Brevet FR2564089A1 — publié le 19851115

La présente ivention concerne un procédé de dimerisation du butadiène-1,3. Il est déja corl^f par @ brevet belge N 635 483 d'oliqomeriser lineairement des diène -15 en - ésence d'un catalyseur renfermant du ni- ckel zérovalent et un composé phosphore arsenic ou antimoine trivalent comme donneurs d'élertroçs présence d'une quantité molaire, rapportée au nickel, d'un CO!T; ylé non aromatique.D'autre part le brevet américain N 3 284 529 -c r a production de dimères linéaires de composés aliphatiques dioléfiniques conjurés en mettant es composés a une température re de 700 à 160 C en présence d'un catalyseur de nickel zérovalent derivé du nickel carbonyle et choisi parmi d'une part les composés de formule : (RO)3P nNi(c0)4-n (H3P)nNi(C0)4n (R3Sb)nNi(CO)4-n (R3As)nNi (C0)4-n dans laquelle R est un radical alkyle, aryle ou hétérocyclique et n a la valeur 1 ou 2, et d'autre par les composes de formule :: A1,2-Ni-B2 dans laquelle A est la triphénylphosphine ou le triphénylphosphite, et B est le cinnamonitrile, l'acrylonitrile, le fumaronitrile ou l'acroléine, et en présence d'un composé phénolique comme co-catalyseur, ledit catalyseur de nickel étant présent à raison de 0,5 à.5 % en poids dudit composé dioléfinique et ledit cocatalyseur phénolique étant présent à raison de 10 à 35 % en poids dudit composé dioléfinique. En particulier la dimérisation du butadiène -1,3 conduit par ce procédé à un produit contenant jusqu'à 29 % de 1,3,6 -octatriène, ainsi que du 2,6-octadiène et du 2,4,6 -octatriène comme sous-produits. On connaît aussi par le brevet américain N 3 435 088 l'oligomérisation de diènes conjugués en présence d'un catalyseur formé à partir d'au moins un composé de nickel tel que l'acétylacétonate, d'au moins un adduct d'organolithium et de diène conjugué, d'au moins un composé de phosphore, arsenic ou antimoine tel que le triphénylphosphite et d'au moins un alcool. En particulier le butadiène mis en présence d'un tel catalyseur à 100 C pendant 3 heures conduit avec un taux de conversion de 90 % à un produit contenant 64 % d'un mélange de 1,3,6 -octatriène comme produit principal et 1,3,7 -octatriène comme sous-produit. Enfin le brevet américain N 3 444 258 décrit la production de 1,3,7 -octatriène comme produit principal par rapport au 4 -vinylcyclohexène par dimérisation du butadiène-1,3 en présence de dioxyde de carbone et d'une quantité catalytique d'un complexe de platine ou palladium et d'une phosphine tertiaire contenant au moins un radical aryle. Un premier but de la présente invention consiste à dimériser le butadiène -1,3 avec une vitesse nettement supérieure à celles connues jusqu'alors par les procédés analysés précédemment. Un autre but de la présente invention consiste à dimériser sélectivement le butadiène -1,3 en octatriènes-1,3,6, octatriènes-2,4,6 ou octatriènes-1,3,7 avec un rendement nettement supérieur à ceux connus jusqu'alors par les procédés analysés précédemment. Pour atteindre les buts précités, le demandeur a mis au point un procédé de dimérisation du butadiène -1,3 en présence d'un catalyseur renfermant du nickel zérovalent et un composé de phosphore, caractérisé en ce que ledit catalyseur est obtenu par mise en présence de (A) au moins un complexe de nickel de formule NiZq dans laquelle q est le degré de coordination du nickel et Z est au moins un ligand capable de complexer le nickel et (B) au moins un ligand phosphoré de formule générale dans laquelle - R1 est choisi parmi l'atome d'hydrogène et les radicaux hydrocarbonés, - R2 et R3, identiques ou différents, sont choisis parmi l'atome d'hydrogè ne et les radicaux hydrocarbonés éventuellement porteurs d'au moins une fonction choisie parmi les fonctions alcool, thiol, thioether, amine, imi ne, acide, ester, amide et ether, et - m est supérieur ou égal à 1. Des exemples de radicaux R2 ou R3 sont notamment les radicaux méthyle, isopropyle, isobutyle, isoamyle, n-hydroxyéthyle, iso-hydroxyéthyle, n-aminobutyle, méthylène-4 imidazolyle, N-n propylguanidyle, éthanoyle, acétamidoyle, n-propionyle, n-propionamidoyle, benzyle, p-hydroxybenzyle, méthylène-3 indoxyle, méthanethioyle, etc. Ainsi la caractéristique du procédé selon l'invention réside dans la présence d'une quantité catalytique d'au moins un ligand L, chélate essentiellement monodenté de la famille des aminophosphinites. Les ligands de cette famille sont identifiables à l'aide de leurs spectres de résonance magnétique nucléaire du proton, du carbone 13 et du phosphore 31. Le tableau I ci-après résume les données d'identification de certains aminophosphinites selon l'aminoalcool ou l'aminoacide dont ils sont issus TABLEAU I Aminoalcool 31 13 1 ou Aminoacide # p # C # H Ephédrine 112,3 127-132 (m) 0,92-1,03 (d) (3H) 84,5 (d) 1,59 (s) (1H) 61,1 (d) 2,23 (m) (3H) 31,8 (s) 2,82 (m) (1H) 15,2 (s) 4,78-5,01 (m) (1H) 7,27 (m)(lOH) Valine 113,7 127-135 (m) 69,2 (d). 65,9 (d) 34,5 29,3 18,9 18,8 Prolinol 113,1 1,69 (m) (5H) 3,20 (m) (1H) 3,64-3,87 (m) (2H) 7,4 (m)(lOH) Glycine 113,5 1,31 (s) (1H) 2,30 (s) (3H) 2,73 (t) (2H) 3,80-3,97(t-d)(2H) 7,14-7,48 (m)(îOH) Dans ce tableau # désigne le déplacement chimique exprimé en ppm par rapport à l'acide phosphorique (cas du phosphore 31) ou au tétraméthylsilane (cas du proton et du carbone 13). Les notations (m), (d) (t), (t-d) et (s) désignent respectivement un multiplet, un doublet, un triplet, un triplet dédoublé et un singulet. Le ligand L utilisé dans le procédé selon l'invention peut etre obtenu en faisant réagir dans un solvant hydrocarboné, à une température comprise entre -50 C et 110*C et sous atmosphère de gaz inerte un aminoalcool de formule générale dans laquelle m, R1, R2 et R3 ont les memes significations que précédemment, avec au moins un composé de formule P(C6Hs)2 Y dans laquelle Y est choisi parmi les atomes d'halogène et les radicaux amines, ledit composé étant dans un rapport molaire, relativement à l'aminoalcool, supérieur ou égal à 1. Pour la synthèse des aminophosphinites, on préfère utiliser un composé dans lequel Y est un radical amine. Par solvant hydrocarboné on entend par exemple le benzène, le toluène, etc. Pour faciliter l'élimination de l'acide chlorhydrique formé par la réaction, dans le cas du Y est un halogène, on peut avantageusement conduire celle-ci en présence d'un excès d'amine tertiaire, telle que par exemple la triéthylamine, qui précipitera sous forme de chlorhydrate. Le ligand phosphoré est isolé successivement par filtration du précipité suivie d'évaporation du solvant hydrocarboné sous vide. Il se présente généralement sous forme d'une huile visqueuse ou d'un solide à faible température de fusion. Les aminoalcools de formule (V) sont le plus souvent des produits soit commerciaux soit facilement accessibles par réduction d'aminoacides (ou de leurs esters méthyliques formylés). Lorsque le radical R2 ou R3 de l'aminoalcool de formule (V) est porteur d'une fonction, celle-ci peut être introduite par une réaction de fonctionnalisation bien connue ; par exemple la fonction ester sera introduite par estérification de la fonction acide correspondante (cas des carbalcoxyhydroxyprolines). A titre d'exemples on peut citer le prolinol, l'hydroxyproline, les éphédrines et les aminoalcools N-méthylés dérivés des aminoacides naturels suivants : glycine, phénylglycine, phénylalanine, leucine, sérine, thréonine, histidine, lysine, arginine, isoleucine, valine, alanine, tyrosine, tryptophane, méthionine, cystéine, glutamine, asparagine, acide aspartique, acide glutamique, cystine, etc. Parmi les ligands Z couramment utilisables on peut citer le monoxyde de carbone, les halogènes, les oléfines, les diènes, le carbonate, les carboxylates et l'acétylacétone. Le degré de coordination q peut être couramment compris entre 2 et-4 inclusivement selon le ligand utilisé. Lorsque le ligand Z est ionique (cas des halogènes, carboxylates, de l'acétylacétone et du carbonate), la réaction de dimérisation selon l'invention peut être avantageusement effectuée en présence de (C) au moins un activateur organométallique. L'activateur (C) peut être choisi parmi les dérivés aluminiques de formule A1RnX3-n, dans laquelle 1 A n 4 3, X est un atome d'halogène et R est un radical alkyle ayant de 1 à 12 atomes de carbone, les dérivés métalliques de formule MRp dans laquelle M est choisi parmi lithium, magnésium et zinc, R est un radical alkyle ou aryle ayant de 1 à 12 atomes de carbone et p est la valence du métal M, le borohydrure de sodium NaBH4 et l'hydrure de lithium et aluminium. Les constituants (A) et (C) sont généralement dans un rapport molaire (C)/(A) compris entre 0,01 et 10. Le procédé de dimérisation selon l'invention peut être avantageusement mis en oeuvre à une température comprise entre 0 et 1200C, sous une pression comprise entre 1 et 15 bars pendant une durée comprise entre 2 et 400 minutes et le cas échéant en présence d'un solvant tel que, par exemple, le toluène. La proportion molaire de chaque composant (A) et (B) du catalyseur utilisé selon l'invention est avantageusement comprise entre 0,01 et 3 % par rapport au butadiène-1,3. Lorsque la réaction de dimérisation est conduite en présence des composants (A), (B) et éventuellement (C), elle conduit avec une vitesse élevée et un rendement élevé, généralement supérieur ou égal à 80 %, à la formation sélective d'octratriène-1,3,6 ou d'octatriène-2,4,6, selon la durée de la réaction. Toutefois on peut orienter préférentiellement la réaction de dimérisation vers la formation de méthylènevinylcyclopentane, ou d'octatriène -1,3,7 en la conduisant en présence en outre de (D) au moins un alcool aliphatique tel que, par exemple, le méthanol. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le rapport molaire (D)/(A) peut être avantageusement compris entre 0,1 et 100. Pour une meilleure compréhension de l'invention, il convient de noter que par mise en présence des composants (A) et (B) du catalyseur il se forme un complexe de nickel de formule NiZqrLr dans laquelle Z, L et q ont les mêmes significations que précedemment et r est égal à 1 ou 2. Un tel complexe est identifiable à l'aide de son spectre de résonance magnétique nucléaire du phosphore 31. Les exemples ci-après sont donnés à titre illustratif et non limitatif de la présente invention. Exemple 1 - Synthèse d'un ligand L On fait réagir dans le benzène sec sous atmosphère d'azote 1 mole de diméthylaminodiphénylphosphine avec 1 mole d'éphédrine (rendue anhydre par distillation azéotropique de l'eau par le benzène). Après dégagement de la diméthylamine, on évapore le benzène sous vide et l'on récupère 0,8 mole d'une aminophosphinite dénommée NH EPHOS de pureté chimique évaluée à 90 % et identifiée par ses spectres de résonance magnétique nucléaire du proton, du carbone 13 et du phosphore 31, comme indiqué au tableau I ci-dessus. Exemple 2 En opérant dans les mêmes conditions qu'à l'exemple 1, on remplace l'éphédrine par le prolinol (celui-ci peut être aisément obtenu par réduction de l'acide pyrrolidine-2 carboxylique (proline) au moyen de LiAlH4 en suspension dans la tétrahydrofuranne). On récupère 0,8 mole d'une aminophosphinite dénommée NH PROLIPHOS de pureté chimique évaluée à 90 %. Exemple 3 En opérant dans les mêmes conditions qu'a l'exemple 1, on remplace l'éphédrine par le glycinol (préparé à partir de la glycine par monoformylation de la fonction amine, estérification de la fonction acide, puis réduction par LiAlH4). On récupère 0,8 mole d'une aminophosphinite dénommée NH GLYPHOS de pureté chimique évaluée à 90 %. Exemples 4 à 7 Dans un tube en verre on introduit sous azote 2,5 millimole de ligand L et 2,5 millimole de bis (cyclooctadiène -1,5) nickel. Après refroidissement on ajoute une solution contenant 125 millimoles de butadiène -1,3 dans 10 cm3 de toluène. On ferme le tube réactionnel et on le place dans un bain thermostaté à 40 C. L'agitation est assurée par un barreau aimanté mû magnétiquement. Après une durée de réaction t (exprimée en minutes), le contenu du tube est filtré sur silice. On récupère une solution limpide et incolore.On trouvera dans le tableau II ci-après, en fonction de la nature du ligand L et de la durée t utilisés dans chaque exemple, la valeur du taux de conversion C (exprimé en pourcent) ainsi que la valeur des sélectivités (exprimées en pourcent) en octatriène -1,3,6 (OCT-1), vinyl -4 cyclohexène (VCH), cyclooctadiène-1,5 (COD) et octatriène-2,4,6 (OCT-2), abstraction faite du cyclooctadiène -1,5 provenant de la décomposition du catalyseur. TABLEAU II Exemple L t C OCT-1 VCH C0D OCT-2 4 NH EPHOS 10 90 95,8 3,2 1,0 O 5 NH PROLIPHOS 30 90 98,7 0,7 0,6 0 6 NH GLYPHOS 40 j 90 I 95,8 2,7 1,5 O 0 7 7 | NH EPHOS 20 | 100 | 0 j 3,8 | 0,8 87,8 Dans l'exemple 7 les autres produits formés, soit 7,6 %, sont des isomères. Exemples 8 à 11 On effectue la dimérisation du butadiène-1,3 dans des conditions analoques à celles de l'exemple 4, c'est-à-dire en présence de NH EPHOS, aux deux exceptions suivantes près - la durée de réaction est portée à 60 minutes et la température de réaction est portée à 60 C. - on introduit en outre du méthanol dans le tube réactionnel. On trouvera dans le tableau III ci-après, en fonction du rapport molaire MeOH, les sélectivités (exprimées en pourcent) en octatriène Ni -1,3,6 (OCT-6), octatriène-1,3,7 (OCT-7), méthylènevinylcyclopentane (MVCP), vinyl-4 cyclohexène (VCH)et cyclooctadiène-1,5 (COD), abstraction faite du cyclooctadiène-1,5 provenant de la décomposition du catalyseur. TABLEAU III Exemple MeOH OCT-6 | OCT-7 | MVCP | VCH C0D Ni 8 0 88,6 - 3,1 2,6 5,7 9 2 38,6 9,4 13,5 17,7 20,8 10 12 27,1 21,9 39,5 4,2 6,3 11 36 3,2 23,9 60,3 9,4 3,2 Exemples 12 et 13 On effectue la dimérisation du butadiène-1,3 dans des conditions analogues à celles de l'exemple 4, aux exceptions suivantes près - la température de réaction est portée à 60 C. - les quantités, toujours équimolaires, de ligand L et de bis(cyclo octadiène-1,5) nickel introduites dans le tube sont diminuées conformément au tableau IV ci-après (exprimées en millimoles). - la durée de réaction t est augmentée conformément au tableau IV ci-après. On trouvera dans le tableau IV ci-après les sélectivités (exprimées en pourcent) en octatriène 1,3,6 (OCT-1), vinyl-4-cyclohexène (VCH) et cyclooctadiène-1,5 (COD), abstraction faite du cyclooctadiène-1,5 provenant de la décomposition du catalyseur. Les autres produits formés, en proportion de l'ordre de 2 %, sont du méthylènevinylcyclopentane et des oligomères supérieurs. TABLEAU IV Exemple L | t C OCT-1 VCH C0D 12 0,0612 80 85 92,7 2,6 2,3 13 0,0250 360 60 92,8 2,7 2,5 Exemples 14 et 15 On effectue la dimérisation du butadiène-1,3 dans des conditions analogues à celles des exemples 4 et 5, c'est-à-dire en présence de NH EPHOS ou NH PROLIPHOS, aux deux exceptions suivantes près - la durée de réaction est portée à 360 minutes et la température de réaction est portée à 60"C. - on introduit en outre du méthanol dans le tube réactionnel dans un rapport molaire MeOH égal à 50. Ni On trouvera dans le tableau V ci-après, en fonction de la nature du ligand L, les sélectivités (exprimées en pourcent) en octatriène-1,3,6 (OCT-6), octatriène-1,3,7 (OCT-7) et méthylènevinylcyclopentane (MVCP). Les autres produits formés sont des oligomères supérieurs. TABLEAU V Exemple L OCT-6 OCT-7 MVCP 14 NH EPHOS 6,3 27,3 53,3 15 NH PROLIPHOS 13,3 74,2 7,0 Exemples 16 et 17 Dans un tube en verre on introduit sous azote 0,8 millimole d'acétylacétonate de nickal anhydre et 5 cm3 de toluène. Dans cette solution on introduit à O"C, sous atmosphère d'azote et de butadiène, une solution contenant 1,6 millimole de triéthylaluminium dans 5 cm3 de toluène. On introduit ensuite à cette température 0,8 millimole de ligand NH EPHOS, 2 grammes d'heptane et 185 millimoles de butadiène-1,3. On ferme le tube réactionnel et on le place dans un bain thermostaté agité à 40 C. Après une durée de réaction t (exprimée en minutes), le contenu du tube est traité comme dans l'exemple 4.On trouvera dans le tableau VI ci-après, en fonction de la durée t, la valeur du taux de conversion C ainsi que des sélectivités en octatriène-1,3,6 (OCT-1), vinyl-4 cyclohexène (VCH), cyclooctadiène-1,5 (COD) et octratriène-2,4,6 (OCT-2). Le complément des produits formés a 100 % est constitué par d'autres dimères non identifiés. Exemple 18 On effectue la dimérisation du butadiène-1,3 dans des conditions analogues à celles de l'exemple 16, à l'exception suivante : on remplace la solution de 1,6 millimole de triéthylaluminium dans 5 cm3 de toluène par une solution de 1,6 millimole d'hydrure double de lithium et aluminium dans 2 cm3 de tétrahydrofurane anhydre. Les résultats expérimentaux figurent au tableau VI. TABLEAU VI Exemple t C OCT-1 VCH COD OCT-2 16 30 75 96,4 1,6 0,9 O 17 165 100 O 1,8 1,6 90,2 18 60 80 95,0 1,8 1,3 0,8 REVENDICATIONS 1. Procédé de dimérisation du butadiène -1,3 en présence d'un catalyseur renfermant du nickel zérovalent et un composé de phosphore, caractérisé en ce que ledit catalyseur est obtenu par mise en présence de (A) au moins un complexe de nickel de formule NiZq dans laquelle q est le degré de coordination du nickel et Z est au moins un ligand capable de complexer le nickel et (B) au moins un ligand phosphoré de formule générale dans laquelle : - R1 est choisi parmi l'atome d'hydrogène et les radicaux hydrocarbonés, - R2 et R3 sont choisis parmi l'atome d'hydrogène et les radicaux hydro carbonés éventuellement porteurs d'au moins une fonction choisie parmi les fonctions alcool, thiol, thioether, amine, imine, acide, ester, amide et ether, et - m est supérieur ou égal à 1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que R2 et R3 sont choisis parmi les radicaux méthyle, isopropyle, isobutyle, isoamyle, n-hydroxyéthyle, iso-hydroxyéthyle, n-aminobutyle, méthylène-4 imidazolyle, N-n propylguanidyle, éthanoyle, acétamidoyle, n-propionyle, n-propionamidoyle, benzyle, p-hydroxybenzyle, méthylène-3 indoxyle etméthanethioyle. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que Z est choisi parmi le monoxyde de carbone, les halogènes, les diènes, le carbonate, les carboxylates et l'acétylacétone. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que q est compris entre 2 et 4 inclusivement. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, le ligand Z étant ionique, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée en présence de (C) au moins un activateur organométallique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport molaire (C)/(A) est compris entre 0,01 et 10. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée à une température comprise entre 0 et 120 C. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée sous une pression comprise entre 1 et 15 bars. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 a 8, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée pendant une durée comprise entre 2 et 400 minutes. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée en présence d'un solvant. 11. Procédé selon l'une des revendications i à 10, caractérisé en ce que la proportion molaire de chaque composant (A) et (B) du catalyseur est comprise entre 0,01 et 3 % par rapport au butadiène-1,3. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la dimérisation est effectuée en présence de (D) au moins un alcool aliphatique. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le rapport molaire (D)/(A) est compris entre 0,1 et 100.