Brevet FR2626275A1 — publié le 19890728

PROCEDE DE PREPARATION DE CHLORANIL La présente invention concerne un nouveau procédé de préparation de chloranil à partir d'hydroquinones ou de quinones ^éventuellement en partie chlorées pouvant être mises en oeuvre dans un appareillage le plus simple possible. Le chloranil est un intermédiaire de synthèse fort connu et utilisé dans la synthèse de matières colorantes. Les procédes de synthèse décrits dans la littérature d'un tel composé sont nombreux, les rendements annoncés sont pour certains procédés excellents, de l'ordre de 95 % et même supérieurs. Il a par exemple été décrit, il y a déjà très longtemps par R. Schuloff, R. Pollak dans Chemiker-Zeitung 56, p. 569 (1932) la - chloration de la quinone en présence de solutiqons concentrées d'acide chlorhydrique. La chloration est effectuée à haute température - pendant des durées de réaction très longues. A cause de la température élevée et -des quantités importantes de chlore qui sont utilisées, il y a d'une part sublimation d'une partie du chloranil qu'il faut condenser pour le récupérer et d'autre part une forte pollution due au chlore excédentaire n'ayant pas réagi. Il est aussi connu de nombreux procédés de chloration utilisant l'acide chlorhydrique concentré en présence de catalyseurs variés. Il est par exemple décrit dans le brevet allemand 2 645 114 un procéde de chloration oxydante de l'hydroquinone en présence de dichlorure de magnésium, dans la publication effectuée par Fischer et Henderson parue dans Synthesis 1985, (6.7), 641-3., l'oxydation est effectuée en présence de nitrate de cérium, dans la publication effectuée par Rettig et Latscha (Z. Naturforsch, 35 b, 399-400 (1980)) la chloration est effectuée en présence de pentachlorure d'antimoine. L'industrie a toujours cherché à éviter l'utilisation de catalyseurs de chloration dans tout procédé pouvant fonctionner en l'absence de ceux-ci. Ainsi il a été proposé dans le brevet EP 220 135 un procédé de chloration oxydante d'hydroquinone ou de quinone en l'absence de tout catalyseur, le procédé étant caractérisé par l'utilisation d'une pression élevée de chlore comprise entre 3 et 40 bar. La concentration de l'hydroquinone dans l'acide chlorhydrique ne dépasse jamais 70 g/litre ce qui est faible pour un procédé industriel, en outre la pression utilisée exige un appareillage spécial. La préparation du chloranil & partir de sources phénoliques a été abandonnée par toute l'industrie chimique car ils forment au cours de la chloration oxydante des sous produits du type dioxine dont la toxicité est telle que leur présence doit être à tout prix évitée (décret allemand sur les substances dangeureuses de septembre 1986 9 (6)). La présente invention a permis de résoudre les problèmes laissés par l'art antérieur, elle permet de s'affranchir de la présence de catalyseurs halogénométalliques, elle permet de travailler à la pression atmosphérique, elle permet en dernier de travailler avec de fortes concentrations en matières premières de l'ordre de 100 g par litre réactionnel. L'invention est caractérisée par le fait qu'on réalise une chioration oxydante d'une quinone ou d'une hydroquinone éventuellement chlorée dans un solvant miscible à l'eau ou à l'acide chlorhydrique en l'absence de catalyseur de chloration et à la pression atmosphérique. La quinone éventuellement chlorée répond à la formule (I) suivante Cl)n (I) dans laquelle n est égal ou supérieur à O et égal ou inférieur à 3. L'hydroquinone éventuellement chlorée répond à la formule (II) suivante pH -ICl)m (II) OH dans laquelle m est égal ou supérieur à O et égal ou inférieur à 4. On préfère utiliser comme matière première l'hydroquinone non substituée car elle représente la matière première la moins onéreuse. L'agent de chloration oxydante est choisi parmi le chlore ou le mélange acide chlorhydrique-péroxyde d'hydrogène. Le chlore peut être utilisé soit en présence d'eau soit en présence d'acide chlorhydrique mélangé à un solvant organique miscible soit même directement dans le solvant organique. Même si l'on débute la réaction en présence d'eau, elle se déroulera.néanmoins en _présence de l'acide chlorhydrique formé au cours de la réaction. On utilise de préférence un milieu saturé en acide chlorhydrique ce qui se fera naturellement lors de l'introduction de 1 chlore gazeux. Dans le cas de l'utilisation du mélange acide chlorhydrique-péroxyde d'hydrogène la saturation pourra être maintenue par addition d'acide chlorhydrique gazeux ou de chlore. Le soatant utilisé est un solvant miscible avec l'eau ou avec l'acide chlorhydrique gazeux ou en solution aqueuse. Il est choisi parmi les alcools contenant 1 à 4 atomes de carbone, les acides carboxyliques contenant 1 à 4 atomes de carbone ou leurs anhydrides, l'éther isopropylique, les amides, les nitriles, le diméthylsulfoxide. Parmi les alcools on peut citer: le méthanol, l'éthanol, l'isopropanol, le butanol. Parmi les acides carboxyliques on peut citer l'acide formique, l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide butyrique ainsi que leurs anhydrides. Parmi les nitriles on peut cite l'acétonitrile, le propionitrile. Pardi les amides on peut citer: le diméthylformamide, la N méthylpyrrol;idone. On préfère utiliser l'acide acétique ou l'éthanol. La quantité de chlore utilisée varie avantageusement entre la stoechiométrie et un excès de 20 % par rapport à celle-ci. Un excès d'environ 10% est tout à fait conseillé. Lorsque l'on utilise un mélange acide chlorhydrique-péroxyde d'hydrogène, on préfère utiliser une solution d'acide chlorhydrique environ 1ON (30 à 37 % en poids). On met oeuvre un large excès d'acide chlorhydrique de l'ordre de 10 à 50 moles d'acide chlorhydrique par mole d'hydroquinone. Le péroxyde d'hydrogène utilisé est de préférence une solution aqueuse la plus concentrée possible de l'ordre de 30 t en poids par exemple. On utilise au moins 5 moles de péroxyde d'hydrogène par mole d'hydroquinone et de préférence un excès de 20 % est conseillé. Le solvant est utilisé de préférence selon un rapport volumétrique solvant/solution chlorhydrique supérieur à 0,5 et en core plus préférentiellement supérieur ou égal à 1. La quinone ou l'hydroquinone est introduite dans le milieu réactionnel acide chlorhydrique ou eau et/ou au solvant à une concentration de préférence inférieure à 130-140 g/litre. Une concentration de l'ordre de 110 g est tout à fait conseillée. La température réactionnelle est avantageusement comprise entre 50 C et le reflux. Une température d'environ 90 C est préférée. La pression utilisée est la pression atmosphérique. Les exemples suivants permettront de mieux comprendre l'invention. Ils ne sont donnés qu'à titre illustratif et ne doivent pas être considérés comme limitatifs de l'invention. Les abréviations suivantes seront utilisées: - HQ: hydroquinone - Cl3BQ. trichlorobenzoquinone - Cl4HQ: tétrachlorohydroquinone - RR: rendement sur le produit introduit. Essai comparatif selon le brevet DE 2 645 114 Dans un réacteur de 500 ml muni d'une agitation centrale à pales, d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée, d'un thermomètre, on charge 200 ml d'acide chlorhydrique à 35 % (2,28 M), 17,63 g de MgC12, 6H20 (0,086 M), 2,82 g d'hydroquinone (0,0256 M). - Après avoir porté le mélange réactionnel à 0 , 15 ml d'eau oxygénée à 30 % (0,146 M) sont coulés en 15 minutes. Le mélange est ensuite porté à 100 en 1 h 30 ce qui provoque la formation de mousse montant dans le réfrigérant. Après deux heures de chauffage à 100 , le mélange est refroidi, puis le précipité est recueilli par filtration sur un filtrefritte. Le précipité est lavé par 3 x 20 ml _ -- 5 d'eau et séché & l'étuve. Le précipité recueilli pèse 5,89 g soit pondéralement 93,6 % du chloranil attendu. Le dosage chromatographie . phase liquide de ce produit montre qu'il contient 49,2 % de chloranil et 44,8 % de tétrachlorobenzoquinone ce qui conduit respectivement à des RR de 46,2 %-et de 41,7 %. Le produit brut contient également 6 % de chlorure de magnésium. Exemples 1 & 3 -10 Dans le même réacteur que pour l'exemple comparatif, on met en oeuvre: - 250 mi d'acide chlorhydrique à 36 % (2,71 mole), - 3,75 g d'hydroquinone (34 mmoles). Dans cette solution chauffée à 90 C on introduit en 120' 23,18 g de péroxyde d'hydrogène à 30 % (0,204 moles). On laisse agiter quelques minutes. Le mélange réactionnel est refroidi jusqu'à température ambiante, il est filtré. Après séchage on recueille 7, 75 g de poudre jaune ce qui représente un rendement pondéral de 92,8 % par rapport au chloranil attendu. L'analyse chromatographie liquide conduit à la composition suivante: -za* - chloranil: 89,4 % - C13BQ: 5,3 % - Cl HQ: 5 %. On opère dans les mêmes conditions que précédemment en utilisant 250 ml d'une solution HC1 éthanol à 18 % en volume d'éthanol et de 2 solutions HCl-acide acétique à 32 et 57 % en volume d'acide acétique. Les résultats sont reportés dans le tableau 1. Exemples 4 et 5: Mode opératoire avec HCl/H202 2 2 Dans un réacteur de 2 litres muni d'une agitation centrale à pales, d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée, d'un thermomètre, on charge 400 ml d'acide chlorhydrique à 37 % (4,76 M), 400 ml d'acide acétique, 27,2 g d'hydroquinone (0,247 M). Le mélange est chauffé-à 70 , on commence à introduire 150 ml d'eau oxygénée à 30 % ce qui représente un excès molaire de 20 % (1,46 Mole) tout en continuant à chauffer la masse réactionnelle jusqu'à 95 - 100 . L'addition d'eau oxygénée est réalisée en deux heures. Apres refroidissement, le chloranil est filtré, séché pour être ensuite analysé en chromatographie liquide haute performance (voir résultat sur tableau 2). Mode opératoire avec C12/HCl Dans un réacteur de 2 litres muni d'une agitation centrale à pales, d'une réfrigérant, d'un thermomètre, d'un tube plongeur pour l'arrivée du chlore, on charge 400 ml d'acide chlorhydrique à 37 % (4,76 M), 400 ml d'acide acétique, 27,2 g d'hydroquinone (0,247 M). Le mélange est chauffé à 70 , on commence à introduire le chlore. Les 33, 5 litres de chlore (1,49 M) sont introduits en 5 h 30, après refroidissement, le chloranil est filtré, séché pour être a Alysé en chromatographie liquide haute performance (voir résultats sur tableau 2). Exemples 6 à 8 Influence de la concentration en hydroquinone. Afin d'accroître la productivité de la chloration, nous avons examiné l'influence de la concentration en hydroquinone. Le débit de chlore dans ces essais a également varié pour maintenir une durée de chloration de 5 h 30 avec un excès de 20 % en Cl2 pour un milieu AcOH-HCl (50/50) (voir tableau 3). Avec une concentration initiale de 110 g/litre, la concentration en chloranil finale est de 245,9 g/litre. Exemples 9 et 10 Introduction de dichlorobenzoquinone (CI2BQ). Exemple 9 Dans un réacteur on charge 7,2 g de dichlorobenzoquinone (C12BQ) (40 moles) dans 38 ml d'acide acétique et 38 ml d'HCl à 37 %. On chauffe & 90 C. On introduit à cette température du chlore à un débit de 3 1/h pendant 35 minutes (80 mmoles). On refroidit. On filtre un solide jaune de 9,8 g (99 %) dont la composition est - indiquée dans le tableau 4. Exemple 10 On procède au même exemple que précédemment, on introduit: - 3 g de dichlorobenzoquinone (17 mmoles,, - 15 ml d'acide acétique, - 15 ml d'HCl à 37%. On introduit alors à 90 C en 45 minutes, 4,2 ml de peroxyde d'hydrogène à 70 % (41 mmoles). On chauffe 10 minutes et on récupère comme précédemment 4,05 g d'un solide jaune (97 %) dont la composition est indiquée dans le tableau 4. Exemple Il Recyclage du milieu réactionnel. Nous avons examine le recyclage des solvants de la masse réactionnelle. 3* Essai de base Cet essai décrit ci-avant (exemple 8) a conduit aux résultats du tableau 5. Après filtration, le filtrat (350 ml) a été récupéré et nous avons fait un appoint d'un mélange de 50:50 d'acide acétique et d'acide chlorhydrique de façon à compléter à 500 ml. Recyclage Nous avons refait un essai dans le mêmes conditions et avec les mêmes charges que l'essai de base en introduisant la solution réactionnelle de l'essai de base complétée à 500 ml. Ceci a conduit aux résultats du tableau 5. Exemple 12 On opère comme dans l'exemple 5 en chargeant 29,2 g d'hydroquinone (0,265 ml), 280 g d'acide acétique soit 270 ml, g d'eau sait 70 ml, 106 g de Cúlf2r (A,49 mole) soit 113 % de la stoechiométrie. Le chlore est additionné entre 93 et 97 C à un débit de 20 g/h jusqu'à précipitation du milieu, puis à 10 g/h jusqu'à la stoechiometrie c'est-à-dire 5 équivalents et a raison de 5 g/h pour la quantité correspondant à l'excès de chl!o-e. Le mélange réactionnel est agité 1 heure à 95 - 97 C puis est refroidi à 20 C. Le chloranil est filtré, essoré, lavé par 4 x 200 ml d'eau de manière à éliminer l'acidité et les C-l. Le chloranil est séché sous vide à 60 . Les eaux-meres sont recyclées à l'opération suivante sans complément et ainsi de suite. Les résultats figurent dans le tableau 6. TABLEAU 1 _ __ __ _ _ __ __ __ _ __ __ __ _ _ _ _ _. ____._.....................,T.. ..................._,...___.... __........................................DTD: ......DTD: ::: :: : ::: ::: : Compcsition:: :: Composition: :: Concentration: Exces ----------------------: :: Rdt:---------: :Essai: HQ initiale: H202: %: % Ethanol: Duree: T: produit:: :: ::: : HCl 36%: ou acide:: isolé: Chloranil: Cl3BQ: Cl4HQ: ::::: acétique:: ::: :: :. .. ...:::. .. ...:......:....:...::. .. ...:....:: : Comparatif: 1,5 g/l: 20 %: 100:: 120' : 90 : 92,8 %: 89,4 %: 5,3 %: 5 %: ::: ::: :::: :: : 1: 2,3 g/l: 20 %: 82: 18 (EtOH): 120': 90 : 92,6 %: 97 %: 3 %: 0,5 %: ::: ::: :::: :: : 2: 1,5 g/l: 20 % 63: 32 (ACOH): 120': 90 : 98 %: 95 %: 2 %: 1 %: ::: ::: :::: :: : 3: 1,5 g/i: 20 %: 43: 57 (ACOH): 120': 90 : 97 %: 97 %: 3 %: 0,8 %: ::: ::: :::: :: _.__........ _.. __....................... T.BLEAU 2 :::::: :: Agent:Poids: Rdt: Composition RR : Essai: chloranil: obtenu: pondéral:------------------------------------ chloranil ::::: Chloranil:C3BQ C4HQ *:::::::: * 4: H202/HCl: 58,54 g:96,3.%: 97 %: 3,0 %: 1,1 % 93,4 % ::::::::: :5: C:2 61,25 g:98,6 %: 99 %: 0,1 %: 0,6 % 97,6% Cl2LN :: to Po os ru Ln u-_ o (M NO \0 :: ::: ::: : % 'L6: % L'O: % ': % '66: % 9'L6: 1/6 OT q/T 'Z 8 I'::= ::: ::: -.: % L6: % 'O: % '0: % '66: % 9'L6: 1/6 89 T: S/I L -.. ... . % L'96 s %'O % 1'0 > % 66:% IL6 T/168: q/l >'L 9 i- - - - - - - -- - - -: - - - - -- - - - - - - - - - -------------: ----__--:____---_:-__________:______:________ ---------- :: DôH ID: t ID: ITueOIqD::: uoTlnos ep I 1: : ITut OTqD -:-:------ -----: Iepuod: euouTnbopAq: Jnog 4Tqqa: STzms3 :EU: uoT4sodmoD: %p:uoT;$ usaDuoD: ID: --------------------------------------------------------------------------------------------- TABLEAU 4 ::: Concentration:: Composition:: : Essais: Agent de: C12BQ: Rdt:----------.- - - -------------------------- RR: :: chloration: introduit: pondéra choranil:c3BQ c4H chloranil: : hoai:: 1B:: 1 H :::: ::: ::: ::: :9: C: 100 g/1: 99 %: 98,4%: 0,2 %: 1,4 %: 97,4 % C2 :10: HCl/H202: 100 g/l: 97 %: 96,2% 3,2 %: 0,6 %: 93,3 % ::: ::: ::: 2 2: :: _ :: Do ro o'j Dol TABLEAU 5 :Essais: Concentration: Excès: Rdt: Composition :: HQ c:: pondéral:----------------------------------------------: ::2 :2: Chloranil : C13BQ: C14HQ: RR: r: Chloranil ::: : c-::: : C l a nl: I3 ::: :::: :: : De base: 110 g/l: 20 %: 97,6 %: 99,5 %: 0,2 %: 0,7 %: 97,1 %: ::: :::: :: : Recyclage: 110 g/l: 20 %: 97,3 %: 99 %: 0,4 %: 0,6 %: 95,7 %: N o' r'I n TABLEAU 6 :: : :: :.: lère : 2ème: 3ème: :: opération : opération: opération: :.... . . ......:...:. ..:......: :: : :: : HQ engagé en g: 29,2: 29,2: 29,2: :: : :: -----....... . .. .. . - -.------------.------------.- ------ :: CH3Co2H: 280::: ::: 70::: H20 70 :::::: Milieu HCl 0 :réactionnel:: : : :: Masse: 350 347: 314 ::: ::: :: Volume: 340: 315: 280: ::: ::: :: ::: : : :: Masse: 106: 112: 114: ::: ::: :Cl engagé * Stoechiométrie: 113 %: 119 % 121% :: Durée totale: 6 H: 6 H 30: 7 H 10: :: addition:::: :: : : :: :: : :: : Chloranil récupéré 58 g: 65,4 g: 66 g :: : :: :- - - - - - -- - - - - ---- -- - -- - -............ ----------.. :: : ' :: : Rendement pondéral: 89 %: 100,4 %: 101,2 %: :: : :: :: : :: : Titre chloranil: > 99 %: > 99 %: > 99 %: :: : :: ::: : : REVENDICATIONS 1 - Procédé de préparation du chloranil par chloration ou chloration oxydante de quinones, d'hydroquinones ou de leurs dérivés chlorés caractérisé en ce que la chloration est effectuée dans un solvant miscible à l'eau ou à l'acide chlorhydrique en l'absence de catalyseur de chloration et à la pression atmosphérique. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la quinone et ses dérivés éventuellement chlorés répond à la formule (I) t{ (Cl)n (I) dans laquelle n est égal ou supérieur à 0 et inférieur ou égal à 3. 3 Procédé selon la revendication i1 caractérisé en ce que l'hydroquinone et ses dérivés éventuellement chlorés répond à la formule (II) QH Cl)m (II) H dans laquelle n est égal ou supérieur à 0 et inférieur ou égal à 4 4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'agent de chloration est choisi parmi le chlore et l'acide chlorhydrique. - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'agent de chloration est un mélange acide chlorhydrique-péroxyde d'hydrogène. 6 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'agent de chloration est le chlore, un mélange chlore-eau ou chlore-acide chlorhydrique. 7 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les solvants sont choisis parmi les alcools aliphatiques contenant 1 à 4 atomes de carbone, les acides carboxyliques contenant 1 à 4 atomes de carbone ainsi que leurs anhydrides, les amides, les sulfoxides, l'éther isopropylique, le diméthyl sulfoxide, les nitriles. 8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que les solvants sont choisis parmi l'éthanol et l'acide acétique.