Brevet FR2467176A1 — publié le 19810417

La présente invention se rapporte d'une façon générale à un procédé de production du tétrafluorure de soufre et elle concerne, plus particulièrement, un tel procédé qui utilise un comp1eted'amine et d'acide fluorhydrique. On a déjà proposé divers procédés de production du tétrafluorure de soufre; l'un de ces procédés est décrit dans le brevet U.S. 2 992 073 et il consiste à faire réagir du fluorure de sodium avec du dichlorure de soufre dans l'acétonitrile. Dans ce procédé, le déroulement de la réaction dans des conditions uniformes n'est pas facile car le fluorure de sodium (matière de départ) et le chlorure de sodium (sous-produit) sont solides de sorte que le rendement en tétrafluorure de soufre varie fortement selon la granulométrie du fluorure de sodium. Il est en outre difficile de récupérer le fluorure de sodium à partir du chlorure de sodium (sous-produit). Un autre procédé connu consiste à faire réagir du dichlorure de soufre avec du chlore et de l'acide fluorhydrique sans utilisation d'un catalyseur quelconque, comme il est décrit dans la DOS n0 2 363 679. Dans ce procédé, la réaction doit être effectuée à une température inférieure à - 50 C. Un autre procédé connu est un procédé consistant à utiliser NOF à titre d'agent de fluoration pour le chlorure de soufre, comme décrit dans le brevet U.S. no 4 082 839. Dans ce procédé, il n'est pas facile de traiter le NOF corrosif et on n'obtient qu'un faible rendement en tétrafluorure de soufre. Pour toutes ces raisons, les procédés connus ne sont pas satisfaisants en tant que procédés industriels. La présente invention a pour objet un procédé de production de tétra- fluorure de soufre avec un rendement élevé, par une opération simple et au moyen d'une réaction permettant le recyclage du milieu de réaction, le procédé pouvant être utilisé à l'échelle industrielle. On réalise l'objectif exposé ainsi que d'autres par un procédé de production de tétrafluorure de soufre, qui consiste à faire réagir un complexe d'amine/acide fluorhydrique de formule Am. (HF)n dans laquelle Am représente une amine et n est un nombre de 1 à 4, avec du dichlorure de soufre et avec du chlore et du soufre ou encore du monochlorure de soufre, en l'absence ou en présence d'un solvant. La figure unique du dessin annexé est un graphique montrant le rapport qui existe entre la production de SF4 (%) et le rapport molaire HF/pyridine. Un procédé de production de SF4 par fluoration du dichlorure de soufre avec un complexe de pyridine/acide fluorhydrique a déjà été décrit dans Inorg. Chem. 16 (10), 2637 (1977). On a trouvé que selon ce procédé décrit 2 4 6 7 17 6 dans l'art antérieur, on n'obtient pas de SF4 mais seulement de petites quantités de SOF2. Ce procédé ne peut donc pas être un procédé efficace pour la production de SF La demanderesse a étudié des procédés pour introduire efficacmeent les fonctions amines, telles que la pyridine, la picoline et la quinoléine et elle a trouvé qu'on peut obtenir SF4 avec un rendement élevé si l'on utilise un complexe amine/acide fluorhydrique présentant une teneur relativement faible en acide fluorhydrique. On considère que dans le procédé de l'art antérieur, SF4 n'est pas produit du fait que la matière de départ SC)2, etc... ne peut pas atteindre le voisinage immédiat de la pyridine en raison de l'emploi d'un complexe de pyridine (HF)9 5 à teneur élevée en HF, et qu'une activité catalytique efficace ne peut pas être assurée par la pyridine. Selon le procédé qui fait l'objet de l'invention, on utilise du dichlo- rure de soufre ou une combinaison de monochlorure de soufre ou de soufre avec du chlore en qualité de composé soufré pour effectuer la fluoration. Au cours de cette dernière, on considère que le soufre ou le monochlorure de soufre est converti par le chlore en dichlorure de soufre. En conséquence, le procédé selon l'invention peut être illustré par l'exemple de la réaction entre le complexe amine/acide fluorhydrique et le dichlorure de soufre. Dans le procédé selon l'invention, on obtient le tétrafluorure de soufre (SF4) par la réaction indiquée ci-dessous 3SC ,2 + -4Am. HF-> SF4 + S2CI 2 + 4 Am. Ha... (1) (Am représente l'amine) Le complexe amine/acide chlorhydrique (Am.HCú)à titre de sous-produit peut être converti en: Am. (HF)m (m> 5) en éliminant HCl sous forme gazeuse au moyen d'un traitement de ce dernier avec un excès d'acide fluorhydrique. Ensuite cet excès d'acide fluorhydrique peut être séparé du complexe par une technique appropriée pour récupérer Am. (HF)n (n = 1 à 4). Les amines utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention sont les amines aliphatiques tertiaires et les composés aromatiques hétérocycliques contenant de l'azote et dont-les complexes avec l'acide fluorhydrique sont liquides à la température de la réaction. Les amines aliphatiques tertiaires peuvent être des alkylamines en C1-C6 qui peuvent être substituées par un atome d'halogène ou par un groupé hydroxyle ou nitro, par exemple pour donner une triméthylamine ou une triéthylamine. Les composés aromatiques hétéro- 2 4 6 7 1 7 6 cycliques contenant de l'azote peuvent être la pyridine ou la quinoléine ou encore des dérivés de pyridine ou des dérivés de quinoléine ren- fermant un radical alkyle en C1-C6, un radical alcoxy en C1-C6, un atome d'halogène, un radical hydroxyle ou un groupe nitro, par exemple la picoline. La caractéristique de l'invention est l'utilisation du complexe amine/ acide fluorhydrique susceptible de recyclage en vue de sa réutilisation, en qualité de réactif. Pour permettre un déroulement régulier de la réaction, il est aussi très important que le rapport molaire du composant amine (Am) au composant acide fluorhydrique (HF) dans le complexe amine/acide fluorhydrique utilisé lors de la fluoration soit compris entre 1:1 et 1:4. Pour bénéficier efficacement de l'action catalytique de Am, il est nécessaire de coordonner HF et Seú 2 avec Am. On peut effectuer la fluoration seulement après la coordination de HF et SCú 2 avec Am. Par conséquent, si l'on ajoute un excès de HF à Am, le composant Am est recouvert de HF, ce qui empêche l'approche de SCO vers Am, à la suite & quoi la réaction est fortement gênée ou même n'a pas lieu. Dans ces conditions, la fluoration n'est pas effectuée de façon notable avec un rapport molaire Am / HF de 1:5 ou plus, le rendement en fluorure de soufre étant exceptionnellement faible. De façon optimale, le rapport molaire Am/HF doit être compris entre 1:1 et 1:3, ce qui donne un rendement élevé. Si le rapport molaire Am/HF est compris entre 1:3 et 1:4, le rendement en tétrafluorure de soufre peut être élevé si le rapport molaire de An dans Am.(HF) n au SCP-2 est exprimé comme étant Am/SC L> 3. On peut effectuer la fluoration en l'absence de solvant mais pour en assurer le déroulement régulier, l'utilisation d'un solvant est préférable. Le solvantpeut être un solvant organique quelconque, qui est inerte vis-àvis des réactifs tels que l'acide fluorhydrique, le chlore, le soufre, le dichlorure de soufre ou le monochlorure de soufre qu'on utilise dans le système de réaction. Il est particulièrement avantageux d'utiliser des hydrocarbures halogénés, surtout un ou plusieurs des solvants choisis parmi le chlorure de méthylène, le chloroforme, le tétrachlorure de carbone, le fluorotrichlorométhane et le trichlorotrifluoréthane. Pour obtenir une réaction uniforme, une séparation facile du produit et un réglage aisé de la température de la réaction, il est préférable d'Effectuer la réaction dans un tel solvant. A la suite d'autres études concernant les solvants, on a constaté que l'emploi d'un mélange de chlorure de méthylène et de trichlorotrifluoréthane (solvant mixte) était optimal pour les raisons suivantes: Dans la réaction (1), S2CL 2 et le complexe Am(HCP.) (sousproduits dans le système de réaction) sont sous forme liquide. Pour récupérer effica- cement l'amine recyclée (Am), il est préférable de séparer complètement S 2 du complexe Am (HCL). Dans ce but, la technique optimale consiste à utiliser un solvant mixte comprenant du chlorure de méthylène et du trichlorotrifluo- réthane, surtout un tel solvant comprenant 20 à 80 mobs % de chlorure de méthylène et 80 à 20 moles % de trichlorotrifluoréthane. Si la proportion de chlorure de méthylène dans le solvant mixte est trop faible, la réaction est trop lente et on se heurte à certains ennuis dans le cadre d'une production industrielle, avec les risques de formation d'une matière solide de nature à colmater l'appareil. Si la proportion de chlorure de méthylène dans le solvant mixte est trop élevée, les sous- produits qui sont S C2 et le complexe 2 2 ecmlx An (HCI) ne sont pas faciles à séparer l'un de l'autre. Dans l'un comme dans l'autre cas, les résultats ne sont pas optimaux. Si l'on utilise un solvant mixte comprenant de 30 à 70 moles % de chlorure de méthylène et de 70 à 30 moles % de trichlorotrifluoréthane, l'opé- ration se déroule régulièrement et la couche de Am(HCL) n'est pas notablement contaminée par S nC, de sorte que l'opération ultérieure de récupération devient facile. Il s'agit d'un mode opératoire optimal. De préférence, la fluoration (1) dans le solvant se fait à une température du solvant comprise entre O et 600 C et, mieux encore, comprise entre 20 et 400C. La raison en est la suivante-: si la température est inférieure à 00C, la réac- tion est trop lente alors qu'avec une température supérieure à 600 C, la décom- position de SC22 a lieu facilement. Normalement, on effectue la réaction sous pression atmosphérique mais on peut le cas échéant opérer sous une pression élevée. Pour réaliser la séparation du SF4 résultant, il est préférable d'effec- tuer la réaction sous une pression élevée mais au-dessous de 10 bars. On va maintenant expliquer les rôles de l'amine et du dichlorure de soufre lors d'une réaction utilisant le solvant indiqué et effectuée à la tem- pérature mentionnée. La figure unique du dessin montre la relation qui existe entre la produc- tion du tétrafluorure de soufre et le rapport molaire de l'acide fluorhydrique à la pyridine (HF/Py) (Py représente la pyridine) dans le complexe pyridine/ acide fluorhydrique en qualité de paramètre du rapport molaire de la pyridine au dichlorure de soufre dans le complexe de pyridine. Il s'agit de l'utilisation de la pyridine en qualité d'amine, ce qui est un exemple très représentatif. Dans l'intervalle de n allant de 1 à 4 dans la formule Py(HF)n, selon l'invention, le rendement en tétrafluorure de soufre est d'autant plus élevé - qu'on augmente le rapport molaire de la pyridine au dichlorure de soufre (Py/SC 2)9. Comme on peut le voir sur la figure, dans l'intervalle de n = 1 à 2 dans la formule Py(HF), le rendement en tétrafluorure de soufre est supérieur à % pour un rapport molaire Py/SCI2 de 1,5. Dans l'intervalle de n = 3 à 4 dansla formule Py(HF)n, il est préférable que le rapport molaire Py/SC 2 soit supérieur à 3 et, mieux encore, supérieur à 4. On va maintenant décrire le stade de recyclage du complexe amine/ acide fluorhydrique Am.(HF) (n= 1 à 4). n On peut convertir le complexe amine/acide chlorhydrique Am. HCd qui est un sous-produit dans la réaction (1), en complexe amine/acide fluorhydrique en faisant réagir l'acide fluorhydrique avec ce complexe selon la formule: Am. HCI + mHF_ Am. (HF) + HC ........... (2) On considère que la réaction (2) constitue la substitution de HCt par HF. La Demanderesse a constaté que la conversion varie fortement selon le rapport molaire de HF au complexe amine/acide fluorhydrique, c'est-à-dire de m dans Am.(HF). Pour obtenir une conversion de 100 % dans la réaction (2), il est nécessaire que m soit supérieur ou égal à 6. Par exemple, si m = 4, la conversion sera d'environ 60 %, ce qui laisse environ 40 % de Am.HCP n'ayant pas réagi. En raison de ce qui vient d'être expliqué, le complexe amine/acide fluorhydrique Am.(HF)m qu'on obtient dans la réaction (2) est un complexe dans lequel m est supérieur ou égal à 6. Pour utiliser ce complexe dans la fluoration du dichlorure de soufre dans le cadre de la réaction (1), il est nécessaire d'effectuer une déshydrogénofluoration pour convertir le complexe Am.(HF)n (n = 1 à 4). On effectue la déshydrogéno-fluoration par une technique efficace quelconque, par exemple par une distillation sous pression réduite pour obtenir le complexe recherché amine/acide fluorhydrique: Am. (HF)m__Am. (HF)1-4 + (m-1) - (m-4)1 HF.... (3) On peut obtenir le complexe dans lequel n est égal à 3 ou plus par une simple distillation sous pression réduite. Pour obtenir un complexe amine/ acide fluorhydrique dans lequel n = 1 à 3, on doit distiller sous pression réduite et en présence de fluorure de sodium. Le Am.(HF) 14 résultant peut J- être utilisé dans la réaction (1) par recyclage et HF peut servir dans la réaction (2). Les exemples suivants ainsi que les exemples de référence servent à illustrer l'invention sans aucunement en limiter la portée. EXEMPLE 1 Dans un réacteur contenant 120 ml dechlorure de méthylène, on charge 0,2 mole de dichlorure de soufre SC.2 et on maintient la température du solvant à 30 C; on charge également 0,92 mole de complexe pyridine/acide fluorhydrique Py.(HF)3 (rapport molaire HF/Py = 3) et on effectue la réaction pendant 3 heures pour obtenir ainsi 0,18 mole de tétrafluorure de soufre. Le rendement est de 90 %. On mélange le sous-produit complexe pyridine/acide chlorhydrique Py.HCt avec 8 fois son équivalent d'acide fluorhydrique afin d'effectuer la déshydro- géno-chloration de Py.HCi et obtenir ainsi un complexe pyridine/acide fluorhy- drique Py.(HF)8 avec un rendement de 100 %. o On distille Py.(HF)8 sous pression réduite et on obtient Py.(HF)3 avec un rendement de 100 %. EXEMPLES 2 à 15 et EXEMPLES DE REFERENCE 16 à 18 On procède comme dans l'exemple 1 sauf qu'on fait varier les conditions opératoires comme on peut le voir dans le tableau I. Les résultats sont indiqués dans le le tableau I en même temps que ceux de l'exemple I. EXEMPLES 19 à 22 On procède comme dans l'exemple 1 sauf qu'on modifie la nature et la quantité du solvant et aussi la nature de l'amine, chaque opération étant exécutée de manière à obtenir du tétrafluorure de soufre. Les conditions opératoires et les résultats sont indiqués dans le tableau II. EXEMPLES 23 et 24. On procède comme dans l'exemple 1 sauf qu'on fait varier le rapport du chlorure de méthylène au trichlorotrifluoréthane dans le solvant utilisé et on effectue les opérations. Les conditions opératoires et les résultats apparaissent dans le tableau II. EXEMPLES 25 à 32 On procède comme dans l'exemple 1 sauf qu'on utilise du chlore et du monochlorure de soufre ou du soufre au lieu de dichlorure de soufre. On effectue chaque opération et les conditions opératoires ainsi que les résultats apparaissent dans le tableau III. 2467 1 76 TABLEAU I TABLEAU I Essai 1 2 3 4 5 6 _. Fluoration I Solvant i CH2Ci2 CH2Ct2 CH2C2 CH2Ct2 Y 1 X1 Sc2k mole (A) | 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0HF/Py or 3 1 2 4 1 2 (rapport molaire) i Py.(HF) n 0,92 0,92 0,92 0,92 0,6 0,6 mole (B) (B)/(A) 4,6 4,6 4,6 4,6 3 3 Température de réaction ( C) 30 30 40 40 30 30 Durée de réaction (h.) 3 2 3 3 2 3 Rendement (%) 90 91 89 70 91 89 Réaction d'échange de HCQ Equivalent de HF à Py.HCt 8 8 8 8 8 8 (m) Rendement en Py.(HF)m 100 100 100 100 100 100 m Séparation de HF Utilisation de NaF Néant NaF Néant NaF NaF Néant Rendement (%) 100 100 100 I 100 100 100 Py. (HF) (n) rcuprn 3 1 3 2 1 3 récuper é _ _ _ _ _ _ _ _ _i_ _ _ _ _ _ _ _ _ __i TABLEAU I (Suite) Essai 7 8 9 10 11 12 Fluoration Solvant X 1 Néant CH2C2 CH2C&2 CH2Ct2 CH2Ct2 SCd mole (A) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 HF/Py 3 4 1 2 3 4 (rapport molaire) Py.(HF)n 0,6 0,6 0,3 0,3 0,3 0,3 mole (B) (B)/(A) 3 3 1,5 1,5 1,5 1,5 Température de réaction ( C) 40 40 40 40 40 40 Durée.de réaction (h.) 3 3 3 3 3 3 Rendement (Z) 84 53 90 84 59 27 Réaction d'échan e de HCb _ Equivalent de HF à Py.HC" 8 8 8 8 8 8 (m) Rendement en Py.(HF) m 100 100 100 100 100 100 Séparation de HF Utilisation de NaF néant NaF NaF Néant Néant NaF Rendement (%) 100 100 100 100 100 100 Py.(HF (n) 3 2 1 3 3 2 récupéré 2467 1 76 TABLEAU I (Suite) r 7*3 31 *3 Essai 13 14 15 16 17 3 18 t Fluoration. Solvant CH C3 CH C3 CH Ct3 CH2C.2 CH2Ct2 CH2Ct2 SC.2 mole (A) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 HF/Py 1 1 1 3 3 3 (rapport mol ire) Py.(HF) 0,92 I 0,92 0,92 0,92 0,2 0,1 mole (B) (B)/(A) 4,6 4,6 4,6 4,6 1,0 0,5 Température de réaction ( C) 30 30 30 -10 30 30 Durée de réaction (h.) 2 2 2 3 3 3 Rendement (%) 91 91 91 5 15 4 Réaction d'échange i deH7! E deH, ii Equivalent de i 2 X 2 X 2 HF à Py.HCe 6 4! 2 - - - (m) i Rendement en Py.(HF) 100 1 60 16 - - M Séparation de HF i Utilisation de NaF NaF NaF NaF - Rendement (%) 100 100 1O00 - Py.(HF)n (n) n 1 - - - récupéré I I i I 2 4 6 7 1 7 6 TABLEAU II Quinoléine: QIl d -picoline:c -PIL Triéthylamine: TEA Pyridine: Py Essai 1920 21 22 23 24 Fluoration Solvant Nature C 2Ct3F 3 C2CCL3F3 CH2C2 X 4 X 5 2 33233 2 33 2 2 * 4 * 5 Quantité (1) 0,5 0,5 0,4 0,5 SCG2 mole(A) 1 1 1 1 1 1 AM HF/Am QIL QIL doPIL TEA Py Py (rapport molaire) 2 4 3 2 3 4 Am.(HF) n2 6 4 4 5,4 6,8 moles(B) (B) / (A) 2 6 4 4 -5,4 6,8 Température de réaction ( C) 40 40 40 40 40 40 Durée de réaction3 3 3 3 3 3 (h.) Rendement(%) 94 90 91 92 92,5 91,0 il TABLEAU III Essai 25 26 27} 28 29 1 - 1 1 - Fluoration Solvant Nature C2CtF 3F3 CCF X 6 X 6 C2Ct3F3 Quantité (1) 0,6 0,5 0,6 0,6 0,5 SC2 mole (A) 1 1 1 1 1 CL2moles 1 2 1 1 1 Am HF/Am Py Py Py QIL d-PIL (rapport molaire) 2 3 3 3 2 Am (HF) 4 6 6 6 4 moles (B) (B)/2(A) 2 3 3 3 2 Température de réaction ( C) 40 40 40 40 40 Durée de réaction (h.) 3 3 3 3 3 Rendement (%) 93 95 92 93 91 TABLEAU III (Suite) X 1 Solvant mixte CH2CL2 et CCt2.FCCtF2 dans un rapport molaire de 1:1. X 2 On n'effectue aucun essai d'échange de HCt et du stade suivant en raison de la faiblesse du rendement. X 3 Références. X 4 Solvant mixte de 30 moles % de CH2C2 et 70 moles % de CC2.FCF2 (0,58 litre). x 5 Solvant mixte de 60 moles % de CH2C 2 et 40 moles % de CC 2.FCCF2 (0,54 litre). X 6 Solvant mixte de 0,3 litre de CH2Ct2 et 0,3 litre de CCt2.FCCLF2. x 7 On produit le chlorure de soufre en mettant en suspension du soufre en poudre dans un solvant et en introduisant du chlore en présence d'iode à une concentration de 200 ppm. Essai 30 31 32 Fluoration Solvant Nature CH2Cj2 C2Ci3F3 C2C13F3 Quantité (1) 0,6 0,6 0,5 sct2 mole (A) 1 X 7 1 X 7 Ct2 moles 1 2 2 Am HF/Am TEA QIL y (rapport molaire) 2,5 3 3 Am (HF) 8 3 3 moles (B) (B)/2(A) 4 1,5 1,5 Température de 40 40 40 réaction ( C) Durée de réaction (h.) 3 3 3 Rendement (%) 92 93 Notes: REVENDICATIONS 1.- Procédé de production de tétrafluorure de soufre, caractérisé en ce qu'il consiste à- faire réagir un complexe amine/acide fluorhydrique de formule: Am. (HF)n dans laquelle Am représente une amine et n est un nombre de 1 à 4, avec du dichlorure de soufre ou avec du chlore et du soufre ou encore du monochlorure de soufre, en l'absence ou en présence d'un solvant. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit l'amine dans le groupe comprenant les amines aliphatiques tertiaires, les amines aromatiques hétérocycliques contenant de l'azote et leurs dérivés. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solvant est un solvant organique qui est inerte vis-à-vis des réactifs présents dans le système de réaction. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le solvant organique est un hydrocarbure halogéné. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'hydrocarbure halogéné est au moins l'un des composés choisis parmi le chlorure de méthylène, le trichlorotrifluoréthane, le fluorotrichlorométhane, le chloroforme et le tétrachlorure de carbone. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'hydrocarbure halogéné est un mélange de chlorure de méthylène et de trichlorotrifluoréthane. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport molaire du chlorure de méthylène au trichlorotrifluoréthane dans le solvant est compris entre 20 à 80 % de chlorure de méthylène pour 80 à 20 % de trichlo- rotrifluoréthane. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le rapport molaire du soufre, monochlorure de soufre et di- chlorure de soufre au complexe amine/acide fluorhydrique, à titre d'amine, est dans l'intervalle allant de 1 et 10. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que la quantité totale de solvant est de 10 à 200 % en volume par rapport au total du solvant et desréactifs. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on effectue la réaction à une température de O à 60 C. 11.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amine est la pyridine. 12.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amine est la picoline, la quinoléine, la triméthylamine ou la triéthylamine.