Brevet FR2348906A1 — publié le 19771118

La présente invention se rapporte à un procédé de préparation de l'acide méthacrylique, de ses esters et de son nitrile, à partir de l'acide propionique et respectivement des esters ou du nitrile de cet acide. On connait la conversion des acides alcanoiques, de leurs esters et nitriles en les acides correspondants alpha, beta- insaturés, leurs esters ou leurs nitriles par réaction avec le formaldéhyde en présence de catalyseurs alcalins. Pour cette réaction, on a déjà proposé un certain nombre de catalyseurs; ainsi par exemple, selon le brevet des Etats-Unis 3.051.747, on prépare l'acide acrylique à partir de acide acétique et du formaldéhyde en présence d'un catalyseur qui consiste en un support de silice et le sel alcalin d'un acide carboxylique. La même réaction est également favorisée par des catalyseurs comprenant des alllminosilicates alcalins ou alcalino-terreux, du gel de silice ou de la silice. Des catalyseurs de ce type sont décrits dans'le brevet des Etats-Unis 3 247 248. Selon le brevet allemand 2.349.054, on prépare des acides carboxyliques alpha, beta-insaturës, leurs esters et leurs nitriles avec de bons rendements lorsqu'on utilise comme catalyseur une silice pyrogène basique. D'addition d1un composé dtun métal des groupes I A, II A bu III B de la Classification Périodique, en particulier dthydroxyde de potassium et d'hydroxyde de caesium, accrolt l'activité du catalyseur.D'une part, la silice alcalinisée améliore l'activité du formaldéhyde dans le sens de la réaction recherchée, mais d'autre part, comme on le sait, le formaldéhyde, en raison de sa forte réactivité en milieu alcalin, conduit à des réactions secondaires indésirables. La demanderesse a maintenant trouvé qu'on pouvait convertir l'acide propionique en acide méthacrylique et son ester méthylique et les esters et le nitrile de cet acide alcanolque en les dérivés correspondants de l'acide méthacrylique lorsque, à la place du formaldéhyde déjà connu dans cette réaction, on utilisait le diméthylacétal du formaldéhyde, ctest-à-dire le méthylal, et un catalyseur. On peut considérer comme tout à fait surprenant que le méthylal, qui est un composé stable, provoque la formation du groupement à insaturation éthylénique. On utilise avantageusement un catalyseur consistant en totalité ou en partie en A1203 Le méthylal peut titre préparé facilement à partir du méthanol et du formaldéhyde aqueux en présence d'un catalyseur acide.A partir de ce mélange, on évacue en continu le méthylal qui est le composant le plus volatif (il bout à 420C) en dépla çant en continu l'équilibre dans le sens de l'équation (Int. Hydrocarbon Processing, 7 Juillet 1974, page 121). L'acide propionique peut être préparé à partir de l'éthylène et de l'oxyde de carbone conformément à l'équation Les prix des matières premières mises en oeuvre permettent d'espérer que cet acide, en cas de besoin industriel, pourrait être préparé à un prix auquel le procédé selon l'invention serait rentable. Partant de l'état antérieur de la technique exposé en introduction, le technicien en la matière aurait pu faire abstraction de la stabilité du méthylal, qu'on a déjà mentionné, et aurait pu être tenté de vérifier si, dans ces procédés connus, le formaldéhyde pouvait être remplacé par le méthylal. Tenu compte de l1état le plus récent de la technique, exposé dans le brevet allemand 2.349.054 précité, il aurait pu essayer de convertir le propionate de méthyle en méthacrylate de méthyle sur de la silice pyrogène activée par un hydroxyde alcalin en remplaçant le formaldéhyde par du méthylal. La demanderesse a procédé à cet essai et elle a constaté qu'il ne se formait que des traces de l'ester méthacrylique.Du fait que la réaction en question n'est pas favorisée par les catalyseurs alcalins, on doit conclure que le mécanisme de la conversion de l'acide propionique et du méthylal en acide méthacrylique est différent de celui mis en jeu dans la réaction correspondante avec le formaldéhyde (comparez à cet égard les essais 3 et 4 avec les essais 9 et 10 ci-après). Dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les propriétés de l'alumine ont une importance pratique considérable. Si l'on traite l'alumine pendant quelques heures à 6000C, à 9000C et à 1100 C et qu'on l'utilise comme catalyseur, par exemple sous forme de vermicelles de 2 mm de diamètre et 10 mm de longueur, on constate que, lorsque la température du traitement préalable de l'alumine augmente, toutes les autres conditions restant identiques par ailleurs, le taux de conversion diminue mais la sélectivité avec laquelle les composés méthacrylique sont formés à partir des composés alcanolques correspondants augmente en proportion.Certes, la quantité absolue du produit secondaire formé par hydrogénation du composé insaturé - par exemple l'isobutyrate de méthyle à la préparation du méthacrylate de méthyle - varie peu, mais la quantité de ce produit secondaire est minimale lorsqu'on utilise ltalnmine chauffée à 110000. Les résultats rapportés dans le tableau ci-après montrent que le taux de conversion sur un catalyseur à base d'alumine traitée au préalable à 600 C est beaucoup plus élevé (47,3 %) que le taux de conversion obtenu avec un catalyseur traité au préalable à 11000C (12,95 %). lorsqu'on utilise de 11 alumine traitée au préalable à 9000C, on atteint un taux de conversion de 29,6 %.La sélectivité s'accroît en sens inverse : le catalyseur qui a été chauffé à la température la plus élevée donne dans la réaction une sélectivité de 44,8 %, alors qu'un catalyseur chauffé au préalable à 6000C donne une sélectivité de 12,3 %. la quantité absolue d'isobutyrate de méthyle formée avec ces trois alumines qui ont subi un traitement préalable différent varie peu dans les trois opérations effectuées à 3500cl Les conversions dont les résultats sont rapportés dans les tableaux ci-après ont été effectuées, comme d'ailleurs les essais des exemples figurant plus loin, de la manière suivante On a introduit le catalyseur (environ 190 g) dans un réacteur tubulaire de 60 cm de longueur et 2,5 cm de diamètre.La tempé rature du réacteur a été contrôlée à l'aide d'un couple thermoélectrique (fer/Constatan), relié à un relai à chute d'étrier. Les températures de réaction varient de 350 à 45000. Avant le réacteur proprement dit se trouve une zone de vaporisation chauffée à 1800C environ. Le méthylal et l'ester propionique (ou l'acide propionique ou le propionitrile) sont mis en oeuvre dans un rapport molaire de 1 : 1. Les composants vaporisés sont transportés au travers le réacteur par un courant d'azote constant de 1,1 l/min. les proportions relatives entre le catalyseur (en g) et le courant de gaz total (en l/min) sont de 127/1 environ. Si l'on ne tient pas compte de l'azote utilisé comme "véhicule", les proportions relatives entre le catalyseur et le courant des gaz qui réagissent est d'environ 510/1. les résultats de ces essais sont rapportés dans le tableau I ci-après - Tableau I Rapport molaire ester proPionique/métkylal =1 : 1 traitement taux de conversion sélectivité, % préalable de l'ester propio- Température nilique MMA+) i-BME++) Al2O3 600 C 47,3 12,3 2,4 350 C 2 900 C 29,6 39,5 3,05 3500C 11000C 12,95 ; 44,8 3,4 35000 +) Méthacrylate de méthyle ++) Isobutyrate de méthyle Lorsque, à la place du mélange ester propionique - méthylal on utilise dans les mêmes conditions un mélange de réaction dilué par du méthanol, le taux de conversion diminue et la sélectivité augmente légèrement. La proportion d'isobutyrate de méthyle varie peu dans ce mode opératoire. - Tableau II Proportions molaires ester propionique/méthylal/méthanol = 2: 1 : 2 Traitement taux de conversion Sélectivité, % préalable de l'ester propio- Température nique MMA i-BME Al2O3 600 C 26,8 22,9 5,9 350 C 900 C 22,3 39,2 3,9 350 C 11000C 9,1 51,4 3,6 35000 Lorsqu'on fait réagir conformément à l'invention le propionate de méthylé avec le méthylal, il se forme à coté de l'ester méthylique de l'acide méthacrylique des petites proportions de l'acide libre. Lorsqu'on utilise le méthanol comme "diluant", des detterminations semi-quantitatives montrent que la proportion d'acide libre diminue. Dans le tableau ci-après, on a rapporté les résultats obtenus en faisant réagir l'acide propionique et le méthylal en présence d'une quantité molaire double de méthanol, sur une alumine traitée au préalable à 6000C et à 1100 C. - Tableau III Proportions molaires -acide propionique/méthylal/méthanol = 1 : I : 2 Traitement taux de conversion Sélectivité, % préalable de l'acide pro- température pionique MMA i-BME A12o3 60006 47,8 8,9 4,2 3500C 1100 C 25,9 15,3 3,1 350 C Ici encore, le taux de conversion diminue lorsque la température du traitement préalable augmente mais la sélectivité de formation du méthacrylate de méthyle passe pratiquement au double.Dans la réaction selon l'invention sur l'acide propionique, il se forme de 11 eau qui peut être fixée par de l'anhydride propionique ajouté au mélange de réaction. On a déjà indiqué que dans la conversion du propionate de méthyle, en plus du méthacrylate de méthyle, il se formait également son produit d'hydrogénation, c' est-à-dire l'isobutyrate de méthyle. Les proportions relatives entre l'ester méthacrylique et l'ester isobutyrique dépendent de la température de réaction : ainsi par exemple, lorsqu'on porte la température de réaction de 400 à 4500C, ie taux de conversion double effectivement, mais la sélectivité est abaissée au tiers environ de la valeur précédente. La quantité absolue d'isobutyrate de méthyle est pratiquement la même aux deux températures de réaction mais les proportions relatives entre l'ester saturé et les composés méthacryliques formés (méthacrylate de méthyle et acide méthacrylique) sont plus favorables à la température de réaction la plus basse; à cette température, les proportions relatives sont d'environ 1 : 4 alors qu'à la température plus forte de 500C, elles sont d'environ 1 : 1 , 5. - Tableau IV Proportions relatives acide Propionique/méthylal/méthanol = 1 :2 : 2 alumine traitée au préalable à 11000C Température Taux de conversion Sélectivité, % de réactions de l'acide propio- nique MMA i-BME 4000C 30,2 60,1 14,8 4500c 62,7 23,2 14,95 les résultats rapportés dans le tableau I montrent que Si l'on conduit la réaction dans des conditions conduisant à un taux de conversion relativement faible (12,95 ) mais à une forte sélectivité en méthacrylate de méthyle (44,8 %), les proportions relatives entre le méthacrylate de méthyle et l'isobutyrate de méthyle (3,4 %) qui constitue le produit secondaire sont suffisamment favorables, à 12 : 1. Les exemples qui suivent illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée; dans ces exemples, les indications de parties et de pourcentages s'entenaen-t en poids sauf mention contraire. Exemples 1 à 6 Dans les opérations dont les conditions opératoires et les résultats sont rapportés ci-après, la température de réaction est de 350 à 4000C, le catalyseur utilisé est de l'alumine qui a subi un traitement thermique préalable à la température indi quée. Proportions Traitement Taux de con- Sélectivité molaires ester préalable version de +) %, pour Ex. n propionique ++) du cataly- l'ester prn- Métha- Iso méthylal méthanol seur à: pionique ++) cryla- buty te rate +++) ++++) 1 1 : 1 : O 6000O 47,3 12,3 2,4 2 , 2 : 1 : 2 6000C 26,8 22,9 5,9 3 1 : 1 : O 9000C 29,6 39,5 3,1 4 2 : 1 : 2 9000C 22,3 34,2 3,9 5 1 : 1 : O 11000C 12,95 49,0 3,4 6 2 : 1 : 2 11000C 9,1 51,4 3,6 +) la sélectivité est le rendement en le produit formé par rapport au propionate de méthyle converti. ++) Propionate de méthyle. +++) Méthacrylate de méthyle + acide méthacrylique éventuel lement formé. ++++) Isobutyrate de méthyle. Exemples 7 et 8 Dans cet exemple, on fait varier la température de réaction; le catalyseur est de l'alumine traitée au préalable à 11000C. Proportions Température Taux de con- Sélectivité, Ex. n molaires ester de vertion de %, pour propionique réactions 1' ester pro- métha- Isobu méthylal/méthanol pionique crylate tyrate 7 I : 2 : 2 400-4500O 30,2 60,1 14,8 8 1 : 2 : 2 450-5000C 62,7 23,2 14,95 Exemples 9 et 10 Dans cet exemple, on étudie l'influence d'un additif au catalyseur sur la sélectivité. le catalyseur est de l'alumine à 1 % de KOH, traitée au préalable à 9000C. La température de réaction est de 350 à 4000C. Proportions Taux de con- Sélectivité, % Ex. n molaires ester vertion de pour : propionique l'ester pro- méthacrylate isobutyrat méthylal/méthanol pionique, % 9 1 : 1 : 0 34,8 29,1 3,9 10 2 : 1 : 2 30,0 31,6 5,0 Lorsqu'on compare les sélectivités rapportées dans le tableau ci-dessus avec celles des exemples 3 et 4, on constate qu'une addition d'hydroxyde alcalin à l'alumine - contrairement à ce qui se passe dans le procédé du brevet allemand 2.349.054 précité - n'apporte aucune amélioration de la sélectivité. - REVENDICAIIONS- 1. Procédé de préparation de Acide méthacrylique, de ses esters et de son nitrile à partir de l'acide propionique, de ses esters et de son nitrile respectivement, à haute température, caractérisé en ce que l'on fait réagir les composés saturés en question avec le méthylal en présence d'un catalyseur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur consiste en-totalité ou en partie en Al203. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on effectue la réaction à une température de 300 à 4000C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise comme catalyseur une alumine qui a été chauffée au préalable à une température supérieure à 600 0. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications t à 4, caractérisé en ce que l'on ajoute au mélange de réaction un anhydride d'acide carboxylique, et en particulier l'anhydride propionique