Brevet FR2463769A1 — publié le 19810227

-1- Les esters carboniques cycliques de diols vicinaux sont bien connus dans la technique et peu- vent être préparés en faisant réagir les chlorhydrines correspondantes avec du bicarbonate de sodium sous une pression d'anhydride carbonique ou avec un carbonate de métal alcalin. De tels esters peuvent aussi être produits par la réaction entre des chlorhydrines vici- nales et la diéthylamine sous pression d'anhydride carbonique. Tous ces procédés exigent l'utilisation d'une quantité stoechiométrique d'une base. Une autre voie pour la préparation d'esters carboniques cycliques d'alcoylène fait intervenir la réaction entre un alcoylène époxyde et l'anhydride carbonique à haute pression en phase liquide en pré- sence d'un catalyseur. Des catalyseurs typiques sont, par exemple, des halogénres d'ammonium quaternaire, des hydroxydes d0ammonium quaternaire, le bicarbonate de sodium, des résines échangeuses d'ions, des compo- sés bis-(aminoéthoxy)étain et des hydrocarbures cy- cliques pentagonaux ou hexagonaux polyhalogénés. Des procédés tels que les précédents exigent l'utilisation d'un alcoylène époxyde coOteux comme matière de départ pour la production des esters carboniques cycliques. Deux voies pour la production d'esters carbo- niques cycliques directement à partir d'oléfines ont été indiquées dans la documentation technique publiée. Selon le brevet des E.U.A. n 3 025 305, on fait réa- gir une oléfine, de l'anhydride carbonique et de l'o- xygène dans la phase liquide en présence d'un système catalytique à deux constituants. Un constituant du catalyseur est un sel ou un autre composé d'un métal -2- lourd et le deuxième constituant du catalyseur est un hydroxyde ou halogénure d'ammonium quaternaire. Selon le brevet des E.U.A. n 4 009 183, des esters carbo- niques cycliques sont produits par la réaction entre une oléfine, l'anhydride carbonique et l'oxygène en présence d'iode ou d'un iodure de métal et d'un oxy- dant comme du bioxyde de manganèse activé ou du ni- trite de sodium. Dans chacune de ces voies, la vitesse de formation de l'ester carbonique est petite. Dans la deuxième voie, une deuxième étape est nécessaire pour régénérer l'oxydant qui est utilisé en excès stoechio- métrique. La présente invention concerne la préparation d'esters carboniques cycliques dialcoylène et comprend la réaction dans une phase liquide d'une oléfine cy- clique ou linéaire ayant de 2 à 15 atomes de carbone avec l'anhydride carbonique à une température comprise entre 30 et 1600C, à une pression totale comprise entre 7 et. 140 kg/cm environ et à un pH compris entre 4 et 8 environ, de préférence entre 6 et 7 environ, en présence d'oxygène ou d'un gaz contenant de l'oxygène et d'une quantité catalytique d'un mélange (a) d'iode ou d'un iodure d'un métal choisi dans les groupes là, IB, ITA, IIB, VB, VIIB et VIII de la classification périodique des éléments, (b) d'un carbonate d'un métal choisi dans les groupes IB, IIA, IIB et VIII de la classification périodique des éléments, (c) d'un com- posé catalytique du fer et (d) d'un sel cuivrique ca- talytique soluble, et le recueil de l'ester carbonique cyclique d'alcoylène résultant. Le procédé selon la présente invention pro- duit-les esters carboniques cycliques d'alcoylène - avec une haute sélectivité à de grandes vitesses di- rectement à partir de l'oléfine correspondante en une seule étape sans les problèmes opératoires associés -3 - aux procédés de la technique antérieure. Selon la présente invention, une oléfine cyclique ou linéaire ayant de 2 à 15 atomes est mise à réagir dans un autoclave ou dans tout autre réacteur tenant la pression avec de l'anhydride carbonique et de l'oxygène à température et pression élevées en pré- sence d'un catalyseur comprenant (a) de l'iode ou un iodure d'un métal choisi dans les groupes IA, IB, II&, IIB, VB, VIIB et VIII de la classification périodique des éléments, (b) un carbonate d'un métal choisi dans les groupes IB, IIÀ IIB et VIII de la classification périodique des éléments, (c) un composé catalytique du fer et (d) un sel cuivrique catalytique soluble. L'or- dre d'addition des corps en réaction, des catalyseurs, des solvants, etc., n'est pas critique et le procédé peut être mis en oeuvre de manière discontinue ou con- tinue. N'importe quelle oléfine cyclique ou linéaire ayant de 2 à 15 atomes de carbone peut être utilisée dans le présent procédé. De préférence, l'oléfine contient de 2 à 6 atomes de carbone environ et, d'une façon particulièrement préférable, l'oléfine est une a-oléfine, c est-à-dire contient une double liaison carbone-carbone terminale. L'éthylène, le propylène, les butylènes les pentènes, les hexènes et le cyclo- hexène sont des exemples d'oléfines-spécialement pré- férées. Les iodures de métaux qui peuvent être utili- sés dans le système catalytique pour le présent procé- dé sont choisis dans les groupes IA, IB, IIA, IIB, VB, VIIB et VIII de la classification périodique des élé- ments. Des iodures de métaux qui peuvent être utilisés sont, par exemple, l'iodure de lithium, l'iodure de sodium, l'iodure de potassium, l'iodure cuivreux, l'io- dure de calcium, l'iodure de magnésium, l'iodure de zinc, l'iodure de cadmium, l'iodure de vanadium, l'io- dure de manganèse, l'iodure de fer, l'iodure de co- balt, etc. La quantité d'iodure de métal qui peut être utilisée dans la présente invention est comprise en général entre 0,5 et 90 moles pour cent par rapport à l'oléfine en réaction. De préférence, la quantité d'iodure de métal à utiliser est comprise entre 15 et moles pour cent par rapport à l'oléfine utilisée. Les carbonates de métaux utilisés dans le mélange de constituants du catalyseur sont présents à raison de 5 à 50 moles pour cent environ, de préfé- rence à raison de 10 à 30 moles pour cent par rapport à l'oléfine utilisée. Des carbonates de métaux utili- sables dans le procédé selon la présente invention sont, par exemple, le dihydroxyde de carbonate cui- vrique, le carbonate de calcium, le carbonate de ma- gnésium, le carbonate de baryum, le carbonate de zinc, etc. L'utilisation d'un carbonate de métal comme par- tie intégrante du système catalytique a pour but de régler le-pH dans l'intervalle de 4 à 8, de préférence de 6 à 7, de manière que l'on obtienne une haute sé- lectivité en carbonate d'alcoylène. Dans les condi- tions de réaction, le carbonate de métal est régénéré in situ par la réaction de l'ion de métal correspon- dant avec l'anhydride carbonique. Pour que l'on obtienne une haute productivité, un composé du fer est nécessaire. Les composés du fer sont utilisés dans le mélange de constituants du cata- lyseur à raison d'environ 1 à 35 moles pour cent, de préférence à raison de 5 à 25 moles pour cent par rapport à l'oléfine utilisée. Des composés du fer utilisables dans le procédé selon l'invention sont, par exemple, l'iodure ferreux, les chlorures ferreux et ferrique, les bromures ferreux et ferrique, les nitrates ferreux et ferrique, les sulfates ferreux et -5ferrique, les oxydes ferreux et ferrique, l'oxyde hydraté de fer, etc. Comme montré par les exemples, l'addition d'un sel cuivrique soluble au système catalytique contenant le catalyseur au fer augmente la vitesse de réaction. Le sel cuivrique soluble est utilisé dans le mélange de constituants du catalyseur à rai- son d'environ 0,5 à 25 moles pour cent, de préférence à raison de 2 à 10 moles pour cent par rapport à l'o- léfine utilisée et des sels cuivriques utilisables dans le procédé selon la présente invention sont, par exemple, le bromure cuivrique, le chlorure cui- vrique, le perchlorate cuivrique, le nitrate cuivrique, le sulfate cuivrique, etc. Des solvants utilisables dans le procédé se- lon la présente invention pour former le milieu de réaction sont, par exemple, l'eau ou des mélanges d'eau et d'un solvant organique miscible avec l'eau. Des solvants organiques qui sont utilisables dans ce procédé sont, par exemple, l'acétonitrile, le N,N- diméthylformeamide, le dioxanne, lepropylène-1,2-diol, le sulfolane, l'alcool butylique tertiaire, le tétra- hydrofuranne, etc. Le rapport du volume de l'eau au volume du solvant organique que l'on peut utiliser n'est pas critique mais est compris de préférence entre 10:1 environ et 1:10 environ. D'une façon par- ticulièrement préférable, il est compris entre 5:1 environ et 1:5 environ. La température de réaction à laquelle le procédé peut tre mis en oeuvre peut varier entre 50 et 160 C environ. La température préférée est comprise entre 70 et 1400 C environ. La pression partielle d'anhydride carbonique à utiliser dans le procédé selon la présente invention variera généralement entre 1,05 et 70 kg/cm2 (abs.) -6- environ. La pression partielle préférée d'anhydride carbonique est comprise entre environ 7 et environ 49 kg/c2. L'anhydride carbonique liquide à 56 kg/cm2 abs. est aussi une particularité préférée de la pré- sente invention. La quantité d'oxygène à utiliser dans le pro- cédé selon la présente invention doit évidemment être au moins la quantité stoechiométrique nécessaire par rapport à l'oléfine de départ, mais un excès stoe- chiométrique d'oxygène peut être utilisé. Un léger excès stoechiométrique d'oxygène est utilisé de pré- férence dans le procédé selon la présente invention. L'oxygène peut être utilisé sous la forme d'oxygène pur, il peut être sous la forme d'un gaz contenant de l'oxygène comme l'air ou il peut être dilué avec un gaz inerte comme de l'azote, de l'argon, etc. La pression partielle d'oxygène qui peut être utilisée dans le procédé selon la présente invention varie de préférence entre la pression atmosphérique environ et environ 28 kg/cm 2abs., et elle est comprise d'une manière particulièrement préférable entre 3,5 et 14 kg/cm abs. environ. La pression partielle d'oxy- gène doit être réglée de manière à éviter la forma- tion de mélanges explosifs durant le cours de la réaction de carboxylation. La pression totale à utiliser dans le procé- dé selon la présente invention peut varier entre envi- ron 7 et environ 140 kg/cm2 rel. La pression totale préférée à utiliser dans le procédé selon la présente invention est comprise entée 56 et 112 kg/cm2 rel. environ. Les exemples suivants illustrent la présente invention, mais ne la limitent pas. -7- Exemple 1 Dans un autoclave en Hastelloy de 500 cm3 agité, on introduit 8,1 g d'iodure ferreux, 3,32 g de sulfate cuivrique, 9,24 g d'iodure de potassium, 11,14 g de carbonate de calcium, 30 cm de sulfolane, cm3 d'eau, 16,0 g de propylène, 42 kg/cm2 abs. d'anhydride carbonique et 4,6 kg/cm2 abs. d'oxygène. On chauffe le mélange réactionnel à 1200 C pendant heures. On ajoute de l'oxygène (0,7 kg/cm2 abs.) après chaque heure de réaction. Après refroidissement du mélange de réaction à 2500 C, on relâche lentement la pression. Le catalyseur solide est récupéré par filtration. On analyse le produit liquide par chroma- tographie en phase gazeuse. On mesure la présence de 73 mmoles de carbonate de propylène, de 59 mmoles de propylène-glycol, de 13 mmoles de propylène iodhydrines, de 12 moles d'acétone et de 3,0 mmoles de propanal. La productivité est de 0,213 mole par litre et par heure. Exemples 2 à 5 On effectue quatre essais en utilisant les mêmes conditions de réaction et les m8mes compositions catalytiques que dans l'exemple 1, à ceci près qu'on fait varier le cosolvant organique. Les résultats ex- périmentaux sont présentés dans le Tableau I. Comme on peut le voir d'après les résultats des exemples I à 5, l'utilisation d'un cosolvant or- ganique augmente la productivité par rapport à l'uti- lisation d'eau seulement. -8- Tableau I Essai n0 H20 (cm) Cosolvant organique (cM3) Néant NIN-di- méthyl- forma- mide Produits (mmoles) Carbonate de pro- pylène 42 66 Propylène-glycol 37 41 Propylène iodhydrines 8 17 Acétone 16 8 Propanal 2 1 Productivité 0,139 0,178 (moles/litre-heure) 4 5 120 dioxanne N-mé- thyl- pyrro- lidone 30 0,173 0,187 Exemple 6 Cet exemple montre que l'on augmente la pro- ductivité en réduisant de moitié la quantité de sol- vant utilisée dans l'exemple 1. Après 3,5 heures dans les m8mes conditions de réaction que dans l'exemple 1, la réaction de carboxylation par oxydation produit 47 mmoles de carbonate de propylène, 24 mmoles de pro- pylène-glycol, 13 mmoles de propylène iodhydrines, 12 mmoles d'acétone et 2 mmoles de propanal. La pro- ductivité est de 0,374 mole par litre et par heure. Exemple 7 Un accroissement de la quantité d'iodure de potassium utilisée dans l'exemple 3 la faisant passer de 9,24 g à 37,0 g augmente la production de carbonate de propylène. Après 3 heures, la réaction donne mmoles de carbonate de propylène, 4 mmoles de pro- pylène-glycol, 15 mmoles de propylène iodhydrines, 4 mmoles d'acétone et I mmole de propanol. La produc- tivité est de 0,212 mole/litre-heure. -9 - Exemple 8 On effectue un essai dans les conditions de réaction de l'exemple I en l'absence de sulfate cui- vrique et de sulfolane. La réaction donne 48 mmoles de.carbonate de propylène, 6 mmoles de propylène- glycol, 15 mmoles de propylène iodhydrines, 5 mmoles d'acétone et 2 mmoles de propanal. La productivité est de 0,101 mole/litre-heure. Dans une comparaison de l'exemple 2 avec l'exemple 8, l'addition de sulfate cuivrique au système catalytique augmente la vitesse de réaction. Exemples 9 à 10 On effectue une série d'essais en utilisant les catalyseurs indiqués ci-dessou4our déterminer la production de carbonate de propylène par la carbo- xylation de propylèneo Les conditions de réaction sont sensiblement les m8mes que celles utilisées dans l'exemple i. Les résultats expérimentaux sont présen- tés dans le Tableau II. -10- TABLEAU Il Essai n0 Charge (mmoles) Propylène FeI2 Cu(N03)2- 3H20 CuS04. 5H20 LiI CaI2 CaCO5 CuCO3. Cu(OH)2 H20/sulfolane (ml) Produits (mmoles) carbonate de propylène propylène-glycol propylène iodhydrines acétone propanal Productivité (mole/1 h) 27,8 ,3 Néant ,7 Néant Néant ,7 /néant 0,135 Exemple 11 On répète le mode opératoire expérimental de l'exemple 8, à ceci près qu'on charge initialement 14 kg/cm abs. d'oxygène. La réaction de carboxylation par oxydation produit 72 mmoles de carbonate de propy- lène, 11 mmoles de propylène-glycol, 1 mmoles de propylène iodhydrines, 7 mmoles d'acétone et 2 mmoles de propanal. La productivité est de 0,144 mole/litre- heure. Exemple 12 On utilise le mode opératoire expérimental de l'exemple 11, à ceci près que le carbonate de cal- cium est omis et que la température de réaction est de 100 C. La réaction de carboxylation par oxydation donne 12 mmoles de carbonate de-propylène, 46 mmoles de propylène iodhydrines, 5 mmoles d'acétone, 5 mmoles 27,8 Néant 13,3 Néant 27,8 111,3 Néant /15 0,436 -11- de propanal. La productivité est de 0,089 mole/litre- heure. Exemple 13 Dans un autoclave en Hastelloy de 500 cm3 agité, on introduit 10,6 g d'iodure cuivreux, 9,24 g d'iodure de potassium, 6,15 g de dihydroxyde de carbo- nate cuivrique, 150 cm3 d'eau, 16,0 g de propylène, 42 kg/cm abs. d'anhydride carbonique et 14 kg/cm abs. d'oxygène. On chauffe le mélange réactionnel à 1200 C pendant 5 heures. Le traitement est sensiblement le même que décrit dans l'exemple 1. La réaction pro- duit 42 mmoles de cearbonate de propylène, 7 mmoles de propylène-glycol, 7 mmoles de propylène iodhydrines, 7 mmoles d'acétone, 2 mmoles de propanal et I mmole d'oxyde de propylène. La productivité est de 0,086 mole/litre-heure. Dans une comparaison de l'exem- ple 11 avec l'exemple 13, l'utilisation d'iodure fer- reux donne une productivité supérieure à celle obtenue en utilisant l'iodure cuivreux. - 2463769 -12- - REVENDICATIONS - 1 - Un procédé pour la préparation d'un ester carbonique cyclique d'alcoylène, caractérisé en ce, qu'on fait réagir dans une phase liquide une oléfine cyclique ou linéaire ayant de 2 à 15 atomes de carbone avec l'anhydride carbonique à une température comprise entre 30 et 1600C, à une pression totale comprise entre 7 et environ 140 kg/cm2 rel. et à un pH compris entre et 7 environ en présence d'oxygène ou d'un gaz con- tenant de l'oxygène et d'une quantité catalytique d'un mélange (a) d'iode ou d'un iodure d'un métal choisi dans les groupes ILA, IB, IIA, IIB, VB, VIIB et VIII de la classification périodique des éléments, (b) d'un carbonate d'un métal choisi dans les groupes IB, IIA, IIB et VIII de la classification périodique des éléments, (c) d'une quantité catalytique d'un composé du fer et (d) d'un sel cuivrique catalytique soluble et on recueille l'ester carbonique cyclique d'alcoy- lène désiré. 2 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oléfine est du propylène. 3 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que (a) est choisi dans le groupe constitué par l'iode, l'iodure de lithium, l'iodure de sodium, l'iodure de potassium, l'iodure cuivreux, l'iodure de calcium, l'iodure de magnésium, l'iodure de zinc, l'iodure-de cadmium, l'iodure de vanadium, l'iodure de manganèse, l'iodure de fer et l'iodure de cobalt. 4 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que (a) est présent à raison de 0,5 à 90 moles pour cent par rapport à l'oléfine en réac- tion. -1 - - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que (b) est choisi dans le groupe constitué par le dihydroxyde de carbonate cuivrique, le carbonate de calcium, le carbonate de magnésium, le carbonate de baryum et le carbonate de zinc. 6 - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que (b) est présent à raison d'environ à 50 moles pour cent par rapport à l'oléfine en ré- action. 7 - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la pression totale est comprise entre 56 et 112 kg/cm rel. environ. 8 - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que (c) est choisi dans le groupe constitué par l'iodure ferreux, les chlorures ferreux et ferrique, les bromures ferreux et ferrique, les nitrates ferreux et ferrique, les sulfates ferreux et ferrique, les oxydes ferreux et ferrique et l'oxyde ferrique bhydratéS 9 - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que (b) est présent à raison de I à moles pour cent environ par rapport à l'oléfine en réaction. - Un procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que (d) est choisi dans le groupe constitué par le bromure cuivrique, le chlorure cui- vrique, le perchlorate cuivrique, le nitrate cuivrique et le sulfate cuivrique. 11 - Un procédé selon la revendication 1, ca- >O ractérisé en ce que (d) est présent à raison de 0,5 à moles pour cent par rapport à l'oléfine en réac- tion.