Brevet FR2489816A1 — publié le 19820312

Procédé d'hydroxylation des hydrocarbures aromatiques. La présente invention concerne un procédé perfectionné pour l'hydroxylation des hydrocarbures aromatiques, ledit procédé étant réalisé en faisant réagir l'hydrocarbure concerné avec du peroxyde d'hydrogène en présence de zéolites synthé- tiques. L'hydroxylation directe des hydrocarbures aromatiques avec le peroxyde d'hydrogène est connue depuis longtemps, et est effectuée en présence d'un catalyseur qui est généralement choisi parmi les sels de métaux de transition. Toutefois, une telle réaction présente quelques défauts parmi lesquels les plus courants sont les suivants - faible sélectivité vis-à-vis du peroxyde d'hydrogène à cause de la décomposition partielle de celui-ci par les ions métalliques; - faible sélectivité vis-à-vis des hydrocarbures ayant réagi,due aux réactions de couplage des radicaux organiques intermédiaires; - dans le cas particulier du phénol, à vrai dire, les biphénols qui sont formés sont davantage sujets à l'oxydation que le phénol lui-même, ce qui inévitablement conduit à une diminution considérable de la conversion. Il est également connu d'utiliser, pour effectuer la réaction entre un hydrocarbure aromatique et le peroxyde d'hy- drogène, un alumino-silicate acide qui a été soit dopé, soit partiellement modifié par des éléments des terres rares (brevet US n' 3 580 956). L'utilisation de telles matières catalytiques, même en admettant qu'elle améliore les rendements des procédés mentionnés ne permet pas toutefois de compenser totalement la production d'une quantité considérable de sousproduits inutiles, dont la présence a un comportement négatif sur les résultats finals et sur le coût de tout le cycle de traitement. Les auteurs de la présente invention ont maintenant découvert, et c'est là le sujet de la présente invention, qu'il est possible de lier des groupes hydroxyles aux noyaux aroma- tiques en faisant réagir l'hydrocarbure aromatique concerné avec 248981& du peroxyde d'hydrogène sans qu'il se produise les inconvénients mentionnés ci-dessus, en conduisant la réaction en présence de zéolites synthétiques qui contiennent des hétéro-atomes aussi bien remplacés qu'échangés. Les matières zéolites qui peuvent être utilisées dans le procédé de la présente invention peuvent Jetre choisies par exemple parmi celles révélées dans la demande de brevet française n0 79 16000. Cette demande décrit une matière synthétique com- posée de silice cristalline modifiée par la présence des éléments qui entrent dans le réseau cristallin de la silice afin d'y remplacer quelques atomes de silicium. Les éléments modificateurs sont choisis parmi Cr, Be, Ti, V, Mn, Fe, Co, Zn, Zr, Rh, Ag, Sn, Sb et B. Ladite demande concerne également les procédés qui permettent d'obtenir ces matières synthétiques et on y fait référence ici en vue d'en examiner minutieusement les détails nécessaires ainsi que pour mieux comprendre la structure de la matière concernée. En revenant maintenant au procédé d'hydroxylation qui est le sujet de la présente demande, il est important de rap- peler l'ensemble des avantages extraordinaires dans la réali- sation du procédé, en utilisant des zéolites synthétiques, qui repose sur la possibilité de diriger la même réaction vers la formation d'un produit plutôt qu'un autre en choisissant sim- plement une certaine zéolite modifiée. Ainsi, par exemple, dans le cas de l'hydroxylation du phénol, une matière synthétique est utilisée qui est cristalline, poreuse et composée d'oxyde de silicium et d'oxyde de titane, et l'utilisation de cette matière permet qu'un mélange d'hydro- quinone et de pyrocatéchol puisse être obtenu dans un rapport égal ou supérieur à 1. La réaction entre l'hydrocarbure aromatique et le peroxyde d'hydrogène est effectuée à une température choisie entre 80'C et 1200C, en présence de l'hydrocarbure seul ou également en présence d'un solvant permettant au moins la mis- cibilité partielle avec le peroxyde d'hydrogène. Ainsi l'eau, le méthanol, l'acide acétique, l'isopropanol et l'acétonitrile peuvent être utilisés. Les substrats hydrocarbonés qui peuvent être traités selon la présente invention sont 1l phénol, le toluène, l'anisol les xylènes, le mésitylène, le benzène, le nitrobenzène, l'éthylbenzène et l'acétanilide. Le procédé pour préparer le silicalite de titane (silice cristalline modifiée par du titane) comprend la préparation d'un mélange réactionnel constitué par des sources d'oxyde de sili- cium et d'oxyde de titane et, éventuellement, d'un oxyde alca- lin, d'une base organique azotée et de l'eau, ayant une compo- sition dans un rapport molaire des réactifs telle que définie jusqu'ici. La source d'oxyde de silicium peut être un tétra-alkyl- orthosilicate, de préférence un tétra-éthylorthosilicate, ou simplement, une silice colloïdale, ou encore un silicate d'un métal alcalin, de préférence Na ou K. La source d'oxyde de titane est un composé de titane hydrolisable choisi de préférence parmi Ti C14, Ti 0 C12, et Ti (alkoxy)4, de préférence Ti(OC2H5)4. La base organique est un hydroxyde de tétra-alkylammo- nium, en particulier un hydroxy&e de tétra-propylammonium. Le mélange réactionnel est soumis à un traitement hydro- thermique dans un autoclave à une température comprise entre et 200 C sous sa propre pression, pendant une durée de 1 à 50 heures, jusqu'à ce que les cristaux du précurseur sili- calite de titane soient formés. Ces cristaux sont séparés de la solution mère, lavés soigneusement à l'eau et séchés. A l'état anhydre, ils ont la composition suivante: x Ti 02. (1-x)SiO2.N 0, 04 (RN+)2. Les cristaux précurseurs sont chauffés pendant 1 heure à 72 heures, à l'air, à 150'C, afin d'éliminer complètement la base organique azotée. Le sili- calite de titane final a la composition: x Ti 02. (l-x) Si 02, dans laquelle x est défini comme ci-dessus. Le procédé pour préparer les autres silices cristallines modifiées est le même que celui pour le silicalite de titane. La présente invention est illustrée par les exemples descriptifs et non limitatifs ci-après. Préparation de silices cristallines modifiées par du titane. Exemple 1 Cet exemple illustre la préparation de silicalite de titane avec un degré élevé de pureté. 455 g de tétraéthylorthosilicate sont placés dans un récipient en verre pyrex muni d'un agitateur et maintenu sous une atmosphère exempte de gaz carbonique et 15 g de tétraéthyl- titanate sont ajoutés, puis progressivement on ajoute 800 g d'une solution à 25 % en poids d'hydroxyde de tétrapropylam- monium (exempt d'alcali minéral). Le mélange est maintenu sous agitation pendant environ 1 heure puis on commence à,chauffer soigneusement afin d'accélérer l'hydrolyse et d'évaporer l'al- cool éthylique qui est libéré. Au bout d'environ 5 heures à 80-90'C, l'alcool est complètement éliminé. Le volume est augmenté à 1,5 litre avec de l'eau distillée, et la solution homogène opalescente est transférée dans un autoclave en titane équipé d'un agitateur. Le mélange est chauffé à 1750C, et on conserve l'agitation à cette température, sous sa pression propre, pendant une durée de 50 heures. Quand le traitement est fini, l'autoclave est refroidi, le contenu est déchargé, et la masse de cristaux fins obtenue est récupérée. Cette masse est soigneusement lavée plusieurs fois sur un filtre, avec del'eau distillée chaude. Le produit est ensuite séché puis calciné à 550'C pendant 6 heures. Exemple 2 Cet exemple montre la préparation de silicalite de titane en utilisant du peroxytitanate de tétrapropylammonium comme source d'oxyde de titane. Les pertitanates sont connues pour être stables dans les solutions fortement basiques. grammes de tétraéthyltitanate sont hydrolysés en les immergeant lentement dans 2,5 litres d'eau distillée, tout en agitant. On obtient une suspension gélatineuse blanche. Cette suspension est refroidie à 50C et 1, 8 litre de peroxyde d'hydrogène à 30%, également refroidi à 50C, est ajouté, ensuite l'agitation est éventuellement maintenue pendant 2 heures tout en maintenant -la température basse. On obtient une solution de teinte orangée claire. A ce moment, 2,4 litres d'une solution aqueuse à 25% d'hydroxyde de tétrapropylammonium refioidie au préalable à 5 C sont ajoutés. Au bout d'une heure, 500 g de silice colloïdale "Ludox" contenant 40 % de Si 02 sont ajoutés, le mélangeage est effectué soigneusement et le mélange est laissé au repos toute une nuit à la température ordinaire. Le mélange est finalement chauffé tout en agitant à 70-80 C pendant 6 à 7 heures. Le mélange ainsi obtenu est transféré dans un autoclave et les opérations décrites dans l'exemple 1 sont ensuite effectuées. Exemple 3: Un ballon de 250 ml est chargé avec 52 g de phénol (0,5532 mole), 0,5 g de silicalite de titane et 10 ml d'H202 à 33% (0,0988 mole) ajoutés goutte à goutte. La réaction est conduite à une température de 120 C et pendant une durée de 90 minutes. Les résultats, tels que déterminés par chromatographie en phase gazeuse, donnent 8,586 % en poids de pyrocatéchol plus hydroquinone avec un rapport du pyrocatéchol à l'hydro- quinone égal à 0,9;2,2% en poids de sous produits, rendement sur le peroxyde d'hydrogène égal à 50 %, sélectivité égale à % relativement aux produits utiles. Exemple 4: Le procédé est le même que dans l'exemple 3, mais la température est alors de 100 C. Dans ce cas, le rendement sur H202 est de 53%. Exemple: Un réacteur de 10 litres est chargé avec 5.000 g de phénol, 392 g d'H202 à 60%, 900 ml d'eau, 50 g de silicalite de titane et la réaction est effectuée à 1000 C. Les résultats sont: Taux d'hydroquinone par rapport au mélange pyrocatéchol + hydroquinone = 57,53 %. Rendement sur H202 = 53,3 %. Sous produits: 21 %. Exemple 6: Un ballon de 100 ml est chargé avec 0,25 g de silicalite de titane, 26 ml de toluène, 1 ml d'H202 à 60% et le mélange est chauffé au reflux (aussi en présence d'un acide). Au bout de 3 24898 1 à 5 heures, il s'est séparé 350 mg d'ortho-et de para-crésol, le produit principal étant le para-crésol (75 % du total). Exemple 7: 1,5 g de zéolite, 50 ml de toluène, 10 ml d'H202à 36 %, 0,8 ml de H2SO4 sont charges dans un ballon de 100 ml et chauffés au reflux. On obtient 1. 100 mg d'ortho-et de para-crésol avec un rapport égal à celuide l'exemple 6. Exemple 8: Le procédé est le même que pour l'exemple 3 mais en utilisant une quantité équivalente de silicalite de fer avec ml d'eau et en maintenant la température de la réaction à 100 C. On obtient 5,393 g de pyrocatéchol plus hydroquinone avec 70 % de pyrocatéchol. En utilisant comme catalyseur le silicalite de chrome ou le silicalite de vanadium, on obtient un rapport du pyrocatéchol à l'hydroquinone égal à 60: 40. Exemple 9: Un réacteur en verre cylindrique, réglé par thermostat à 100 C, est chargé avec 80 ml d'anisole, 5 ml d'eau et 4 g de silicalite de titane, après quoi, on introduit goutte à goutte tout en agitant énergiquement et pendant 30 minutes, ml d'H202 à 36% (équivalent en volume à 106 millimoles H202). Au bout d'une heure et demie à 100 C, H202 semble avoir été éliminé. Par l'analyse en chromatographie en phase gazeuse on trouve 2,144 g de galacol en même temps que 4,712 g d'hydro- quinone-monométhyl-éther. Le rendement par rapport à H202 est de 52,16 % avec un rapport en isomères ortho: para égal à 0,455, équivalent à 3],33 % d'isomère ortho et 68,7 % d'isomère para. Exemple 10: Un réacteur, comme dans l'exemple 9, est chargé avec ml de triméthylcarbinol et 20 ml de nitrobenzène; 10 ml d'H202 à 36 % (poids/volume) sont ajoutés goutte à goutte à C tout en agitant énergiquement. Au bout de 3 heures, l'H202 est éliminé et on identifie par chromatographie à phase gazeuse 3,871 g d'ortho-nitrophénol, 0,752 g de méta-nitrophénol et 2,516 g de para-nitrophénol. Le rendement par rapport à H202 est de 48,45 % avec une proportion d'isomères ortho: méta: para de 5,15: 1: 3,35. 24898'16 Exemple 11: Un ballon de 250 ml à 3 tu1ulures, comportant un réfri- gérant et un agitateur, est chargé avec 2,5 g de silicalite de titane, 50 ml de toluène et 50 ml de triméthylcarbinol. On y ajoute ensuite 15 ml d'H202 à 36%. Une fois la réaction terminée, ce qui demande environ 3 heures, on obtient un rendement, par rapport à H202, de 20 % et la répartition des isomères du crésol est de 12 % pour l'ortho, 7,5 % pour le méta et 8],5 % pour le para. Exemple 12: Un réacteur de 800 ml à trois tubulures, équipé d'un réfrigérant et d'un agitateur, est chargé avec 100 ml de méthyl- isobutyl-carbinol, 20 g de silicalite de titane et 20 ml d'H202 à 36 % ajoutés goutte à goutte. On obtient 6,5 g de crésols et l'isomère para prédomine à raison de 82 %. Exemple 13: Dans un ballon de 500 ml, muni d'un réfrigérant, on ajoute à 100 ml de toluène, 100 ml de diéthylcarbonate (sous agitation), 25 ml d'eau et 10 g de silicalite de titane. Au système qui est en équilibre thermique, on ajoute goutte à goutte 20 ml d'H20 à 36%. On obtient 4,2 g de crésols avec la 2 2- répartition suivante: 55 % d'ortho-crésol, 13 % de méta- crésol et 32 % de para-crésol. Exemple 14: Un ballon de 500 ml est chargé avec 20 g de silicalite de titane, 100 ml de méthyl-isobutyl-cétone, 150 ml de toluene et 40 ml d'eau. On y ajoute lentement pendant 2 heures environ ml d'H202 à 36%. On obtient 15,3 g de crésols avec une sélec- tivité de 72 % pour l'isomère para. Exemple 15: Un ballon de 500 ml est chargé avec 150 ml de toluène, ml de méthylisobutyl-cétone, 40 ml d'eau et 20 g de silica- lite de titane. A cette suspension, on ajoute 25 ml d'H202 à 36% tout en maintenant la température à 900C. On obtient 8,5 g de para-crésol, 1,2 g de méta-crésol, 1,9 g d'ortho-crésol avec un rendement, par rapport à H202 de 21 %. 100 ml de cette solution sont distillés et 4,2 g de crésols sont obtenus avec la répartition suivante des isomères: 73,2 % de para- crésol, ,34 _% d'isomère méta et 16,46 % d'isomère ortho. Exemple 16:! Un ballon de 250 ml est chargé avec 50 ml de méthyl- isopropyl-cétone, 70 ml de toluène, 20 ml d'eau et 10 ml d'H202 à 36 % (ajoutés lentement), 10 g de silicalite de titane. On obtient 5,5 millimoles d'ortho-crésol (13,7 %), 3,2 milli- moles de méta-crésol (8,3 %) et 31,2 millimoles (78 %) de para-crésol, le rendement par rapport à H202 étant de 41 %. Exemple 17: 10 g du m8me catalyseur que-dans l'exemple 16, traités au préalable avec H3P04, et calcines à 550 C, sont placés dans un réacteur de 500 ml en même temps que 75 ml de toluene, 50 ml de méthylisobutyl-cétone et 20 ml d'eau. On ajoute 10 ml d'H202 à 35%. On obtient 0,712 g d'ortho-crésol (14,5 %), 0,53 g de méta-crésol (10,8 %) et 3,7 g de para-crésol (75 %) avec un rendement, par rapport à H202, de 45 %. Exemple 18: Un réacteur de 10 litres, équipé d'un réfrigérant et d'un agitateur, est chargé avec 4.890 g de phénol, 920 g d'eau déminéralisée et 50 g de silicalite de titane. Le mélange est chauffé à 98 C. Quand le système atteint son équilibre thermique, on ajoute au moyen d'une pompe doseuse 576 g d'H202 à 60 %. Une fois la réaction terminée, on obtient 603 g de pyrocatéchol + hydroquinone, correspondant à 5,486 moles de phénol, avec un rendement, par rapport à H202, de 54 % et une sélectivité en hydroquinone de 55 %, le résidu goudronneux étant inférieur à % et la sélectivité pour le phénol étant 75 % à 80 %.- Contrairement à ce qu'on attendait, les goudrons formés pendant la réaction ne réagissent pas avec l'hydroquinone et le pyrocatéchol déjà formés. En fait, des essais de rectification du mélange réactionnel ont confirmé, par analyse pondérale, les résultats mentionnés ci-dessus. Exemple 19: Un réacteur de 10 litres, comme pour l'exemple précé- dent, est chargé avec 4.255,8 g de phénol, 813 g d'eau et 42 g de silicalite de titane. Quand le système atteint son équilibre thermique, on ajoute 675,2 g d'H202 à 60 %. Au bout de 3 heures de réaction, on obtient 250 g de pyrocatéchol, 318 g d'hydro- quinone et 157 g de sous-produits goudronneux. Cette solution est rectifie. La rectification est ef- fectuée en traitant 4.775 g de produit brut de la façon suivante L'eau azéotropique est chassée par distillation en opérant sous un vide de 319 millibars à 122 C (température de la chaudière). On recueille 1.088 g de distillat. La solution est refroidie à 60 C, le vide est ramené à 133 milli- bars et le phénol est distillé jusqu'à 126 C (température de la chaudière) . Le distillat est de 2.269,65 g tandis que le résidu dans la chaudière est de 1.411,21 g. 1.356 g du résidu sont charges dans la chaudière de la colonne de rectification; le phénol est recueilli à la sortie jusqu'à 213 C (température de la chaudière) et sous 202 mil- libars, puis le pyrocatéchol, jusqu'à 244 C (température de la chaudière) et sous 226 millibars puis l'hydroquinone jusqu'à 260 C (température de la chaudière) et sous 206 millibars. Par analyse en chromatographie en phase gazeuse des diverses fractions qui ont été recueillies, on obtient 256,56 g de pyrocatéchol, 326,5 g d'hydroquinone et 162 g d'un résidu goudronneux. Exemple 20: Un réacteur de 250 litres, équipé d'un agitateur et d'une colonne pour diminuer les vapeurs, est chargé avec 170 kg de phénol, 24 kg d'eau, le silicalite de titane et 21,5 kg d'H202 à 60%, ce dernier étant ajouté par une pompe doseuse quand la température du système atteint 1000 C. Une fois la réaction terminée, on obtient 11,22 kg de pyrocatéchol, 13,99 kg d'hydroquinone et 5,387 kg de sous- produits goudronneux. Le rendement, par rapport à H202, estte 60,4 %. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'hydroxylation des hydrocarbures aromatiques par le peroxyde d'hydrogène, caractérisé par le fait qu'on fait réagir lesdits composés en présence de zéolites synthétiques qui contiennent des hétéroatomes aussi bien remplacés qu'échangés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réaction d'hydroxylation est effectuée à une température comprise entre 80 C et 120 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réaction est effectuée en présence de l'hydro- carbure seul ou en présence d'un solvant qui permet au moins une miscibilité partielle dudit hydrocarbure avec le peroxyde d'hydrogène. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le solvant est choisi parmi l'eau, le méthanol, l'acide acétique, l'isopropanol et l'acétonitrile. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'hydrocarbure aromatique est choisi'dans le groupe constitué par le phénol, le toluène, l'anisole, les xylènes, le mésitylène, le benzène, le nitrobenzène, l'éthylbenzène et acetanilide. -