Brevet FR2650760A1 — publié le 19910215

2650?60 L'objet de la présente invention est une nouvelle composition catalytiqueet sa mise en oeuvre pour l'oligomérisation, en particulier la dimérisation et la trimérisation, des monooléfines. Elle concerne plus précisément les combinaisons obtenues par mise en contact, dans un ordre quelconque, d'au moins un composé de nickel bivalent, avec au moins un halogènure d'hydrocarbylaluminium et au moins un composé époxy (appelé également oxiranne). Il est bien connu de préparer des catalyseurs de dimérisation ou de codimérisation de monooléfines telles que l'éthylène, le propylène ou les n-butènes. De tels catalyseurs résultent par exemple: de l'interaction des halogénures de C-allyle nickel phosphine avec les acides de Lewis (FR- B-1 410 430), de l'interaction des halogénures de nickel phosphine avec les acides de Lewis (US-A-3 485 881) ou de l'interaction de certains carboxylates de nickel avec les halogénures d'hydrocarbylaluminium (US-A-3 321 546). D'autres catalyseurs mettent en oeuvre des composés zérovalents du nickel, qui sont cependant d'un emploi peu pratique en raison de leur instabilité et de leur coût élevé. On préfère en général utiliser des composés de nickel solubles dans les milieux hydrocarbonés. La mise en oeuvre industrielle des compositions catalytiques décrites cidessus sur des coupes oléfiniques telles qu'elles sont issues des procédés pétrochimiques, comme le craquage catalytique ou le craquage à la vapeur, se heurte à des difficultés notamment liées aux impuretés contenues dans ces coupes. Ces difficultés ont été en partie surmontées grâce à l'utilisation de formules catalytiques améliorées incorporant un composé de nickel bivalent, un halogénure d'hydrocarbylaluminium et un composé à caractère acide de Brbnsted (US-A-4 283 305), ou un composé mixte du nickel en association avec un composé d'alkylaluminium (US-A- 4 316 851, 4 366 087 et 4 398 049). Ces formules catalytiques améliorées incluent le plus souvent un acide halogénocarboxylique ou -2- l'anion correspondant. Il a été trouvé de façon inattendue que la mise en contact d'au moins un composé de nickel bivalent avec au moins un halogénure d'hydrocarbylaluminium et au moins un composé époxy conduit à une composition catalytique plus active que les formules de la technique antérieure, et présentant par ailleurs les mêmes propriétés vis-a-vis des impuretés éventuellement présentes dans les charges d'oligomérisation. Les composés du nickel utilisables dans le cadre. de l'invention sont tous les composés de nickel bivalent, de préférence solubles à plus de 0, 1 g par litre en milieu hydrocarboné (par exemple dans l'heptane à +20 C) et plus particulièrement dans les réactifs ou le milieu de réaction. Ils peuvent être par exemple constitués par l'acétylacétonate de nickel ou/et par des carboxylates de nickel de formule générale (RC0O)2 Ni, o R est un reste hydrocarbyle, par exemple alkyle, cycloalkyle, alkényle, aryle, aralkyle ou alkaryle contenant jusqu'à 20 atomes de carbone, de préférence un reste hydrocarbyle de 5 à 20 atomes de carbone. Les deux radicaux R. peuvent aussi former ensemble un reste alkylàne de 6 à 18 atomes de carbone. Des exemples non-limitatifs de composés du nickel sont les sels de nickel bivalent suivants: octoate, éthyl-2 hexanoate, stéarate, oléate, naphténate, adipate. Les halogénures d'hydrocarbylaluminium répondent de préférence à la formule générale AlR' X o R'représente un xy groupement hydrocarboné monovalent contenant par exemple jusqu'à 12 atomes de carbone, tel que alkyle, aryle, aralkyle, alkaryle, cycloalkyle, X représente un halogène, choisi par exemple parmi le chlore, le brome et l'iode, de préférence X est un atome de chlore, x est compris entre 1 et 2, y est compris entre 1 et 2 avec x + y = 3, -de préférence x = 1 et y = 2. Comme exemples de tels composés de formule AlR'xXy, on peut mentionner le sesquichlorure -3d'éthylaluminium, le dichloroétylaluminium, le dichloroisobutylaluminium et le chlorodiéthylaluminium. Les composés époxy répondent de préférence à la formule générale suivante: RR C - C R R 1 2 \0/ 3 4 o Ri, R2, R3, R4, identiques ou différents, sont en général choisis parmi le groupe formé par l'atome d'hydrogène et les groupements hydrocarbonés contenant par exemple jusqu'à 12 atomes de carbone, tels que alkyle, aryle ou cycloalkyle. Comme exemples de tels composés, on peut citer l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de propylène, l'époxy-l,2 butane, l'époxy-styrène. R1 et R4 peuvent aussi former ensemble un reste alkylène de 4 à 10 atomes de carbone, R et R étant 2 3 définis comme précédemment, comme par exemple dans l'époxy-l,2 cyclohexane. Les trois composés entrant dans la composition catalytique selon l'invention peuvent être mélangés dans un ordre quelconque. On préfère cependant mélanger d'abord le composé de nickel bivalent avec le composé époxy, à une température généralement comprise entre -10 et + 200 C, et de préférence, entre +20 et +100 C, éventuellement en présence d'un solvant hydrocarboné aliphatique ou aromatique; le mélange ou la composition ainsi obtenu(e) est ensuite introduit(e), simultanément avec ou avant l'halogénure d'hydrocarbylaluminium, dans le milieu réactionnel d'oligomérisation. Le rapport molaire du composé époxy au composé de nickel bivalent est en général compris entre 0,1:1 et 10:1 et, de préférence, entre 0,5:1 et 3:1. Le rapport molaire de l'halogénure d'hydrocarbylaluminium au composé de nickel bivalent est en général compris entre 1:1 et 50:l et, de préférence, entre 2:1 et 20:1. -4- L'invention_ a aussi pour objet un procédé d'oligomérisation de monooléfines en présence de la composition catalytique définie ci-dessus, de préférence à une température comprise entre -20 et +100 C, dans des conditions de pression telles que les réactifs soient maintenus au moins en majorité en phase liquide. Les monooléfines susceptibles d'être dimérisées ou oligomérisées sont, par exemple, l'éthylène, le propylène, les n-butènes, les n-pentènes, purs ou sous forme de mélanges tels qu'issus des procédés de synthèse comme le craquage catalytique ou le craquage à la vapeur. Elle peuvent être cooligomérisées entre elles ou avec l'isobutène, par exemple l'éthylène avec le propylène et les nbutènes, le propylène avec les n-butènes, 'es n-butènes avec 1'isobutène. La concentration, exprimée en nickel, de la composition catalytique dans la phase liquide de réaction d'oligomérisation est normalement comprise entre 5 et 500 parties par million en poids. Le procédé d'oligomérisation peut être mis en oeuvre notamment dans un réacteur à un ou plusieurs étages de réaction en série, la charge oléfinique et/ou les constituants du système catalytique étant introduits en continu, soit dans le premier étage, soit dans le premier et au moins un quelconque des étages. A la sortie du réacteur, le catalyseur peut être désactivé, par exemple à l'aide d'ammoniac et/ou d'une solution aqueuse de soude. Les oléfines non converties et les alcan.es éventuellement présents sontensuite séparés des oligomères par distillation. Le procédé d'oligomérisation peut aussi être simplement conduit en "batch". Les produits obtenus par le procédé d'oligomérisation selon l'invention trouvent leur application notamment comme composant -5- de carburant pour automobile ou comme charge d'un procédé d'hydroformylation pour la synthèse d'aldéhydes et d'alcools. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE I Dans un autoclave en acier inoxydable de 300 ml de volume utile, on introduit 100 g d'une solution commerciale d'éthyl-2 hexanoate de nickel dans le white-spirit contenant 13 % en poids de nickel. On ferme l'autoclave que l'on purge sous vide, puis on le raccorde à une bouteille d'oxyde d'éthylène placée sur une balance. On chauffe l'autoclave à 70 C et on déclenche l'agitation. Au bout de 35 minutes, on a absorbé 9,7 g d'oxyde d'éthylène, correspondant à un équivalent par atome-gramme de nickel. On isole l'autoclave et on le laisse refroidir. Puis on y introduit 100 ml d'heptane en agitant. On -5. soutire la solution obtenue, qui est ensuite évaporée sous vide pour donner un liquide visqueux présentant une teneur en nickel de 13,45 % en poids. EXEMPLE 2 Dans un autoclave en acier inoxydable de 250 ml de volume utile, préalablement séché et purgé avec de l'argon, on introduit 46 mg du mélange préparé dans l'exemple l, 'en solution dans 5. ml d'heptane, soit 1,05 x 10-4 atome-gramme de -nickel.. Puis on injecte g d'une solution à 11,5 % en poids de propylène dans un mélange d'isohexènes issu d'une précédente opération de dimérisation du propylène. On règle la température à 40 0C au moyen d'une circulation d'eau dans la double enveloppe de l'autoclave, puis on injecte 0,2 g de dichloroéthylaluminium sous forme d'une solution commerciale à 50 en poids dans l'hexane. On suit l'évolution de la réaction par des -6- prélèvements dans l'autoclave échelonnés dans le temps. Au bout de 10 minutes de réaction, la conversion du propylène en oligomères est de 66,1%. EXEMPLE 3 (comparatif) Cet exemple illustre le résultat obtenu avec un catalyseur de l'art antérieur. On utilise le même appareillage et le même mode opératoire que ceux décrits dans l'exemple 2, à ceci près qu'on introduit dans l'autoclave, à la place du mélange préparé dans l'exemple 1, 47,6 mg d'une solution commerciale d'éthyl-2 hexancate de nickel dans le white-spirit contenant 13 % en poids de nickel, soit 1,05 x 10-4 atome-gramme de nickel. Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 2 (en particulier une injection de dichloroéthylaluminium), la conversion du propylène en oligomères au bout de 10 minutes de réaction est de 24,1%. EXEMPLE 4 (comparatif) Cet exemple illustre le résultat obtenu avec une composition catalytique améliorée de l'art antérieur. On utilise le même appareillage et le même mode opératoire que ceux décrits dans l'exemple 2, à ceci près qu'on introduit dans l'autoclave, à la place du mélange préparé dans l'exemple 1, 62 mg d'une solution d'éthyl-2 hexanoate de nickel dans le white-spirit contenant un équivalent dàacide trifluoroacétique par atome-gramme de nickel et ayant un titre de 10 % (en poids) en nickel, soit 1,05 x 104 atome-gramme de. nickel. Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 2 (en particulier une injection de dichloroéthylaluminium), -7- la conversion du propylène en oligomères au bout de 10 minutes de réaction est de 58,9 %. EXEMPLE 5 Dans le même appareillage que celui décrit dans l'exemple 2, on introduit 272 mg du mélange préparé dans l'exemple 1, en solution dans 5 ml d'heptane. Puis on injecte 118 g d'une coupe C4 contenant en poids 14,7 % d'hydrocarbures saturés et 85,3 % de n-butènes. On règle également la température à 40 C, puis on injecte 1,18 g de dichloroéthylaluminium sous forme d'une solution commerciale à 50 % en poids dans l'hexane. Après une heure de réaction, la conversion des n-butènes en oligomères est de 62,8 %. EXEMPLE 6 On prépare un mélange entre l'éthyl-2 hexanoate de nickel et l'oxyde d'éthylène selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, à ceci près qu'on laisse absorber 29,1 g d'oxyde d'éthylène pour g de sel de nickel à 13 % en poids de nickel. Après traitement comme dans l'exemple 1, on obtient un mélange ayant une teneur en nickel de 11,47 % en poids. EXEMPLE 7 On utilise le même appareillage et le même mode opératoire que ceux décrits dans l'exemple 5, à ceci près qu'on introduit dans l'autoclave, à la place du'mélange préparé dans l'exemple 1, 319 mg du mélange préparé dans l'exemple 6, en solution dans 5 ml d'heptane. Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 5 (en particulier une injection de dichloroéthylaluminium), la conversion des n-butènes en -8- oligomères après une heure de réaction est de 60,1%. EXEMPLE 8 Dans un autoclave en acier inoxydable de 250 ml de volume utile, on introduit 100 g d'une solution commerciale d'éthyl-2 hexanoate de nickel dans le white-spirit contenant 13 % en poids de nickel, puis 100 ml d'heptane. Dans un sas relié à l'autoclave, on introduit 10 g d'oxyde d'éthylène, que l'on chasse ensuite dans l'autoclave par une surpression de 2 bars d'azote. On chauffe le mélange pendant 9 heures à 70 C. Après refroidissement et évaporation sous vide de l'heptane, on obtient un liquide visqueux présentant une teneur en nickel de 13 % en poids. EXEMPLE 9 Dans un réacteur muni d'une boucle de recirculation extérieure équipée d'un échangeur pour contr8ler la température, dont le volume total est de 7,6 litres, on injecte en continu 1000 g/h d'une charge composée de 75 % de n-butènes, 6 % d'isobutène et 19 % de butanes. On injecte également en continu suivant deux flux séparés, d'une part 20 g/h d'une solution dans l'heptane du mélange préparé dans l'exemple 8 contenant 21,45 g de mélange étendu à 1000 g de solution et, d'autre part, 30 g/h d'une solution dans l'heptane contenant 6 % en poids de dichloroéthylaluminium. La-température est fixée à 42 OC. A la sortie du réacteur, l'effluent est détruit en continu par injections successives d'ammoniac gazeux et d'une solution aqueuse de soude à 15 % en poids. L'analyse de l'effluent montre que la conversion des --9-- n-butènes est de 76,4 -% et celle de l'isobutène de 72,2 %. Sa composition (en poids) est de 85,2 % d'octènes, 10,8 % de dodécènes, 2 % d'hexadécènes et 2 % d'oléfines supérieures à C16. Là sélectivité pour les dimères, calculée par rapport aux monomères transformés, est de 86,9 % pour les n-butènes et de 58,1 % pour l'isobutène. EXEMPLE 10 (comparatif) Cet exemple illustre le résultat obtenu avec une composition catalytique de l'art antérieur. On utilise le même appareillage en continu et les mêmes conditions opératoires que ceux décrits dans l'exemple 9, à ceci près que le flux de la solution du mélange préparé dans l'exemple 8 est remplacé par un flux de 20 g/h d'une solution dans l'heptane d'éthyl-2 hexanoate de nickel contenant un équivalent d'acide trifluoroacétique par atome-gramme de nickel et ayant un titre (en poids) de 0,28 % en nickel, ce qui correspond à la même quantité horaire de nickel que dans l'exemple 9. L'analyse de l'effluent montre que la conversion des n-butènes est de 72, 6 % et celle de l'isobutène de 90,9 %. Sa composition (en poids) est de 78,6 % d'octènes, 13,1 % de dodécènes, 4,3 % d'hexadécènes et 4 % dtoléfines supérieures à C16. La sélectivité pour les dimères, calculée par rapport aux monomères transformés, est de 83,7 % pour les n-butènes et de 22,8 % pour l'isobutène. -10- REVENDICATIONS 1 - Composition catalytique caractérisée en ce qu'elle est le produit résultant de la mise en contact, dans un ordre quelconque, d'au moins un composé de nickel bivalent avec au moins un halogénure d'hydrocarbylaluminium et au moins un composé époxy. 2 - Composition catalytique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le composé époxy répond à la formule générale suivante: R R C- CR R 1 2\ 0/ 3 4 o/ o R1, R2, R3, R4, identiques ou différents, sont choisis parmi le groupe formé par l'atome d'hydrogène et les groupements hydrocarbonés contenant jusqu'à 12 atomes de carbone ou R1 et R4 forment ensemble un reste alkylène de 4 à 10 atomes de carbone, R2 et R3, identiques ou différents, étant choisis parmi le groupe formé par l'atome d'hydrogène et les groupements hydrocarbonés contenant jusqu'à 12 atomes de carbone. - 3 - Composition catalytique selon la revendication 2 caractérisée en ce que le composé époxy est choisi dans le groupe formé par l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de. propylène, l'époxy-l,2 butane, l'époxystyrène et l'époxy-l,2 cyclohexane. 4 - Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'halogénure d'hydrocarbylaluminium répond à la formule générale AlR' X o R' représente un groupement hydrocarboné xy monovalent, X représente un halogène choisi parmi le chlore, le brome -11et l'iode, x est compris entre 1 et 2 et y est compris entre 1 et 2, avec x + y = 3. - Composition catalytique selon la revendication 4 caractérisée en ce que, dans la formule générale de l'halogénure d'hydrocarbylaluminium, x est égal à 1, y est égal à 2 et Xreprésente le chlore. 6 - Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le composé de nickel bivalent est choisi parmi. le groupe formé par l'acétylacétonate de nickel et les carboxylates de nickel de formule (RCOO)2Ni o R est un reste hydrocarbyle de 5 à 20 atomes de carbone ou les deux R forment ensemble un reste alkylène de 6 à 18 atomes de carbone. 7 - Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle le rapport molaire de l'halogénure d'hydrocarbylaluminium au composé de nickel bivalent est compris entre 1:1 et 50:1 et le rapport molaire du composé époxy au composé de nickel bivalent est compris entre 0,1:1 et 10:1. 8 - Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle le rapport molaire de l'halogénure d'hydrocarbylaluminium au composé de nickel bivalent est compris entre 2:1-et 20:1 et le rapport molaire du composé époxy au composé de nickel bivalent est compris entre 0,5:1 et 3:1. 9 - Utilisation d'une composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 8 dans un procédé d'oligomérisation de monooléfines.