Brevet FR2184540A1 — publié le 19731228

L'invention concerne un procédé de fabrication de supports solides imprégnés, notamment par des chélates ou des polychélates métalliques du type phtalocyanine Elle concerne également les supports solides fsprdgnds obtenus par ce procédé et leur utilisation co catalyseurs. On sait que certains polymères presentant une structure analogue à celle des phtalocyanines sont doués de propriétés catalytiques intéressantes, notamment dans les réactions d'oxydation. Ces polymères sont préparés, en général, par réaction en phase liquide-solide ou en phase liquide entre un ortho-dinitrile et un métal (par exemple utilisé pur, sous la forme d'une poudre) ou un composé métallique, tel qu'un oxyde, un sel ou un complexe métallique. Ces polymères sont en général insolubles dans les solvants usuels et ne sont pas volatils, même å des températures relativement élevées, ce qui pose de sérieux problèmes lorsque l'on veut les utiliser sous la forme de dépôts homogenes sur des supports solides. L'invention a pour objet un procédé amélioré pour la fabrication de supports solides imprégnés, notamment par des chélates ou des polychélates métalliques du type phtalocyanine, qui permet de s'affranchir des difficultés précitées. Elle a également pour objet de fournir des catalyseurs constitues de supports solides imprégnés par des chélates ou des polychélates métal liques du type phtalocyanine, qui présentent une activité améliorée, notamment dans les réactions d'oxydation, Selon l'invention, on forme directement le chélate ou le polychélate métallique sur le support, partir des réactifs appropriés en phase vapeur adsorbée sur ledit support, et l'on sépare le support ainsi imprégné du milieu réactionnel, Le procédé de l'invention consiste donc en une première étape dans laquelle on vaporise, en présence d'un support adsorbant, les réactifs nécessaires å la formation du chélate ou du polychélate métallique, å une température assez élevée pour que la réaction ait lieu entre lesdits réactifs adsorbés sur ledit support et en une deuxième étape dans laquelle le support ainsi imprégné est séparé du milieu réactionnel. La première étape du procédé de l'invention fait appel X des réactifs volatils et stables à haute température. Il s'agit, d'une patt d'un composé métallique qui peut consister notamment en un dérivé organo-métallique tei qu'un mEtal-carbonyle, un chélate de ss-dicétone volatil ou encore un complexe dicyclopentadiènyl-métal ; et, d'autre part, un réactif organique comportant au moins deux fonctions nitriles sur des atomes de carbone adjacents, comme, par exemple, le tEtracyano-éthylène, le phtalonitrile ou le pyromellito nitrile, Les métaux utilirables sont tous les métaux pouvant se chélater dans une structure phthalocyanine, à condition que le complexe organique, forme sous laquelle ces métaux sont utilisés, se présente à l'état de vapeurs aux températures de formation du chélate. On peut citer par exemple: le vanadium, le fer, le nickel, le cuivre, le molybdène, le tungstène, etc... Dans le cas particulier où l'on veut préparer, selon le procécé de l'invention, un chélate ou un polychélate de fer sur support solide, le composé métallique utilisé peut être choisi, par exemple, parmi le fer-carbonyle, les chélates de ss-dicétones tells que, par exemple, le dipivaloylméthanefer (II). qu'on peut représenter par la fcrmule et le complexe dicyclopentadiinyl-fer (11) (ferrocène), de formule Les réactifs, mélangés en des quantités telles que le rapport molaire du composé métallique au réactif à fonctions nitriles soit de 0,1 : 1 à 10 : 1 et, de préférence, de 0,25 : 1 à 1 : 1, sont vaporisés en présence d'un support adsorbant, par chauffage à ne température assez élevée pour qu'ils réagissent entre eux en phase adsorbée sur ledit support, par exemple, une température de 200 à 600 C et de préférence de 250 a 3500C; L'opération dure, en général, de 30 minutes à 24 heures et, de préférence de 8 à 18 heures. Le support adsorbant utilisé peut être de nature variée, à condition qu'il demeure inaltéré dans les conditions dans lesquelles on opère. On peut, par exemple utiliser le verre, un métal, du charbon actif, du grapnite, de l'alumine, de la silice, de la bauxite, de l'argile, ou encore un tamis moléculaire ou une zéolite. L'opération de première étape, telle que décrite ci-dessus peut être effectuée dans une enceinte fermée sous vide ou encore en système dypa- mique à pression constante. Le support imprégné issu de la première étape est ensuite, dans une deuxième étape, séparé du milieu réactionnel, selon toute technique appropriée. On peut, par exemple, laver le support imprégné dans du benzène bouillant afin d'éliminer les réactifs qui nront pas réagi. On peut également éliminer le Métal non-combiné en effectuant un lavage X l'acide chlorhydrique dilué, puis un rinçage à h~l'eau jusqu' pH neutre Dans tous les cas, on peut terminer la purification du support imprégné par des lavages dans divers solvants appropriés, puis le sécher sou vide ou sous atmosphère inerte, par exemple à une température d'environ 150 à 200 C. On ne récupérera le support imprégné qu'après complet refroidissement, certains chélates de fer déposés sur charbon ayant un caractère nettement pyrophorique et s'enflammant spontanément en présence d'air vers 1300C. la structure des produits déposés sur supports par le procédé de l'invention n'a pu être déterminée avec certitude. Ce sont vraisemblablement des chélates et des polychélates métalliques qui présentent une structure modifiée, en tout ou en partie ; ils consistent plus probablement en mélanges de produits de structures différentes. Les supports imprégnés obtenus par le procédé de l'invention sont utilisables comme catalyseurs, notamment en réaction d'oxydation en phase hétérogbne. Ils présentent, de façon surprenante, une activité catalytique supérieure u celle des catalyseurs préparés par les techniques habituelles d'imprégnation en phases liquide-solide. On peut montrer, par exemple que l'oxydation d'un noir de carbone imprégné selon le procédé de l'invention, est fortement accélérée : la température de début d'oxydation peut être ainsi abaissée de 2000C. Les exemples suivants sont destinés a illustrer l'invention ils ne doivent, en aucune manière, etre considérés comme limitatifs0 Exemple 1 : On place dans un tube en verre "Pyrex" le mélange intime de 30 g de charbon actif en grains, 3 g de phtalonitrile et 1,1 g de ferrocène. Le tube est scellé sous vide puis chauffé X 4500C pendant 20 heures. Refroidi X température ambiante, le charbon imprégné est lavé dans du benzène bouillant å reflux, puis après séparation par filtration, dans de l'alcool éthylique et dans de l'éther éthylique. Il est enfin séché sous vide à 1500C. Exemple 2 On place dans un tube en verre "Pyrex" le mélange intime de 30 g de charbon en poudre, 3 g de pyromellitonitrile et 1,27 g de ferrocène. Le tube est scellé sous vide puis chauffé I 3000C pendant 20 heures. La poudre de charbon refroidie est lavée dans une solution d'acide chlorhydrique bouillante puis, après filtration, aux solvants organiques (benzène bouillant, alcool éthylique, éther éthylique), Elle est enfin séchée à 1500C sous vide. Exerflple 3 On place dans un tube de verre "Pyrex" le mélange intime de Q,100 g dc pyro- mellitonitrile et 0,042 g de ferrocène. On suspend au-dessus de ce mélange, l'aide d'un fil de fer un barreau de graphite. Le tube est scellé sous vide puis chauffé à 300 C pendant 20 heures. Refroidi, le barreau de graphite est retiré du tube : il est recouvert d'une pellicule noire, honagbne, qui reste visible après lavages à l'acide chlorhydrique dilué et aux solvants organiques (benzène, alcool éthylique, éther éthylique). Exemple 4 On place dans un tube de verre "Pyrex" le mélange intime de 5 g de charbon en poudre, 0,5 g de pyromellitonitrile et 0,475 g de dipivaloyl-méthane-FerII. Le tube est scellé sous vide puis chauffé à 2500C pendant 18 heures. Refroidie, la poudre obtenue est lavée aux solvants organiques (benzène bouillant, alcool éthylique, éther éthylique) puis séchée sous vide à 1500C. Exemple 5 On place dans un tube en verre "Pyrex" 0,100 g de pyromellitonitrile et 0,06 g de fer-pentacarbonyle et au-dessus, une plaque de nickel poreux suspendue à l'aide d'un fil de platine. Refroidi à ia température de l'azote liquide, le tube est scellé sous vide puis chauffé à 3000C pendant 20 heures. La plaque de nickel refroidie est lavée aux solvants organiques (benzène bouillant, alcool éthylique, éther éthylique) : elle reste recouverte d'un film noir très fin. Exemple 6 On place dans un tube de verre "Pyrex" le mélange intime de 0,150 g de pyromellitonitrile et de 0,143 g de dipivaloyl-méthane-FerII. Comme dans 11 exemple 3, un barreau de graphite est suspendu au-dessus de ce mélange. Après scellement sous vide, le tube est chauffé à 2500C pendant 18 heurtés, Refroidi, le barreau de graphite est retiré du tube. Les parois internes de celui-ci et le barreau de graphite sont recouverts d'un film noir opaque. Exemple 7 : Un barreau d'acier et un barreau de graphite sont suspendus côte-à-côte dans un tube de verre "Pyrex" chauffé par un enroulement électrique. Un courant de gaz inerte tel que l'argon, dont le débit est réglé pour "porter" des vapeurs de-fer-pentacarbonyle à faible vitesse, circule dans le tube. Le fer-pentacarbonyle est introduit dans le tube à l'aide d'une pompe doseuse ; une nacelle renfermant du phtalonitrile est disposée entre le tube d'arrivée du fer-pentacarbonyle et les barreaux* L'ensemble est chauffé très progressivement à 1900C, on observe un début de vaporisation du phralonitrile ; on injecta alors le fer-pentacarbonyle de façon que le mélange de vapeurs lèche lentement les barreaux.La température est portée de 190 à 250aC en 3 heures, iuis on laisse refroidir le tout sous courant de ga inerte. Les barreaux retirés du four sont recouverts d'une pellicule noire, qu!on lave aux solvants organiques (benzène bouillant, alcool éthylique, éther éthylique) et sèche sous vide. Exemple 8 On répète la procédure de l'exemple 7, mais le phtalonitrile est remplace par du pyromellitonitrile. Le début de l'injection du fer-pentacarbonyle n'a lieu dans ce cas, que vers 2250C, température de début de vaporisation du pyromellitonitrile, On obtient des barreaux recouverts d'une fine pellicule d'un produit noir. Les exemples 9 à 12 permettent de mettre en évidence l'activité catalytique des produits préparés dans les exemples 1 et 2. Les figures I et II ci-annexées représentent des courbes d'analyse thermogravimétrique : on on a porté en abeisses les températures en degrés centigrades et, en ordonnées, les pertes de poids enregistrées, en pourcentage. Exemple 9 Une analyse thermogravimétrique à l'air a été effectuée sur le produit préparé dans l'exemple 1. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure I par la courbe A, Par comparaison avec la courbe B qui représente les résultats obtenus dans des conditions identiques avec le charbon actif non traité, on voit que pour le charbon traité la perte de poids est régulière à partir de 100 C, alors que celle-ci ne s'accélère sensiblement qu'a partir de 5000C pour le charbon non traité. Cette perte de poids passe d'autre part de 3 à 18 Z suivant le cas, pour une différence de tempErature de 20 à 6000C, ce qui rend compte de l'activité catalytique pour l'oxydation du charbon actif, du produit préparé dans l'exemple 1. Exemple 10 Une analyse thermogravimétrique à l'air effectuée sur le produit préparé dans l'exemple 2 a donné les résultats représentés sur la figure II par la courbe C, le charbon en poudre non traité donnant, dans les mêmes conditions, les résultats représentés par la courbe D : tandis que la perte de poids ne devient sensible qu'h partir de 500 C pour le charbon en poudre non traité, celle-ci débute dès 100 C pour le même charbon traité, et devient très irilpor- tante à partir de 250-300 C. A 6000C, la perte de poids diffère de 16 à 53 7. d'un cas a ltautre, ce qui met en évidence l'activité catalytique d'oxydation du produit préparé dans l'exemple 2. Exemple ll On répète la procédure de l'exemple 2 en supprimant un des réactifs, le ferrocène, L'analyse thermogravimétrique h l'air donne les résultats repré- sentés par la courbe E (figure II). Exemple 12 On répète une nouvelle fois la procédure de l'exemple 2 en supprimant cette fois l'autre réactif, le pyromellitonitrile. L'analyse thermogravimétrique à l'air donné les résultats représentés par la courbe F (figure Il). La comparaison des courbes C, D, E et F de la figure Il montre clairement que le produit formé dans l'exemple 2 est capable de catalyser l'oxydation du charbon avec une activité catalytique qui lui est propre. Revendications li Procédé amélioré pour la fabrication de supports solides imprégnés au moyen de chélates ou de polychélates métalliques du type phtalocyanine, caractérisé en ce que, dans une première étape, on vaporise, en présence d'un support adsorbant, les réactifs nécessaires à la formation du chélate ou du polychélate métallique désiré, à une température assez élevée pour que la réaction ait lieu entre lesdits réactifs adsorbés sur ledit support, et en ce que, dans une deuxième étape, on isole le support imprégné au cours de la première étape du milieu de réaction. 21 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réactifs uti lisés sont volatils et stables à haute température. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les réactifsutilisés consistent d'une part, en un dérivé organo-mtallique du métal dont on veut former le chélate ou le polychélate et, d'autre part, en un réactif organique comportant au moins deux fonctions nitriles sur deux atomes de carbone adjacents. 4/ Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le réactif organi que à fonctions nitriles est choisi parmi le tétracyano-éthylène, le phta lonitrile et le pyromellitonitrile. 5/ Procédé selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le dérivé organo-métalique est choisi parmi les métaux-carbonyles, les che- lates métalliques de F-dicétones et les complexes dicyclopentadiényl-métal. 6/ Procédé selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que le dé rivé organométallique est un dérivé du fer. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dérivé du fer est choisi parmi le fer-carbonyle, le dipivaloylméthane-fer (II) et le ferrocène, 8/ Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le rapport molaire du dérivé métallique au réactif organique à fonctions ni triles a une valeur de 0,1 : 1 à 10 : 1. 9/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit rapport a une valeur de 0,25 : 1 à 1 : 1. 10/ Procédé selon l'une des revendications 1 a 9, caractérisé en ce que le support adsorbant est choisi parmi le verre, les métaux, le charbon actif, le graphite > l'alumine, la silice, la bauxite, l'argile et les tamis molé culaires et zéolites, 11/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, dans la première étape, la température est de 200 à 600 C. 12/ procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans la première étape, la température est de 250 à 350 C. 13/ Un support imprégné, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé selon l'une des revendications 1 à 12.