Brevet FR2522322A1 — publié le 19830902

La présente invention conce me un procédé d'oxyda- tion catalytique d'hydrocarbures paraffiniques en alcools. Puisque les réserves de pétrole connues dans le monde s'épuisent plus vite que l'exploration ne situe de nou- velles réserves, on cherche de plus en plus d'autres sources à long terme de matières premières chimiques Le charbon, dont il existe de grandes réserves, et les gaz naturels, par exem- ple le méthane et l'éthane, qui sont relativement abondants et sont dans de nombreux cas brûlés actuellement à titre de sous-produits inopportuns de la production du pétrole, reçoi- vent tous deux de plus en plus d'attention à titre de sources potentielles de produits chimiques Une approche consiste à les transformer en un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène (gaz de synthèse) en utilisant une technologie bien connue, et à transformer ensuite par catalyse le gaz de synthèse en des hydrocarbures oxygénés, comme des alcools, des acides et des esters Une autre approche consiste à oxyder directement des hydrocarbures paraffiniques en des alcools dans des conditions ménagées C'est cette dernière approche que la présente invention concerne. On ne connait pas de systèmes chimiques qui soient des catalyseurs sélectifs d'hydroxylation dans les conditions ambiantes, mais l'on a observé que certaines enzymes donnent des réactions fortement spécifiques d'hydroxylation abou- tissant à des alcools terminaux De telles réactions se pro- duisent dans le foie sous l'influence du cytochrome P 450, enzyme contenant de la porphyrine Un pense que le trajet suivi par cette réaction implique un donneur d'hydrogène (Doi 12), de sorte qu'un atome d'oxygène de la molécule d'oxygène est incorporé dans l'alcane et l'autre dans une molécule d'eau selon l'équation globale: RH + 02 + Do H 2 ROH + H 20 + Do Le premier système de réactif à reproduire ce pro- cessus biologique vital a été celui de Udenfriend, Clark, Axelrod and Brodie décrit dans J Biol Chem, 1954, 208, 731. Dans ce système, on a utilisé un mélange de l'ion ferreux avec l'acide éthylène-diamine-tétra-acétique (EDTA) et de l'acide ascorbique dans un tampon de phosphate pour hydroxyler des À = composés aromatiques simples comme l'acétanilide L'addition de peroxyde d'hydrogène a augmenté la vitesse de la réaction. Des chercheurs ultérieurs ont modifié fortement les condi- tions, en omettant d'utiliser l'EDTA et l'acide ascorbique et en utilisant du peroxyde d'hydrogène au lieu de l'oxygène. I 1 est possible ainsi d'oxygéner le cyclohexane en cyclo- hqxanol et de transformer le benzène en du phénol Le système d'Udenfriend a également été modifié en laissant de côté l'EDTA et l'acide ascorbique, mais en maintenant l'oxygène comme oxydant Par exemple, Kimura et al (Chem Pharm Bull. 1972, 20, 1883) ont pu transformer l'acide désoxycholique en de l'acide 15-alpha-hydroxydésoxycholique en utilisant du sulfate ferreux dans un tampon d'hydrogéno-phosphate disodique. Mimoun et Roch (Tetrahedron 1975, 31, 777) ont utilisé du chlorure ferreux et de l'hydrazobenzbne avec 30 comme oxydant pour transformer le cyclohexane en cyclohexanol Ul Lrich (Z Naturforsch, 1969, 24 B, 699) a utilisé un système composé de l'ion ferreux et de l'acide thiosalicylique pour hydroxyler le cyclohexane et des composés aromatiques, en obtenant une sélectivité légèrement supérieure à celle des systèmes anté- rieurs Seto et al (Tet Letters, 1980, 2565) dans des expé- riences modèles destinées à montrer l'importance de la fixation de -SH ou de -S à l'atome de fer au centre de la molécule de porphyrine du cytochrome P 450, précédemment identifiée par des techniques spectroscopiques, a récemment oxygéné sélectivement de l'adamantane aux atomes d'hydrogène secondaire, avec un très petit rendement, en utilisant du (Fe Salen)20 avec du bêta hydroxyéthyl-mercaptan et de l'oxy- gène. I 1 vient d'être trouvé que l'on peut oxyder par voie catalytique des hydrocarbures paraffiniques en des alcools; avec un rendement bien supérieur à ce qui a jamais pu être obtenu jusqu'à présent, en utilisant du sulfure d'hydrogène comme donneur d'hydrogène en présence de fer élémentaire et d'un solvant Les avantages d'un tel système, par rapport aux systèmes antérieurs, sont que le soufre, produit par oxydation du sulfure d'hydrogène, constitue un coproduit intéressant pouvant être facilement réduit en sulfure d'hydrogène En outre, le fer que l'on utilise sous forme élémentaire est facilement récupéré du système en vue de sa réutilisation Il existe donc des possibilités de mise en oeuvre d'un procédé continu. Donc, la présente invention propose un procédé de production d'un alcool par l'oxydation catalytique d'un hydrocarbure paraffinique, procédé selon lequel on fait réagir l'hydrocarbure paraffinique avec de l'oxygène molécu- laire et du sulfure d'hydrogène en présence de fer élémentai- re et d'un solvant qui est l'acétone,la pyridine ou l'acide acétique ou est un mélange compatible de deux ou plusieurs solvants choisis parmi des bases azotées, l'eau et l'acétone. L'hydrocarbure paraffinique peut avantageusement être une paraffine linéaire, ramifiée ou cyclique, contenant 1 à 20 atomes de carbone De préférence, la paraffine est une paraffine linéaire ou ramifiée contenant 1 à 10 atomes de carbone ou est un mélange de telles paraffines Des paraf- fines convenables comprennent le méthane, l'éthane, le pro- pane, le butane, le pentane, l'hexane, l'heptane, le nonane et le décane On peut utiliser, si on le désire, des mélanges de paraffines comme ceux se trouvant naturellement dans des réserves de gaz naturel. L'oxygène moléculaire peut être de l'oxygène essen- tiellement pur ou bien il peut être dilué avec d'autres gaz, comme l'azote De préférence, on utilise l'oxygène sous forme d'air En variante, l'oxygène peut être engendré sur place si on le désire. Le sulfure d'hydrogène est de préférence engendré sur place par la réaction d'un sulfure convenable avec un acide convenable Des sulfures convenant particulièrement bien sont notamment le sulfure de lithium, le sulfure de sodium, le sulfure de calcium et le sulfure de fer En variante ou en outre, on peut utiliser des composés organi- ques contenant du soufre, par exemple des thio-urées Des acides convenables comprennent des acides minéraux aussi bien qu'organiques Des exemples d'acides minéraux convena- bles sont l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique Des exemples d'acides organiques convenables sont l'acide formique, l'acide acétique, l'acide tartrique et l'acide ascorbique. De préférence, on utilise un excès stoechiométrique de l'acide par rapport au sulfure de métal, en particulier lorsqu'on utilise des acides organiques En variante, le sulfure d'hydrogène peut être engendré à l'extérieur du mélange réactionnel. Le fer élémentaire est avantageusement présent en une-forme à grande surface spécifique de contact, par exemple sous forme particulaire ou sous forme de multifilaments De préférence, on utilise de la poudre de fer. Le solvant peut être un solvant unique choisi parmi l'acétone, la pyridine et l'acide acétique, ou bien un mélange compatible de deux ou plusieurs solvants choisis parmi des bases azotées, l'eau et l'acétone L'eau peut être particulièrement bénéfique dans certains cas Des bases azotées convenables comprennent la pyridine, l'imidazole et les alkylamines tertiaires, par exemple la triéthylamine. Des solvants préférés comprennent la pyridine, un mélange pyridine/imidazole et un mélange acétone/imidazole. Puisque la réaction implique à la fois une phase liquide et une phase solide, on peut utiliser un agent de transfert de phase Des agents convenables de transfert de phase sont des sels d'ammonium quaternaire comme des halogénures de tétra-alkylammonium Un agent de transfert de phase particulièrement utile est le bromure de tétrabutyl- ammonium. Le procédé peut être mis en oeuvre dans une gamme modérément large de températures Généralement, on trouvera convenables des températures se situant entre 0 et l DO O C La pression peut, de façon appropriée, être atmosphérique, mais l'on peut utiliser des pressions inférieures ou supérieures à la pression atmosphérique On préfère des pressions supé- rieures à la pression atmosphérique lorsqu'on utilise des alcanes gazeux Dans des réactions discontinues, le temps ou période de réaction peut avantageusement être inférieur à 25 heures et, de préférence, inférieur à 20 heures. La réaction peut être réalisée de manière discon- tinue ou continue, et elle est de préférence mise en oeuvre de façon continue. En plus d'un ou plusieurs alcools, il se forme géné- ralement des cétones dans la réaction Ce sont des produits également utiles Selon la nature de l'hydrocarbure paraffi- nique mis en réaction, il peut se former des alcools primai- res, secondaires et/ou tertiaires Les proportions relatives des divers constituants du produit vont dépendre d'un certain nombre de facteurs, parmi lesquels les conditions de réaction, la nature du solvant, la nature et la quantité de l'acide servant à engendrer le sulfure d'hydrogène, etc L'invention sera maintenant illustrée par référence aux exemples non limitatifs suivants. A Variation de l'acide Exemples 1 à 8 A 30 cm 3 de pyridine dans un récipient de réaction, on ajoute 0,5 g ( 2 millimoles) de sulfure de sodium nonahydraté, 280 mg ( 2,1 millimoles) d'adamantane (hydrocarbure paraffinique), 1 g ( 18 millimoles) de poudre de fer et un acide qui est de l'acide sulfurique, de l'acide chlorhydrique, de l'acide for- mique, de l'acide acétique, de l'acide ascorbique ou de l'a- cide tartrique On mélange le tout en atmosphère d'oxygène, habituellement en une période de 18 heures, à la température ambiante. A la fin de cette période, pour recueillir l'adaman- tane n'ayant pas réagi et les produits de l'oxydation, on recueille la phase liquide, c'est-à-dire la solution, puis on l'extrait avec du pentane distillé et on la lave successi- vement avec de l'eau et avec une solution saturée de sulfate de cuivre ou avec H Cl (à 100 %) et finalement avec une solu- tion saturée de chlorure de sodium, puis on la déshydrate (Mg S 104) On concentre la phase organique à siccité dans un évaporateur rotatif On injecte une partie de ce résidu dans une colonne de chromatographie en phase gazeuse La colonne de chromatographie en phase gazeuse est du type SE 30, (caoutchouc de gomme de silicone); 5 3 sur support "Chromasorb W" lavé à l'acide diméthylchlorosilane DMCS, longueur 1,40 m En utilisant un program- me de températures allant de 701 C à 1100 C ( 20 C/min), on détermine les temps de rétention des produits de la réaction: adamantane 350 secondes; 6 2522322 adamantanol-2 730 secondes; adamantanone 870 secondes; et adamantanol-2 960 secondes (étalon interne: alpha-tétralone et/ou naphtalène). Le tableau I indique la nature de l'acide que l'on utilise, les proportions relatives des corps mis en réaction, les périodes de réaction et les résultats de l'analyse de chromatographie en phase gazeuse. B Variation de la quantité d'acide acétique Exemples 9 à 16 On suit le mode opératoire utilisé dans les exemples 1 à 8 On fait varier la quantité d'acide acétique entre 1,9 millimole et 100 %, le sulfure de sodium entre 0,2 millimole et 11 millimoles et le fer entre 2 millimoles et 20 millimoles. Les proportions relatives des corps mis en réaction, les périodes de réaction et les résultats de l'analyse par chromatographie en phase gazeuse figurent au tableau II. C Variation du solvant Exemples 17 à 22 On répète le mode opératoire utilisé dans les exem- ples 1 à 8 et, au lieu de la pyridine, on utilise divers sol- vante. Les quantités des divers corps mis en réaction, la nature du solvant et les résultats de l'analyse par chromato- graphie en phase gazeuse figurent au tableau III. D Variation de la température Exemples 23 à 26 On répète le mode opératoire des exemples 1 à 8 à des températures comprises entre 00 C et 800 C. Les quantités des corps mis en réaction, les condi- tions de réaction (temps et température) et les résultats de l'analyse par chromatographie en phase gazeuse des produits figurent au tableau IV. E Variation de la quantité de sulfure de sodium et de fer Exemples 27 à 32 On répète les modes opératoires des exemples 1 à 8, en utilisant différentes quantités de sulfure de sodium et de fer. Les quantités des corps mis en réaction, le temps de réaction et les résultats de l'analyse des produits par 2 e 22322 chromatographie en phase gazeuse figurent au tableau V. F Utilisation du sulfure d'hydrogène provenant d'une source externe Exemples 33 à 38 Dans de la pyridine (distillée sur de l'hyd mxyde de potassium et conservée sur des tamis moléculaires 4 A), on fait barboter 20 millimoles de sulfure d'hydrogène gazeux La concentration en sulfure d'hydrogène de la solution résul- tante est de 0,4 g/50 ml de pyridine. A 30 cm 3 de pyridine, on ajoute 0,03 g ( 1 millimole) de sulfure d'hydrogène sous forme de la solution préparée comme ci-dessus et 1,07 g ( 19 millimoles) de poudre de fer. On abandonne le mélange résultant en atmosphère d'oxygène durant 18 heures, puison traite le mélange de la façon décrite pour les exemples 1 à S. Les quantités des corps mis en réaction, les condi- tions de réaction et les résultats de l'analyse par chroma- tographie en phase gazeuse, figurent au tableau VI. G Utilisation d'un agent de transfert de phase Exemples 39 à 41 On utilise le mode opératoire des exemples 1 à 8, sauf qu'on ajoute au mélange réactionnel un agent de trans- fert de phase, le bromure de tétrabutyl-ammonium. Les quantités des corps mis en réaction, les temps de réaction et les résultats de l'analyse des produits par chromatographie en phase gazeuse figurent au tableau VII. H Variation du cation et améliorations liées à l'addition de l'eau Exemples 42 à 51 On suit le mode opératoire utilisé dans les exemples 1 à 8, sauf qu'au lieu du sulfure de sodium, on utilise divers sulfures de métaux ( 1 mole d'équivalent) On utilise 10 moles d'équivalent d'acide acétique et 10 équivalents d'atomes de poudre de fer, sauf aux exemples 49 et 50 dans lesquels on ajoute du sulfure ferreux sous forme de pyrites de fer (à la place de la poudre de fer) Dans l'exemple 51, on utilise une mole d'équivalent de thiourée à la place du sulfure de sodium Dans les exemples 43, 45, 47, 50 et 51, on utilise, à la place de la pyridine seule, un mélange de pyridine et d'eau contenant 6,6 % d'eau. La nature du sulfure et les résultats de l'analyse par chromatographie en phase gazeuse figurent au tableau VIII. TABLEAU I Variation de l'acide E.Adamantane Acide Na S 9 H 20 Fe f Temps de Solvant Produits (Moles d'é (moles d'é (mle d 2 d'iatoes)r(heures) quivalents) quivalents) uimolens)dé 'tme)(ers adamanta adamanta adamanta- quiaens ol-1 none nol-2 1 1 Fi 2504 i 10 19 Pyridine 0,34 1,7 * ( 2,1) 2 i 12 So 4 1 10 6 " 0,07 0,5 * ( 10) 3 1 H 2 SO i 10 18 " 0,3 1,7 ( 4) 4 1 H Cl 1 10 19 " 0,07 0,5 * ( 3,6) formique 1 8 " 01,702 1 ( 12 > 01,1 ,702 6 1 acétique 1 10 18 " 0,5 2,5 0,13 ( 10) 7 1 ascorbique 1 10 18 " 0,06 0, 10 0,28 ( 10) 8 1 tartrique i 10 18 " 0,48 2,7 0,40 ( 10)_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ *adamantanone +adamantanol-2 rgi w D TABLEAU II Variation de la ciuantité d'acide acétique Ex Acide acétique Na 2 S 9 H 20 Fe Temps Produits (molo Ed'équi (moles d'à (équivalents (heures) valents) 'tms damantanol-1 adamantanone adamantanol-2 quivalents-) d'tms 9 i 1 10 18 0,21 0,30 0,26 5 i 10 18 0,28 0,90 0,43 6 10 i 10 18 0,5 2,5 0,13 il 10 i 10 118 0,9 3,7 0,2 12 i O i 10 22 0,5 3,2 0,4 O i la 0,52 1, 4 1,2 14 20 % O i 10 18 0,21 0,65 0,25 50 % 1 10 22 0,28 2,7 0,7 16 100 % 1 10 la 1,3 0,6 2,7 1-. o tg: M ru TABLEAUI III Variation du solvant Temps de réaction 18 heures * adamantanone + adamantanol tn r>) w tu> t'> E'x Adaniantane Acide acéti Na 2 S 91120 Solvant Fe Produits (moles d'é que (nils (mo lsd'équivalen Lt i quivalents) d'équivalents) (mls e d'atomes adamanta adatamanta adaiianta- quivalents) nol-1 none Jnol-2 17 i 10 1 Acétone 10 0,3 1,05 * 18 1 10 i Acétone/pyridine ( 3 %) 10 0,12 2,4 * 19 I 10 i Pyridine/eau ( 3 %) i 0 0, 27 2 0,7 i 10 i Acétone/Et 3 N ( 3 %) 10 0,29 0,28 0,36 21 1 10 i Acétone/imidazole ( 3,) 10 0,40 0,62 0,70 22 i 10 i Pyridine/imidazole ( 3 %) 10 0,33 2,23 0,37 TABLEAU IV Variation de la température E-x oclomantane acide ac 6 ti Fe Na 5 9 l 12 flTemps (heures) Solvant Produits (moles d'é que (moles 4 noles d'é 2 et température quivalents) d 'équivalentus, quivalent U) (équivalents (oc) adamanta adarnanta adamanta- __________ ___________ o 110 -1 none nol-2 23 1 10 10 i 18 heures Pyridine 0,19 0,60 1,26 800 C 24 i 10 10 1 18 heures Pyridine 0,23 1,0 0, 74 400 C 1 10 10 1 7 heures 1/2 Pyridine 0,36 0,86 0,41 ______________ o Oc_ _ _ _ _ _ 26 i 10 10 1 7 heures 1/2 Pyridine 0,50 3,0 0,58 ambiante s, Ifi ro TABLEAU V Variation des quantités de sulfure de sodium et de fer Ex Adamantane Acide acéti Fe j Na 2 S 9 H 20Temps Produits (moles d'é que (moles équivalents, (heures) damantano-1 adamantanone adamantanol-2 quivalents) d'équivalents) d'atomes) qoles) e- quivalents)' 27 1 100 % 10 6 50 2,3 1,60 2,2 28 1 10 10 6 50 0,6 3,1 0,7 29 1 12 10 6 50 0,28 1,6 * 1 10 10 0,5 18 0,54 1,9 0,3 31 1 10 10 0,1 18 0,15 0,3 moins de 0,01 32 1 10 \ 1 1 18 0,17 0,9 0,10 k 4 q.n r%) ri N: ne TABLEAU VI Utilisation de sulfure d'hydrocibne engendré à l'extérieur Ex Adamantane H 2 S Fe Temps Solvant Produits (moes'é-(moles d'é (équivalents (heures) adamantanol-l adamantanone adamsntanol-2 quivalents) quivalents) d'atomes) _______ 33 i 0,5 10 18 pyridine 0,04 0,21 0,05 34 I 0,5 10 18 pyridine/Et 3 N ( 3 %) 0,02 0,03 0,04 I 2 10 7 pyridine 36 I 2 10 18 m oins de 0,01 0,7 * 37 1 0,24 10 118 " 0,21 0,8 * 38 i 8,1 10 18 " 0,02 0,18 0,08 *adamantanone + adamantanol-2 1-' w tu TABLEAU VIII Utilisation d'un aaent de transfert de ohase Ex Adamantane N 2 91120 J Fe Acide Bu 4 N Br Temps Produits (moles d'e (mol (cqtuivalen't acétique (heures)adamantanol-1adamantanone adamantanol-2 uiants (mle d da' quialea) quivalent) d'atomes) noles d'é (% quivalent s) 39 1 1 10 10 10 18 0,66 2,5 1,2 1 1 10 10 il 18 0,47 1,5 0,4 41 1 1 10 100 % 9 18 2,9 0,5 3,5 1-i ri M w TABLEAU VIII L,,, ,,, , _ ,, Ex Sulfure de métal Solvant Produits (équivalents molaires) adamantanol-1 adamantanone adamantanol-2 ,, _,,. 42 K 2 S ( 1,O) Pyridine 0,13 0,30 43 K 2 S ( 1,0) Pyridine-H 20 ( 6,6 o) 1,1 5,2 0,9 2 2 I 44 Li 2 S ( 1,0) Pyridine 0,10 0,40 Li 2 S ( 1,0) Pyridine-H 20 ( 6,6 %) 1,1 4,2 0,6 46 Ca S ( 1,0) Pyridine 0,4 0,75 47 Ca S ( 1,0) Pyridine-H 20 ( 6,6 %) 1,1 7,2 48 (NH 4)2 S ( 1,0) Pyridine-H 20 0,1 0,4 49 # Feii S ( 1,0) Pyridine 0,8 1,3 # Fei S ( 1,0) Pyridine-H 20 ( 6,6 %) 1,5 3,0 51 Thiourée ( 1,0) Pyridine-H 20 ( 6,6 %) 2,0 3,0 1,7 Toutes les réactions avec lO équivalents ont été effectuées durant de HO Ac et 10 équivalents 18 heures à la température ambiante de poudre de Fe, sauf indication contraire. # La poudre de fer n'a pas été ajoutée Feii S = pyrites de fer hà ru r 4 , o\ REVENDICATIONS 1 Procédé de production d'un alcool par oxydation catalytique d'un hydrocarbure paraffinique, caractérisé en ce qu'on fait réagir l'hydrocarbure paraffinique avec de l'oxygène-moléculaire et du sulfure d'hydrogène en présence de fer élémentaire et d'un solvant qui est de l'acétone, de la pyridine ou de l'acide acétique ou qui est un mélange com- patible de deux ou plusieurs solvants choisis parmi les bases azotées,l'eau et l'acétone. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrocarbure paraffinique est une paraffine liné- aire ou ramifiée contenant 1 à 10 atomes de carbone ou est un mélange de telles paraffines. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oxygène moléculaire est fourni sous forme d'air. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le sulfure d'hydro- gène est engendré sur place par la réaction d'un sulfure convenable avec un acide convenable. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le sulfure est du sulfure de lithium, du sulfure de sodium, du sulfure de calcium ou du sulfure de fer. 6 Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'acide est l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fer élémentaire est sous forme de poudre de fer. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le solvant est de la pyridine ou un mélange pyridine/imidazole ou un mélange acétone/imidazole. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le solvant contient en outre de l'eau. 10 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on le met en oeuvre à une tem- pérature comprise entre O et 1000 C.