Brevet FR2618143A1 — publié le 19890120

i} 2618143 PROZEDE D'HYDROXYLATION DU PHENOL La présente invention concerne un procédé d'hydroxylation du phénol par le peroxyde d'hydrogène. L'hydroxylation du phénol ou de phénols substitués, par le peroxyde d'hydrogène, pour préparer des diphénols est une réaction connue. Le brevet français n 69-45467 publié sous le n 2 071 464 a décrit un procédé dans lequel la réaction est catalysée par un acide fort, tel que par exemple l'acide perchlorique ou l'acide sulfurique. Le brevet allemand n 2 410 742 a décrit un procédé semblable au précédent, dans lequel le peroxyde d'hydrogène est mis en oeuvre sous forme de solution organique pratiquement anhydre. Ces deux procédés sont très intéressants et le premier procédé est mis en oeuvre industriellement. Cependant depuis quelques années, on cherche à catalyser la réaction d'hydroxylation à l'aide de solides non dissous dans le milieu, afin de simplifier lEur sép.ration du milieu r-actionnel et leur éventuel recyclage et éviter les sous-produits salins, qui se forment le plus souvent lors de l'élimination des catalyseurs acides dissous. Ainsi, la demande de brevet français n 81-17023 (publiée sous le n 2 489 816) préconise l'emploi de silicalite de titane comme catalyseur hétérogène de l'hydroxylation de composés aromatiques par le peroxyde d'hydrogène. En fait, cette catalyse présente de grandes difficultés de reproductibilité. En outre la fine taille des particules de catalyseur utilisées rend leur séparation du milieu réactionnel très difficile et leur recyclage problématique, alors que dans un procédé industriel, il est indispensable de pouvoir recycler un catalyseur coûteux. Pour remédier à ce problème de la séparation du catalyseur, il a été proposé, dans la demande de brevet européen publiée sous le n0 200 260, d'utiliser des agglomérats de ces fines particules de silicalite de titane. Il s'avère cependant que l'on recherche encore une catalyse hétérogène de la réaction d'hydroxylation du phénol par le peroxyde 2 6 1 8 1 4 3 d'hydrogène, qui puisse être utilisée de manière industrielle dans des conditions économiquement acceptables. C'est précisément l'objet de la présente invention. L'invention consiste donc en un procédé d'hydroxylation du phénol en diphénols par réaction avec le peroxyde d'hydrogène, caractérisé en ce que la réaction est conduite en présence d'une quantité efficace d'argile pontée. Par argile pontée, on entend dans le présent texte des argiles entre les feuillets desquelles ont été -''uduits des ponts ou piliers qui maintiennent un espacement basal. L'espacement basal est la somme de l'épaisseur d'un feuillet de l'argile et de l'espacement interfoliaire. Les argiles pontées sont plus particulièrement les zéolithes à structure bidimensionnelle qui sont préparées selon le procédé de pontage décrit dans la demande de brevet français n 84-06482 (publiée sous le numérc 2 563 446). Ces zéolithes à structure bidimensionnelle sont obtenues par un procédé comportant les étapes suivantes: a) traitement d'une argile naturelle ou synthétique, comportant des substitutions en couine tetraédrique, sous forme d'une suspelisinrn aqueuse, par une solution aqueuse contenant au moins un hydroxyde d'au moins un métal; b) l'élimination de l'excès de l'hydroxyde de métal n'ayant pas réagi sur l'argile, ladite élimination conduisant, après séchage de l'argile traitée, à l'obtention d'un précurseur de la zéolithe; c) le traitement thermique du précurseur de la zéolithe,.ledit traitement conduisant à l'obtention de la zéolithe à structure bidimensionnelle. Comme argile de départ les beidellites synthétiques conviennent tout particulièrement bien. La préparation des beidellites synthétiques qui seront ainsi pontées est elle-même décrite dans la demande de brevet précité et dans des articles auxquels se réfère ladite demande de brevet. Le pontage des argiles peut être effectué à l'aide des hydroxydes des métaux suivants: l'aluminium, le nickel, le cobalt, le vanadium, le molybdène, le rhénium, le fer, le cuivre, le ruthénium, le chrome, le lanthane, le cérium, le titane, le bore, le gallium, ainsi qu'avec des hydroxydes mixtes de ces métaux. De préférence on utilisera comme catalyseur dans le présent procédé une beidellite pontée à l'acide d'hydroxyde d'aluminium selon le procédé de la demande de brevet FR 84-06482. Le peroxyde d'hydrogène peut être utilisé sous la forme d'une solution aqueuse ayant généralement une concentration en peroxyde d'hydrogène supérieure à 20 % en poids. Le peroxyde d'hydrogène peut également être utilisé sous la forme d'une solution dans un solvant organique. Comme solvants organiques utilisables pour la mise en oeuvre du peroxyde d'hydrogène, on peut utiliser des esters tels que notamment les esters d'alkyle ou de cycloalkyle d'acides carboxyliques aliphatiques saturés; de préférence on emploiera les acétates et les propionates d'alkyle ayant au total de 4 à 8 atomes de carbone ou des mélanges de tels esters. On peut également utiliser des solutions de peroxyde d'hydrogène dans un éther tel que par exemple le dioxanne, le diisopropyléther ou le méthyl- tertiobutyléther. Le rapport molaire phénol/peroxyde d'hydrogène est généralement de 25/1 à 3/i et préférentiellement de 20/1 à 4/1. La quantité d'ar _. ntée, et plus particulièrement de zéolithe à structure bidimensionnelle définie précédemment, que l'on peut mettre en oeuvre dans le présent procédé peut varier dans de très larges limites. Lcrsque l'on réalise le procédé en discontinu, le catalyseur peut représenter en poids par rapport au poids du phénol engagé de 0,1% à 20 %. De préférence, ce rapport pondéral sera compris entre 0,5 % et 10 %. Cependant si l'on réalise le procédé en continu, par exemple en faisant réagir un mélange de phénol et de solution de peroxyde d'hydrogène sur un lit fixe de catalyseur, ces rapports catalyseur/phénol n'ont plus de sens et, à urn instant donné, on pourra avoir un excès pondéral de catalyseur par rapport au phénol. Il est-également possible d'effectuer la réaction d'hydroxylation du phénol dans un solvant du phénol, qui soit de préférence miscible ou partiellement miscible à l'eau. A titre d'exemples non limitatifs de tels solvants, on peut citer l'eau; les alcools comme le méthanol, le tertiobutanol, l'isopropanol ou l'éthanol; les cétones comme l'acétone ou la méthylisobutylcétone; les nitriles comme l'acétonitrile; les acides carboxyliques comme l'acide acétique; les esters comme l'acétate de propyle; les éthers comme le méthyl-tertiobutyléther; des solvants aprotiques polaires comme le dioxyde 2 6 1 8 1 4 3 4- de tétrahydrothiophéne S óIane, le carbonate d'éthylène glycol, le carbonate de propylène glycol, la N-méthylpyrrolidone. La température à laquelle est conduite la réaction est généralement comprise entre 45 et 1600C sous pression atmosphérique. On peut également opérer à plus haute température et sous pression supérieure à la pression atmosphérique. Les exemples qui suivent illustrent l'invention. EXEMPLE 1: PREPARATION DU CATALYSEUR (selon le procédé de la demande de brevet FR 84-06482) La beidellite est une argile TOT, silicoaluminate de type smectite dioctaédrique, dont une partie des atomes de silicium de la couche tétraédrique est substituée par des atomes d'aluminium. La beidellite pontée est obtenue par pontage, à l'aide d'une solution d'hydroxyde.d'aluminium, d'une beidellite sodique. La solution de polyoxycations d'aluminium est préparée par ajout d'ammoniaque à une solution de nitrate d'aluminium jusqu'à un rapport OH/Al de;,2 (pH = 4). Cette solution est ensuite chauffée pendant 1 heure à 50 0C. On prépare une dispersion dans l'eau de la beidellite sodique à laquelle on ajoute la solution précédente. Le mélange des deux solutions est vigoureusement agité pendant 1 heure à température ambiante. La solution ainsi obtenue est dialysée pendant quatre jours. Le matériau est ensuite filtré, puis séché à 100 C pendant deux heures. Le produit séché est ensuite calciné à 350 C. Le matériau ainsi obtenu est caractérisé par une distance interlamellaire (ou espacement basal) après calcination à 350 C de 17,6 Angstroms (176 nm) , par une surface spécifique de 420 m2/g et par un volume poreux de 0,43 cm3/g. La beidellite pontée obtenue se présente sous la forme de petits cylindres d'environ 1 à 5 millimètres de longueur et d'environ 0,5 à 1 millimètre de diamètre. 2 6 1 8 1 4 3 -- 5 -- EXEMPLE 2 Dans un réacteur en verre pyrex de 100 cm3, muni d'une agitation centrale, d'un réfrigérant relié à un gazomètre, d'un système de chauffage régulé et d'un système d'injection, on charge après avoir préalablement purgé l'appareil à l'aide d'azote: - 27,2 g de phénol - 0,528 g de beidellite pontée préparée dans l'exemple 1. On chauffe à 80 C sous agitation, puis on injecte en 1 heure 6,32 g d'une solution de H202 à 40 % en poids par volume. On laisse ensuite réagir pendant 1 heure supplémentaire. Après filtration du catalyseur, on dose H202 non transformée par iodométrie et les diphénols par chromatographie liquide haute performance (CLHP). On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 31,5 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H22 transformée (RT): 27,5 % -22 rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT): 12,5 % - rendement total en diphénols: 40,0 % EXEMPLE 3 Dans l'appareillage décrit pour l'exemple 2, en suivant le même mode opératoire et avec les mêmes charges de réactifs, on réalise un nouvel essai en laissant réagir pendant 5 h 30 min (au lieu d'une heure) après la fin de la coulée de H202. On dose H202 non transformée par iodométrie et les diphénols formés par CLHP. 2618 1 4 3 On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 100,0 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H2O transformée (RT): 10,0 % - rendement en hydroquinone par rapport à HO, transformée (RT): 8, 5 % - rendement total en diphénols: % EXEMPLE 4 On répéte l'exemple 2 en chargeant 2 g du catalyseur préparé dans l'exemple I. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H2,O,: 81,0 % - rendement en pyrocatéchine par rapport H 02 transformée (RT): 8, 0 % - rendement en hydroquirnone par rapport G H^O^ transformée (RT): 5,0 % - rendement total en diphénols: 13,0 % EXEMPLE 5 On répète l'exemple 2 avec les différences suivantes: - 2 g du catalyseur de l'exemple 1 - 1,45 g de solution aqueuse de H202 à 40 % en poids par volume (p/v) - agitation pendant 1 h 30 min après la fin de coulée de H202. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 97,5 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H202 transformée (RT): 9,0 - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT): 8,0% - rendement total en diphénols: 17,0 % 2 6 1 8 1 4 3 EXEMPLE 6 Dans un réacteur er. verre pyrex de 30 cm3, muni d'une agitation magnétique, d'un réfrigérant relié & un gazomètre, d'un système de chauffage régulé et d'un système d'injection, on charge après avoir préalablement purgé l'appareil à l'aide d'azote: - 9,4 g de phénol - 0,25 g de beidellite pontée préparée dans l'exemple 1. On chauffe à 80 C sous agitation, puis on injecte en 0,1 min 0,25 g d'une solution de H 202 à 70 % en poids par volume (5 mmol). Or. laisse ensuite réagir pendant 2 h 30 min supplémentaires. Après filtration du catalyseur, on dose H202 non transformée par iodométrie et les diphénols par chromatographie liquide haute performance (CLHP). On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H2C 71, 2 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H2C2 transformée (RT): 12, 9 % - rendement en hydroquinone par rapport & H2,O2 transformée (RT) 5,9 % - rendement total en diphénols: 18,8 % EXEMPLE 7 On répète l'exemple 6 avec la différence suivante: - 0,5 g du catalyseur de l'exemple 1. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 61,6 % - rendement en pyrocatéchine par rapport - à H202 transformée (RT): 16,4 % - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT): 8,9 % - rendement total en diphénols: 25,3 % 2 6 1 8 1 4 3 -- 8 -- EXEMPLES 8 A 15 Dans un réacteur en verre pyrex de 30 cm3, muni d'une agitation magnétique, d'un réfrigérant relié à un gazomètre, d'un système de chauffage régulé et d'un système d'injection, on charge après avoir préalablement purgé l'appareil & l'aide d'azote: - 4,7 g de phénol - 0,25 g de beidellite pontée préparée dans l'exemple 1. - 4,7 g d'un solvant organique (voir tableau ci-après). On chauffe à 80 C sous agitation, puis on injecte en 0,1 min 0,125 g d'une solution de H202 à 70 % en poids par volume (2,5 mmol). On laisse ensuite réagir pendant 2 h 30 min supplémentaires. Après filtration du catalyseur, on dose H202 non transformée par iodométrie et les diphénols par chromatographie liquide haute performance (CLHP). Le tableau ci-après rassemble les résultats obtenus (pyrocatécinie PC, hydroquinone = HQ). 2618 1 4 3 9 9- EXEMPLES SOLVANTS TT% H202 RT% HQ RT% PC Somme RT% diphénols Ex 8 Acide acétique 96,1 6,5 1,9 8,4 Ex 9 Acétonitrile 17,8 4,8 11,5 16,3 I Ex 10] Méthyl-isobutyl- 22,3 62,3 33,4 95,7 cétone Ex Il Acétate de 18,9 5,9 10,1 16,0 propyle t I j Ex 12 Tertiobutanol 8,8 2,0 3,7 5,7 Ex 13 Méthanol 6,2 12,1 4,6 16,7 Ex 14 Sulfolane 26,4 11,3 13,0 24,3 Ex 15 Eau 6,6 O 7,1 7,1 2618 1 43 - REVENDICATIONS 1. Procédé d'hydroxylation du phénol en diphénols par le peroxyde d'hydrogène, caractérisé en ce que la réaction est catalysée par une quantité efficace d'argile pontée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'argile pontée est une zéolithe à structure bidimensionnelle obtenue par un procédé consistant à opérer selon les étapes suivantes: a) traitement d'une argile naturelle ou synthétique, comportant des substitutions en couche tétraédrique, sous forme d'une suspension aqueuse, par une solution aqueuse contenant au moins un hydroxyde d'au moins un métal; b) l'élimination de l'excès de l'hydroxyde de métal n'ayant pas réagi sur l'argile, ladite élimination conduisant, après séchage de l'argile traitée, à l'obtention d'un précurseur de la zéolithe; c) le traitement thermique du précurseur de la zéolithe, ledit traitement conduisant à l'obtention de la zéolithe à structure bidimensionnelle. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zéolithe à structure bidimensionnelle préparée à partir d'une beidellite synthétique. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le pontage de l'argile, pour la préparation de la zéolithe à structure bidimensionnelle, est effectué par l'hydroxyde d'aluminium. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport molaire phénol/peroxyde d'hydrogène est de 25/1 à 3/1 et de préférence de 20/1 à 4/1. 2 6-1 8 1 4 3 -!I - 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 réalisé en discontinu, caractérisé en ce que le catalyseur représente en poids par rapport au poids du phénol engagé de 0,1 % à 20 % et de préférence de 0,5 % à 10 %. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le procédé est réalisé en continu sur un lit fixe de catalyseur. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le peroxyde d'hydrogène est mis en oeuvre sous la forme d'une solution aqueuse. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le peroxyde d'hydrogène est mis en oeuvre sous la forme d'une solution organique. 10. Procédé selon:'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la réaction d'hydroxylation est effectuée dans un solvant du phénol, de préférence miscible ou partiellement miscible à l'eau, tel que l'eau, un alcool, une cétone, un nitrile, un acide carboxylique, un ester, un éther ou un solvant aprotique polaire. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la réaction d'hydroxylation est conduite à une température comprise entre 45 C et 160 C.