Brevet FR2622575A1 — publié le 19890505

PROCEDE D'HYDROXYLATION DE PHENOLS ET D'ETHERS DE PHENOLS La présente invention concerne un procédé d'hydroxylation de phénols ou d'éthers de phénols 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 & l'aide de solides non dissous dans le milieu, afin de simplifier leur séparation du milieu réactionnel 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 no 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 & ce problème de la séparation du catalyseur, il a été proposé, dans la demande de brevet européen publiée sous le n 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 des phénols ou éthers de phénols par le peroxyde d'hydrogène, qui puisse être utilisée de manière industrielle dans des conditions économiquement acceptables. C'est précisément l'objet de la présente invention. -2- L'invention consiste donc en un procédé d'hydroxylation de phénols ou éthers de phénols de formule générale (I) pR R2 (I) dans laquelle - R1 représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle, un groupement éthyle ou un groupement phényle, - R2 représente un atome d'hydrogène, un radical alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone, un radical aikoxy ayant 1 à 4 atomes de carbone, un radical phényle ou cyclohexyle par réaction avec le peroxyde d'hydrogène, caractérisé en ce que la réaction est conduite en présence d'une quantité efficace d'au moins une argile acide. Par argiles acides que l'on utilise dans le cadre du procédé de l'invention, on entend les argiles qui présentent en suspension dans l'eau un pH inférieur à 7. De préférence ce pH, mesuré dans des conditions décrites ci-après, est compris entre 2 et 6. La mesure du pH des argiles acides peut se faire de la manière suivante on prépare une suspension de l'argile dans l'eau par pesée de 2 grammes de l'argile broyée et addition de 100 cm3 d'eau permutée; - on agite pendant 10 minutes environ & l'aide d'un agitateur magnétique; - on mesure le pH & l'aide d'une électrode double pendant que la suspension est maintenue sous agitation. Les argiles utilisables dans le procédé de la présente invention sont choisies de préférence parmi les argiles naturelles présentant une structure dite "TOT" ou tetraèdre-octaèdre-tétraèdre. 262?2575 3- Les argiles sont divisées en 3 classes - les smectites, - les vermiculites, - les micas Les argiles TOT se présentent sous forme de feuillets élémentaires comprenant deux couches de tétraèdres d'atomes d'oxygène dans lesquels sont inclus les atomes de silicium séparées par une couche d'octaèdres d'atomes d'oxygène dans lesquels est inclus le métal M de type (M040H2) o M est un cation di ou trivalent. Lorsque tous les tétraèdres sont occupés par des ions Si4+ la neutralité électrique du feuillet peut être assurée de deux façons, selon la charge du cation octaédrique: - s'il est divalent (Mg 2+, Fe,), toutes les cavités octaédriques sont occupées. Le feuillet est alors dit trioctaédrique; 3. 3,4 - s'il est trivalent (AI, Fe,) deux cavités octaédriques sur trois sont occupées et le feuillet est dioctaédrique. Mais de nombreuses substitutions sont possibles, aussi bien dans la couche tétraédrique que dans la couche octaédrique. Celles-ci peuvent entraîner un déficit de charge du feuillet et la neutralité du cristal est alors réalisée par insertion de cations compensateurs entre les feuillets. On préfère utiliser les smectites. Les smectites sont classifiées selon la nature du métal M (aluminium, magnésium, fer, lithium) et la nature du cation compensateur (sodium, potassium, calcium). On peut ainsi citer parai la classe des smectites - les montmorillonites de formule générale Si4 (A12-y-M9gy) O10OH2 My - les beidellites de formule (Si Al)Al20OH2, M (S4_XxA)A 2010OH2, Bx - les nontronites de formule (Si4 Al)Fe2O0OH2M x (S4_xAlx)2010OH2,+x - les hectorites de formule Si (Mg3 -Liy)O OHM 4 3-y yO10 2, y - les stévensites de formule Si4(Mg3y)O10OH2M2y - les saponites de formule (Si4 xAlX)Hg3010o2M x On préfère encore tout particulièrement dans le cadre de la présente invention utiliser les montmorillonites. On peut utiliser des argiles commerciales déjà acides telles que notamment les argiles suivantes: À KSF vendue par Sud-Chemie (Munich), À TONSIL OPTIMUM FF vendue par Sud-Chemie, K 10 vendue par S d-Chemie. L'argile KSF a une surface de 20 à 40 m2/g et une densité de 800 à 850 g/l. L'argile K 10 a une surface de 220 à 270 m /g et une densité de 300 à 370 g/l. L'argile TONSIL OPTIMUM FF a une surface spécifique d'environ 270 a2/g. On peut également traiter les argiles commerciales, déjà acides ou non par une solution aqueuse d'un acide. La concentration de la solution aqueuse en acide est variable, cependant elle devra avoir un pH supérieur ou égal à 2 de façon à ne pas détruire l'argile et elle devra contenir une quantité d'ion H exprimé en milliéquivalents correspondant & au moins la capacité d'échange de l'argile. On définit la capacité d'échange d'une argile comme le nombre de cations monovalents, exprimé en milliéquivalents que peuvent échanger 100 g d'échantillon. Cette capacité d'échange (ou charge par demi-maille) varie pour les smectites entre 0,2 et 0,6 et pour les vermiculites entre 0,6 et 0,9. Il est préférable donc dans le cadre de la présente invention d'utiliser une solution d'acide contenant autant d'équivalents H qu'il y aura de cations à échanger dans l'argile donc contenant au moins 0,6 et de préférence au moins 1 milliéquivalent acide pour 100 g d'argile. Ce traitement de l'argile est très facile à mettre en oeuvre. Parmi les acides utilisés on peut citer l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique,l'acide trifluorométhanesulfonique et l'acide phosphorique. Les acides organiques pourraient aussi être utilisés, mais ne présentent aucun avantage par rapport aux acides minéraux et présentent surtout l'inconvénient d'être plus onéreux. On peut éventuellement, pour améliorer la surface d'échange de l'argile, la traiter ensuite avec un alcool tel que le méthanol, puis la sécher. Les phénols et éthers de phénols qui sont utilisés de préférence dans le procédé de l'invention sont les composés de formule (I) dans laquelle R1 représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle ou un groupement éthyle, et R2 représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle, éthyle ou tertiobutyle, un groupement méthoxy ou éthoxy. A titre d'exemple non limitatifs on peut citer le phénol, l'anisole, 1'orthocrésol, le nitrocrésol, le paracrésol, le tertiobutyl-4 phénol, le méthoxy-2 phénol, le méthoxy-4 phénol. Le procédé selon l'invention s'applique particulièrement bien au phénol pour la préparation d'hydroquinone et de pyrocatéchine. Le peroxyde d'hydrogène peut être utilisé sous la forme d'une solution aqueuse ayant généralement une concentration en peroxyde d'hydrogène supérieure & 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 composé de formule I/peroxyde d'hydrogène est généralement de 25/1 & 3/1 et préférentiellement de 20/1 & 4/1. La quantité d'argile acide définie précédemment, que l'on peut mettre en oeuvre dans le présent procédé peut varier dans de très larges limites. Lorsque l'on réalise le procédé en discontinu, le catalyseur peut représenter en poids par rapport au poids du composé de formule (I) engagé de 0,1 % & 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 composé (I) et de solution de peroxyde d'hydrogène sur un lit fixe de catalyseur, ces rapports catalyseur/composé (I) n'ont plus de sens et, & un instant donné, on pourra avoir un excès pondéral de catalyseur par rapport au composé (I). -6- Il est également possible d'effectuer la réaction d'hydroxylation du composé (I) dans un solvant du composé (I), 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 de tétrahydrothiophène (sulfolane), 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 160 C 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 Dans un réacteur en verre pyrex de 30 cm, muni d'une agitation centrale par barreau aimanté, 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: - 9,4 g de phénol (0,1 mole) - 0,25 g d'argile de type montmorillonite à propriétés acides (pH mesuré dans les conditions décrites: 2,75) (réf. KSF de SUD-CHEMIE, Munich) On chauffe à 80 C sous agitation, puis on injecte une solution aqueuse de H202 à 70 % en poids par volume. (0,005 mole de H202). On laisse ensuite réagir pendant 2 heures 30 minutes. Après filtration du catalyseur, on dose H202 non transformée par 2 2 iodométrie et les diphénols par chromatographie liquide haute performance (CLHP). On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 85,0 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H202 transformée (RT): 30,0 % -7- - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT) 11,5 % - rendement total en diphénols: 41,5 % EXEMPLE 2 On répète l'exemple 1 avec les mêmes quantités de réactifs, mais l'essai est réalisé à 130 C au lieu de 80 C. On obtient les résultats suivants - taux de transformation (TT)de H202 99, 0 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H202 transformée (RT) 12,0 % - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT): 6,0 % rendement total en diphénols: 18,0 % EXEMPLES 3 à 11 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 à l'aide d'azote - 4,7 g de phénol - 0,25 g d'argile acide (KSF) utilisée 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 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 minutes. 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 (pyrocatéchine = PC; hydroquinone = HQ). - 8 - EXEMPLES SOLVANTS TT % H202 RT % HQ RT % PC Somme RT % Ex. 3 acide acétique 92,5 7,0 6,5 13,5 Ex. 4 acétonitrile 84,0 4,5 8,5 13,0 Ex. 5 méthyl-isobutyl- 85,5 8,5 18,0 26,5 cétone Ex. 6 acétate 93,5 1,0 3,5 4,5 d'isopropyle Ex. 7 tertiobutanol 29,0 1,0 6,5 7,5 Ex. 8 sulfolane 91,5 5, 0 7,5 12,5 Ex. 9 méthyl-tertio- 88,0 1,5 3,0 4,5 butyléther Ex. 10 méthanol 93,0 6,0 9,0 15,0 EX. 11 eau 94,0 23,5 39,0 62,5 EXEMPLE 12 Dans un réacteur en verre pyrex de 30 cm, muni d'une agitation centrale par barreau aimanté, 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: - 9,4 g de phénol (O,1 mole) - 0,25 g d'argile de type monteorillonite à propriétés acides (pH mesuré dans les conditions décrites: 4,0) (réf. TONSIL OPTIMUM FF) On chauffe à 80 C sous agitation, puis on injecte une solution aqueuse de H202 à 70 % en poids par volume. (0,005 mole de H202). On laisse ensuite réagir pendant 2 heures 30 minutes. 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: 97,0 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H202 transformée (RT) :14,0 % - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT): 9,0 % - rendement total en diphénols: 23,0 % EXEMPLE 13 On répète l'exemple 12 avec les mêmes quantités de réactifs, mais l'essai est réalisé à 130 C au lieu de 80 C. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT)de H202: 99,5 % - rendement en pyrocatéchine par rapport à H2 02 transformée (RT): 11,5 % 2 2 - rendement en hydroquinone par rapport à H202 transformée (RT) : 9,5 % - rendement total en diphénols: 21,0 % - 10 - REVENDICATIONS 1.- Procédé d'hydroxylation de phénols ou éthers de phénols de formule générale (I) OR 1 1) R ! O -- R2 (I) dans laquelle - R représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle, un groupement éthyle ou un groupement phényle, - R2 représente un atome d'hydrogène, un radical alkyle ayant 1 & 4 atomes de carbone, un radical alkoxy ayant 1 & 4 atomes de carbone, un radical phényle ou cyclohexyle; par réaction avec le peroxyde d'hydrogène, caractérisé en ce que la réaction est conduite en présence d'une quantité efficace d'au moins une argile acide. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué aux phénols et éthers de phénol de formule (I) dans laquelle R représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle ou un groupement éthyle, et R2 représente un atome d'hydrogène, un groupement méthyle, éthyle ou tertiobutyle, un groupement méthoxy ou éthoxy. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il est appliqué aux phénols et éthers de phénols choisi parmi le phénol, l'anisole, l'orthocrésol, le nitrocrésol, le paracrésol, le tertiobutyl-4 phénol, le méthoxy-2 phénol, le méthoxy-4 phénol. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'argile acide présente, en suspension dans l'eau, un pH compris entre 2 et 6. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 & 4, caractérisé en ce que l'argile acide utilisée est choisie parmi les argiles naturelles présentant une structure dite "TOT" ou tetraèdre-octaèdre-tétraèdre. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 & 5, caractérisé en ce que l'argile acide utilisée est choisie parmi les smectites, les vermiculites, et les micas et de préférence parmi les smectites. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'argile acide utilisée est choisie parmi: - les montmorillonites de formule générale Si4(A12_y-Mgy)O100H2,M + - les beidellites de formule (Si4 Al) A1201OH2 Mx 4-X x 2110 2, x + - les nontronites de formule (Si4 Alx) Fe20100H2,M x les hectorites de formule Si4(Mg3 Li)0100H2,M S4M3_yLly) O10OH2, y + - les stévensites de formule Si (mg)O OH2PM 2 i4(M3-y)Ox00H 2y + - les saponites de formule (Si4 AlX)Mg3O10OH2M x et de préférence les montmorillonites. 8.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisé en ce que l'on traite les argiles commerciales, déjà acides ou non, par une solution aqueuse d'un acide. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la concentration de la solution aqueuse en acide est telle que son pH soit supérieur ou égal & 2 et et qu'elle contient une quantité d'ion H exprimé en milliéquivalents correspondant & au moins la capacité d'échange de l'argile. - 12 - 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la concentration de la solution aqueuse en acide est telle qu'elle contient une quantité d'ion H+ d'au moins 0,6 et de préférence d'au moins 1 milliéquivalent acide pour 100 g d'argile. 11.- Procédé selon l'une des revendications 8 à 18, caractérisé en ce que le traitement acide est effectué à l'aide d'acide chlorhydrique, d'acide sulfurique, d'acide nitrique, d'acide trifluorométhanesulfonique ou d'acide phosphorique. 12.- Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le traitement acide est suivi d'un traitement par un alcool. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 réalisé en discontinu, caractérisé en ce que le catalyseur représente en poids par rapport au poids du composé de formule (I) engagé de 0,1 % à 20 % et de préférence de 0,5 % à 10 %. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le procédé est réalisé en continu sur un lit fixe de catalyseur. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le peroxyde d'hydrogène est mis en oeuvre sous la forme d'une solution aqueuse. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le peroxyde d'hydrogène est mis en oeuvre sous la forme d'une solution organique. 13 - 17. Procédé selon l'une des revendications 1 & 16, caractérisé en ce que la réaction d'hydroxylation est effectuée dans un solvant du composé de formule (I), 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. 18. Procédé selon l'une des revendications 1 & 17, caractérisé en ce que la réaction d'hydroxylation est conduite & une température comprise entre 45 C et 160 C.