Brevet FR2682104A1 — publié le 19930409

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 3000 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 remis 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 au moins un solvant choisi dans le groupe constitué par les hydrocarbures saturés aliphatiques ou cycloaliphatiques et leurs dérivés halogènés, les hydrocarbures aromatiques et leurs dérivés halogénés, et les éthers aliphatiques, aromatiques ou mixtes, le rapport atomique I/Ir étant inférieur à 20. 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 oïque conduit à de bons résultats, mais reste peu disponible. L'acide pentène-3 oïque 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 (C 0)4 C 12; Ir 2 (C 0)4 12; Ir 2 (CO)8; Ir 4 (C 0)12; Ir 2 (CO)lP(C 6 H 5)3 l 2 I; Ir(CO)lP(C 6 H 5)3 l 2 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 mises 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 De préférence, on recourt à HI. 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 20 Il s'avère souhaitable que ce rapport soit supérieur ou égal à 0,1 De préférence, le rapport molaire I/Ir est inférieur à 10 Pour une bonne mise en oeuvre de l'invention, il sera 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 au moins un solvant choisi dans le groupe constitué par les hydrocarbures saturés aliphatiques ou cycloaliphatiques et leurs dérivés halogénés, les hydrocarbures aromatiques et leurs dérivés halogénés, et les éthers aliphatiques, aromatiques ou mixtes. La nature précise du solvant choisi dans le groupe précité n'est pas critique dans le cadre du présent procédé, pour autant que celui-ci soit à l'état liquide dans les conditions réactionnelles. A titre d'exemples de tels solvants on peut citer: le benzène, le toluène, le chlorobenzène, le chlorure de méthylène, le dichloro-1,2 éthane, l'hexane, le cyclohexane et le diphényléther. La quantité de solvant 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 1 et 250 bars et pour une bonne mise en oeuvre du procédé selon l'invention, elle sera comprise entre 2 et 100 bar. Le milieu réactionnel renferme au moins un solvant choisi dans le groupe défini ci-avant, 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 filtration. Les exemples ci-après illustrent la présente invention. EXEMPLE 1: Dans une ampoule de verre préalablement purgée à l'argon, on introduit: mg ( 0,1 mmol) d'iridium sous forme de Ir 4 (CO)12 0,045 g ( 0,2 mmol) de HI sous forme d'une solution dans le chlorobenzène ( 1 ml) 0,54 g ( 30 mmol) d'eau 2 g ( 20 mmol) d'acide pentène-3 olque 9 cm 3 de chlorobenzène 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 30 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 = 5 % acide pentène-2 oique (P 2): COOH y-valérolactone (M 4 L) acide éthylsuccinique : (A 3): = 5 % = 6 % COOH = 2 HOOC acide méthylglutarique (A 2): COOH = 11 HOOC acide adipique (A 1): HOOC COOH = 71 Le taux de Le taux de linéarité (L) est de 84 % transformation de l'acide pentène-3 oïque (TT) est de 93 %. EXEMPLE 2: On reproduit l'exemple i ci-avant à ceci près que l'on engage HI sous forme d'une solution ( 0,2 mmol) dans l'acide acétique ( 1 ml). Toutes conditions égales par ailleurs on obtient sensiblement les mêmes résultats à ceci près que l'on ne détecte plus la présence % % % (Pa): COOH d'acide pentène-2 oïque et que le rendement molaire en y-valérolactone par rapport à l'acide pentène-3 oïque chargé (M 4 L) est de 12,5 %. EXEMPLES 3 à 6; essai comparatif (a): On reproduit l'exemple 1 ci-avant en utilisant des solvants de nature différente et en utilisant une solution de HI ( 0,2 mmol) dans l'acide acétique Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau I ci-après dans lequel t désigne la durée de l'essai en température. TABLEAU I Réf Solvant t TT Ai L M 4 L (nature) mn % % % % 2 chlorobenzène 30 93 71 84 12,5 3 (*) chlorure de 35 100 70 84 10,0 méthylène 4 toluène 35 95 75 84 7,5 cyclohexane 30 96 68 80 8 6 diphényléther 40 100 63 78 12 a eau/toluène 120 18 ND 40 ( 50/50 vol) (*) Dans cet exemple la pression totale en température est de 30 bar. ND: non déterminée Dans l'essai témoin (a) on note la formation d'une quantité prépondérante d'acide pentanoique lPA (%) = 40 l. EXEMPLES 7 à 8; essai comparatif (b): Selon le mode opératoire décrit pour l'exemple 1, on réalise une série d'essais dans le toluène et en modifiant la quantité d'HI chargée. Les conditions particulières ainsi que les résultats obtenus toutes conditions égales par ailleurs sont rassemblés dans le tableau (II) ciaprès, dans lequel les conventions utilisées sont les mêmes que pour l'exemple 1 et t désigne la durée de l'essai en température: TABLEAU II Réf HI/Ir t TT Ai L M 4 L mn % % % % a 0 90 O 1 2 30 93 71 84 6 7 5 35 99 44 78 33 8 9 85 78 21 81 65 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 au moins un solvant choisi dans le groupe constitué par les hydrocarbures saturés aliphatiques ou cycloaliphatiques et leurs dérivés halogénés, les hydrocarbures aromatiques et leurs dérivés halogénés, et les éthers aliphatiques, aromatiques ou mixtes, le rapport atomique I/Ir étant inférieur à 20. 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. 3 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 le solvant est choisi parmi le benzène, le toluène, le chlorobenzène, l'hexane, le cyclohexane, le chlorure de méthylène, le dichloro-1,2 éthane et le diphényléther. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le solvant représente au minimum 10 % du volume du milieu réactionnel. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le solvant représente de 30 à 90 % (inclus) du volume du milieu réactionnel. 7 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). 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de réaction est comprise entre 100 et 2400 C et, de préférence entre 160 et 1900 C. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression partielle de l'oxyde de carbone est comprise entre 1 et 250 bar et, de préférence entre 2 et bar. Procédé selon l'une précédentes, caractérisé en ce que à 10. 11 Procédé selon l'une précédentes, caractérisé en ce que ou égal à 0,1. 12 Procédé selon l'une précédentes, caractérisé en ce que entre 1 et 5 (inclus). quelconque le rapport quelconque le rapport quelconque le rapport des revendications atomique I/Ir est inférieur des revendications atomique I/Ir est supérieur des revendications atomique I/Ir est compris 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise HI comme promoteur iodé.