Brevet FR2703352A1 — publié le 19941007

PROCEDE DE PREPARATION D'ACIDES CARBOXYLIQUES OU DES ESTERS CORRESPONDANTS EN PRESENCE D'UN CATALYSEUR A BASE D'IRIDIUM La présente invention concerne un procédé de préparation d'acides carboxyliques ou des esters correspondants, par carbonylation, en phase liquide, d'un alcool, en présence d'un catalyseur à base d'iridium. L'obtention d'acides carboxyliques, et plus particulièrement d'acide acétique, par réaction de monoxyde de carbone avec un alcool comme le méthanol, en présence d'un catalyseur homogène est un procédé bien connu, ayant fait l'objet de nombreux brevets et articles. Les catalyseurs susceptibles d'être utilisés dans ce type de réaction sont entre autres le cobalt, le rhodium et l'iridium. Seuls les procédés de carbonylation utilisant des catalyseurs à base de rhodium sont exploités actuellement à une échelle industrielle et font l'objet de nouveaux développements. Les dernières générations de ces procédés mettent en oeuvre le rhodium, des quantités importantes de sels solubles d'iodures stabilisant le métal précité et de faibles teneurs en eau. Ils sont très performants puisqu'ils permettent d'atteindre des vitesses de carbonylation du méthanol en acide acétique supérieures à 10 mol/l.h. La préparation d'acides carboxyliques catalysée par le cobalt n'est plus retenue actuellement pour faire l'objet de nouvelles exploitations du fait des conditions de réaction très dures de pressions et de températures pour obtenir des résultats, en terme de sélectivités en acide formé, relativement peu satisfaisantes, en comparaison des contraintes à gérer. Quant aux procédés utilisant une catalyse à base d'iridium, les résultats mis en évidence sont très peu performants. En effet, les vitesses de carbonylation rapportées sont de l'ordre de 2 à 4 mol/h.l d'acide formé alors que le nombre de moles engagé dans la réaction est très important. La présente invention a donc pour but de proposer un mode de préparation d'acides carboxyliques par une réaction de carbonylation d'un réactif approprié, ne mettant pas en oeuvre un catalyseur à base de rhodium, tout en conservant une productivité comparable à celles des procédés utilisant le catalyseur précité. Ainsi, le procédé selon l'invention a pour objet l'obtention d'acides carboxyliques ou des esters correspondants, présentant (n+1) atomes de carbone, par réaction en phase liquide, de monoxyde de carbone avec au moins un alcool présentant n atomes de carbone, en présence d'un système catalytique à base d'un composé de l'iridium et d'un promoteur halogéné. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on maintient dans le milieu, pendant la réaction, de l'eau dans une teneur variant entre 0 exclus et 10 %, le promoteur halogéné dans une teneur variant entre 0 exclus et 10%, l'ester correspondant à l'acide carboxylique et l'alcool précité, dans une teneur variant entre 2 et 40 %, ledit acide carboxylique précité constituant le solvant de la réaction. Dans tout ce qui va suivre, et sauf indication contraire, les pourcentages indiqués sont exprimés en poids, rapportés au poids total du mélange réactionnel. II a été trouvé de façon totalement surprenante que le procédé selon l'invention, réalisé en présence d'un catalyseur à base d'iridium dans les conditions stables explicitées ci-dessus, est beaucoup plus performant que les procédés décrits mettant en oeuvre un tel catalyseur. De plus, et ce fait est important, le procédé selon l'invention permet d'atteindre des vitesses de carbonylation de l'alcool en acide carboxylique, exprimées en moles, comparables à celles obtenues avec les procédés catalysés par le rhodium, en mettant en oeuvre des quantités de catalyseur similaires. Par ailleurs, on a constaté, contrairement à ce que l'on aurait pu attendre, que le catalyseur restait stable dans un milieu réactionnel présentant une faible teneur en eau, même en l'absence de tout type de composé connu stabilisant le catalyseur, qu'il soit de type organique ou minéral. Par conséquent, le procédé selon l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter l'emploi de tels composés pendant la réaction. II est de même à noter que le procédé selon l'invention est mis en oeuvre en présence de quantités relativement faibles de promoteur halogéné. Ceci présente l'avantage diminuer la quantité de promoteur à séparer de l'acide formé et de diminuer la consommation d'énergie nécessaire à la récupération de ce composé halogéné. Par ailleurs, cette mesure a permis de baisser, pour une teneur en eau et en ester donnée, la teneur en hydracide correspondant à l'halogène du promoteur dans le milieu. Par conséquent la corrosivité dudit milieu est diminuée, rendant plus facile et moins coûteux le choix des matériaux, mis en contact avec un tel milieu. Mais d'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre. Ainsi qu'il a été dit précédemment, la réaction de carbonylation de l'invention est réalisée en présence d'un système catalytique à base d'au moins un composé de l'iridium et d'un promoteur halogéné. La réaction étant effectuée en phase liquide, le système catalytique se présente sous forme de composés solubles dans le mélange réactionnel. Tous les composés de l'iridium solubles ou pouvant être solubilisés dans le milieu réactionnel, dans les conditions de réalisation de l'invention, peuvent être utilisés. A titre d'exemple et sans intention de se limiter, conviennent notamment à la mise en oeuvre de l'invention, l'iridium à l'état métallique, les sels simples de ce métal, les oxydes ou encore les complexes de coordination. En tant que sels simples d'iridium, on utilise habituellement les halogénures d'iridium. L'halogène est plus particulièrement choisi parmi le chlore, le brome ou l'iode, ce dernier étant préféré. Ainsi les composés comme Ire3, IrBr3, Irai3, lrl3,4H2O, IrBr3,4H2O peuvent être utilisés dans le procédé selon l'invention. Les oxydes choisis parmi IrO2, Ir203,x.H2O peuvent de même être convenablement mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention. En ce qui concerne les complexes solubles de coordination de l'iridium, les composés les plus couramment mis en oeuvre sont ceux présentant des ligands choisis parmi le monoxyde de carbone ou une combinaison monoxyde de carbone/halogène, l'halogène étant choisi parmi le chlore, le brome ou plus particulièrement l'iode. II n'est toutefois pas exclus d'utiliser des complexes solubles d'iridium dont les ligands sont choisis parmi des composés organo phosphorés ou organo azotés, par exemple. En tant que complexes de coordination, connus de l'homme du métier, convenant particulièrement à la mise en oeuvre de l'invention, on peut citer sans intention de se limiter les composés suivants : lr4(CO)12, lr(CO)2l2-, Ir(CO)2Br2- I r(CO)2Cl2-. Généralement, la concentration totale en métal dans le milieu réactionnel est comprise entre 0,1 et 100 mmol/l de préférence entre 1 et 10 mmolll. Le second constituant du système catalytique est un promoteur halogéné. Celui-ci peut se présenter sous la forme d'un halogène seul, ou en combinaison avec d'autres éléments comme par exemple l'hydrogène, un radical alkyle en Ci- C10, un radical acyle en C1-C10, un radical aryle en C6-C10. L'halogène est en général choisi parmi le chlore, le brome ou l'iode, ce dernier étant préféré. A titre d'exemple de composés halogénés convenant à la mise en oeuvre de l'invention, on peut citer entre autres l'iode, l'acide iodhydrique, l'acide bromhydrique, I'iodure de méthyle, le bromure de méthyle, I'iodure d'éthyle, le bromure d'éthyle, le di iodure-1,1 d'éthyle, le bromure de benzyle, I'iodure d'acétyle. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le promoteur mis en oeuvre comprend l'hydrogène ou un radical alkyle en C1 -C1 . Plus particulièrement, le promoteur utilisé dans l'invention comprend l'halogène et un radical alkyle en C1-C10 De préférence, ce mode de réalisation est effectué en présence d'un promoteur halogéné dont le radical correspond à celui de l'alcool utilisé comme réactif lors de la réaction selon l'invention. La teneur en promoteur halogéné dans le milieu est comprise entre 0 exclus et 10 %. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la teneur en composé halogéné dans le milieu réactionnel est comprise entre 1 et 5%. Les réactifs mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention vont maintenant être présentés. Comme cela a été mentionné auparavant, la réaction selon l'invention est effectuée en présence d'un alcool comprenant un atome de carbone en moins par rapport à l'acide carboxylique ou à l'ester correspondant, fabriqué. Parmi les réactifs convenables à la mise en oeuvre de la réaction, on peut citer les alcools mono ou dihydroxylés, saturés, présentant un à dix atomes de carbone. A titre d'exemples de tels composés, on peut citer notamment le méthanol, I'éthanol, le propanol, le butanol, le 1 ,4-butanediol. Selon un mode de réalisation préféré, les alcools utilisés sont choisis parmi les composés monohydroxylés. II est important de noter que l'alcool utilisé comme réactif peut être présent dans le milieu réactionnel en tant que tel ou sous forme masquée. En effet, ledit alcool peut se trouver indifféremment sous la forme d'un dérivé halogéné et/ou d'un ester obtenu par réaction entre ledit alcool et l'acide carboxylique présent. Ainsi, la teneur en réactif dans le milieu réactionnel peut varier dans de larges limites, du fait des différentes espèces sous lesquelles le réactif peut se présenter. Par conséquent, la teneur en alcool en tant que tel, dans le milieu réactionnel peut être comprise entre 0 et 10 %. De préférence, le milieu comprend une teneur en alcool comprise entre 0,1 et 8 %. L'autre réactif nécessaire à l'obtention d'un acide carboxylique est le monoxyde de carbone. Celui-ci peut être utilisé sous forme pure ou diluée dans des gaz tels que l'hydrogène, le méthane, le dioxyde de carbone, ou tout autre type de gaz comme par exemple l'azote. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, on utilise un monoxyde de carbone présentant une pureté d'au moins 99%. La pression partielle en monoxyde de carbone est habituellement comprise entre 10 et 50 bar et de préférence entre 10 et 20 bar.. La réaction de carbonylation selon l'invention est effectuée en outre, en présence d'eau, la teneur en eau dans le milieu réactionnel étant comprise entre 0 exclus et 10 %. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la teneur en eau dans le milieu est comprise entre 2 et 8 %. Outre les composés et réactifs précédemment mentionnés, le procédé selon l'invention est réalisé en présence d'esters correspondant, de préférence, à la réaction de l'alcool mis en jeu dans la réaction, avec l'acide carboxylique présent dans le milieu réactionnel. Plus particulièrement, la teneur en ester dans ledit milieu est comprise entre 2 et 40%. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la teneur en ester est comprise entre 5 et 30%. Enfin, le procédé selon l'invention est effectué dans un solvant qui, de façon avantageuse, correspond à l'acide carboxylique formé par la réaction. Ainsi que cela a été indiqué auparavant, la présente invention consiste à maintenir dans le milieu réactionnel, I'eau, le promoteur halogéné, l'ester précité et l'acide carboxylique, dans les proportions venant d'être explicitées. Par conséquent, la présente invention est principalement destinée à être mise en oeuvre en continu et les conditions stables de fonctionnement du procédé correspondent à la composition et aux proportions indiquées. Lors du démarrage de la réaction, les divers composants sont introduits dans un réacteur approprié, muni de moyens d'agitation suffisants pour assurer le transfert gaz-liquide. II est à noter que si le réacteur comprend de préférence des moyens d'agitation mécanique du mélange réactionnel, il n'est pas exclus d'opérer sans de tels moyens, I'homogénéisation du mélange étant réalisée par l'introduction du monoxyde de carbone dans le réacteur. Les composants du milieu réactionnel sont introduits sans ordre préférentiel, sous leur forme propre et/ou sous la forme d'un ou plusieurs précurseurs. Une première variante de l'invention consiste à introduire le promoteur halogéné décrit auparavant tel quel dans le mélange réactionnel. Une seconde variante de mise en oeuvre, consiste à introduire ledit promoteur sous la forme d'au moins un précurseur. Dans ce cas de figure, ce précurseur se présente généralement sous la forme d'un composé susceptible de libérer dans le milieu réactionnel le radical précité du promoteur halogéné précité, par réaction dudit précurseur avec un halogène ou l'hydracide correspondant, présent dans le milieu ou bien introduit à cet effet. A titre d'exemple non limitatif de précurseurs convenables, on peut citer les composés choisis parmi les alcools de formule (1) ROI ; les éthers de formule (2) ROR' ou encore des esters de formules (3) R'COOR, utilisés seuls ou en mélange. Dans les formules précitées, les radicaux R et R', identiques ou différents, représentent chacun un radical alkyle en C1-C10, acyle en C1 -C10, ou aryle en C6-C10, / - le radical R correspondant au radical du promoteur halogéné. Ainsi, le méthanol, I'éthanol, le propanol, le butanol, le diméthyl éther, I'oxyde d'éthylène, l'acétate de méthyle, sont des précurseurs convenables dudit promoteur halogéné. Habituellement la réaction de carbonylation est réalisée à une température comprise entre 150 et 250 C. De préférence la température de réaction varie entre 180 et 210"C. La pression totale est généralement comprise entre 5 et 200 bar et plus particulièrement entre 5 et 100 bar. II est à noter que le procédé selon l'invention peut être convenablement mis en oeuvre dans les installations exploitant les procédés classiques au rhodium. Ainsi, ces procédés peuvent être séparés principalement en trois zones. La première correspond à la zone de réaction, comprenant un réacteur sous pression; la seconde est celle de séparation de l'acide, ou de l'ester, formé, par vaporisation partielle du mélange réactionnel. La partie vaporisée est ensuite envoyée dans une zone de purification de l'acide carboxylique ou de l'ester correspondant ; la partie du mélange restée sous forme liquide, comprenant principalement le catalyseur, est recyclée au réacteur. Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, le mélange réactionnel est purgé régulièrement des métaux de corrosion qu'il contient, présents habituellement sous forme d'iodures de molybdène, chrome, nickel notamment. De préférence, la purge est réalisée à partir d'une teneur en ces espèces d'environ 0,1 % dans le milieu. Cette opération est réalisée selon tout moyen connu de l'homme du métier, comme par exemple le traitement du mélange réactionnel par une résine échangeuse d'ions ou encore par précipitation du catalyseur et séparation de ce dernier des métaux de corrosion par filtration. Le procédé selon l'invention convient à la fabrication de tout type d'acide carboxylique ou des esters correspondants, comprenant au minimum deux atomes de carbone. Ainsi, celui-ci peut être mis en oeuvre pour préparer l'acide propionique à partir de l'éthanol, l'acide succinique à partir de l'oxyde d'éthylène, l'acide adipique à partir du 1,4-butanediol, ou les esters correspondants. Cependant, ce procédé convient tout particulièrement à l'obtention d'acide acétique et/ou d'acétate de méthyle à partir de méthanol. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre à partir d'iodure de méthyle, d'acétate de méthyle et d'acide acétique en tant que solvant, outre le méthanol. Des exemples concrets mais non limitatifs de l'invention vont maintenant être présentés. EXEMPLE 1 Les essais suivants ont été réalisés en continu dans un autoclave de 300 cm3 muni de moyens d'agitation mécaniques et de moyens d'introduction des réactifs. Le milieu réactionnel comprend du chlorure d'iridium avec une concentration de 3 mmoVI, dans l'acide acétique. Les introductions de méthanol, d'iodure de méthyle et d'eau sont réglées de telle sorte que les teneurs des différents composants dans le milieu réactionnel soient maintenues comme indiquées dans le tableau ci-dessous. Le temps de séjour dans le réacteur est d'environ 10 minutes. La pression totale dans l'autoclave est de 30 bar et la température est maintenue à 170 C. A la sortie de l'autoclave, le mélange réactionnel est dégazé et refroidi. Le mélange et les gaz sont analysés par chromatographie en phase gazeuse. ESSAIS H2O CH3l CH3CO2H CH3CO2CH3 VCARB A 6,6 ~ 9,7 56 26 11,2 B B 6,7 7,7 60 26 11 C 6,9 5,2 61 27 10,6 D 6,8 3,6 61 27 9,3 VCARB représente la vitesse de carbonylation, exprimée en moVl.h. Elle est obtenue par mesure du débit de consommation du CO en tenant compte, en outre, de la quantité de ce gaz engagée dans la formation de CO2. Les teneurs des différents constituants du mélange sont exprimées en % poids, rapporté au poids total du mélange réactionnel. Ces essais montrent que la vitesse de carbonylation est considérablement améliorée par raport à celles indiquées dans l'art antérieur. EXEMPLE 2 On opère selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1 mais les compositions du mélange réactionnel sont les suivantes: ESSAlS H2O CH3l CH3CO2H CH3CO2CH3 VCARB A 3,0 8,9 87 12 6,5 B 3,1 6,1 80 12 5,9 C 3,2 4,0 80 12 5,6 Ces essais montrent que la vitesse de carbonylation reste élevée par rapport aux procédés décrits mettant en oeuvre l'iridium, même avec de faibles teneurs en eau, sans constater, poar ailleurs, de précipitation du catalyseur. EXEMPLE 3 On opère de la même façon que dans les exemples précédents. Les introductions d'eau, d'iodure de méthyle et de méthanol et d'acide acétique sont réglées pour maintenir les compositions ci-dessous: ESSAlS H2O Al3OH CH3CO2CH3 CH3CO2H CH3l lr VCARB A 7,3 1,3 27 56 9,8 2,9 13 B 5,1 0,56 20 7,1 3,8 2,2 8,6 C 5,9 0,77 23 65 5,6 2,3 10,1 D 6,3 1,1 24,9 57,6 7,7 2,3 11,4 Les teneurs sont exprimées en %poids, celles en iridium en mmoVI. La vitesse de carbonylation, exprimée en mol/h.l. d'acide acétique formé, est calculée selon la méthode des exemples précédents. La teneur en HI dans le milieu est comprise entre 4 et 7 mmoVI. REVENDICATIONS 1/ Procédé de préparation d'acides carboxyliques, ou des esters correspondants, présentant (n+1 ) atomes de carbone, par réaction en phase liquide, de monoxyde de carbone avec au moins un alcool présentant n atomes de carbone, en présence d'un système catalytique à base d'un composé de l'iridium et d'un promoteur halogéné, caractérisé en ce que l'on maintient dans le milieu, pendant la réaction, I'eau, dans une teneur variant entre 0 exclus et 10 %, le promoteur halogéné, dans une teneur variant entre 0 exclus et 10%, l'ester correspondant à l'acide carboxylique et à l'alcool précités, dans une teneur variant entre 2 et 40 %, ledit acide carboxylique constituant le solvant de la réaction. 2/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on maintient dans le mélange une teneur en eau comprise entre 2 et 8%. 3/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on maintient dans le mélange une teneur en promoteur halogéné comprise entre 1 et 5%. 4/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on maintient dans le mélange une teneur en ester précité comprise entre 5 et 30%. 5/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un alcool hydrocarboné saturé en C1 -C1 o 6/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un promoteur halogéné comprenant un halogène choisi parmi le chlore le brome ou l'iode, en combinaison avec de l'hydrogène, un radical alkyle en C1 C10, un radical acyle en C1-C10 ou un radical aryle en C6-C10. 7/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on utilise un promoteur halogéné dont le radical correspond à celui de l'alcool précité. 8/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prépare l'acide acétique par réaction du méthanol avec du monoxyde de carbone, en présence d'eau, d'iodure de méthyle, d'acétate de méthyle, l'acide acétique constituant le solvant de la réaction.