Brevet FR2659648A1 — publié le 19910920

L'invention concerne un procédé permettant d'alkyler des composés, notamment des composés aromatiques, en utilisant des zéolithes comme catalyseurs. La production de composés aromatiques contenant des groupes alkyles cycliques en utilisant des halogénures d'aluminium est connue, par exemple la synthèse de mono ou dicyclohexylnaphtalènes avec Al C 13, de telles réactions étant décrites en particulier dans les publications suivantes: D Bodroux, Annales de Chimie 1929, ( 10) 11, 535; Charles C Price, J Am Chem Soc, 1943, 65, 439; E S Pokrovskaya, J Gen Chem (URSS), 1939, 9, 1953 L'alkylation de produits aromatiques en utilisant des zéolithes comme catalyseur est connue dans le cas o les groupes alkyles sont linéaires, le produit aromatique étant notamment le benzène ou le naphtalène, et les groupes alkyles étant notamment le méthyle, l'éthyle, le propyle, l'isopropyle De tels procédés sont décrits par exemple dans une publication de Dan Fraenkel, J Catal 1986, 101, 273, ou dans les brevets ou demandes de brevets suivants: DE-A-3 334 084, EP-A-280 055, US-A-4 393 262. La demande de brevet EP-A-296 353 décrit la préparation de ( 1phényléthyl) hydroquinone par réaction du styrène sur l'hydroquinone en utilisant des zéolithes comme catalyseur Le taux de conversion de cette réaction est relativement faible. Le brevet US 4 847 429 décrit la synthèse de phénylhydroquinones par alkylation d'hydroquinones avec des groupes cyclohexyles, en utilisant des catalyseurs acides, par exemple des tamis moléculaires acides, cette alkylation étant suivie d'une deshydrogénation des cyclohexylhodroquinones. Aucun de ces documents ne décrit un procédé d'alkylation de produits aromatiques avec des groupes alkyles cycliques, en -2- utilisant des zéolithes comme catalyseurs. La demande de brevet français 89/10 322 décrit un procédé permettant d'alkyler au moins un composé aromatique avec au moins un groupe alkyle cyclique, ce procédé étant caractérisé par les points suivants: a) on utilise comme catalyseur au moins une zéolithe de structure faujasite ayant des ouvertures de pores supérieures à 6,7 A, le rapport silice/alumine de cette zéolithe étant supérieur à 2,5 et son taux résiduel en ion(s) alcalin(s) étant inférieur à 3 ?; b) la réaction est effectuée en phase hétérogène liquide/solide à une température comprise entre 200 C et 250 'C, sous une pression au plus égale à 30 bars. L'objet de l'invention est de proposer un procédé pour préparer un produit aromatique alkylé par alkylation d'au moins un composé aromatique en utilisant au moins une zéolithe comme catalyseur, cette alkylation donnant plusieurs produits aromatiques alkylés Ce procédé se caractérise par des rendements élevés en produit aromatique alkylé désiré grâce à la transformation des sous-produits de la réaction. Le procédé conforme à l'invention se caractérise par les points suivants: - a) on fait réagir le composé aromatique de départ avec au moins un agent alkylant en présence d'au moins une zéolithe comme catalyseur dite "zéolithe d'alkylation"; b) on sépare ensuite par cristallisation leproduit aromatique alkylé désiré à partir des produits de l'alkylation c) on soumet la partie non cristallisée des produits aromatiques alkylés à une déalkylation en présence d'au moins une zéolithe comme catalyseur, dite "zéolithe de déalkylation", de façon à régénérer le composé aromatique de départ; d) on recycle le composé aromatique régénéré pour le faire réagir à nouveau avec l'agent alkylant, en présence de la zéolithe d'alkylation. Le procédé conforme à l'invention est particulièrement adapté à la cycloalkylation du naphtalène, pour obtenir les dicycloalkyl-2,6 naphtalènes. Les réactifs d'alkylation doivent au moins comporter une double liaison, ou un groupe réactif, par exemple un halogène, un groupe OR; de tels réactifs étant par exemple le cyclohexène, le chloro ou le bromocyclohexane, le cyclohexanol, le chloro ou le bromocyclopentane. Les zéolithes utilisées dans le procédé conforme à l'invention peuvent être sous forme protonique ou échangées par des cations, notamment des cations de terres rares (par exemple La, Ce, Pr, Gd, Yb>. L'invention concerne également les composés aromatiques alkylés obtenus par le procédé précédemment décrit, notamment le dicyclohexyl-2,6 naphtalène Ce produit est très important dans la chimie des polymères car il permet d'obtenir par oxydation des composés contenant des groupes hydroxyles ou carboxyliques en position 2,6, ces produits servant notamment à la synthèse de polyesters ou de polyamides aromatiques. L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples qui suivent, et des figures, relatives à ces exemples. Sur le dessin la figure i représente le schéma d'un procédé conforme à l'invention; les figures 2 et 3 représentent chacune un schéma partiel correspondant à une modification du schéma représenté à la figure 1, selon d'autres variantes du procédé conforme à l'invention. La figure 1 représente le schéma général d'un procédé conforme à l'invention Ce procédé consiste essentiellement à effectuer la cyclohexylation du naphtalène par réaction de bromocyclohexane sur le naphtalène en présence d'une zéolithe comme catalyseur, pour obtenir du dicyclohexyl-2,6 naphtalène, puis à effectuer la déalkylation ultérieure des sous-produits alkylés du naphtalène, en présence d'une zéolithe comme catalyseur, pour régénérer le naphtalène que l'on recycle dans l'étape d'alkylation. La figure 2 représente le schéma d'une purification éventuelle du dicyclohexyl-2,6 naphtalène et la figure 3 représente le schéma d'une purification éventuelle effectuée sur le naphtalène, après déalkylation, avant recyclage pour alkylation Ces figures 2 et 3 concernent des modifications pouvant être apportées au procédé conforme à la figure 1, et ces modifications seront décrites ultérieurement. Dans un but de simplification, les produits utilisés ou obtenus, dans les procédés décrits, sont représentés sur les schémas 1 à 3 par des lignes qui comportent des flèches pour symboliser la circulation de ces produits. On utilise, dans la description qui suit, la même zéolithe pour la réaction d'alkylation et pour la réaction de déalkylation. Cette zéolithe a la dénomination ZF-520, elle est commercialisée par la société Zéocat. Les propriétés de cette zéolithe de structure Faujasite, utilisée sous forme d'une poudre, sont données dans le tableau 1 suivant: Tableau 15 - Tableau 1 en poids Rapport Surface Ouverture des sp ci 5 iue SAI a Na molaire imt 2 g; pores (A) Si O 22 3 Na 20S i 2/AI 23 9,84,1 0,14 40 23 > 8 4 > 10 > 14 40 800 B Avant utilisation, cette zéolithe est activée en la chauffant dans un four de la façon suivante: La montée de la température du four est de 20 C à 300 C à raison de 50 'C/heure On maintient la température à 300 C pendant 6 heures, puis on refroidit jusqu'à 200 'C à raison de C/heure, ce traitement thermique de calcination est conduit sous un courant d'air de 200 cm 3/minute. Les analyses des produits sont effectuées avec un chromatographe en phase gazeuse DELSI série 330 équipé d'une colonne capillaire OV 1 de 25 m, muni d'un détecteur à ionisation de flamme Il est couplé à un intégrateur DELSI ENICA 21 Le nitrobenzène est utilisé comme étalon interne, et il est rajouté dans les prélèvements servant à l'analyse. Les conditions d'analyse chromatographique sont les suivantes: température de l'injecteur: 330 C; température du détecteur: 320 C; programmation de la température du four:chauffage de 100 C à 280 'C, la vitesse de chauffage étant de 15 C/min; pression de l'hydrogène servant de gaz vecteur: 0,65 bar. 6 - La détermination de la structure des produits de la réaction est effectuée par un ensemble constitué par un chromatographe en phase gazeuse couplé avec un spectromètre de masse Le chromatographe est équipé d'une colonne capillaire de type OV 1 de 25 m. Les conditions d'analyse avec cet ensemble sont les suivantes: température de l'injecteur: 250 C; température du détecteur: 250 C; o 10 programmation de la température du four: chauffage de 100 C à 2800 C, avec une montée en température de 10 C,/'min; pression de l'hélium utilisé comme gaz vecteur: 0,5 bar. Pour simplifier la description, les abréviations utilisées dans cette description sont les suivantes: Naphtalène: NP; Bromocyclohexane: BCH; Cyclohexane: CHA; dicyclohexyl-2,6 naphtalène: 2,6 DCN; monocyclohexylnaphtalènes: MCN; dicyclohexylnaphtalènes: DCN; Cyclohexène: CHE; zéolithe: ZE. 1 Alkylation du naphtalène et séparation du dicyclohexyl 2,8 naphtalène Le procédé-mis en oeuvre lors de cette alkylation est conforme à la demande de brevet 89/10322 précitée. L'alkylation est réalisée dans le réacteur statique R 1 qui est un autoclave de 100 ml ( 100 cm 3) de la société BURTON-CORBLIN comportant un agitateur rotatif interne à entraînement magnétique, un manomètre et un appareil pour mesurer la vitesse de rotation. L'autoclave R 1 est chauffé par un four dont la régulation de température est assurée par un régulateur de la société SOTELEM. -7- On introduit dans le réacteur R 1 du napthalène (NP), du bromocyclohexane (BCH), du cyclohexane (CHA), de la zéolithe ZF-520 (ZE), et un mélange de récupération contenant divers composés naphtaléniques autres que NP, ceci de la façon suivante: NP introduit 1: 6,4 g ( 50 mmoles), soit: NP d'appoint 1 a: 3,3 g ( 25,8 mmoles); a NP de récupération 1 b: 3,1 g ( 24,2 mmoles); BCH introduit 2: 16,2 g ( 100 mmoles), soit BCH d'appoint 2: 14,0 g ( 86,4 mmoles); a BCH de récupération 2 b 2,2 g ( 13,6 immoles); CEA introduit 3: 50 cm provenant entièrement de la récupération; ZE introduite 4: 1,0 g provenant entièrement de la récupération; Mélange de récupération 1 ( 3,5 g) contenant divers c composés naphtaléniques autres que NP Ce mélange constitue avec lb un produit brut de déalkylation récupéré. Les récupérations précédemment mentionnées ainsi que les récupérations qui suivent, correspondent à une préparation précédente conforme à l'invention, étant donné que le procédé décrit est discontinu. On agite alors le mélange réactionnel dans le réacteur R avec une vitesse de 680 tours/minute, après fermeture du réacteur On porte la température du réacteur de 20 C à C en 10 minutes, et on arrête l'agitation et le chauffage dès que la température du réacteur atteint 200 'C, la pression autogène dans le réacteur étant alors de 15 bars. 8 - La réaction d'alkylation réalisée en phase hétérogène liquide/solide dans le réacteur R 1 est la suivante: NP + BCH) 2,6 DCN + MCN + DCN autres que 2,6 DCN + H Br CHA est un solvant de NP, de BCH et des produits aromatiques alkylés. On laisse alors le réacteur R 1 se refroidir Lorsque sa température atteint 20 C, on l'ouvre et H Br gazeux 5 produit par l'alkylation s'échappe à l'extérieur du réacteur R 1. Le mélange réactionnel 6 est alors introduit dans le filtre Fl Ce filtre F 1 à deux étages est constitué de deux filtres élémentaires. Le premier filtre Fla dans la partie supérieure de F 1, est constitué de verre fritté, le deuxième filtre Flb dans la partie inférieure, est constitué par du verre fritté, supportant du charbon actif. Le filtre Fla permet de séparer la ZE que l'on lave avec cm de CEA de récupération 7 Après lavage la ZE 8 est introduite dans le four R 2 Le four R 2 permet de régénérer la ZE en lui faisant subir le traitement d'activation précédemment décrit La ZE 4 ainsi régénérée est ensuite introduite dans le réacteur R 1 comme précédemment décrit. Le filtre Flb permet l'obtention d'un filtrat clair 9 ( 100 ml) que l'on introduit dans l'évaporateur E 1. L'évaporateur El permet de récupérer deux fractions légères L'une 10 constituée de CHA ( 100 ml) et l'autre 2 b constituée de BCH ( 2,2 g soit 13,6 mmoles) Le CHA 10 donne les deux alimentations 7 et 3 précédemment décrites Le BCH 2 b alimente le réacteur R comme précédemment décrit Le 9 - produit brut Il ( 12,09 g) obtenu après traitement dans l'évaporateur E 1 sort de E 1 Ce produit brut, à la température ambiante, se présente sous forme de deux phases bien distinctes: une phase solide constituée de cristaux de 2,6 DCN et une phase liquide correspondant au mélange de NP, de MCN, de DCN autres que le 2,6 DCN, et de divers autres produits. Le produit Il arrive dans le filtre F 2 qui permet de séparer le produit solide 12 ( 2,1 g) contenant 96 % en poids de 2,6 DCN ( 6,9 mmoles) et 4 en poids de MCN ( 0,4 mmole). Le filtrat 13 ( 9,9 g) provenant du filtre F 2 est un mélange de composés naphtaléniques, ce mélange étant appauvri en 2,6 DCN ( 0,7 g soit 2,4 mmoles) Le filtrat 13 est alors soumis au traitement de régénération du naphtalène décrit ci-après. 2 Régénération du naphtalène Cette phase de régénération utilise le réacteur R 3 La constitution de ce réacteur R ainsi quejles moyens permettant de le chauffer sont analogues à ceux précédemment décrits pour le réacteur R'1. On introduit dans le réacteur R 3 les produits suivants: Le filtrat 13 ( 9,9 g), qui est un mélange de NP, de MCN, de DON; Du CHA 14 ( 50 cm 3); * De la ZE 15 ( 1,0 g) qui est de la ZE récupérée. On agite le réacteur à 680 tours/minute, après l'avoir fermé, et on le chauffe de telle sorte que sa température - monte de 20 'C à 300 'C en 18 minutes. Dès que la température atteint 300 'C, on arrête à la fois l'agitation et le chauffage, la pression autogène dans le réacteur R 3 étant de 50 bars à 300 'C. Dans ce réacteur, lors du chauffage, il se produit la réaction suivante, en phase hétérogène liquide/solide MCN + DCN 3 NP + CHF + X 2 La déalkylation donnant donc du naphtalène, du cyclohexène et de l'hydrogène. Lorsque la température du réacteur R 3 atteint 20 C, à la fin du refroidissement, on ouvre ce réacteur et il se dégage de l'hydrogène 16. Le mélange hétérogène 17 sortant du réacteur R 3 est introduit dans le filtre F 3 à deux étages comportant les filtres élémentaires F 3 a et F 3 b' l'agencement du filtre F 3 étant identique à celui du filtre F 1. Le filtre supérieur F 3 permet de séparer ZE que l'on lave avec un mélange récupéré 18 ( 50 cm) de CHA et de CHE. La ZE 19 sortant du filtre F 3 est introduite dans le four R 4 o elle subit le même traitement de régénération que celui réalisé dans le four R 2, après alkylation La zéolithe activée 15 sortant du four R 4 est introduite dans le réacteur R comme précédemment décrit. Le liquide 20 ( 100 cm) sortant de l'étage inférieur F 3 b du filtre F 3 est un liquide clair constitué par le filtrat du mélange 17 et par le liquide de lavage 18 Ce liquide 20 est introduit dans l'évaporateur E 2 L'évaporation donne un il - mélange de CHA et CHE ( 100 cm) dont une partie 18 sert au lavage dans le filtre F 3, comme précédemment décrit, et dont l'autre partie 21 ( 50 cm) est stockée en vue d'autres utilisations. Le produit 22 de déalkylation sortant comme résidu de l'évaporateur E 2 ( 6,6 g) est un mélange enrichi en NP ( 3,1 g, soit 24, 2 mmoles) Ce produit se présente à la température ambiante sous forme de deux phases distinctes une phase solide, constituée de cristaux de NP, et une phase liquide correspondant à un mélange de divers composés naphtaléniques. Ce produit 22 est recyclé dans le réacteur d'alkylation R 1, la phase solide de 22 correspondant ainsi à l'alimentation 1 b (NP) et la phase liquide de 22 correspondant ainsi à l'alimentation 1 précédemment décrites dans l'étape c d'alkylation. Le rendement en 2,6 DCN du procédé conforme à l'invention correspond au rapport molaire - 2,6 DCN produit (contenxu dans 12) NP d'appoint 1 __ a Ce rapport est de 26,7 ?O. Le procédé conforme à l'invention est simple à mettre en oeuvre et il donne un rendement élevé en dicyclohexyl-2,6 naphtalène. A titre de comparaison, les procédés connus utilisant du chlorure d'aluminium comme catalyseur conduisent aux inconvénients suivants: le chlorure d'aluminium forme des complexes avec les dérivés naphtaléniques et tend à souiller les produits, 12 - ce qui conduit à la nécessité d'effectuer plusieurs lavages successifs. Le chlorure d'aluminium ne peut pas être réutilisé, et il se pose le problème de l'utilisation des sous-produits indésirables. Le chlorure d'aluminium ne permet pas de travailler avec un excès de bromocyclohexane; aussi, en fin de réaction, on a une quantité importante de naphtalène qu'il faut récupérer par distillation avant de traiter le mélange de mono et de polyalkylnaphtalènes, de telle sorte que le rendement en dicyclohexyl-2,6 naphtalène est très faible, inférieur à 5 S. Le produit 12 obtenu après filtration en F 2 est suffisamment riche en 2,6 DCN pour être utilisé tel quel, par exemple pour une synthèse chimique ultérieure On peut aussi recristalliser le 2,6 DCN contenu dans le produit 12 comme représenté par exemple dans le schéma de la figure 2 Le produit 12 est alors introduit dans le cristallisateur Cl qui reçoit une alimentation 23 ( 100 ml) d'éthanol bouillant récupéré On obtient ainsi le 2,6 DCN, 24, pur à 100 % ( 2,0 g soit 6,7 mmoles)- Le filtrat 25 provenant du cristallisateur Cl est introduit dans l'évaporateur E qui permet de récupérer l'éthanol 23 que l'on recycle dans le cristallisateur Cl Le résidu 26 ( 0,1 g) provenant de l'évaporateur E 3 est un mélange de MCN et de 2,6 DCN Ce produit 26 peut être joint au filtrat 13, provenant du filtre F 2, pour être introduit dans le réacteur R 3 de déalkylation. Le produit brut 22 sortant de l'évaporateur E 2 peut être recyclé directement dans le réacteur d'alkylation R 1 comme précédemment décrit On peut cependant aussi enrichir en NP le produit 22, comme représenté sur le schéma de la 13 - figure 3. Le produit 22 est introduit dans le filtre simple F 4 On sépare ainsi 22 en une phase solide 27 ( 0,9 g) fortement enrichie en NP ( 89 % soit 6,3 mmoles de NP) et une phase liquide 28 ( 5,7 g) constituée par un mélange de NP et de divers alkylnaphtalènes, cette phase comportant 40 % de NP Cette phase 28 est recyclée dans le réacteur R 3 de déalkylation La phase solide 27 est introduite dans le recristallisateur C 2 o on cristallise le NP par introduction d'éthanol récupéré 29 ( 25 ml) Le NP 30 recristallisé est recyclé dans le réacteur R 1 d'alkylation Le liquide 31 provenant du cristallisateur C 2 est introduit dans l'évaporateur E 4 qui permet de séparer 31 en éthanol 29, que l'on recycle dans le cristallisateur C 2, et en un résidu 32, constitué de divers alkylnaphtalènes Le résidu 32 est recyclé avec 13 dans le réacteur R 3 de déalkylation. De préférence, dans le réacteur d'alkylation R 1 on a les caractéristiques suivantes: la température est supérieure à 140 C et au plus égale à 220 'C; la pression est au plus égale à 30 bars; le rapport molaire agent d'alkylation est au moins égal Napthalène à 1,6 et au plus égal à 4. De préférence, dans le réacteur de déalkylation R 3, la température est au moins égale à 260 'C et au plus égale à 350 'C. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples précédemment décrits, c'est ainsi par exemple que l'invention s'applique à l'alkylation d'autres composés 14 - que le naphtalène et/ou à l'utilisation d'autres agents d'alkylation que le bromocyclohexane, dans le cas o le produit alkylé désiré cristallise à partir des produits de la réaction d'alkylation. L'invention s'applique aussi aux cas o on alkyle dans une même opération plusieurs composés aromatiques, et o on utilise plusieurs zéolithes pour l'opération d'alkylation et/ou pour l'opération de déalkylation. - REVENDICATIONS 1 Procédé pour préparer un produit aromatique alkylé ( 12) par alkylation d'au moins un composé aromatique ( 1) en utilisant au moins une zéolithe ( 4) comme catalyseur, cette alkylation donnant plusieurs produits aromatiques alkylés, le procédé étant caractérisé par les points suivants: a) on fait réagir le composé aromatique ( 1) de départ avec au moins un agent alkylant ( 2) en présence d'au moins une zéolithe '4) comme catalyseur dite "zéolithe d'alkylation"; b) on sépare ensuite par cristallisation le produit aromatique alkylé ( 12) désiré à partir des produits de l'alkylation c) on soumet la partie non cristallisée ( 13) des produits aromatiques alkylés à une déalkylation en présence d'au moins une zéolithe ( 15) comme catalyseur, dite "zéolithe de déalkylation", de façon à régénérer le composé aromatique (lb) de départ; d) on recycle le composé aromatique régénéré (lb) pour le faire réagir à nouveau avec l'agent alkylant ( 2), en présence de la zéolithe d'alkylation ( 4). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zéolithe d'alkylation ( 4) et la zéolithe de déalkylation ( 15) sont de même nature, l'alkylation et la déalkylation étant effectuées à des températures différentes. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alkylation est réalisée en utilisant un solvant ( 3) du composé ( 1), de l'agent alkylant ( 2) et des produits aromatiques alkylés et en ce que la cristallisation est obtenue en évaporant au moins une partie du solvant. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le solvant est réutilisé au moins en partie pour l'alkylation 16 - après son évaporation. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on sépare la zéolithe, après alkylation, avant la cristallisation, et en ce que l'on réutilise cette zéolithe pour l'alkylation, après l'avoir activée. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'alkylation est une cycloalkylation. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à alkyler du naphtalène pour obtenir du dicyclohexyl-2,6 naphtalène; on provoque après alkylation la cristallisation du dicyclohexyl-2,6 naphtalène, que l'on sépare, et la phase liquide séparée par cette cristallisation est soumise à la déalkylation pour obtenir du naphtalène que l'on réutilise pour l'alkylation. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par les points suivants: l'alkylation est réalisée en utilisant un solvant du naphtalène, après alkylation on sépare la zéolithe du milieu réactionnel, on réactive cette zéolithe pour la réutiliser dans l'alkylation, on évapore au moins une partie du solvant contenu dans la phase liquide obtenue par la séparation de la zéolithe, de façon à provoquer la cristallisation du dicyclohexyl-2, 6 naphtalène que l'on sépare, et le liquide restant est soumis à l'opération de déalkylation. 9 Composé alkylé obtenu par le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8. Composé alkylé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est le dicyclohexyl-2,6 naphtalène.