Brevet FR2675797A1 — publié le 19921030

PROCEDE DE PREPARATION DE L'ACIDE ADIPIQUE PAR HYDROCARBOXYLATION D'ACIDES PENTENIQUES La présente invention concerne un procédé de préparation de l'acide adipique par hydrocarboxylation d'acides penténiques, c'est-à-dire par réaction de l'eau et de l'oxyde de carbone sur au moins un acide penténique. Dans le brevet américain 3,579,551 il a éte proposé un procédé de préparation d'acides carboxyliques par réaction de composés à insaturation éthylénique avec de l'oxyde de carbone et de l'eau, en présence d'une composition catalytique comprenant essentiellement des composés ou complexes de l'iridium, et un promoteur iodé Les composés à insaturation éthylénique sont convertis sélectivement en acides carboxyliques (linéaires et branchés) par la réaction en cause conduite, de préférence en phase liquide, à une température comprise entre 50 et 300 'C (de préférence entre 125 et 2250 C), sous des pressions partielles d'oxyde de carbone avantageusement comprises entre 5 et 3000 psia voire, entre 25 et 1000 psia. N'importe quelle source d'iridium paraît pouvoir être utilisée et diverses sources de promoteurs iodés sont mentionnées; le rapport atomique I/Ir peut varier dans de larges limites ( 1:1 à 2500:1) et de préférence entre 3:1 et 300:1. Le milieu réactionnel liquide peut renfermer n'importe quel solvant compatible avec le système catalytique, les acides monocarboxyliques en C 2-C 20 étant les solvants préférés. L'exemple 1 réalisé au départ de propylène montre qu'un tel système favorise la formation d'acides carboxyliques branchés (isobutyrique). L'exemple 19 réalise au départ d'héxène-1 confirme l'importance de la proportion d'acides carboxyliques branchés ainsi obtenus. Cet inconvénient (manque de sélectivité en acide carboxylique linéaire) n'a pas échappé au titulaire du brevet américain précité En effet, dans le brevet américain no 3,816,489, il est proposé de mettre en oeuvre la réaction en cause avec un rapport atomique I/Ir compris entre 3:1 et 100:1 pour obtenir des acides carboxyliques terminaux de manière prépondérante. Si l'intérêt de principe de telles techniques n'est pas remise en cause, dans le cas de matières premières choisies parmi les composés à insaturation oléfinique non fonctionnarisés et en particulier dans le cas des oléfines elles-mêmes, la transposition de ces techniques à des matières premières comportant en plus de l'insaturation éthylénique, une fonction réactive dans les conditions de la réaction en cause, se heurte à de nombreuses difficultés. En particulier, les premières tentatives de transpositions réalisées par la Demanderesse au départ d'acides penténiques se sont soldées au moins par un échec partiel, des réactions différentes de celle spécifiquement visée se produisant au détriment voire en remplacement total de celle-ci en raison de la présence d'une fonction -COOH sur la matière première à insaturation éthylénique. Dans un tel contexte il serait manifestement souhaitable de pouvoir disposer d'un procédé offrant simultanément de bonnes performances dans la réaction de carbonylation visée et une sélectivité appréciable en acide adipique. La présente invention a donc pour objet un procédé de préparation de l'acide adipique par réaction de l'eau et de l'oxyde de carbone sur au moins un acide pentènique, en présence d'un catalyseur à base d'iridium et d'au moins un promoteur iodé, à une température élevée, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, dans un acide carboxylique aliphatique saturé ou aromatique comportant au maximum 20 atomes de carbone, le rapport atomique I/Ir étant inférieur à 10. Par acide penténique, on entend dans le cadre de la présente invention l'acide pentène-2 oïque, l'acide pentène-3 oïque, l'acide pentène-4 oïque et leurs mélanges. L'acide pentène-4 olque conduit à de bons résultats, mais reste peu disponible. L'acide pentène-3 olque pris isolément ou en mélange avec ses isomères est plus particulièrement approprié compte-tenu de son accessibilité et des résultats satisfaisants auxquels il conduit dans le cadre du présent procédé. Le procédé selon la présente invention nécessite la présence d'un catalyseur à base d'iridium Diverses sources d'iridium sont susceptibles d'être mises en oeuvre. A titre d'exemple de sources d'iridium susceptibles de convenir à la mise en oeuvre du présent procédé on peut citer: Ir métallique; Ir 02; Ir 2 03; Ir C 13; Ir C 13, 3 H 20; Ir Br 3; Ir Br 3, 3 H 20; Ir I 3; Ir 2 (CO)4 C 12; Ir 2 (CO)4 12; Ir 2 (CO)8; Ir 4 (CO)12; Ir 2 (CO)lP(C 6 H 5)3 l 2 I; Ir(CO)lP(C 6 H 5)312 Cl; IrlP(C 6 H 5)3 l 3 I; H IrlP(C 6 H 5)3 l 3 (CO); Ir(acac)(CO)2 lIr Cl(Cod)l 2 (Cod: cyclooctadiène-1,5; acac: acétylacétonate) Conviennent plus particulièrement à la mise en oeuvre du présent procédé: lIr Cl(Cod)l 2; Ir 4 (C 0)12 et Ir(acac)(CO)2. La quantité d'iridium à mettre en oeuvre peut varier dans de larges limites. En général, une quantité exprimée en mole d'iridium métallique par litre de milieu réactionnel comprise entre 10-3 et 10-1 conduit à des résultats satisfaisants Des quantités inférieures peuvent être mise en oeuvre; on observe toutefois que la vitesse de réaction est faible Des quantités supérieures n'ont d'inconvénients qu'au plan économique. De préférence, la concentration d'iridium est comprise entre 5.10-3 et 10-2 (inclus) mol/l. Par promoteur iodé on entend dans le cadre du présent procédé HI et les composés organoiodés capables de générer HI dans les conditions réactionnelles et, en particulier les iodures d'alkyles en Cl-Clo, l'iodure de méthyle étant plus particulièrement préconisé. Selon une caractéristique essentielle du présent procédé, la quantité de promoteur iodé à mettre en oeuvre est telle que le rapport molaire I/Ir soit inférieur à 10 Il s'avère souhaitable que ce rapport soit supérieur ou égal à 0,1 De préférence, le rapport molaire I/Ir est compris entre 1 et 5 (inclus). La présence d'eau est indispensable à la conduite du procédé selon la présente invention En général, la quantité d'eau à mettre en oeuvre est telle que le rapport molaire eau/acide(s) penténique(s) soit compris entre 1 et 10 (inclus). Une quantité inférieure présente l'inconvénient de limiter la conversion Une quantité supérieure n'est pas souhaitable en raison de la perte d'activité catalytique observée. Selon une autre des caractéristiques essentielles de la présente invention, la réaction est mise en oeuvre dans un acide carboxylique aliphatique saturé ou aromatique, comportant au maximum 20 atomes de carbone. La nature précise de l'acide carboxylique n'est pas critique dans le cadre du présent procédé, pour autant que cet acide soit à l'état liquide dans les conditions réactionnelles. A titre d'exemples d'acides carboxyliques susceptibles de convenir à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut citer l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide butyrique, l'acide valérique, l'acide adipique, l'acide benzoïque et l'acide phénylacétique. De préférence on recourt à un acide carboxylique aliphatique saturé en C 2-C 6 L'acide acétique convient plus particulièrement à la mise en oeuvre de la présente invention. La quantité d'acide carboxylique présente dans le milieu réactionnel peut varier dans de larges limites, par exemple de 10 à 99 % (inclus) en volume du milieu réactionnel De préférence cette quantité est comprise entre 30 et 90 % en volume (inclus). Comme indiqué en tête du présent mémoire, la réaction est conduite sous une pression supérieure à la pression atmosphérique et en présence d'oxyde de carbone. On peut utiliser de l'oxyde de carbone sensiblement pur ou de qualité technique, tel qu'il se présente dans le commerce. La réaction est conduite de préférence en phase liquide, la pression totale pouvant varier dans de larges limites et la température de réaction étant généralement comprise entre 100 et 240 'C et, de préférence entre 160 et 1900 C. La pression partielle de l'oxyde de carbone est généralement comprise entre 2 et 250 bars et pour une bonne mise en oeuvre du procédé selon l'invention, elle sera comprise entre 5 et 100 bar. Le milieu réactionnel renferme l'acide carboxylique aliphatique saturé ou aromatique, de l'eau, une ou des sources d'iridium, un ou des promoteurs iodés et, le cas échéant tout ou partie du ou des acides penténiques engagés et des produits de la réaction. En fin de réaction ou du temps imparti à celle-ci, on sépare l'acide adipique par tout moyen approprié par exemple par cristallisation et/ou distillation de l'acide carboxylique. Les exemples ci-après illustrent la présente invention. EXEMPLE 1: Dans une ampoule de verre préalablement purgée à l'argon, on introduit: 33,6 mg ( 0,1 mmol) d'iridium sous forme de lIr Cl(COD)l 2 0,045 g ( 0,2 mmol) de HI sous forme d'une solution aqueuse à 57 % (pds) 0,5 g ( 28 mmol) d'eau 2 g ( 20 mmol) d'acide pentène- 3 olque cm 3 d'acide acétique L'ampoule est placée dans un autoclave de 125 ml. L'autoclave est fermé hermétiquement, placé dans un four agité et raccordé à l'alimentation de gaz sous pression On admet à froid 2 bar de CO et on chauffe à 1750 C en 20 minutes Lorsque cette température est atteinte, on régule la pression à 20 bar. Après une durée de réaction de 20 minutes, l'agitation et le chauffage sont arrêtés; l'autoclave est alors refroidi et dégazé. La solution réactionnelle est analysée par chromatographie en phase gazeuse et par chromatographie liquide haute performance. Les quantités de produits formés (rendement molaire par rapport à l'acide pentène-3 oïque chargé) sont les suivantes: acide valérique (Pa): ^COOH = 3,5 % acide pentène-4 oïque (P 4): " COOH = 1 % acide pentène-3 oique (P 3) acide pentène-2 oique (P 2) y-valérolactone acide éthylsuccinique (A 3) : COOH : ' COOH HC O o O HOOC = 30 % = 6,5 % = 10 % COOH = 3,5 % acide méthylglutarique (A 2) COOH = 16,5 % HOOC acide adipique (Ai): HOOC COOH = 59 % Le taux de Le taux de linéarité (L) est de 75 % transformation de l'acide pentène-3 oïque (TT) est de 70 %. EXEMPLES 2 à 4: Selon le mode opératoire décrit pour l'exemple 1, on réalise une première série d'essais, en ne modifiant que la quantité d'HI chargée. Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont rassemblés dans le tableau (I) ciaprès, dans lequel les conventions utilisées sont les mêmes que pour l'exemple 1: TABLEAU I Réf HI/Ir TT Ai L M 4 L 2 1 36 49 65 10 1 2 70 59 75 10 3 3 50 48 70 20 4 8 52 O O 91 EXEMPLES 5 à 12: Dans l'autoclave et selon le mode opératoire decrits ci-avant on réalise une série d'essais sur une charge renfermant: 0,1 mmol d'iridium sous forme d'Ir 4 (CO)12 0,2 mmol d'HI sous forme d'une solution aqueuse à 57 % (pds) mmol d'acide pentène-3 oïque une quantité variable d'eau cm 3 d'acide acétique Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus en minutes de réaction à la température de 1750 C sont rassemblés dans le tableau II ci-après dans lequel P(CO) représente la pression partielle de l'oxyde de carbone en température. TABLEAU II Réf H 20 P(CO) TT Ai L M 4 L mmol bar % % % % 17 20 60 62,5 78 10 6 29 70 65,5 81 8,5 7 67 37 41 72 24 8 193 34 40 67 20 9 29 5 51 21 72 6,5 10 82 63 84 10 il 15 68 63 81 10,5 12 50 57 59 78 10 EXEMPLE 13: On reproduit l'exemple 6 ci-avant en ne modifiant que la température ( 190 C). Les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont les suivants: TT (%) = 84 A 1 (%) = 39 L (%) = 76 M 4 L(%) = 9 EXEMPLE 14: On reproduit l'exemple 6 ci-avant en ne modifiant que la quantité d'iridium chargée ( 0,05 mmol). Les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont les suivants: TT (%) = 26 A 1 (%) = 39 L (%) = 63 M 4 L(%) = 23 EXEMPLE 15: On reproduit l'exemple 6 ci-avant en doublant la quantité d'iridium chargée. Les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont les suivants: TT (%) = 73 A 1 (%) = 56 L (%)= 82 M 4 L(%) = 9 ESSAI TEMOIN: On reproduit l'exemple 6 ci-avant en remplaçant HI par une quantité équivalente d'H Br. Les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont les suivants: TT (%) = 9 A 1 (%) = O M 4 L(%) = 83 EXEMPLES 16 et 17: On reproduit l'exemple 6 ci-avant en ne changeant que la nature de l'acide penténique chargé. Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont rassemblés dans le tableau III ciaprès: TABLEAU III Réf Acide TT Ai L M 4 L PA chargé % % % % pentène-3 6 olque 70 65,5 81 8,5 3,5 pentène-4 16 oïque 100 63 88 14,5 3 pentène-2 17 oïque 45 54,5 88 6 24 REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de l'acide adipique par réaction de l'eau et de l'oxyde de carbone sur au moins un acide pentènique, en présence d'un catalyseur à base d'iridium et d'au moins un promoteur iodé, à une température élevée, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, dans un acide carboxylique aliphatique saturé ou aromatique comportant au maximum 20 atomes de carbone, le rapport atomique I/Ir étant inférieur à 10. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acide pentènique est choisi parmi l'acide pentène-3 oïque, l'acide pentène-2 oïque, l'acide pentène-4 oïque et leurs mélanges. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire eau/acide(s) pentènique(s) est inférieur ou égal à 10. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'acide carboxylique est choisi parmi les acides aliphatiques saturés en C 2-C 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'acide carboxylique est l'acide acétique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'acide carboxylique représente au minimum 10 % du volume du milieu réactionnel. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'acide carboxylique représente de 30 à 90 % (inclus) du volume du milieu réactionnel. il 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précécentes, caractérisé en ce que la concentration en iridium dans le milieu réactionnel est comprise entre 10-3 et 10-1 mol/l (inclus). 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de réaction est comprise entre 100 et 240 'C et, de préférence entre 160 et 190 C. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression partielle de l'oxyde de carbone est comprise entre 2 et 250 bar et, de préférence entre 5 et bar. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport atomique I/Ir est supérieur ou égal à 0,1. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport atomique I/Ir est compris entre 1 et 5 (inclus).