Brevet FR2496644A1 — publié le 19820625

PROCEDE DE PREPARATION DE L'ANHYDRIDE ACETIQUE La présente invention a pour objet un procédé de préparation de l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle. Il est bien connu que l'anhydride acétique peut être produit par carbonylation de l'acétate de méthyle, dans des conditions relativement sévères de pression en présence de complexes du nickel de formule [A4 M]2 Ni X4 dans laquelle X représente un atome de brome ou d'iode, M un atome de phosphore ou d'azote, A étant, par exemple, un radical alkyle inférieur. (Cf. brevet des ETATS UNIS D'AMERIQUE n0 2 729 651) Ces complexes, obtenus par réaction d'halogénures de nickel et d'halogénures de phosphonium ou d'ammonium quaternaire, peuvent être engagés sous cette forme dans la réaction en cause, ou bien ils peuvent être formés in situ. Toutefois, l'efficacité de ce type de procédé est faible malgré les hautes pressions mises en oeuvre. Des travaux plus récents (cf. la demande de brevet britannique n0 2 007 666) ont montré que des conditions sensiblement plus douces peuvent être mises en oeuvre lors de la carbonylation de l'acétate de méthyle en présence de nickel, d'iode (ou d'un composé de l'iode) et d'un promoteur choisi parmi les composés organiques des éléments trivalents du groupe de l'azote; des quantités non-négligeables d'anhydride acétique peuvent alors être obtenues sous réserve que les deux conditions ci-après soient simultanément remplies: - l'iode (ou le composé de l'iode) doit être engagé dans une proportion telle que la fraction d'iode qui n'est chimiquement liée ni avec le nickel ni avec le promoteur soit d'au moins 0,2 mole (en iode élémentaire) à la fois par mole de composé du nickel et par mole de promoteur. - la réaction en cause doit être effectuée dans un acide carboxylique aliphatique comme solvant. De l'examen des techniques antérieurement proposées, il ressort qu'il serait souhaitable de pouvoir produire efficacement l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle en présence d'un système catalytique à base de nickel sans faire appel à des solvants organiques étrangers au milieu réactionnel, tout en opérant dans des conditions de pression relativement douces. Il serait également très souhaitable d'améliorer la productivité du système catalytique à base de nickel. Il a maintenant été trouvé qu'il est possible de préparer efficacement l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle en présence d'un système catalytique à base de nickel, en l'absence de solvants étrangers au milieu réactionnel, ledit milieu ne renfermant alors que la matière de départ, le système catalytique et, le cas échéant, des quantités plus ou moins importantes du produit de la réaction. La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation de l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle en milieu anhydre, en phase liquide, en présence d'une quantité efficace de nickel, d'iodure de méthyle, d'un iodure d'ammonium quaternaire ou de phosphonium quaternaire et d'un sel de lithium, le milieu réactionnel renfermant, initialement, le cas échéant, de l'anhydride acétique. Le procédé selon l'invention nécessite la présence d'une quantité efficace de nickel. N'importe quelle source de nickel peut être mise en oeuvre dans le cadre du présent procédé. On peut introduire le nickel sous sa forme métallique (nickel RANEY, par exemple) ou sous toute autre forme commode. A titre d'exemples de composés du nickel susceptibles d'être utilisés pour la mise en oeuvre du présent procédé, on peut citer: le carbonate, l'oxyde, l'hydroxyde, les halogénures, en particulier l'iodure, les carboxylates, en particulier l'acétate, de nickel. Néanmoins, lorsqu'on charge un sel de nickel, on peut observer une période d'induction plus ou moins longue et, de ce fait, on peut être amené à préférer l'emploi de composés dû nickel zéro tels que le nickel tétracarbonyle et le bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle. Bien entendu,les spécialistes seront à même de déterminer les formes appropriées des composés du nickel et ils verront, naturellement que la forme précise sous laquelle le nickel est introduit dans le milieu réactionnel n'est pas fondamentale, en particulier dans le cadre d'un procédé continu. La quantité de nickel n'est pas critique. La teneur en nickel qui a une influence sur la vitesse de réaction est déterminée en fonction de la vitesse de réaction que l'on estime convenable, compte tenu des autres paramètres de la réaction. De manière générale, une quantité comprise entre 5 et 2000 milliatomes-grammes de nickel par litre de solution conduit à des résultats satisfaisants. On opère de préférence avec une teneur comprise entre 20 et 1000 milliatomes-grammes de nickel par litre. La mise en oeuvre de la présente invention nécessite également la présence dans le milieu réactionnel d'iodure de méthyle. Il n'est pas nécessaire de charger au départ ce composant du système catalytique et on peut faire appel, par exemple, à de l'iode libre, à de l'acide iodhydrique, à un iodure d'alkyle, différent de l'iodure de méthyle, ou à un iodure d'acyle. Comme les spécialistes le savent l'iode et ces types de composés iodés peuvent être considérés comme des précurseurs de l'iodure de méthyle dans la réaction en cause. En général, l'iodure de méthyle est présent dans le milieu réactionnel à raison de 1 à 100 moles et, de préférence, à raison de 5 à moles par atome-gramme de nickel se trouvant dans ledit milieu. Le système catalytique, mis en oeuvre dans le cadre du présent procédé, comprend également un iodure d'ammonium quaternaire ou de phosphonium quaternaire. La nature précise de ces iodures n'est pas fondamentale et le choix parmi ces composés est davantage orienté par des considérations d'ordre pratique telles que la disponibilité, la commodité d'emploi et la solubilité dans le milieu réactionnel, milieu qui, comme celà a déjà été précisé, est exempt de solvant organique étranger. A ce titre, la Demanderesse préconise l'utilisation d'iodures d'ammonium ou de phosphonium quaternaire dont les cations sont représentés respectivement par les formules (I) et (Il) ci-après R+(R2)3 (I R1P+(R2)3 (II) dans lesquelles R1 et R2, identiques ou différents, représentent des radicaux alkyles linéaires ayant au maximum 4 atomes de carbone, R2 pouvant en outre représenter un radical phényle, tolyle ou xylyle. A titre d'exemples d'iodures d'ammonium quaternaire, convenant à la mise en oeuvre du présent procédé, on peut citer les iodures de tétraméthylammonium, triéthylméthylammonium, tributylméthylammonium, tributyl(n-propyl)ammonium, tétraéthylammonium et de tétrabutylammonium. A titre d'exemples d'iodures de phosphonium quaternaire convenant à la mise en oeuvre du présent procédé, on peut citer les iodures de méthyltriphénylphosphonium, d'éthyltriphénylphosphonium,de méthyltrixylylphosphonium et de méthyltributylphosphonium. Bien entendu, ce type de composés, dont la présence est nécessaire à la mise en oeuvre de la présente invention, peut être formé in situ à partir de l'amine ou de la phosphine correspondante introduite, le cas échéant, sous la forme d'un complexe de nickel tel que le bis(triphénylphosphine) nickel dicarbonyle, et d'un iodure d'alkyle. Si on choisit ce mode opératoire, il conviendra de charger outre l'amine (ou la phosphine) en cause, la quantité d'iodure d'alkyle (le cas échéant, d'iodure de méthyle) nécessaire à sa quaternisation de telle sorte que cette transformation in situ ne se produise pas au détriment de l'iodure de méthyle dont la présence dans le milieu réactionnel est également nécessaire. On peut faire usage de mélanges de tels composés. En général, ces composés sont présents dans le milieu réactionnel en quantité telle que le rapport atomique du phosphore et/ou de l'azote au nickel soit compris entre 0,2 et 50 et, de préférence, entre 0,2 et 20. De manière avantageuse, ce rapport est compris entre 0,5 et 10. Les iodures de phosphonium quaternaire conviennent plus particulièrement bien à la mise en oeuvre du présent procédé. Selon le procédé, objet de la présente invention, il est essentiel que le système catalytique renferme un sel de lithium. La nature précise de l'anion de ce sel n'est pas fondamentale et à titre d'exemples de sels de lithium utilisables dans le cadre du présent procédé, on peut citer: l'hydroxyde, le chlorure, le bromure, l'iodure, le carbonate et le nitrate de lithium ainsi que les carboxylates de lithium renfermant au maximum 12 atomes de carbone. Parmi- ces sels, l'iodure, le carbonate et les carboxylates de lithium conviennent particulièrement bien à la mise en oeuvre de la présente invention. On utilise, de préférence, un carboxylate de lithium ayant au maximum 5 atomes de carbone, l'acétate de lithium s'avérant particulièrement efficace. En général, on utilise un (ou plusieurs) sel(s) de lithium en quantité telle que le rapport atomique du lithium au nickel soit compris entre 1 et 100, bien que des quantités inférieures ou supérieures puissent être mises en jeu. De bons résulats sont obtenus pour un rapport atomique Li/Ni compris entre 2 et 25. Le système catalytique défini ci-avant se révèle particulièrement efficace pour préparer l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle, en phase liquide, sans faire appel à des solvants étrangers au milieu réactionnel. Il a été également trouvé, de manière tout à fait inattendue, que l'anhydride acétique (produit de la réaction) non seulement n'inhibe pas la réaction de carbonylation en présence du système catalytique en cause, mais tend à favoriser le bon déroulement de celle-ci. Ainsi, dans le cadre d'un mode d'exécution avantageux du présent procédé on opèrera sur un mélange d'acétate de méthyle et d'anhydride acétique dans lequel l'anhydride acétique représentera de l'ordre de 10 à 90 % en volume et, de préférence, de l'ordre de 20 à 80 % dudit volume. Lorsque la réaction sera conduite en discontinu, on aura tout avantage à introduire dès le départ la quantité souhaitée d'anhydride acétique et lorsque la réaction sera exécutée en continu il conviendra de régler le débit des diverses matières à l'entrée et à la sortie de la zone réactionnelle de telle sorte que la quantité voulue d'anhydride acétique soit présente dans la zone réactionnelle. Dans ce dernier cas, il peut s'avérer utile de recycler une partie de l'anhydride acétique produit, dans la zone de réaction. Comme indiqué en tête du présent mémoire, la réaction est conduite en phase liquide sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. En général, on opère sous une pression totale supérieure à bars; il n'est pas utile d'atteindre 700 bars. Pour une bonne mise en oeuvre de l'invention, une pression totale de 25 à 200 bars est préconisée. La température de réaction est généralement supérieure à 1400C, sans qu'il soit nécessaire d'atteindre 300 C. De bons résultats sont obtenus dans la gamme de températures allant de 160 à 2200C. On met en oeuvre, de préférence, du monoxyde de carbone sous forme essentiellement pure, tel qu'il se présente dans le commerce. Toutefois, la présence d'impuretés telles que du dioxyde de carbone, de l'oxygène, du méthane et de l'azote peut être tolérée. La présence d'hydrogène n'est pas nuisible, même en des proportions relativement importantes. En fin d'opération, l'anhydride acétique obtenu est séparé des autres constituants du milieu réactionnel par tout moyen approprié, par exemple par distillation. Les exemples ci-après illustrent l'invention sans toutefois en limiter le domaine ou l'esprit. Les conventions suivantes sont utilisées ci-après RR (%) désigne le nombre de moles d'anhydride acétique produites pour 100 moles d'acétate de méthyle chargées. Pr désigne la productivité en grammes d'anhydride acétique par heure et par litre du milieu réactionnel initial. EXEMPLE 1: Dans un autoclave en Hastelloy B2 et de 125 ml de capacité, on introduit: - 25 ml d'acétate de méthyle - 20 ml d'anhydride acétique - 89 mMol d'iodure de méthyle - 4 mAt-g de nickel sous forme de bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle, - 12 mMol d'iodure de méthyltriphénylphosphonium, et - 100 mMol d'acétate de lithium. Après fermeture de l'autoclave, on établit une pression de 40 bars de monoxyde de carbone. L'agitation par un système de va-et-vient est mise en route et l'autoclave est porté à 1800C, en 25 minutes environ, au moyen d'un four annulaire. La pression dans l'autoclave est maintenue constante et égale à 70 bars par alimentation continue de monoxyde de carbone. Après 2 heures de réaction à la température indiquée, les résultats obtenus sont les suivants RR (%) = 60 Pr = 190. Essai témoin (a): On reproduit l'exemple 1 ci-avant en l'absence d'acétate de lithium. Les résultats obtenus sont les suivants RR (%) = 15 Pr =48. La comparaison entre ces résultats et ceux obtenus dans l'exemple 1 montre que la présence d'un sel de lithium permet de multiplier la quantité d'anhydride acétique par un facteur de l'ordre de 4. EXEMPLE 2 Dans un autoclave et selon le mode opératoire décrits ci-avant on réalise un essai sur une charge constituée de - 25 ml d'acétate de méthyle - 20 ml d'anhydride acétique - 90 mMol d'iodure de méthyle - 4 mAt-g de nickel sous forme de bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle, - 12 mMol d'iodure de méthyltriphénylphosphonium et de - 50 mMol de carbonate de lithium. Les résultats obtenus en 2 heures de réaction à 1800C et sous une pression totale de 90 bars sont les suivants RR (%) = 56 Pr = 175. EXEMPLE 3: On reproduit l'exemple 2 ci-avant en remplaçant le carbonate de lithium par 40 mMol d'iodure de lithium et en ne chargeant que 79 mMol d'iodure de méthyle. Les résulats sont les suivants: RR (%) = 46 Pr = 145. EXEMPLE 4: Dans un autoclave et selon le mode opératoire décrits ci-avant on réalise un essai sur une charge constituée de: - 25 ml d'acétate de méthyle ml d'anhydride acétique - 96 mMol d'iodure de méthyle - 4 mAt-g de nickel sous forme de bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle, - 12 mMol d'iodure de méthyltriphénylphosphonium et de - 40 mMol d'acétate de lithium. Les résultats obtenus en 2 heures de réaction à 180 C et sous une pression totale de 70 bars comprenant 20 bars de pression partielle d'hydrogène sont les suivants: RR (%) = 45 Pr = 145. EXEMPLE 5: Dans un autoclave et selon le mode opératoire décrits ci-avant on réalise un essai sur une charge constituée de: - 25 ml d'acétate de méthyle ml d'anhydride acétique - 80 mMol d'iodure de méthyle - 4 mAt-g de nickel sous forme de nickel tétracarbonyle - 20 mMol d'iodure de méthyltriphénylphosphonium et de - 40 mMol d'acétate de lithium. Les résultats obtenus en 2 heures de réaction à 180 C et sous une pression totale de 90 bars sont les suivants: RR (%) = 63 Pr =200. EXEMPLE 6: On reproduit l'exemple 5 ci-avant en divisant par 5 la quantité d'iodure de méthyltriphénylphosphine. Les résultats sont les suivants: RR (%) =66 Pr =210. Essai témoin (b): On reproduit l'exemple 5 ci-avant en l'absence d'iodure de méthyltriphénylphosphonium, la durée de réaction n'étant que de 1 h 30 mn. Les résultats obtenus sont les suivants: RR (%) = 6 Pr =25. EXEMPLES 7 à 13: Dans l'autoclave et selon le mode opératoire décrits pour l'exemple 1, on a réalisé une série d'essais sur une charge constituée de: ml d'acétate de méthyle, 20 ml d'anhydride acétique, 40 mMol d'acétate de lithium, d'iodure de méthyle, d'iodure de méthyltriphénylphosphontum et de bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle. Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus en 2 heures de réaction à C sont rassemblés dans le tableau ci-après, dans lequel PT désigne la pression totale et P+I 1 'iodure de méthyltriphénylphosphonium. +. - : N: Nickel: CH3I: P I PT: RR(%):Pr :: (mAt-g): (mMol): (mMol):(bars) : :: :: : _ _ : 7: 4: 35: 12:70 : 36:115: : 8: 2:85: 16:90: 40,5: 125: .: :.. :. : 9: 4:88: 12:70: 54:170: ::: :: :: :10: 8:95: 4:70: 59:190: ::::: :: : :11: 4: 160: 12 70: 62: 195: :: :: : : .: : 12: 4:89: il:90 : 65:210: :_:: _: : : 13: 4:88: 0:90 : 71:225: 30. il EXEfMPLE 14: Dans l'autoclave et selon le mode opératoire décrits pour l'exemple 1, on réalise un essai sur une charge constituée de: ml d'acétate de méthyle - 80 mMol d'iodure de méthyle - 4 mAt-g de nickel sous forme de bis(triphénylphosphine)nickel dicarbonyle, - 12 mMol d'iodure de méthyltriphénylphosphonium, et - 19,8 mMol d'acétate de lithium. Les résultats obtenus en 2 heures de réaction à 180 C et sous une pression totale de 70 bars sont les suivants: RR (%) = 19 Pr = 110. REVENDICATIONS ) Procédé de préparation de l'anhydride acétique par carbonylation de l'acétate de méthyle en milieu anhydre, en phase liquide, en présence d'une quantité efficace de nickel, d'iodure de méthyle, d'un iodure d'ammonium quaternaire ou de phosphonium quaternaire et d'un sel de lithium, le milieu réactionnel renfermant, initialement, le cas échéant, de l'anhydride acétique. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression totale est comprise entre 15 et 700 bars et, de préférence entre et 200 bars. ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température est comprise entre 140 et 3000C et, de préférence entre 160 et 2200C. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration du nickel est comprise entre 5 et 2000 milliatomes-gramme par litre de milieu réactionnel. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la concentration du nickel est comprise entre 20 et 1000 milliatomes-gramme par litre de milieu réactionnel. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'iodure de méthyle est présent dans le milieu réactionnel à raison de 1 à 100 moles par atome-gramme de nickel. ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'iodure de méthyle est présent dans le milieu réactionnel à raison de 5 à 50 moles par atome-gramme de nickel. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on opère en présence d'un iodure de phosphonium quaternaire. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport atomique du phosphore et/ou de l'azote au nickel est compris entre 0,2 et 50 et, de préférence entre 0,2 et 20. 13 2496644 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sel de lithium est un carboxylate ayant au maximum 12 atomes de carbone. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sel de lithium est l'acétate de lithium. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport atomique du lithium au nickel est compris entre 1 et 100. 130) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport atomique du lithium au nickel est compris entre 2 et 25. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on opère sur un mélange d'acétate de méthyle et d'anhydride acétique, l'anhydride acétique représentant 10 à % et de préférence de 20 à 80 % du volume de ce mélange.