Brevet FR2658188A1 — publié le 19910816

PROCEDE DE PREPARATION DE DINITROTO LU EN ES La présente invention concerne un procédé de préparation de dinitrotoluènes. Elle a plus particulièrement trait à un procédé de préparation de dinitrotoluènes en une étape par réaction du toluène et de l'acide nitrique en phase liquide en présence d'un sulfate métallique. Les dinitrotoluènes, en particulier le dinitro-2,4 toluène, le cas échéant en mélange avec le dinitro-2,6 toluène, sont des produits intermédiaires de la chaîne de fabrication du toluène-diisocyanate (TDI) qui entre dans la préparation de divers polyuréthanes. Le dinitro-2,4 toluène est donc produit industriellement et à une très grande échelle. Dans un tel contexte il est aisé de concevoir l'importance que peut revêtir une augmentation de quelques pourcents sur un taux de conversion et/ou sur une sélectivité, par exemple, ou une amélioration au niveau de l'une quelconque des étapes de mise en oeuvre du procédé. Le dinitro-2,4 toluène est classiquement produit par une double nitration du toluène en 2 étapes, en phase liquide au moyen d'un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique concentré. La concentration de l'acide sulfurique utilisé pour la deuxième nitration (nitration du mononitrotoluène en dinitrotoluène) étant typiquement de l'ordre de 96 %. Nonobstant les problèmes de corrosion et de coûts importants du recyclage de grands volumes d'acide sulfurique, le procédé présente des inconvénients importants que sont le caractère problèmatique de l'élimination du catalyseur, résolu généralement par des lavages à l'eau, et la nécessité de concentrer l'acide sulfurique avant son recyclage dans la mesure où la réaction elle-même génère de l'eau. Diverses tentatives, en particulier pour ce qui concerne la nitration sélective du toluène en position para, ont été évoquées dans le préambule du brevet américain n" 3,957,889 dans lequel il est proposé de conduire la nitration de certains composés aromatiques le cas échéant, substitués par un atome d'halogène, un groupe halogénoalkyle, nitro ou méthoxy, en présence de sulfate de calcium anhydre, produit parfois désigné par le terme d'anhydrite soluble. Il est également préconisé dans ce document antérieur d'utiliser un diluant tel le chloroforme, le chlorure de méthylène, le nitrotoluène et le recours à un diluant dans lequel les réactifs sont hautement solubles est présenté comme étant préférable pour une bonne mise en oeuvre du procédé en cause. Toutefois s'agissant de la double nitration du toluène, le procédé préconisé ne paraît pas satisfaisant dans la mesure où le rendement en dinitrotoluène reste négligeable. C'est pourquoi il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un procédé efficace de préparation du dinitrotoluène qui permette d'obvier au moins partiellement aux inconvénients précités et qui permettrait d'accéder au dinitrotoluène en une étape à partir du toluène.. Il a maintenant été trouvé que certains diluants dans lesquels les réactifs sont peu ou pas solubles permettent d'améliorer l'activité de nitration et le rendement en dinitrotoluène(s). Il a également été trouvé que d'autres sulfates métalliques présentent une activité supérieure à celle exercée par le sulfate de calcium anhydre. La présente invention a donc pour objet, un procédé de préparation de dinitrotoluène(s) par réaction du toluène et de l'acide nitrique en phase liquide caractérisé en ce que la réaction est conduite en présence d'un diluant choisi dans le groupe constitué par les (poly) cycloalcanes perfluorés comportant de 5 à 12 atomes de carbone et le perfluorotoluène et en présence d'un sulfate métallique. Par dinitrotoluène(s) on entend, de préférence, dans le cadre du présent procédé le dinitro-2,4 toluène, le dinitro-2,6 toluène et leurs mélanges. Le procédé selon l'invention requiert la présence d'acide nitrique. On recourt généralement à des formes concentrées d'acide nitrique, la concentration étant supérieure à 90 % et de préférence, comprise entre 95 et 100 %. L'une des caractéristiques essentielles du présent procédé réside dans l'utilisation d'un sulfate métallique. Par sulfates métalliques on entend les sels d'un ou plusieurs métaux susceptibles de former des cations porteurs de 1 à 3 charges positives et de l'acide sulfurique dans lequel au moins un atome d'hydrogène a été remplacé par un atome métallique, sels simples ou mixtes, qui se présentent sous forme d'hydrates plus ou moins pauvres en eau selon que la température de conditionnement est plus ou moins élevée dans le cadre du présent procédé, on engagera des formes partiellement ou totalement déshydratées desdits sulfates. Les sels métalliques susceptibles d'être utilisés dans le cadre du présent procédé sont en général des hydrates contenant au plus la quantité d'eau correspondant à l'hydrate stable à température ambiante. Des exemples de tels hydrates sont indiqués dans la colonne II du tableau ci-après. On recourt de préférence aux hydrates de tels sels contenant au plus la quantité d'eau correspondant à l'hydrate défini le moins riche en eau ou au sel anhydre, quand ce dernier peut être obtenu, est thermiquement stable et garde des propriétés de réhydratation. Des exemples de tels sulfates sont indiqués dans la colonne III du tableau ci-après. A titre d'exemples de tels sulfates on peut citer I II III HYDRATES SELS ANHYDRES OU SULFATE HYDRATES PREFER. UTILISABLES UTILISES MgSOq,x H20 x 7 O # x 5 0,5 CaSO4,y H2O y # 2 I O s y CuSO4,z H20 z s 5 | O # z # 1 NiSO4,t H20 t # 6 | o tel 1 La2(SO4)3,n H20 n # 9 O # n # 2 Al2(SO4)3,p H20 p s 18 | O # p # 3 On recourt avantageusement à des sulfates non acides ou exempts d'atomes d'hydrogène et de préférence à des sulfates des métaux susceptibles de former des cations porteurs de 2 ou 3 charges positives. Les sulfates de lanthane, de cuivre, de magnésium et de calcium conviennent plus particulièrement bien à la mise en oeuvre du présent procédé. On préfère les sulfates de cuivre et de magnésium et, pour une bonne mise en oeuvre de l'invention, on recourt au sulfate de cuivre. Les sulfates métalliques peuvent se présenter sous des formes massiques ou dispersées telles que billes, pastilles et poudres dont les dimensions moyennes sont généralement comprises entre 0,1 micromètre et 10 mm. La quantité optimale de sulfate métallique à mettre en oeuvre sera choisie de telle manière que le rapport molaire (eau théoriquement libérable par la nitration)/sulfate métallique soit compris dans l'intervalle donné pour l'hydrate défini le moins riche en eau, des exemples de tels intervalles figurant colonne (III) du tableau ci-avant. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention en s'écartant de ladite quantité optimale par excès ou par défaut. La Demanderesse préconise plus particulièrement de ne pas s'écarter de cette valeur optimale (par excès ou par défaut) de plus de 20 % et, de préférence, de plus de 10 %. La seconde caractéristique essentielle du procédé selon l'invention réside dans le fait que la réaction de nitration est conduite dans un diluant choisi dans le groupe constitué par les (poly) cycloalcanes perfluorés comportant de 5 à 12 atomes de carbone et le perfluorotol uène. Parmi les (poly) cycloalcanes perfluorés on citera plus particulièrement les composés dérivant respectivement du cyclohexane ou du méthyl-cyclohexane par remplacement de tous les atomes d'hydrogène au moyen d'atomes de fluor (à savoir le perfluorocyclohexane et le perfluoro méthylcyclohexane) et la perfluorodécaline. On recourt avantageusement à la perfluorodécaline. Pour une bonne mise en oeuvre, la Demanderesse préconise l'utilisation de 0,5 à 5 ml de diluant par g de sulfate engagé, des rapports différents pouvant être utilisés en pratique pour des raisons économiques et/ou des raisons liées à la conception même du réacteur choisi pour assurer un bon contact liquide-solide. La réaction est généralement conduite dans un dispositif assurant un bon contact liquide-solide tel un réacteur agité ou un réacteur avec boucle de circulation de liquide. La réaction entre le toluène et l'acide nitrique est conduite en phase liquide, le rapport molaire de l'acide nitrique au toluène pouvant varier dans de larges limites. Pour une bonne mise en oeuvre le rapport molaire sera compris entre 0,1 et 10. En général, une température d' au moins 20"C s' avère nécessaire pour obtenir une vitesse de conversion acceptable et au-delà de 100 C, des réactions parasites sont susceptibles de se produire et de diminuer l'intérêt d'un tel procédé. Au bout du temps fixé pour la réaction (ou du temps de séjour souhaité) on récupère le(s) dinitrotoluène(s) par tout moyen approprié, par exemple par distillation le cas échéant précédée par la décantation ou la filtration du sulfate métallique. Les exemples ci-après illustrent l'invention. EXEMPLE 1 Dans un réacteur en verre de 30 ml de capacité, équipé d'une agitation mécanique, on charge - 6 g de CuS04 anhydre obtenu par chauffage à 300"C pendant 3 h de CuS04, 5H20 - 6 ml de perfluorodécaline (PFD ; diluant), - 16,6 mmol d'acide nitrique (~ 100 %). On injecte 0,8 ml (8,3 mmol) de toluène pendant 20 minutes, en maintenant la température à 25"C et avec une bonne agitation (900-1000 rpm), et 1,9 mmol d'acide nitrique (100 %). Le mélange est porté à 60"C pendant 1h 40. La masse réactionnelle est diluée dans du dichlorométhane et filtrée ; le filtrat est lavé avec de l'eau. La phase aqueuse et la PFD sont extraites avec du dichlorométhane. Les phases organiques réunies sont alors analysées par chromatographie en phase gazeuse. PFD désigne la perfluorodécaline, Conv. désigne la conversion du toluène Sél. désigne les rendements en mononitrotoluènes et en dinitrotoluènes par rapport au toluène, Rép. Isom. représente la répartition isomérique. Conv. toluène : 100 % Produits obtenus Sél. (%) Rép. Isom. % mononitrotol uènes ortho 9,6 36 méta 1,1 4 para 16,3 60 Rendement global en MNT 27 dinitrotoluènes 2,4 - DNT 54,8 80 2,6 - DNT 13,3 20 Rendement global en DNT 68,1 EXEMPLE 2 On reproduit l'exemple 1 ci-avant en remplaçant le sulfate de cuivre par 8 g de MgS04 anhydre obtenu par chauffage à 200"C pendant 3 h, puis à 650"C pendant 2 h de MgS04, 7H20 et en utilisant 8 ml de PFD. Les résultats obtenus en 3 heures de réaction toutes conditions égales par ailleurs sont les suivantes Conv. toluène : 100 % Produits obtenus Sél. (%) Rép. Isom. % mononi trotol uènes ortho 15,7 44 méta 1,4 4 para 18,7 52 Rendement global en MNT 35,8 dinitrotoluènes 2,4 - DNT 48 80 2,6 - DNT 11,3 20 Rendement global en DNT 59,3 Essai comparatif : On reproduit l'exemple 1 ci-avant en remplaçant la perfluorodécaline par un volume équivalent de chloroforme. Les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont les suivants Conv. toluène : 100 % Produits obtenus Sél. (%) Rép. Isom. % mononitrotol uènes ortho 30,3 44 méta 1,8 3 para 36,0 53 Rendement global en MNT 68,1 dinitrotoluènes 2,4 - DNT 22 81 2,6 - DNT 5,2 19 Rendement global en DNT 27,2 REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de dinitrotoluène(s) par réaction du toluène et de l'acide nitrique en phase liquide caractérisé en ce que la réaction est conduite en présence d'un diluant choisi dans le groupe constitué par les (poly)cycloalcanes perfluorés comportant de 5 à 12 atomes de carbone et le perfluorotoluène et en présence d'un sulfate métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sulfate métallique est choisi parmi les formes partiellement ou totalement déshydratées des sels des métaux susceptibles de former des cations porteurs de 1 à 3 charges positives et de l'acide sulfurique. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le sulfate métallique est choisi parmi les formes partiellement ou totalement déshydratées des sels des métaux susceptibles de former des cations porteurs de 2 ou 3 charges positives et de l'acide sulfurique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le diluant est la perfluorodécaline. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité de sulfate est telle que le rapport molaire (eau théoriquement libérable par la nitration)/sulfate métallique soit compris dans l'intervalle donné pour l'hydrate défini le moins riche en eau à s 20 % près. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité de sulfate est telle que le rapport molaire (eau théoriquement libérable par la nitration)/sulfate métallique soit compris dans l'intervalle donné pour l'hydrate défini le moins riche en eau à i 10 % près. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire HN03/toluène est compris entre 0,1 et 10. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de réaction est comprise entre 20 et 100"C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sulfate est choisi parmi les sulfates de calcium, de cuivre, de lanthane et de magnésium. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sulfate est choisi parmi les sulfates de cuivre et de magnésium. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sulfate est le sulfate de cuivre.