Brevet FR2594436A1 — publié le 19870821

La présente invention a pour objet un procédé de préparation de l'indole par cyclisation catalytique de la N-beta-hydroxyéthylaniline. L'indole et ses dérivés sont des matières premières largement utilisées dans l'industrie des colorants, des cosmétiques, des produits pharmaceutiques ou alimentaires. L'indole est l'une des matières premieres possibles de la synthèse du tryptophane, un acide aminé essentiel sur le plan nutritionnel. Une des voies d'accès à l'indole est la réaction de cyclisation de la N-beta-hydroxyéthylaniline suivi de l'aromatisation Depuis plusieurs années de nombreux catalyseurs sont proposés pour cette réaction. Ainsi les demandes de brevet japonais 80-108850 et 81-051451 suggèrent l'emploi de catalyseurs à base de cuivre, tandis que les demandes de brevet japonais 81-055365 et 82-035564 décrivent l'utilisation des sels de cadmium. Ces catalyseurs donnent des rendements initiaux en indole très satisfaisants. Cependant leur réactivité ainsi que leur sélectivité diminuent très rapidement au cours du temps. En reproduisant la synthèse de l'indole telle que décrite dans la demande de brevet japonais 81-055365 en utilisant le sulfate de cadmium massique comme catalyseur, nous avons constaté une chute brutale du rendement en cours de la réaction. Après seulement 20 heures de fonctionnement le rendement tombe de 55 Z à 20 Z. La desactivation est due au dépôt d'un film de résidus aromatiques azotés à la surface du catalyseur et à une perte importante de sa surface spécifique par un frittage. En effet, la surface spécifique du sulfate de cadmium frais avant la réaction est d'environ 3m2/g, mais seulement lm2/g après 20 heures de fonctionnement. Dans ces conditions la régénération du catalyseur dans le réacteur est devenue impossible, et nécessite le déchargement des tubes catalytiques. Le maintien de l'activité et de la sélectivité des catalyseurs a été envisagé dans le brevet français n" 2 529 889 par une mise en oeuvre de la réaction sous pression subatmosphérique, en présence d'un mélange gazeux tel que l'hydrogène et l'eau. Comme l'eau et l'hydrogène sont des produits de la réaction, cette solution est contraire aux lois de la thermodynamique. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et fournir un procédé de fabrication de l'indole par la mise en oeuvre de catalyseurs stables sur une longue période. La sélectivité en indole de ces catalyseurs est de l'ordre de 75 Z et reste stable sur une période supérieure à 100 heures, sans diminution notable de la conversion de la N-beta-hydroxyéthylaniline. Les cycles de régénération peuvent ainsi être espacés toutes les 200 heures de fonctionnement. En outre la structure de ces catalyseurs permet d'éviter le frittage pendant les étapes de réaction ou de régénération. Ainsi la régénération par cycles de ces catalyseurs est rendu possible par élimination des résidus carbonés déposés sur leur surface et sans perte de surface spécifique. Le procédé de préparation d'un indole selon l'invention, consiste dans la cyclisation de la N-beta-hydroxyéthylaniline en présence de sulfate de cadmium comme catalyseur caractérisé en ce que le catalyseur renferme au moins un composé basique. Comme composé basique on utilise de préférence les carbonates oxydes ou hydroxydes des éléments des groupes IA et IIA de la classification périodique. Ainsi on peut utiliser les carbonates oxydes ou hydroxydes de Li, Na, K, Cs, Mg, Ca, Sr et Ba. Bien que leur mode d'action n'ait pas été élucidé, nous avons constaté que la présence de très faibles quantités de ces composés basiques modifie de façon très importante les performances catalytiques du sulfate de cadmium. On utilise entre 0,1 et 30 Z en poids de composé basique par rapport au sulfate de cadmium, en général entre 0,5 et 25 Z et de préférence entre 5 et 10 Z. Le sulfate de cadmium et le composé basique peuvent être déposés sur un support de catalyseur. Les supports usuels, comme l'alumine, la silice, l'oxyde de titane ou le charbon actif peuvent être utilisés, mais leur emploi n'est pas tres avantageux. En effet la N-beta-hydroxyéthylaniline est une molécule très réactive et les supports à caractère acide et à grande surface spécifique favorisent la formation de produits lourds de condensation entre la N-beta-hydroxyéthylaniline et l'aniline. Si la conversion reste satisfaisante, la sélectivité en indole est très faible. Par contre il est très avantageux de déposer le mélange de sulfate de cadmium et du composé basique sur un support à caractère basique. Parmi ces supports on peut mentionner le Mn02, Zr02, La203 ou Ce02. L'oxyde de manganèse (Mn02) est particulierement indiqué. Les catalyseurs sont préparés par dissolution du sulfate de cadmium dans l'eau ou tout autre solvant de ce compose. Les additifs basiques sont ajoutés à la solution apres un broyage minutieux sous forme de poudre très fine. Il n'est pas obligatoire que le composé basique soit soluble dans le milieu utilisé. En cas d'utilisation d'un support, on imprègne ce dernier avec la solution ou dispersion catalytique. Apres évaporation du solvant et sèchage on obtient le catalyseur prêt à l'emploi. Ce catalyseur peut être utilisé pour la cyclisation de la N-beta-hydroxyéthylaniline et de ses dérivés substitués soit sur le noyau benzénique, soit sur la chaîne éthyl. En cas de substitution sur le noyau benzénique bien entendu une des positions vicinales à l'azote ne doit pas porter de substituant pour permettre la cyclisation. Pour cette réaction la mise en oeuvre en continu et en phase gazeuse s' avère la plus adaptée. Les vapeurs de la N-beta-hydroxyéthylaniline sont envoyées dans un réacteur catalytique à lit fixe ou à lit fluidisé. La N-beta-hydroxyéthylaniline peut être utilisée pure, mais dans ce cas il se forme des quantités importantes d'aniline comme produit de dégradation. Pour minimiser cette dégradation on utilise un mélange N-beta-hydroxyéthylaniline-aniline dans un rapport molaire compris entre 1:2 et 1:50 de préférence 1:5 et 1:20. Le gaz vecteur le plus approprié est le mélange hydrogene/eau dans un rapport molaire 1:1 à 5:1. Le rapport molaire du gaz vecteur par rapport à la N-beta-hydroxyéthylaniline sera compris entre 3:1 et 50:1 de préférence entre 5:1 et 20:1. La température de la réaction doit être comprise entre 3000C et 4000C et de préférence entre 325O et 3750C. La vitesse spatiale horaire liquide (VSHL) qui correspond au volume de N-beta-hydroxyéthylaniline par volume de catalyseur et par heure sera fixée entre 0,01 et 0,5/h de préférence entre 0,05 et 0,2/h. Le respect des conditions réactionnelles contribue à assurer une production en indole stable dans le temps. La facilité de la régénération du catalyseur est un des avantages importants de notre procédé. Contrairement à ce qui est annoncé dans l'art antérieur pour les catalyseurs habituels, le catalyseur selon notre invention retrouve une activité et une sélectivité satisfaisantes après une régénération douce par extraction liquide. Comme liquide d'extraction on peut employer l'aniline, la tétraline,le toluène, seuls ou en mélange. Il est également possible de régénérer le catalyseur par traitement à la vapeur d'eau. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter. Exemples 1 à 4 On prépare 4 catalyseurs selon le mode opératoire suivant On dissout 131,4 g de Cd S04, 8/3 H20 dans 400 cm3 d'eau distillée et l'on ajoute la quantité nécessaire de Na2 C03 de façon à obtenir les compositions suivantes après évaporation de l'eau et séchage à 1500C catalyseur 1 : CdS04 pur massique catalyseur 2 : CdS04 + 0,5X Na2 C03 catalyseur 3 : CdS04 + 2Z Na2C03 catalyseur 4 : CdS04 + 4,5Z Na2C03 Les poudres obtenues après séchage sont finement broyées avant d'être pastillées sous la forme de cylindres de 3 mm de diametre et 4 mm de long avec addition de 2% de graphite utilisé comme liant. On introduit chaque catalyseur dans un réacteur tubulaire en verre pyrex de 110 cm3 (diamètre intérieur 25 mm, longueur 450 mm) chauffé électriquement. Le remplissage du réacteur s'effectue avec des billes de verre de 3 mm de diamètre de façon à maintenir 15 cm3 de catalyseur mélangé à 15 cm3 de bille de verre dans la partie médiane du réacteur. Le haut du réacteur rempli de billes de verre joue le rôle de vaporisateur. Apres une purge à l'azote de l'ensemble du montage on introduit de l'hydrogène à raison de 4,7 l/h; on effectue une montée en température à 3500C à 100C/min avec un palier de 30 minutes à 200"C. Lorsque la température est stabilisée à 3500C on introduit 6,15 cm3/h du mélange N-hydroxyéthylaniline/aniline dans un rapport molaire 1/10 et 4,7 l/h d'hydrogène saturé en vapeur d'eau par passage dans de l'eau maintenue à 70"C. Le rapport molaire d'introduction des réactifs est N-hydroxyéthylaniline/aniline/hydrogene/eau : 1 / 10 / 33 / 10. On prélève des échantillons sur le mélange récupéré après refroidissement à 5"C et condensation des produits de réaction en sortie. L'analyse par chromatographie en phase gazeuse conduit aux résultats suivants (tableau 1), en exprimant la conversion de la N-hydroxyéthylaniline et les sélectivités selon les équations mole HEA entrée - mole HEA sortie conversion = 100% mole HEA entrée mole I formé sélectivité = 100X mole HEA entrée - mole HEA sortie sélectivité X conversion rendement = - Z 100 HEA = hydroxyéthylaniline I = indole Tableau 1 RENDEMENT INDOLE (Z mole) CATALYSEUR Apres 2 heures Après 24 heures 1 CdS04 pur 32,4 12,1 2 CdS04 + 0,5% Na2C03 64,9 17,1 3 CdS04 + 2% Na2C03 74,1 28,6 4 CdS04 + 4,5Z Na2C03 65,3 40,9 Conditions de réactions Rapport molaire N-hydroxyéthylaniline/aniline/H2/H20 1/10/33/10 VSHL N-hydroxyéthylaniline : 0,05/h Température de réaction : 3500C Ces exemples montrent la très nette augmentation du rendement en indole résultant de l'addition de faibles proportions de carbonate de sodium au sulfate de cadmium. La chute du rendement après 24 heures de fonctionnement est due à la fois à une diminution de la conversion de la N-hydroxyéthylaniline et de la sélectivité en indole. Cependant on voit que le rendement en indole est encore important après 24 heures de fonctionnement dans le cas du catalyseur CdS04 + 4,5 Z Na2C03. Exemples 5 et 6 On prépare de la même façon que dans les exemples précédents, deux catalyseurs au sulfate de cadmium additionné de carbonate de baryum. On dissout 131,4 g de CdS04, 8/3 H20 dans 400 cm3 d'eau distillée et l'on ajoute la quantité nécessaire de BaC03, finement broyé au préalable, de façon à obtenir apres évaporation et séchage à 1500C les compositions suivantes - catalyseur 5 : CdS04 + 5Z BaCO3 - catalyseur 6 : CdSO4 + 10 BaCO3 Les poudres obtenues sont pastillées de la même façon que les catalyseurs des exemples précédents. En procédant comme dans les exemples 1 à 4 on met en oeuvre la réaction catalytique de formation d'indole à partir de N-hydroxyéthylaniline. La seule modification est le remplacement du gaz vecteur H2/H20 par H2 pur. On obtient après dosage chromatographique les résultats suivants (tableau 2) Tableau 2 RENDEMENT INDOLE Z MOLE CATALYSEUR Après 4 heures Après 100 heures 5 CdSO4 + 5% BaCO3 55,9 47,5 6 CdSO4 + 10% BaCO3 54,5 44,1 Conditions de réaction Rapport molaire N-hydroxyéthylaniline/aniline/H2 : 1/10/8 VSHL N-hydroxyéthylaniline : 0,05/h Température de réaction : 350"C On voit à cet exemple que le rendement en indole est aussi favorisé par la présence de BaC03 et que de plus la stabilité dans le temps est nettement améliorée. Seule la conversion de la N-hydroxyéthylaniline décroit de 100% à 4 heures de fonctionnement à environ 80% après 100 heures. Exemple 7 et 8 On prépare deux catalyseurs en dissolvant 131,4 g de CdS04, 8/3 H20 dans 400 cm3 d'eau distillée et l'on ajoute la quantité nécessaire d'oxyde de calcium CaO pour obtenir les compositions suivantes - catalyseur 7 : CdSO4 + 10 CaO - catalyseur 8 : CdSO4 + 20% CaO Après pastillage on introduit 15 cm3 de catalyseur dans l'appareillage décrit précédemment et l'on effectue le test dans les mêmes conditions excepté en ce qui concerne le rapport molaire N-hydroxyéthylaniline/aniline/H2/H20 qui est dans ce cas de 1/10/8/5. Les analyses chromatographiques conduisent aux résultats suivants (tableau 3): Tableau 3 Après 4 heures Après 200 heures CATALYSEUR de fonctionnement de fonctionnement Conversion Sélectivité Conversion Sélectivité HEA Z mole Indole X mole HEA Z mole Indole Z mole 7 CdSO4 + 10 ZCaO 100 57,5 87,2 50,6 8 CdSO4 + 20 %CaO 100 49,4 83,7 45,7 HEA = hydroxyéthylaniline Conditions de réaction Rapport molaire N-hydroxyéthylaniline/aniline/H2/H20 : 1/10/8/5 VSHL N-hydroxyéthylaniline : 0,05/h Température de réaction : 350"C Le catalyseur 7 CdSO4 + 10 CaO conduit à des résultats tres nettement améliorés en rendement indole par rapport à CdSO4 pur, et la conversion de la N-hydroxyéthylaniline décroit tres lentement puisqu'au bout de 200 heures la conversion est encore supérieure à 85%. Exemple 9 On donne ici un exemple de l'utilisation d'un catalyseur supporté. On prépare un catalyseur en mettant en suspension dans 150 cm3 d'eau distillée 40 grammes de MnO2 de qualité électrolytique, et en ajoutant 11,8 g de CdS04, 8/3 H20 et 1,1 g de CaO. On dissout le CdSO4 puis on évapore l'eau sous agitation et l'on sèche à 1500C. Après pastillage on obtient un catalyseur de composition massique suivante CdSO4/CaO/MnO2 : 19,6/2,2/78,2. Le test catalytique est alors mis en oeuvre comme précédemment dans les exemples 7 et 8. Après 4 heures de réaction la conversion de la N-hydroxyéthylaniline est de 100% et la sélectivité en indole de 48,7. Après 100 heures de réaction la conversion de la N-hydroxyéthylaniline est encore de 87,3% et la sélectivité en indole de 45,2% mole. Exemple 10 On donne ici un exemple de la regênêration d'un catalyseur CdSO4 + 10 CaO par lavage à l'aniline. Après 200 heures de fonctionnement dans les conditions de l'exemple 7 la conversion de la N-hydroxyéthylaniline est de 87,2% et la sélectivité en indole de 50,6%. On effectue alors la régénération du catalyseur dans le réacteur en faisant circuler de l'aniline à raison de 90 cm3/h, en maintenant la température du réacteur à 1500C.' Le traitement est poursuivi pendant 4 heures. On redémarre ensuite la réaction catalytique en augmentant la température du réacteur à 350"C sous le mélange H2/H20, et l'on introduit à nouveau le mélange réactionnel N-hydroxyéthylaniline/ aniline/H2!H2O dans le rapport 1/10/8/5 lorsque la température est stabilisée. La conversion après 4 heures de réaction est de 98,2% mole et la sélectivité en indole 55,6% mole. Après 100 heures dans ces conditions la conversion diminue jusqu'à 80,82 mole et la sélectivité en indole à 53,4% mole. Revendications 1. Procédé de préparation de l'indole par cyclisation catalytique de la N-beta-Hydroxyéthylaniline en présence de sulfate de cadmium comme catalyseur caractérisé en ce que le catalyseur renferme au moins un composé basique. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le composé basique est un carbonate, oxyde ou hydroxyde d'un élément des groupes IA et IIA de la classification périodique. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le composé basique est un carbonate, oxyde ou hydroxyde de Li, Na, K, Cs, Mg, Ca, Sr, ou Ba. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le composé basique est le carbonate de sodium, le carbonate de baryum ou l'oxyde de calcium. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le catalyseur renfermant le composé basique est déposé sur un support à caractère basique comme les oxydes de manganèse, de lanthane ou de cérium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la température est comprise entre 300 et 400"C et de préférence entre 325 et 3750C. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la vitesse spatiale horaire liquide est comprise entre 0,01 et 0,5/h et de préférence entre 0,05 et 0,2/h. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'on utilise un mélange N-beta-hydroxyéthylaniline/aniline dans un rapport molaire compris entre 1:2 et 1:50 de préférence entre 1:5 et 1:20. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'on utilise comme gaz vecteur un mélange hydrogene/eau dans un rapport molaire 1:1 à 5:1 et le rapport molaire du gaz vecteur par rapport à la N-beta-hydroxyéthylaniline est compris entre 3:1 et 50:1 de préférence entre 5:1 et 20:1. 11. Procédé selon l'une des-revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le catalyseur est regénéré par extraction liquide à l'aide d'un solvant tel que l'aniline, la tétraline, le toluène ou leurs mélanges.