Brevet FR2608151A1 — publié le 19880617

PROCEDE DE FABRICATION DE FLUORURE DE METHYL-2 BUTYRYLE. La presente invention se rapporte au domaine de la carbonylation des alcanes en milieu superacide. Il est déja connu par H.HOGEVEEN et C.F.ROOBEEK, Rec. Trav. Cnim. Pays-Bas, 91 (1972) pages 137-140, de faire réagir a 00C un mélange équimo- laire de butane et de monoxyde de carbone en présence de pentafluorure d'antimoine SbF5 en solution dans S02ClF. Cette réaction conduit a la formation d'un mélange d'ions sec-butyloxocarbonium (74%), tert-butylcarbonium (25%) et tert-butyloxocarbonium (1%) Le problème que la présente invention s'est attaché à résoudre consiste en la fabrication de composés hydrocarbonés comprenant un groupe methyl-2 butyryle et principalement le fluorure de méthyl-2 butyryle à partir de butane, ce procédé ne présentant pas l'inconvénient d'un prix de revient élevé de la matière premiere puisque le butane est extrait directement des alcanes des coupes pétrolières.Dans un premier temps la demanderesse s'est livrée à l'étude de la carbonylation du butane en présence de différents systèmes superacides afin de determiner un système susceptible de conduire, de manière efficace et économique, à l'obtention d'un composé hydrocarboné comprenant un groupe méthyl-2 butyryle. Dans un second temps la demanderesse s'est livrée à l'étude de la séparation du composé obtenu afin de déterminer le moyen susceptible d'assurer, de la manière la plus efficace possible, la régénération du superacide choisi. Le procédé selon l'invention se définit donc comme un procédé catalytique de fanrication de fluorure de méthyl-2 butyryle à partir de monoxyde de carbone, de fluorure d'hydrogène et d'un flux d'hydrocarbures aliphatiques comprenant du butane à titre principal, caractérisé par la succession des étapes suivantes (a) introduction d'au moins un fluide choisi parmi le monoxyde de carbone et ledit flux d'hydrocarbures dans un réacteur en présence d'un superacide constitué de fluorure d'hydrogène, de pentafluorure d'antimoine SbF5 et d'au moins un composé choisi parmi le brome et les bromures minéraux ou organiques, (b) le cas échéant, s'il n'a pas déjà été introduit au cours de l'étape (a), introduction dans le réacteur d'un fluide choisi parmi le monoxyde de carbone et ledit flux d'hydrocarbures, dans des conditions propres à permettre la formation, à titre principal, d'un complexe constitué du cation méthyl-2 butyryle et de l'anion SbF6, (c) conversion dudit complexe en fluorure de méthyl-2 butyryle, (d) séparation du fluorure de méthyl-2 butyryle, (e) récupération du superacide, et (f) le cas échéant, ajustement de la quantité de fluorure d'hydrogène à la constitution du superacide mis en oeuvre dans l'étape (a). Ainsi le procédé selon l'invention comprend obligatoirement les quatre étapes désignées (a), (c), (d) et (e). Dans ce cas le monoxyde de carbone et le flux comprenant le butane à titre principal sont introduits simultanément dans le réacteur. Alternativement il peut n'être pas nécessai re de mettre simultanément le monoxyde de carbone et le flux comprenant le butane à titre principal en présence du superacide. Dans ce second cas le monoxyde de carbone et ledit flux d'hydrocarbures seront introduits séparément dans le réacteur grâce à l'étape supplémentaire (D). Pour la bonne compréhension de l'invention il convient de préciser que - par "soutane à titre principal" on entend que le flux d'nydrocarbures ali phatiques peut comprendre, à côté du butane, de faibles proportions d'au tres alcanes, alcènes ou alcynes ayant un faible nombre d'atomes de carDo ne, tels que notamment l'éthane ou le propane, ainsi qu'une proportion mi noritaire de Dutène. - par "cation méthyl-2 butyryle à titre principal" on entend que la réaction engendrée par le système superacide conduit essentiellement à la formation de ce cation (également dénommé sec-butyloxocarbonium), à côté de propor tions mineures de carbocations soit dérivés des autres flydrocarbures ali phatiques éventuellement présents dans le milieu réactionnel soit prove nant de enupurP5 du butane et/ou du cation méthyl-2 butyryle. - par "bromure minéral ou organique" on entend un composé ionique dans le quel au moins un atome de brome est lié à un atone métallique ou bien un groupe organique ; des exemples de tels composes sont notamment les brGleu- res alcalins et alcalino-terreux et les bromures d'ammonium quaternaire. Par ailleurs le contenu de la description qu3 v lon la présente invention. L'étape (a) a pour objet de mettre soit le mono sue de carbone, soit le flux comprenant le propane à titre principal, soit leur mélange, en contact avec le système superacide. Cette mise en présence s'effectue dans un réacteur qui peut être de type autoclave ou bien de type tubulaire ou de tout autre type convenant à la mise en contact des réactifs. D'autre part au moment de l'introduction dudit (desdits) réactifs dans le réacteur, celui-ci contient déjà le systeme superacide. Celui-ci comprend le fluorure d'hydrogène, le pentafluorure d'antimoine SbF5 et au moins un composé choisi parmi le brome et les bromures minéraux ou organiques en propor tions telles qu'ils constituent une phase homogène. Lors de l'étape (b), facultative comme indiqué précédemment, l'autre composant est introduit dans le réacteur. Ce n'est qu'à partir de ce moment que, monoxyde de carbone et butane étant en contact avec le superacide, un complexe constitué du cation méthyl-2 butyryle et de l'anion SbF6 va commencer à se former à titre principal. La présence dudit cation est confirmée par prélèvement du milieu réactionnel à ce stade et analyse, notamment par resonance magnétique nucléaire du proton. Par cette analyse on obtient un spectre comprenant un triplet à 1,25 ppm environ (3H), un doublet à 1,85 ppm environ (3H), un multiplet à 2,3 ppm environ (2H) et un sextuplet à 4,15 ppm environ (1H).Pour que la formation dudit complexe s'effectue le plus efficacement possible, il est souhaitable que les conditions opératoires dans le réacteur soient choisies comme suit - un rapport molaire CO/C4H1o au moins égal à 1,5 et de préférence compris entre 2 et 30 environ, - un rapport molaire HF/SbF5 compris entre 1 et 30 environ, - une température comprise entre -80 C et +60"C environ, - une proportion de brome ou bromure minéral ou organique, par rapport à SbF5, comprise entre 0,1 et 5 % en moles environ. Le complexe formé à l'issue de l'étape (b) est utilisé, notamment grâce au mode de réalisation décrit ci-après, pour fabriquer avec un bon rendement le fluorure de méthyl-2 butyryle. Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, on convertit le complexe en fluorure de méthyl-2 butyryle par intervention d'au moins un moyen pour déplacer l'équilibre entre ledit complexe et le fluorure de méthyl-2 butyryle vers la formation de ce dernier. Parmi les mo- yens d'intervention, dans le cadre de l'étape (c), pour déplacer cet équilibre chimique, on peut citer notamment l'addition d'une espèce chimique capable de diminuer significativement l'acidité du milieu réactionnel. Parmi de telles espèces, on choisira de preference le fluorure d'hydrogène. Des moyens d'intervention de nature physique, par exemple thermique, peuvent également être envisagés dans le cadre de l'étape (c). L'équilibre chimique précité ayant été suffisamment déplacé, il convient alors dans l'étape (d) de séparer une proportion substantielle du fluorure de méthyl-2 butyryle des autres constituants du milieu réactionnel. Connaissant les températures d'ébullition à la pression atmosphérique du fluorure d'hydrogène (20"C), du pentafluorure d'antimoine (150"C) et du fluorure de méthyl-2 butyryle, ainsi que les quantités respectives des différents composants en présence, l'homme de l'art est en mesure de choisir la méthode de séparation la plus appropriée. Toujours dans le cadre de ce mode de réalisation, le procédé selon la présente invention prévoit en outre que le superacide et éventuel le- ment le fluorure de méthyl-2 butyryle résiduel soient récupérés au cours de l'étape (e). Lorsque le procédé est effectué de manière discontinue, le superacide, seul ou en mélange avec du fluorure d'hydrogène et éventuellement une partie du fluorure méthyl-2 butyryle n'ayant pas été séparé, est récupéré pour être réutilisé pour la réaction suivante. Lorsque le procédé est effectué de manière continue le superacide, le cas échéant en mélange avec du fluorure d'hydrogène et/ou du fluorure de méthyl-2 butyryle, est recyclé vers le réacteur. Lorsque du fluorure d'hydrogène a été ajouté au cours de l'étape (c), le recyclage peut être effectué après élimination partielle du fluorure d'hydrogène.Dans ce cas un mode de réalisation particulier consiste à ajuster, grâce à l'étape (f), la quantité de fluorure d'hy hydrogène à la constitution du superacide mis en oeuvre dans l'étape (a). Le fluorure d'hydrogène éliminé à ce stade peut à son tour être recyclé, par exemple vers le point d'intervention de l'étape (c) ou il permettra au moins partiellement de constituer l'appoint nécessaire au déplacement de l'équilibre chimique sus-mentionné. La réaction du procédé selon la présente invention peut être commodément effectuée sous pression atmosphérique. Pour des raisons de cinétique et d'économie d'exploitation industrielle, il pourra également être avantageux de procéder sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, par exemple sous une pression allant jusqu'à 250 bars. L'homme de 1' art est capable de choisir, en fonction du niveau de la pression, d'une part le temps de séjour du milieu réactionnel dans le réacteur et d'autre part la température appropriée. Le temps de séjour dans le réacteur est généralement compris entre 0,1 et 300 minutes.De plus dans le cas où la pression de réaction est notablement supérieure à la pression atmosphérique, il peut être souhaitable d'abaisser la pression à l'issue de l'étape (c) et de recomprimer les fluides récupérés notamment au cours l'étape (e) et, le cas échéant, au cours de l'étape (f) jusqu'à la pression du réacteur. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir avec une cinétique et un rendement satisfaisants, après au moins une étape de purification bien connue de l'homme de l'art telle que la distillation fractionnée, du fluorure de méthyl-2 butyryle ayant un degre de pureté adapté pour les utilisations ultérieures. En effet le fluorure de méthyl-2 butyryle constitue un intermédiaire de synthese permettant notamment la production d'acide méthyl2 butyrique par hydrolyse. Conformément à l'objectif de la présente invention, ce composé est obtenu avec un prix de revient modéré en raison du choix du butane comme matière première de départ. L'exemple ci-après a pour unique objet d'illustrer la présente invention, sans en limiter la portée en aucune manière. EXEMPLE Dans un réacteur en polymonochlorotrifluoroéthyléne de volume 3 ml contenant un mélange de fluorure d'hydrogène et de pentafluorure d'antimoine dans un rapport molaire HF/SbF5 égal à 7:3 ainsi que du bromure de sodium à raison de 2,5 % en moles par rapport à SDF5, plonge un tube en polymonochlorotrifluoroéthylène par lequel on introduit, selon un débit de 210 ml/heure, un mélange de monoxyde de carbone et de butane dans un rapport molaire CO/C4H10 égal à 3.Ce réacteur est maintenu sous pression atmos sphérique et, grâce à un bain de saumure, à une température de -10 C. La circulation des gaz est assurée par une pompe péristaltique à travers un circuit constitué de tubes en polytétrafluoroéthylène. A la sortie du réacteur, un réfrigérant enveloppant le tube est alimenté en ethanol par un cryostat, en vue de condenser les vapeurs de fluorure d'hydrogène qui pourraient s'échapper du milieu. En aval de ce tube, un piège à cnaux sodée en polytétrafluoroéthylène permet d'arrêter les dernières traces de fluorure d'hydrogène. Après 60 minutes de fonctionnement, on prélève par le tube plongeant dans le réacteur une fraction de la phase liquide en vue de son analyse par résonance magnétique nucléaire du proton. Cette analyse permet - d'une part de déterminer le taux de conversion égal à la proportion de bu tane consommé par rapport à la quantité de butane introduite. Ce taux est ici égal à 78 %. - d'autre part d'identifier les cations formés au cours de la réaction. Le spectre de résonance magnétique nucléaire obtenu (déjà décrit ci-dessus) révèle la présence des cations méthyl-2 butyryle, isobutyryle et propiony le et permet d'évaluer leurs proportions respectives : méthyl-2 butyryle : 93 % isobutyryle : 3 % propionyle : 4 % Ces proportions sont confirmées par ailleurs par analyse chromatographique en phase gazeuse après piégeage du milieu réactionnel dans un mélange d'éthanol et de bicarbonate de sodium. REVENDICATIONS 1. Procédé catalytique de faDrication de fluorure de méthyl-2 butyryle à partir de monoxyde de carbone, de fluorure d'hydrogène et d'un flux d'hydrocarbures alipnatiques comprenant du butane à titre principal, caractérisé par la succession des étapes suivantes (a) introduction d'au moins un fluide choisi parmi le monoxyde de carbone et ledit flux d'hydrocarbures dans un réacteur en présence d'un superacide constitué de fluorure d'hydrogène, de pentafluorure d'antimoine SbF5 et d'au moins un composé choisi parmi le brome et les bromures minéraux ou organiques, (b) le cas échéant, s'il n'a pas dejà été'introduit au cours de l'étape (a), introduction dans le réacteur d'un fluide choisi parmi le monoxyde de carbone et ledit flux d'hydrocarbures, dans des conditions propres a permettre la formation, à titre principal, d'un complexe constitué du cation de méthyl-2 butyryle et de l'anion SbF6, (c) conversion dudit complexe en fluorure de méthyl-2 butyryle, (d) séparation du fluorure de méthyl-2 buturyle, et (e) récuperation du superacide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport molaire CO/C4H10 dans le réacteur est au moins égal à 1,5. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport molaire HF/SbF5 dans le réacteur est compris entre 1 et 30. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température réactionnelle est comprise entre -80 C et +60"C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion du composé choisi parmi le brome et les bromures minéraux ou organiques est comprise entre 0,1 et 5 % en moles par rapport à SbF5. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le complexe formé à l'issue de l'étape (b) est converti en fluorure de méthyl-2 butyryle au cours de l'étape (c) par intervention d'au moins un moyen pour déplacer l'équilibre entre ledit complexe et le fluorure de méthyl2 butyryle vers la formation de ce dernier. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen d'intervention de l'étape (c) est l'addition d'une espèce chimique capable de diminuer significativement l'acidité du milieu réactionnel. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite espèce chimique est le fluorure d'nydrogène. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le superacide récupéré au cours de l'étape (e) est recyclé vers le réacteur. 10. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le recyclage du superacide est effectué après elimination partielle de fluorure d'hydrogène. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le fluorure d'hydrogène élimine à ce stade est recyclé vers le point d'intervention de l'étape (c). 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (f) d'ajustement de la quantité de fluorure d'hydrogène à la constitution du superacide mis en oeuvre dans 1' étape (a).