Brevet FR2507179A1 — publié le 19821210

La présente invention concerne un procédé pour produire des acides carboxyliques à partir de fluorures d'acyle formés par carbonylation. Plus particulièrement, l'invention concerne la formation d'acides carboxyliques par hydrolyse de fluorures d'acyle formés à partir de monoxyde de carbone, d'acide anhydre et d'un composé orga- nique ayant une ou plusieurs doubles liaisons et/ou d'esters. L'art antérieur, tel que le brevet britannique n' 942 367, souligne la nécessité de systèmes catalytiques acides aqueux pour produire un acide carboxylique par carbonylation de composés ayant une ou plusieurs doubles liaisons ou d'esters suivie d'une hydrolyse du produit réactionnel avec un excès d'eau pour produire des acides carboxyliques Dans ces procédés, le milieu acide aqueux est corrosif et un appareillage coteux est nécessaire Les problèmes de l'art antérieur sont résolus par le procédé ici décrit de formation d'acides carboxyliques. On forme des acides carboxyliques, par exemple l'acide isobutyrique, par hydrolyse avec une quantité d'eau inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire pour réagir avec la totalité du fluorure d'acyle, par exemple le fluorure d'isobutyryle, pour former l'acide carboxylique et régénérer l'acide anhydre, c'est-à-dire l'acide fluorhydrique. Le fluorure d'acyle est formé par réaction du monoxyde de carbone, d'acide fluorhydrique anhydre et d'un composé organique capable de réagir avec le monoxyde de carbone et l'acide anhydre, par exemple le propylène, dans des conditions telles qu'il se forme un fluorure d'acyle par exemple le fluorure d'isobutyryle Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, on sépare du mélange hydrolysé une partie ou la totalité de l'acide carboxylique, par exemple l'acide isobutyrique et le reste du mélange hydrolysé, après qu'on en a séparé une partie ou la totalité de l'acide carboxylique (constituée par exemple d'acide fluorhydrique, de fluorure d'isobutyryle n'ayant pas réagi et d'acide isobutyrique non séparé), et recyclé pour réagir avec le composé organique (par exemple le propylène) pour former une nouvelle quantité de fluorure d'acyle (par exemple de fluorure d'isobu- tyryle). Le nouveau procédé de l'invention pour produire un acide carboxylique à partir d'un fluorure d'acyle comprend un stade d'hydro- lyse d'un mélange constitué d'un fluorure d'acyle formé par la réaction du monoxyde de carbone, d'acide fluorhydrique anhydre et d'un composé organique ici décrit avec une quantité d'eau inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire pour hydrolyser en acide carboxylique la totalité du fluorure d'acyle contenue dans le mélange On effectue cette réaction dans des conditions telles que l'acide carboxylique se forme et que l'acide soit régénéré comme décrit ici. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, le procédé comprend de plus un ou plusieurs stades qui consistent à: séparer 1 à 100 % de l'acide fluorhydrique anhydre du mélange hydrolysé et recycler 1 à 100 % de l'acide anhydre séparé pour qu'il réagisse avec le monoxyde de carbone et le composé organique ici décrit pour former une nouvelle quantité du mélange constitué du fluorure d'acyle et de l'acide anhydre. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le procédé peut comprendre un stade consistant à: séparer 1 à 100 X de l'acide carboxylique du mélange hydrolysé et recycler 1 à 100 % du mélange d'hydrolyse restant après qu'on en ait séparé l'acide carboxy- lique, pour qu'il réagisse avec le monoxyde de carbone et le compos 6 organique ici décrit pour former une nouvelle quantité du mélange contenant le fluorure d'acyle produit. Les composés réagissants utilisés pour former le fluorure d'acyle peuvent provenir d'une source quelconque mais ils doivent être exempts de matières nuisibles gênant le procédé ici décrit La quantité totale d'eau dans le mélange réactionnel à hydrolyser doit être infé- rieure à la quantité stoechiométrique d'eau nécessaire pour réagir avec la totalité du fluorure d'acyle formé. Le monoxyde de carbone peut provenir d'une source quelconque mais il est de préférence essentiellement dépourvu d'eau de façon que les conditions réactionnelles soient maintenues essentiellement anhydres Le monoxyde de carbone peut être dilué par d'autres substances ne gênant pas la réaction Par exemple, on peut utiliser un gaz de synthèse ou un gaz de combustion secs On préfère utiliser le monoxyde de carbone sec lui-même. Les composés organiques sont ceux qui sont capables de réagir avec le monoxyde de carbone et l'acide fluorhydrique anhydre; c'est-à-dire qui se carbonylent pour former un fluorure d'acyle, tel que par exemple les esters organiques décrits ici ou les composés organiques ayant au moins une double liaison capable de se carbonyler en un fluorure d'acyle décrit ici. Les esters organiques sont représentés par la formule générale R C O R', dans laquelle R représente un radical alkyle ayant jusqu'à 20 atomes de carbone tels que méthyle, éthyle, dodécyle, eicosanyle De préférence le radical alkyle est un radical méthyle, éthyle, propyle ou isopropyle, et tout particulièrement éthyle ou isopropyle R' représente unradical alkyle ayant 2 à 20 atomes de carbone tel qu'éthyle, propyle, tert-butyle, dodécyle, eicosanyle. De préférence R' est un radical éthyle ou isopropyle et mieux isopro- pyle. Lorsqu'on utilise un ester organique dans le procédé décrit ici, on peut utiliser l'un quelconque des esters indiqués ici. On préfère cependant utiliser l'isobutyrate d'isopropyle (méthyl-2 propionate de propanol-2), l'isobutyrate d'éthyle (méthyl-2 propionate d'éthanol), le propionate d'isopropyle (propionate de propanol-2) ou le propionate d'éthyle (propionate d'éthanol) et on préfère particuliè- rement utiliser l'isobutyrate d'isopropyle ou le propionate d'éthyle. Des exemples des composés organiques ayant au moins une double liaison capable de former un fluorure d'acyle (carbonylation en un fluorure d'acyle) que l'on peut utiliser dans le procédé décrit ici, sont les oléfines ayant jusqu'à 20 atomes de carbone telles que l'éthylène, le propylène, les butènes, le butadiène-1,3 et le dodécène. Les oléfines peuvent être substituées par des substituants alkyles, aryles ou cycloalkyles ou autres ne gênant par le procédé ici décrit. De plus, les oléfines peuvent avoir dans leur molécule des doubles liaisons multiples ne gênant pas le procédé décrit ici, comme c'est le cas du butadiène-l,3 Les oléfines préférées sont l'éthylène, le propylène, l'isobutène, le butène-l, le butène-2 et le butadiène-l,3 et on préfère tout particulièrement l'éthylène et le propylène. Bien que tous les composés organiques décrits ici puissent être utilisés dans le procédé décrit ici, on préfère cepen- dant particulièrement le propylène. L'acide fluorhydrique utilisé dans le procédé préféré, pour préparer le fluorure d'acyle décrit ici, doit être pratiquement dépourvu d'eau, c'està-dire anhydre Le terme "anhydre" utilisé ici et dans les revendications indique que l'acide fluorhydrique est essentiellement dépourvu d'eau, c'est-à-dire contient moins de 2 000 parties par million d'eau ou que, si de l'eau est présente, elle ne gêne pas la réaction de formation de l'anion acyle. La réaction du monoxyde de carbone avec un composé orga- nique décrit ici et l'acide fluorhydrique anhydre décrit ici peut s'effectuer à des températures comprises entre 00 C à 1000 C, la tempé- rature supérieure étant déterminée par la formation de sous-produits. Pour la réaction entre les composés réagissants préférés décrits ici, la température peut être comprise entre 40 'C et 80 'C, mais elle est de préférence d'environ 600 C La pression du monoxyde de carbone peut varier entre 1 bar et environ 408 bars mais, généralement, elle est comprise entre 34 bars et 340 bars et de préférence entre 102 bars et 136 bars, la pression étant accrue à la demande pour dissoudre le monoxyde de carbone dans l'acide anhydre et pour accroître la produc- tivité du réacteur. Le rapport molaire de l'acide anhydre au composé organique décrit ici doit être de 1/1 à 100/1 mais,généralement, il est de 10/1 à 20/1 et de préférence d'environ 15/1 Le rapport molaire du monoxyde de carbone au composé organique décrit ici est de 1/1 à 5/1 ou plus mais de préférence il est de 1,5/1 à 1/1 et correspond à la limite de saturation du monoxyde de carbone dans le mélange réactionnel pendant la réaction et à la fin de la réaction. La totalité du monoxyde de carbone et de l'acide anhydre, c'est-à-dire l'acide fluorhydrique anhydre, que l'on fait réagir avec le composé organique doit être mélangée totalement avant le contact avec le composé organique ici décrit, par exemple le propylène, puis on fait réagir rapidement le composé organique en mélangeant avec le monoxyde de carbone et l'acide préalablement mélangés Généralement, la réaction, selon la pression et la température, se produit en quelques minutes pour former un fluorure d'acyle, par exemple le fluorure d'isobutyryle Le composé organique lui-même peut être dilué par du monoxyde de carbone ou des diluants inertes, par exemple le propane, avant la réaction avec l'acide anhydre. La réaction peut être effectuée dans un réacteur semi- continu, un réacteur à écoulement en bloc, un réacteur à contre-mélange ou un autre réacteur connu de l'homme de l'art, mais le réacteur préfé- ré est un réacteur à écoulement en bloc. La réaction d'hydrolyse du fluorure d'acyle, par exemple le fluorure d'isobutyryle et de l'eau, peut se produire à des tempé- ratures comprises entre 20 'C et 150 'C à des pressions de 1 bar à 340 bars, mais normalement elle se produit à des températures de 40 'C à 70 'C et sous des pressions de 6,8 bars à 204 bars La température et la pression sont fixées pour éviter la décomposition des produits désirés et pour faciliter la séparation du produit. On préfère que les composés réagissants soient agités pendant l'hydrolyse Dans de nombreux cas, lorsqu'on effectue un mélange rapide, la réaction d'hydrolyse avec la régénération concur- rente de l'acide anhydre, c'est-à-dire HF, peut s'achever en quelques secondes à quelques minutes. La caractéristique critique de la réaction d'hydrolyse est le maintien du rapport molaire de l'eau au fluorure d'acyle produit en dessous de 1/1, la quantité totale d'eau réagissant avec le mélange constitué du dérivé anionique d'acylium devant être inférieure à la quantité d'eau nécessaire pour que la totalité du fluorure d'acyle se transforme en acide carboxylique. La quantité totale d'eau peut être injectée dans le mélange contenant le composé acylé, mais de préférence l'eau est ajoutée en quantités partielles dans le mélange contenant le fluorure d'acyle Le stade d'hydrolyse est exothermique et un refroidissement peut donc être nécessaire Le mélange peut également contenir du monoxyde de carbone, le composé organique n'ayant pas réagi, de l'acide fluorhydrique anhydre et de l'acide carboxylique De préférence, le mélange contient l'acide fluorhydrique anhydre, en particulier lorsque le fluorure d'acyle est le fluorure d'isobutyryle Lors de l'hydrolyse du fluorure d'isobutyryle, le rapport de la quantité d'acide fluorhy- drique anhydre au fluorure d'isobutyryle est compris dans la gamme de 0, 01 à 95,5 parties en poids d'acide fluorhydrique anhydre (AFH) à 99 j 09 à 4,5 parties en poids de fluorure d'isobutyryle (FIB), mais de préférence entre 10,0 à 90,0 parties en poids d'AFH à 90 à 10 parties en poids de FIB La quantité d'acide fluorhydrique anhydre dans le mélange est tributaire de l'efficacité opératoire du procédé et de la facilite de 'éparation de l'acide fluorhydrique anhydre du mélange produit contenant le fluorure d'acyle, par exemple le fluorure d'isobutyryle, l'acide fluorhydrique et le monoxyde de carbone. Apres l'achèvement de la réaction d'hydrolyse qui dépend des conditions réactionnelles comme il est connu de l'homme de l'art, on sépare du mélange produit par la réaction d'hydrolyse 1 à 100 % de l'acide carboxylique formé De préférence, on sépare 80 à 100 % de l'acide carboxylique et on recycle le reste du mélange d'hydrolyse produit pour qu'til réagisse à nouveau avec les composés réagissants pour produire une nouvelle quantité de fluorure d'acyle Le courant recyclé peut contenir du monoxyde de carbone et/ou de l'acide anhydre et/ou le composé organique n'ayant pas réagi et/ou le fluorure d'acyle non hydrolysé. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on sépare du mélange d'hydrolyse 1 à 100 % (de préférence 80 à 100 %) de l'acide fluorhydrique anhydre que l'on recycle dans la réaction pour former une nouvelle quantité de fluorure d'acyle Le courant recyclé peut contenir de petites quantités du fluorure d'acyle non hydrolysé non séparé et/ou d'acide carboxylique et/ou du composé organique n'ayant pas réagi. On peut effectuer la séparation selon un procédé connu quelconque de séparation tel que la distillation ou l'extraction par solvant. L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs suivants. On utilise le mode opératoire suivant pour étudier l'hydro- lyse du fluorure d'isobutyryle avec 90 moles % de la quantité stoechio- métrique d'eau nécessaire pour hydrolyser la totalité du fluorure d'iso- butyryle en acide isobutyrique dans des conditions semi-adiabatiques. 07179 Dans un réacteur de Parr de 2 1 en Hastelloy C muni d'un système d'introduction d'eau (on emploie de l'azote à 34 bars absolus), d'un thermomètre raccordé à un enregistreur continu de la température et d'un agitateur à moteur pneumatique tournant à 1 000 tr/min, on introduit une quantité pesée d'acide fluorhydrique anhydre et de fluorure d'isobutyryle (maintenus à la température d'un bain de glace carbonique et d'acétone) Après le chargement, on porte les composés réagissants du réacteur à la température choisie et on met en marche l'enregistreur de température On injecte ensuite la quantité pesée d'eau ( 90 % en poids de la quantité stoechiométrique nécessaire à la réaction de la totalité du fluorure d'isobutyryle). La température initiale de l'eau est la température ordinaire Après achèvement de l'hydrolyse, on analyse le mélange par chromatographie gazeuse A partir de l'enregistrement de la température en fonction du temps, on note les élévations de température Généralement, la première est attribuée à la chaleur de mélange et la seconde à la réaction d'hydrolyse. EXEMPLE I On hydrolyse un mélange de 57,6 g d'acide fluorhydrique anhydre ( 10 %/a en poids) et 464,9 g de fluorure d'isobutyryle ( 90 % en poids) à 26,80 C par injection de 83,0 g d'eau (à 2 10 C) La tempe- rature du mélange réactionnel s'élève à 52,40 C, puis se refroidit en 27 S à 440 C, puis s'élève de façon exponentielle à 1230 C en 49 s On observe deux phases au début de l'hydrolyse, mais non à la fin La réaction est complète; l'analyse montre la formation uniquement d'acide isobutyrique. EXEMPLE II On hydrolyse un mélange de 25,5 g d'acide fluorhydrique anhydre ( 5 % en poids) et 488,9 g de fluorure d'isobutyryle ( 95 % en poids) à 24,10 C avec 87,1 g d'eau à 21 'C On observe une élévation de température de 13, 50 C Après 20 min, lorsqu'on n'observe plus d'élévation de température, on chauffe le réacteur par l'extérieur à 510 C et on observe une seconde élévation de température avec une variation de température de 780 C pendant un intervalle de 99 s La réaction est complète et l'analyse montre qu'il ne s'est formé que de l'acide isobutyrique. Z 507179 EXEMPLE III On hydrolyse un mélange de 51,6 g ( 10 % en poids) d'acide fluorhydrique anhydre et 464,5 g ( 90 7 en poids) de fluorure d'iso- butyryle à 220 C par addition de 83,2 g d'eau (à 21 'C) pendant une période de 25 s Dans ces conditions, on n'observe pas d'élévation de température due au mélange Au contraire, la température s'élève régulièrement de 220 C à 1040 C et on observe que la réaction d'hydro- lyse est limitée par la vitesse d'addition de l'eau ce qui indique. donc que le mode préféré d'addition del'eau consiste à l'ajouter à la vitesse à laquelle l'hydrolyse se produit La réaction est complète et l'analyse montre uniquement la formation d'acide isobutyrique. L'énergie thermique expérimentale calculée est d'environ 39,8 k J/g d'acide isobutyrique formé. EXEMPLE IV On peut utiliser le procédé continu suivant pour produire de l'acide isobutyrique selon le procédé ici décrit. On utilise un réacteur à écoulement en bloc pour former de l'acide isobutyrique à partir du propène Ce réacteur est constitué d'un tube de 12 m ayant un diamètre intérieur de 12,7 mm avec une section de prémélange d'environ 1,5 m et muni de points d'injection à des intervalles de 1,5 m et d'un dispositif de chauffage On effectue la réaction de carbonylation à 50 C et sous 192 bars avec du propène, de l'acide fluorhydrique anhydre et du monoxyde de carbone dans un rapport molaire de 1,0/14/1,3, à un débit de 1,52 kg/h On injecte l'acide fluorhydrique anhydre et le monoxyde de carbone dans la section de prémélange o ils sont mélangés intimement et on injecte le propène dans le mélange de l'acide fluorhydrique anhydre et du monoxyde de carbone à des intervalles de 1,5 m, l'addition finale s'effectuant à 9 m du début du réacteur Lorsque la réaction est achevée, aux points d'injection situés à 10,5 m, on injecte de l'eau dans le réacteur pour que l'hydrolyse se produise, de préférence à la vitesse à laquelle l'hydrolyse se produit et l'acide isobutyrique se forme La quantité d'eau injecté est inférieure à la quantité de fluorure d'isobutyryle formée Cette section du réacteur o l'hydrolyse se produit est maintenue à environ 1000 C sous une pression de 192 bars On sépare du mélange final produit l'acide isobutyrique et tous les produits lourds tels que les acides oligomères lourds (qui sont présents à moins de 3 % en poids) par distillation simple et on recycle le reste du fluorure d'isobutyryle, du monoxyde de carbone et de l'acide fluorhy- drique anhydre avec le monoxyde de carbone et l'acide fluorhydrique anhydre injectés, dans la section de prémélange du réacteur. Dans un autre mode de réalisation de la réaction continue, avant l'hydrolyse, on conduit le mélange produit contenant le fluorure d'acyle (fluorure d'isobutyryle) dans une unité de séparation o on élimine l'excès de monoxyde de carbone et 10 à 90 % de l'excès d'acide fluorhydrique anhydre et on les recycle tandis que le reste du mélange produit, qui contient de préférence 10 parties en poids d'acide fluorhydrique anhydre pour 90 parties en poids de fluorure d'isobuty- ryle, est hydrolysé comme décrit ici, l'hydrolyse étant suivie d'une séparation de l'acide isobutyrique et d'un recyclage du mélange produit restant constitué de fluorure d'isobutyryle n'ayant pas réagi et d'acide fluorhydrique anhydre. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour produire un acide carboxylique à partir d'un fluorure d'acyle produit caractérisé en ce qu'il comprend: l'hydrolyse d'un mélange constitué d'un fluorure d'acyle avec une quantité d'eau inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire pour hydrolyser en acide carboxylique la totalité du fluorure d'acyle du mélange dans des conditions telles que l'acide fluorhydrique se forme et que l'acide soit régénéré à partir de l'anion; ledit fluorure d'acyle étant formé par la réaction de monoxyde de carbone, d'acide fluorhydrique anhydre et d'un composé organique capable de réagir avec le monoxyde de carbone et l'acide fluorhydrique anhydre, dans des conditions telles qu'un fluorure d'acyle se forme; le composé organique étant choisi parmi le groupe constitué par ( 1) un ester représenté par la formule générale R C O R', dans laquelle R représente un radical alkyle ayant jusqu'à 20 atomes de carbone et R' représente un radical alkyle ayant 2 à 20 atomes de carbone et ( 2) une oléfine ayant jusqu'à 20 atomes de carbone et au moins une double liaison capable de former un dérivé anionique d'acylium; la température d'hydrolyse étant comprise entre 20 C et C et les pressions entre 1 bar et 340 bars; et le rapport de l'acide fluorhydrique anhydre au fluorure d'acyle étant compris dans la gamme de 0,01 à 99,5 parties en poids d'acide fluorhydrique anhydre à 99,09 à 4,5 parties en poids du fluorure d'acyle. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé organique est un ester choisi parmi l'isobutyrate d'isopro- pyle, l'isobutyrate d'éthyle, le propionate d'isopropyle et le propio- nate d'éthyle. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé organique est un ester choisi parmi l'isobutyrate d'isopro- pyle et le propionate d'éthyle. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé organique est une oléfine ayant jusqu'à 20 atomes de carbone et au moins une double liaison capable de former un fluorure d'acyle. 5 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'oléfine est choisie parmi l'éthylène, le propylène, l'isobutène, le butène-1, le butène-2 et le butadiène-1,3. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oléfine est l'éthylène. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oléfine est le propylène et le fluorure d'acyle est le fluorure d'isobutyryle. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la quantité d'eau ajoutée est comprise entre 70 et 99 % de la quantité de fluorure d'isobutyryle. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la quantité initiale d'acide fluorhydrique anhydre dans le mélange à hydrolyser est comprise entre 9 et 90 parties en poids et la quantité initiale de fluorure d'isobutyryle dans le mélange à hydrolyser est comprise entre 10 et 90 parties en poids. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que 80 à 100 % de l'acide carboxylique formé sont séparés du mélange produit et le reste du mélange produit compre- nant l'acide fluorhydrique anhydre est recyclé pour réagir à nouveau avec le monoxyde de carbone et le composé organique pour former une nouvelle quantité de fluorure d'acyle.