surprenante, avec une sélectivité allant d'environ 95% à presque la valeur théorique. Le catalyseur consiste en une résine échangeuse de cations acide sulfonique de structure macro-récticulaire sur laquelle de fines particules de palladium métallique sont initimement déposées. On prépare ce catalyseur en imprégnant la résine d'une so lution d'un sel de palladium de façon á remplacer une partie des ions hydrogène des groupements acide sulfonique de la résine par des ions palladium, aprobe quoi on réduit les ions de palladium ainsi introduits par l'hydrazine, l'hydrate d'hydrazine ou un sel d'hydrazine pour former in situ les fines particules de palladium métallique. La caractéristique majeure du catalyseur précité, utilisé dans la présente invention, réside dans le fait que la résine échangeuse de cations acide sulfonique présente une structure macro-réticulaire et que l'agent réducteur utilisé pour le dépôt du palladium métallique sur la résine est l'hydrazine, l'hydrazine hydratée ou un sel d'hydrazine. On obtient ainsi des résultats supérieurs à tous ceux que donnent les catalyseurs connus jusqu'à présent.La préparation de ce catalyseur, ses caractéristiques ainsi que les résultats obtenus lors de son utilisation seront décrits plus complètement dans ce qui suit. Les résines échangeuses de cations acides sulfoniques de structure macri-réticulaire sont bien connues. Ces résines sont habituellement préparées de la manière suivante : on soumet une solution mixte composée de styrène, de divinylbenzéne et d'une substance insoluble dans l'eau et non polymérisable, par exemple l'alcool amylique, à une polymérisation en suspension aqueuse pour former un polymère et on extrait par un solvant la substance insoluble dans l'eau ainsi obtenue de façon à obtenir un copolymère poreux styrène-divinylbenzéne, que l'on sulfone pour donner la résine échangeuse de cations acide sulfonique désirée. Cette méthode de préparation est décrite, par exemple, dans le brevet E.U.A. N 3 037 012. Les résines de structure macro-réticulaire se distinguent nettement des résines ordinaires du type gel dans leur structure. Par exemple, le volume total de pores de ces dernières est de 0,003 à 0,004 cm /résine tandis que celui des résines de structure macro-réticulaire est d'au moins 0,1 cm /résine. Les résines échangeuses de cations acides sulfoniques de structure macro-réticulaire disponibles dans le commerce comprennent des matières comme,par exemple,celles dites Amberlite 200, Amberlyst 15, XN-1004 et XN-1004N (produites par Rohm et Haas, E.U.A.) et Diaion PK 204, 208, 216, 224 et 228 (produites par la Mitsubishi Chemical Company,Japon). Le dépôt intime des fines particules de palladium métallique sur la résine échangeuse de cations acide sulfonique de structure macro-réticulaire selon la présente invention décrite ci-dessus @@e @r @ @ @ @ @ement @ @ @@ @ @ @ @ n @ @@ @ @ @@ @ @@ pe@@@ @ @@@ @@@e, @@ @@@@ @@@ @@ @s@@e. L@ se@ @e @ um @ @@@ ert @ @@ @ @ @@ins @@ l@@i@@@. @@@@ @@ es @ @@@@ @@@. Comme @@em@@ particul@@, @@ e@ @ @ rure, le @@@@ @@ir, le nitrat et le sulfate e pollas @@, le tétra@ni@r@@ail@@ te de @@- dium et le chlorure de tétrammine-palladium. Comme solvent pour dissoudre le sel de palladium, on utilsie l'eau de préférence mais on peut également utiliser des solvants organiques suscectibles de dissocier le sel de palladium, comme par exemple l'éthanol et l'acétone ou des mélanges de ces derniers avec l'eau. Il résulte de cette imprégnation que les ions hydrogène des groupements acide sulfonique de la résine sont remplacés par des ions palladium. Toutefois, on doit veiller á ce moment qu tous les ions hydrogène ne soient pas remplacés par les ions de palladium, car si les ions hydrogène sont tous remplcés par les ions palladium, il se produit, lors de l'emploi q'une telle résine, dans la réaction de formation de la méthylisobutylcétone désirée, une réaction secondaire dans laquelle il se forme de l'isopropanol par hydrogénation directe de l'acétone résultant de la présence d'un excés de palladium .En conséquence,on doit mettre en oeuvre une quantité de sel de palladium suffisante pour remplacer partiellement les ions hydrogène et on a déterminé qu'une quantité, calculée en palladium, de 0.01 à 2% , et de préférence de 0.1 à 1.5 % , par rapport au poids de la résine, est appropriée. la température à laquelle le traitement d'imprégnation est effectué ne comporte pas de restrictions particulières. On peut opérer à la température ordinaire á laquelle l'échange d'ions désiré se termine après un laps de temps de quelques dizaines de mi nutes à plusieurs @@@re pour donner des résultats satisfaisants. En outre, on peut mettre en oeuvre l'échange, le @@@ échéant, une température comprise entre 0 et 50 C. et même @ des températu- res en dehors de cet intervalle, en évitant toutefois des températures tres élevées. Les ions de palladium introduits par éc@@@e sont ensuite @@ités par l'hydrazine, l'hydrazinehydratée ou un sel @'@@trazine pour être réduits in site e palladium métallique et être @@@és intimement sur la résine. Comme cele d'hydrazine, on peut mentionner par exemples le sulfr@, le chlorhydrate, le nitrate et le benzènesulfonate d'hydrazine.La quantité appropriée d'hydrazine, d'hydrazine @y@aratée ou de sel d'hydrazine à ajouter est celle théoriquement nécessaire pour la réduction des ions de palladium introduits par échange ou une quantité un peu plus grande. Si l'excès est trop important, le caractère acide de la résine diminue, avec la conséquence que l'activité catalytique de la résine a tendance à diminuer. La solution d'hydrazine, d'hydrazine hydratée ou de sels d'hydrazine doit de préférence être ajoutée aussi rapidement que possible. Les températures de mise en oeuvre sont les mêmes que celles indiquées ci-dessus à propos de l'opération d'imprégnation. Après achèvement du traitement, on lave à l'eau la résine ayant le palladium déposé sur elle à l'état métallique et on la sèche pour la rendre utilisable comme catalyseur dans la préparation de la méthylisobutylcétone. Le catalyseur obtenu de cette manière présente les caractéristiques suivantes. Par rapport au catalyseur dans lequel les ions de palladium introduits par échange sur la structure macro-réticulaire de la résine ont été réduits par l'hydrogène, le catalyseur obtenu selon la présente invention a le palladium métallique déposé sur la résine sous la forme de particules bien plus fines et a une bien plus haute stabilité à la chaleur ainsi qu'une bien plus haute activité catalytique. Il va sans dire que les proprités de ce catalyseur sont très supérieures à celles du catalyseur qui utilise la résine du type gel, et de plus la résistance mécanique du catalyseur de l'invention est extrêmement bonne. Les figures I et II sont des photographies au microscope électronique, en coupe, d'une région voisine de la surface du catalyseur de l'invention et de celle du catalyseur obtenu par réduction par l'hydrogène, respectivement. Sur les deux figures, les points noirs dispersés sont les par ticules de palladium métallique qui ont été déposées par réduction sur la résine de structure macro-réticulaire. On voit clairement que les particules de palladium déposées par réduction par le sulfate d'hydrazine selon la présente invention sont bien plus fines et bien mieux dispersées que dans le cas des particules déposées par réduction par l'hydrogène. Par conséquent, on peut aussi comprendre facilement que des résultats efficaces sont obtenus mê me avec une quantité de palladium moindre. La stabilité à la chaleur d'un catalyseur peut être examinée par analyse thermine idfférentielle. Dans le cas du catalyseur obtenu par réduction, par l'hydrogène, on note une modification endothermique au voisinage de 150 C et on peut en déduire qu'une décomposition thermique se produit, tandis que dans le cas du catalyseur obtenu par réduction par l'hydrazine, on ne note aucune modification endothermique de ce genre et la stabilité à la chaleur est démontrée. Par ailleurs, la résistance mécanique d'un catalyseur obtenu par utilisation d'une résine du type gel diminue dans une mesure excessive dans l'acétone liquide, tandis que cela ne se produit pas dans le cas du catalyseur de l'invention. Par conséquent,le catalyseur de l'invention ne se désagrège pas facilement. Comme résultat de ses fins dépôts de palladium métallique sur une résine de structure macro-réticulaire ainsi que de sa szabilité à la chaleur, le catalyseur de l'invention possède une activité catalytique nettement supérieure à celle obtenue avec les catalyseurs classiques. C'est-à-dire que la sélectivité de la transformation de l'acétone en méthylisobutylcétone est extrêmement élevée, de 95 à 99% ou plus. Par conséquent, la productivité concernant la méthylisobutylcétone est grande aussi, habituellement entre 1,5 et 2,4 kg environ par kg de catalyseur et par heure. De plus, la vie du catalyseur étant longue, il peut supporter des utilisations de six mois ou plus. Ceci sera illustré dans les exemples donnés ci-après. Il est vraiment surprenant que les divers résultats caractéristiques décrites ci-dessus aient été fournis par le catalyseur de l'invention en dépit du fait que le traitement d'une matière acide, par exemple une résine échangeuse de cations acide sulfonique, par une matière ayant un groupe basique, par exemple l'hydrazine ou ses sels, aurait pu sembler devoir être un inconvénient. On va maintenant décrire les conditions de production de méthylisobutylcétone par mise en contact d'acétone et d'hydrogène avec le catalyseur selon la présente invention. D'une façon générale,on peut opérar sous les conditions utilisées dans la mise en oeuvre des procédés classiques sans aucun changement particulier. Et les résultats satisfaisants désirés peuvent être obtenus sous des conditions réactionnelles relativement douces, puisque l'activité du catalyseur de l'invention est élevée. Toutefois, comme la stabilité à la chaleur et la résistance mécanique du catalyseur de l'invention sont élevées, on peut opérer sous des conditions réactionnelles considérablement plus sévères. On choisit une température de réaction de 50 à 150 C, mais,même à des températures relativement basses, par exemple de 80 à 110 C, on obtient de très hautes sélectivités et des vitesses de réaction convenables. Si on opère à des températures plus élevées,par exemple de 130 C ou au-dessus, la vitesse de réaction s'accroît, mais la sélectivité est un peu réduite. On utilise une pression convenable pour maintenir la phase liquide de l'acétone. Une pression totale, y compris la pression d'hydrogène, de 10 à 100 kg-cm2, et de préférence de 10 à 30kg/cm2 conviendra. Bien que le catalyseur puisse être utilisé sous forme de lit fixe, il est très avantageux de l'utiliser à l'état de suspension dans la phase de solution de réaction, en agitant. Dans ce cas,le catalyseur est de préférence en fines particules, par exemple de 0,074 à 0,149 mm, mais, pour faciliter sa séparation du produit de réaction, on peut aussi utiliser des particules de 0,149 à 0,84mm. La réaction peut être mise en oeuvre en continu, mais on peut également opérer en discontinu ou selon une technique mixte. Le catalyseur selon l'invention, comme on l'a indiqué précédemment, présente une sélectivité extrêmement élevée. Ainsi le produit de réaction, à part l'eau, est constitué à peu près entièrement par le méthylisobutylcétone désirée et il contient seulement des traces de diisobutylcétone et d'autres sous-produits à points d'ébullition élevée. L'acétone n'ayant pas réagi peut être séparée par distillation comme fraction de tête et réutilisée. Et le résidu de distillation est composé de deux couches liquides,l'eau et la méthylisobutylcétone résultante, qui peuvent être séparées facilement. Le trace d'eau, récente dans la couche de méthylisobutylcétone peut être facilement éliminée par distillation ou utilisation d'un agent de déshydratation approprié, si nécessaire. Le prix de la matière le départ représente une proportion majeu re du prix de revient de la méthylisobutylcétone en utilisant l'acétone comme matière de départ. Par conséquent, l'amélioration du rendements sert directement à abaisser le prix de revient. De plus, l'avantage fournie la haute sélectivité obtenue selon l'inven tion n'est cas la @@@ simplement à la réduction des frais de fabrication. En @@@@, l'étape de séparation et d'élimination des impu- @@s bouillant à des températures élevées devient @@ut@@e,ce @@@ rend la production industrielle encore plus avant @@use, d'utilisa- tion principale de la méthylisobutylcétone est son utilisation comme solvant, en particulier comme solvant pour peinture. Comme la presence q'une trace de fractions bouillant à des températures élevees n'est pas un obstacle a son utilisation comme solvent, le produit obtenu par le procédé de l'invention peut être mis directement sur le marché après avoir simplement séparé le produit de réaction de l'acétone n'ayant pas réagi, la fraction à bas point d'ébullition. EXEMPLE 1 : - On utilise les résines échangeuses de cations acides sulfoniques de structure macro-réticulaire indiquées ci-après dont les grosseurs de particules sont comprises entre 0,297 et 0,84 mm. Celles de la forme acide sulfonique sont utilisées telles qu'elles ont été obtenues tandis que celles de la forme sulfonate de sodium sont utilisées après exécution complète d'abord de leur échange des H+ par immersion dans une solution à 5% d'acide sulfurique et ensuite lavage à l'eau pour élimination du HCl en excès. Des portions de 100 parties en poids de chacune de ces résines séchées à 80 C environ sous vide sont plongées chacune dans une solution aqueuse contenant de 0,3 à 0,7 partie en poids de chlorure de palladium et maintenues à la température ambiante pendant 2 heures environ de façon que tous les H+ soient remplacés par des ions de palladium. Ensuite, on ajoute rapidement de 20 à 40 parties en poids de solution aqueuse à 25% de sulfate d'hydrazine à la solution précédente, en agitant, de façon à réduire les ions de palladium à l'état métallique pour un dépôt intime du métal sur la résine. La résine à palladium déposé résultante est soigneusement lavée à l'eau et séchée de nouveau à 80 C environ sous vide. La figure 1 annexée est une photographie au microscope électronique en coupe d'un exemple de cette résine. Résine échangeuse de acation Forme # Amberlite 200 SO3Na ## Amberlyst XN-100 4W SO3Na Amberlyst 15 SO3H ## Diaion PK-204 SO3Na Diaion PK-208 SO3Na Diaion PK-215 SO3Na # Marque du commerce de Rohm et Haas ## Marque du commerce de Mitsubishi Chemical Company En utilisant des autoclaves de 300 ml, on introduit dans chacun 150 ml d'acétone et 12 grammes d'un catalyseur préparé comme décrit ci-dessus.Après fermeture des autoclaves et purge à l'azote de l'espace interieure restant, on introduit de l'hydrogène sous pression et on conduit le réaction en agitant tout en maintenant une température de 100 C et une pression de 20 kg-cm2. A titre de comparaison, on prépare un catalyseur en utilisant des particules de 0,297 à 0,84 mm de Dowex&num;50 WK16 (marque de fabrique d'une résine échangeuse de cations du type gel à la forme sulfonate de sodium produite par la Dow Chemical Company) et en traitant cette matière comme ci-dessus pour former un catalyseur comportant 0,2% en poids de palladium déposé. La réaction est en sut'-te conduite exactement comme dans les essais précédents. Après conduite de la réaction des divers essais pendant une heure, on refroidi les autoclaves et on analyse leurs contenus liquides par chromatographie n phase gazeuse.Les résultats sont donnés dans ie tableau ci-après ; le reste est de l'eau ( % veut dire % en poids). Les abréviations utilisées dans le tableau ont les significa- tions suivantes . AC : Acétone IPA : Isopropanol MO : Oxyde de mésityle MIBC : Méthylisobutylcétone DIBC : di-isobutylcétone t : traces La sélectivité en méthylisobutylcétone (MIBC) est le rapport de la quantité te MIBC formée, calculée en acétone, à la quantité d'acétone condensée par la réaction. La productivité en MIBC est la quantité de MIBC formée (en kg) par heure et par kg de catalyseur sec. (TABLEAU I, voir fin du brevet) EXEMPLE 2 : - Une résine de structure macro-réticulaire, l'Amberlite 200 (grosseur de particules 0,297 à 0,84 mm) est soigneusement lavée dans une solution aqueuse 5N de HCl et complètement transformée à la forme H+. Cette dernière est ensuite utilisée pour la préparation de catalyseurs en utilisent les combinaisons de sel de palladium, solvant et agent réducteur indiquées dans le Tableau II. On prépare le catalyseur en prenant 100 parties en poids de la résine à la forme à (séchee sous vide), en échangeant les ions de palladium dans la solution, de sel de palladium et en effectuant ensuite la réduction des ions de palladium. TABLEAU II Sel de palaldium Solvant Réduction Désignation du catalyseur Pd (NO3) Eau Addition rapide de A 5 parties d'une so (2,16 parties) lution d'hydrazine (1,0% calculé sous hydratée aqueuse à 20% forme de Pd) do Eau Addition rapide de B 30 parties d'une so lution dichlorhydrate d'hydrazine aqueux à 5 %. do Ethanol Addition rapide de C 10 parties d'une so lution d'hydrazine à 5% d'éthanol Les catalyseurs préparés comme décrit ci-dessus sont utilisés et les réactions sont conduites dans des conditions identiques à celles décrites à l'exemple 1, avec les résultats indiqués dans le tableau III. TABLEAU III Essai N Catalyseur Résultats de réaction MISC (%) Sélectivité (%) AC IPA MO MIBC DIBC 8 A 77 0,1 0 19,5 0,1 98 9 B 79 t 0 18 0,1 99 10 C 80 t 0 17 0,1 99 EXEMPLE 3 : - On utilise un catalyseur (figure 2) préparé comme dans l'essai N 1, mais contenant 1,5% de palladium, et la réaction est conduite en continu. a titre de comparaison, on prépare un catalyseur contenant 1,5% de palladium en utilisant de l'hydrogène pour réduire les ions de palladium au lieu du sulfate d'hydrazine, mais en opérant par ailleurs comme dans l'essai N 1. La réaction est ensuite conduite dans des conditions @@entiques.Dans des autoclaves, respectives, on introduit 20 grammes de chacun des catalyseurs en même temperature 200 ml d'acétone, après quoi on ferme les autoclaves et ou les surse à l'azote. On porte ensuite la température à 155 C en chouffant et on porte la pression à 40kg/cm à l'aide d'hydrogène, après moi on maintient cette température et cette pression en agitant, tandis qu'en introduit continuellement de l'acétone à raison de 150 ml par heure et qu'on évacue le produit de réaction liquide d'une manière correspondante. La composition du liquide formé après 3 000 heures de marche et les résultats obtenus sont donnés dans le tableau IV. T A B L E A U IV Essai N 10 Essai N 11 Réduction par (témoin) l'hydrazine Réduction par l'hydrogène Acétone n'ayant pas réagi 55,2% 58,7 % Méthylisobutylcétone 37,0% 32,0 % Oxyde de mésityle 0,4% 0,9 % di-idobutylcétone 0,8% 0,6 % Transformation en acétone 44,8% 41,3 % Sélectivité en méthylisobutylcétone 96,0% 90,0 % Productivite en méthylisobzrylcétone 2,2 1,9 T A B L E A U I Résultats de la réaction Catalyseur Catalyseur Composition en liquide de MIBC MIBC Essai N Résine échangeuse de Quantité de réaction produit (%) Sélectivité Productication PD (%) vité (%) AC IPA MO MIBC DIBC 1 Amberlite 200 0,2 81 0,1 0 16 0,1 99 1,6 2 Amberlyst XN-1004W 0,2 82 0 0 16 0,1 99 1,6 3 Amberlyst 15 0,2 83 0 0 14 0,1 99 1,4 4 Diaion PK-204 0,4 78 t t 19 0,2 99 1,9 5 Diaion PK-208 0,4 79 t t 18 0,2 99 1,8 6 Diaion PK-216 0,4 81 t t 16 0,3 98 1,6 # 7 Dowex 50Wx16 0,2 81,5 0 0,2 14,5 0,7 91 1,45 # : Témoin -REVENDICATION Procédé de préparation de méthylisobutylcétone par mise en contact d'acétone en phase liquide et d'hydrogène avec un catalyseur à température élevée, caractérisé par le fait que l'on utilise un catalyseur constitué par une résine échangeuse de cations acide sulfonique de structure macro-réticulaire sur laquelle de fines particules de palladium métallique sont intimement déposées, ce catalyseur étant préparé par imprégnation de la résine d'une solution d'un sel de palladium de façon que les ions hydrogène des groupes acide sulfonique de la résine soient remplacés par des ions palladium, après quoi on réduit les ions palladium, ainsi introduits par échange, à l'aide d'un agent choisi parmi lthydrazine, l'hydrazine hydratée et les sels d'hydrazine pour former "in situa les fines particules de palladium métallique.