Brevet FR2710280A1 — publié le 19950331

La présente invention concerne une composition catalytique et un procédé utilisant cette composition pour la dimérisation, la codimérisation et l'oligomérisation des oléfines et en particulier du propylène, la composition résultant de la dissolution d'un composé du nickel mélangé ou complexé avec une phosphine, dans le mélange liquide, a caractère ionique, d'halogénure d'ammonium quaternaire ou/et d'halogénure de phosphonium quaternaire, d'halogénure d'aluminium, d'un hydrocarbure aromatique et optionnellement d'un composé d'alcoyle aluminium. Dans le brevet français 2611700 est décrite l'utilisation de liquides a caractère ionique formés d'halogénures d'aluminium et d'halogénures d'ammonium quaternaires comme solvants de complexes organométalliques du nickel pour la catalyse de dimérisation des oléfines. L'utilisation de tels milieux non miscibles avec les hydrocarbures aliphatiques, en particulier avec les produits issus de la dimérisation des oléfines permet une meilleure utilisation des catalyseurs homogènes. Dans le brevet U.S. 5.104.840 est décrite une composition liquide à caractère ionique résultant de la mise en contact d'halogénures d'ammonium quaternaires et/ou d'halogénures de phosphonium quaternaires avec des dihalogénures d'alcoyle aluminium et éventuellement en outre un trihalogénure d'aluminium. Ce même brevet décrit l'utilisation de ces milieux comme solvants de complexes de métaux de transition, notamment des complexes du nickel ne contenant pas de liaison nickel-carbone, qui sont transformés en catalyseurs d'oligomérisation des oléfines. Dans la suite ces milieux seront appelés "sels fondus" parce que liquides à température modérée. Au cours de ces travaux il a été montré que les catalyseurs de nickel les plus actifs et les plus stables sont obtenus dans des "sels fondus" constitués d'un équivalent molaire d'halogénure d'ammonium et/ou d'halogénure de phosphonium avec un équivalent et plus de trihalogénure d'aluminium, et optionnellement une quantité quelconque de dihalogénure d'alcoyle aluminium. Cette formulation s'est révélée particulièrement intéressante parce que les complexes du nickel qui y sont dissous présentent une activité catalytique élevée et constante dans le temps. Cependant il s'est révélé que dans de telles conditions "l'effet phosphine" tel que décrit par G. Wilke et al dans Ind. Eng Chem., 1970, 62, n 12, p34, et dans le brevet G.B. 1.058.680, et qui traduit l'influence des substituants portés par l'atome de phosphore sur le mode d'enchaînement des molécules de propylène lors de la dimérisation catalytique par le nickel, disparaissait rapidement au cours du temps. Ce phénomène inexpliqué a des conséquences néfastes puisqu'il ne permet pas d'obtenir les sélectivités recherchées. Il a maintenant été trouvé que l'addition d'un hydrocarbure aromatique à un "sel fondu" permet de palier ce défaut et conduit a des catalyseurs dont l'activité est élevée et stable et dont la sélectivité en isomères les plus ramifiés est importante. Plus précisément un objet de l'invention est une composition catalytique comprenant au moins un composé du nickel mélangé ou complexé avec au moins une phosphine tertiaire, dissous au moins en partie dans un milieu non aqueux à caractère ionique résultant de la mise en contact d'au moins un halogénure d'aluminium (B) avec au moins un halogénure d'ammonium quaternaire et/ou au moins un halogénure de phosphonium quaternaire (A) et avec au moins un hydrocarbure aromatique (C). Un autre objet de l'invention est un procédé pour la dimérisation, la codimérisation ou l'oligomérisation d'au moins une oléfine, procédé dans lequel l'oléfine est mise au contact d'au moins un composé du nickel mélangé ou complexé avec au moins une phosphine tertiaire, ledit composé étant dissous au moins en partie dans milieu non-aqueux à caractère ionique, procédé caractérisé en ce que ledit milieu résulte de la mise en contact d'au moins un halogénure d'aluminium avec au moins un halogénure d'ammonium quaternaire et/ou de phosphonium quaternaire et avec au moins un hydrocarbure aromatique Le milieu de type "sels fondus" est donc constitué: a) d'halogénures, plus particulièrement chlorures et/ou bromures, d'ammonium quaternaires et/ou phosphonium quaternaires (noté produit A); b) d'halogénure d'aluminium (noté produit B); c) d'hydrocarbure aromatique simple, condensé ou substitué (noté produit C); d) optionnellement d'un dérivé organique de l'aluminium (noté produit D). Les halogénures d'ammonium quaternaires et les halogénures de phosphonium quaternaires utilisables dans le cadre de l'invention répondent de préférence aux formules générales NRIR2R3R4X et PRIR2R3R4X, o X représente Ci ou Br, RI, R2, R3 et R4, identiques ou différents, représentant chacun l'hydrogène, un groupement alkyle, aliphatique (saturé ou insaturé) ou aromatique, comprenant 1 a 12 atomes de carbone. Les halogénures d'ammonium et/ou de phosphonium quaternaires peuvent également être dérivés d'hétérocycles comportant 1, 2 ou 3 atomes d'azote et/ou de phosphore. A titre d'exemples on peut citer le chlorure de tétrabutylphosphonium, le chlorure de N-butylpyridinium, le bromure d'éthyl pyridinium, le chlorure de butyl-3 méthyl- 1 imidazolium, le chlorure de diéthylpyrazolium, le chlorhydrate de pyridinium, le chlorure de triméthylphényl ammonium,. Les hydrocarbures aromatiques selon l'invention sont le benzène et ses substitués de formule générale C6HXR6-x, R étant un radical alkyl, cycloalkyl, aryl, alkylaryl tel que C6H5CH2-, et x prenant les valeurs de 1 à ; le naphtalène et ses substitués de formule générale C1oHxR8-x, R étant défini comme ci-dessus et x étant compris entre 0 et 7; l'anthracène et ses dérivés de formule générale C1 4HxR8-x o R tel que défini précédemment, x égal de 0 à 7 inclus.. Ils peuvent être utilisés seuls ou en mélange. A titre d'exemples on peut citer le benzène, le toluène, les xylènes, le durène et l'isodurène, le pentaméthylbenzène, I'hexaméthylbenzène, I'a-méthylnaphtalène, le diméthyl-2,6 anthracène. Les dérivés organiques de l'aluminium selon l'invention ont pour formule générale AIRxX3-x dans laquelle R est un radical alkyl, linéaire ou ramifié, comportant 2 à 8 atomes de carbone, X étant le chlore ou le brome et x ayant une valeur égale à 1, 2 ou 3. A titre d'exemples on peut utiliser le dichloroéthylaluminium, le sesquichlorure d'éthylaluminium, le sesquichlorure d'isobutylaluminium, le dichloroisobutylaluminium et le chlorodiéthylaluminium. Les composants des "sels fondus" tels que definis ci-dessus sont mis en oeuvre dans des rapports molaires A:B compris entre 1:0,5 et 1:3, de préférence entre 1:1 et 1:2; B:C compris entre 1:1 et 1:100, de préférence entre 1:1 et 1:10 et B:D compris entre 1:0 et 1:10 de préférence entre 1:0,01 et 1:5. Il est néanmoins nécessaire que les composants et leurs proportions soient tels que le mélange soit liquide à la température à laquelle se fait l'introduction du composé du nickel et la phosphine, bien que la réaction catalytique de dimérisation puisse se faire à une température inférieure ou supérieure à la température de fusion de la composition catalytique. Si l'hydrocarbure aromatique se partage entre la phase polaire et la phase hydrocarbonée que constitue les dimères et les oligomères, il est nécessaire d'ajouter de façon continue de cet hydrocarbure aromatique en sorte que sa concentration dans la phase polaire reste dans la fourchette donnée ci-dessus. Les composés entrant dans la composition selon l'invention, peuvent être mélangés dans un ordre quelconque. Le mélange peut se faire par une simple mise en contact suivie d'une agitation jusqu'à formation d'un liquide homogène. Ce mélange peut être fait en dehors du réacteur de dimérisation ou de préférence dans ce réacteur. Les composés du nickel selon l'invention sont le chlorure, le bromure, le sulfate, les carboxylates, par exemple l'éthyl-2 hexanoate, les phénates, l'acétylacétonate, en mélange avec une phosphine tertiaire, ou leurs complexes avec une phosphine tertiaire. On peut également utiliser les complexes organométalliques du nickel contenant ou non des phosphines Les phosphines selon l'invention répondent aux formules générales PRIR2R3 et RIR2P-R'-PRIR2 dans lesquels RI,R2 et R3 identiques ou différents, sont des radicaux alkyl, cycloalkyl, aryl ou aralkyl comportant de 1 a 10 atomes de carbone, et R' un reste bivalent aliphatique de 1 a 6 atomes de carbone. A titre d'exemples on peut citer: la triisopropylphosphine, la tricyclohexylphosphine, la tribenzylphosphine, la dicyclohexylphenylphosphine, la tétra cyclohexylmethylene-diphosphine la diisopropyltertiobutylphosphine. A titre d'exemples de composés du nickel utilisables selon l'invention on peut citer les complexes NiCI2,2P(isopropyl)3, NiCI2,2P(cyclohexyl)3, NiCI2,2pyridine en mélange avec un équivalent de triisopropylphosphine, le chlorure de nickel en mélange avec un équivalent de triisopropylphosphine, l'acétate de nickel en mélange avec un équivalent de tricyclohexylphosphine, le chlorure de pallylnickeltriisopropylphosphine. Les oléfines susceptibles d'être dimérisées ou oligomérisées par les compositions catalytiques selon l'invention sont l'éthylène, le propylène, les n-butènes et les n-pentènes, seules ou en mélange, pures ou diluées par un alcane, telles qu'on les trouve dans des coupes" issues des procédés de raffinage du pétrole, comme le craquage catalytique ou le craquage a la vapeur. La réaction catalytique de dimérisation des oléfines peut être conduite en système fermé, en système semi-ouvert ou en continu avec un ou plusieurs étages de réaction. Une vigoureuse agitation doit assurer un bon contact entre le ou les réactifs et la composition catalytique. La température de réaction peut être comprise entre -40 et +70 C, de préférence entre -20 et +50 C. On peut opérer au dessus ou en dessous de la température de fusion de la composition catalytique, l'état solide dispersé n'étant pas une limitation au bon déroulement de la réaction. La chaleur engendrée par la réaction peut être éliminée par tous les moyens connus de l'homme de l'art. La pression peut être comprise entre la pression atmosphérique et 20 Mpa, de préférence entre la pression atmosphérique et 5 MPa. Les produits de la réaction et le ou les réactifs qui n'ont pas réagi sont séparés du système catalytique par simple décantation puis fractionnés. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée: EXEMPLE 1 Préparation du solvant ionique. On a mélangé à température ambiante 17,5g (0,1 mole) de chlorure de butylméthyl imidazolium, 16,3g (0,122 mole) de chlorure d'aluminium sublimé, 0,26 g (0,002 mole) de dichloroéthylaluminium et 4,02g (0,03 mole) d'isodurène. On a obtenu ainsi un liquide jaune claire. Dirnérisation du propylène. Un réacteur en verre de 100 ml muni d'une sonde de mesure de température, d'un barreau aimanté pour assurer une bonne agitation et d'une double enveloppe permettant la circulation d'un liquide de réfrigération, a été purgé d'air et d'humidité, et maintenu à la pression atmosphérique de propylène à 99% de pureté. On y a introduit 45 mg (0,1 mmole) du complexe NiCI2,2P(iPr)3 puis on a abaissé la température a -15 C et injecté à l'aide d'une seringue 3,5 ml de la composition liquide ci- dessus préparée et 7 ml d'heptane. On a mis l'agitation en route et on a observé immédiatement une absorption de propylène. Quand le réacteur a été aux trois quarts plein de liquide, on a arrêté l'agitation, on a laissé se décanter le "sel fondu" et on a soutiré la plus grande partie de la phase hydrocarbonée. On a recommencé l'opération sept fois. A ce moment on avait introduit au total 430g de propylène. L'analyse des différentes fractions à montré qu'elles étaient composées à 85 % de dimères, à 12 % de trimères et à 3 % de tétramères. La composition des dimères qui était pratiquement identique dans toutes les fractions comportait 81 % de diméthyl-2,3 butènes, 2 % de n-hexènes et 17 % de méthyl-2 pentènes. Cette teneur en diméthylbutènes est bien supérieure à celle qui avait été décrite par G. Wilke. EXEMPLE 1' (comparatif) Préparation du solvant ionique. On a préparé un solvant ionique dans des conditions identiques à celui de l'exemple précédent à ceci près qu'il n'a pas été ajouté d'hydrocarbure aromatique. Le liquide était dans ce cas pratiquement incolore. Dimérisation du propylène. On a opéré comme dans l'exemple précédent. La première fraction hydrocarbonée s'est révélée être composée de 83 % de dimères, 14 % de trimères et 3 % de tétramères; les dimères contenaient 83 % de diméthyl- 2,3 butènes, 2 % de n-hexènes et 15 % de méthyl-2 pentènes. Les dimères de la septième fraction, qui représentaient toujours 85 % des produits, ne contenaient plus que 11 % de diméthyl-2,3 butènes à côté de 16 % de n-hexènes et de 63 % de méthyl-2 pentènes. La composition de la dernière fraction est particulièrement basse en diméthylbutènes. EXEMPLE 2 Dimérisation du propylène On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près qu'au lieu de 45 mg du complexe NiCI2,2P(iPr)3 on a introduit 69 mg (0,1 mmole) du complexe NiCI2,2P(cyclohexyl)3. On a effectué trois soutirages, ce qui correspondait à 210 g de propylène introduit. Les trois fractions étaient constituées à 78% de dimères, à 18% de trimères et à 4% de tétramères. Les dimères contenaient 84% de diméthyl-2,3 butènes, de 1% de n-héxènes et de 15% de méthyl-2 pentènes. Les dimères étaient particulièrement riches en diméthylbutènes. EXEMPLE 3 Préparation du solvant ionique On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près que l'isodurène a été remplacé par 4,26 g d'a-méthylnaphtalène. Dimérisation du propylène On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près qu'on a utilisé le "sel fondu " préparé à cet effet, et qu'on a introduit 50 mg (0.12 mmole) du complexe NiCI2,2PiPr3. On a effectué trois soutirages. La première fraction était composée à 78% de dimères qui contenaient 84% de diméthyl-2,3 butènes. La dernière fraction était composée à 88% de dimères qui contenaient 65% de diméthyl-2,3 butènes. EXEMPLE 4 Préparation du solvant ionique On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près que l'isodurène a été remplacé par 4,4 g de pentaméthylbenzène Dimérisation du propylène On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près qu'on a utilisé le "sel fondu " préparé à cet effet, et qu'on a introduit 50 mg (012 mmole) du complexe NiCI2,2PiPr3. On a effectué six soutirages correspondant à 370 g de propylène introduit..La première fraction était composée à 79% de dimères qui contenaient 83% de diméthyl-2,3 butènes. La dernière fraction était composée à 84% de dimères qui contenaient 75% de diméthyl-2,3 butènes. EXEMPLE 5 Cet exemple illustre le cas pour lequel l'hydrocarbure aromatique, ici le toluène, se partage entre la phase polaire et la phase constituée par les oligomères. Il en est alors ajouté après chaque soutirage. Préparation du solvant ionique On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près que l'isodurène a été remplacé par 2,46 g de toluène. Dimérisation du proDylène On a opéré comme dans l'exemple 1 à ceci près qu'on a utilisé le "sel fondu " préparé à cet effet, et qu'on a introduit 50 mg (0,12 mmole) du complexe NiCI2,2PiPr3. On a effectué six soutirages correspondant à 370 g de propylène introduit. Après chaque soutirage on a ajouté 0,2 mL de toluène.La première fraction était composée à 78% de dimères qui contenaient 83% de diméthyl-2,3 butènes. La dernière fraction était composée à 78% de dimères qui contenaient 83% de diméthyl-2,3 butènes. Dans un essai identique dans lequel on n'avait pas ajouté de toluène après chaque soutirage la dernière fraction ne contenait plus que 10% de diméthylbutènes. Il est bien entendu que dans un procédé fonctionnant en continu, le toluène serait ajouté en continu ou périodiquement dans le mélange agité de la composition catalytique et des produits de réaction. REVENDICATIONS 1. Composition catalytique pour la dimérisation, la codimérisation et I'oligomérisation des oléfines comportant au moins un composé du nickel mélangé ou complexé avec au moins une phosphine tertiaire, dissous au moins en partie dans un milieu non-aqueux à caractère ionique résultant de la mise en contact d'au moins un halogénure d'aluminium (B), avec au moins un halogénure d'ammonium quaternaire ou/et d'au moins un halogénure de phosphonium quaternaire (A), et avec au moins un hydrocarbure aromatique (C). 2. Composition catalytique selon la revendication 1 dans laquelle l'halogénure d'ammonium quaternaire est choisi dans le groupe contitué par le chlorure de N-butylpyridinium, le bromure d'éthylpyridinium, le chlorure de butyl-3méthyl-1 imidazolium, le chlorure de diéthylpyrazolium, 3 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'halogénure de phosphonium quaternaire est le chlorure de tétrabutylphosphonium. 4 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'halogénure d'aluminium est le chlorure d'aluminium. 5 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'hydrocarbure aromatique est choisi dans le groupe formé par le benzène, les substitués du benzène de formule générale C6HxR6-x o R est un radical alkyl, cycloalkyl, aryl, alkylaryl et o x égal de 1 à 5 inclus, le naphtalène, les substitués du naphtalène de formule générale C1 oHxR8-x avec R tel que défini précédemment et x égal de 0 à 7 inclus, I'anthracène, les substitués de l'anthracène de formule générale C14HxR8-x avec R tel que défini précédemment et x égal de 0 à 7 inclus. 6 Composition catalytique selon la revendication 5, dans laquelle l'hydrocarbure aromatique est choisi dans le groupe formé par le toluène, les xylènes, le durène, I'isodurène, le pentaméthylbenzène, l'a-méthylnaphtalène, le diméthyl-2,6 anthracène. 7 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le milieu non-aqueux contient également un dérivé organique de l'aluminium (D) de formule générale AIRxX3-x o R est un radical alkyl, linéaire ou ramifié, comportant de 2 à 8 atomes de carbone, X est le chlore ou le brome et x est égal à 1, 2 ou 3. 8 Composition catalytique selon la revendication 7 dans laquelle le dérivé organique de l'aluminium est choisi dans le groupe formé par le dichloroéthylaluminium, le dichloroisobutylaluminium, le chlorodiéthylaluminium, le sesquichlorure d'éthylaluminium, le sesquichlorure d'isobutylaluminium. 9 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le rapport molaire A: B est compris entre 1:0,5 et 1:3, le rapport molaire B: C est compris entre 1:1 et 1:100. Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le rapport molaire A: B est préférentiellement compris entre 1:1 et 1:2, le rapport molaire B: C est préférentiellement compris entre 1:1 et 1:10. 11 Composition catalytique selon l'une des revendications 7 à 10 dans laquelle le rapport molaire B: D est compris entre 1:0 et 1:10. 12 Composition catalytique selon l'une des revendications 7 à 11 dans laquelle le rapport molaire B: D est préférentiellement compris entre 1:0,01 et 1:5. 13 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le composé du nickel est choisi dans le groupe formé par le chlorure, le bromure, le sulfate, I'acétylacétonate, les carboxylates, les phénates de nickel. 14 Composition catalytique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la phosphine est choisie dans le groupe formé par la triisopropylphosphine, la tricyclohexylphosphine, le tribenzylphosphine et la tétracyclohexylméthylènediphosphine. Procédé pour la dimérisation, la codimérisation ou l'oligomérisation d'au moins une oléfine, procédé dans lequel l'oléfine est mise en contact d'au moins un composé du nickel mélangé ou complexé avec au moins une phosphine tertiaire, ledit composé étant dissous au moins en partie, dans un milieu non-aqueux à caractère ionique, procédé caractérisé en ce que ledit milieu résulte de la mise en contact d'au moins un halogénure d'aluminium avec au moins un halogénure d'ammonium quaternaire et/ou au moins un halogénure de phosphonium quaternaire et avec au moins un hydrocarbure aromatique. 16 Procédé selon la revendication 15 dans lequel la température de réaction est comprise entre -40 C et +70 C et la pression comprise entre 0,1 et 20 MPa. 17 Procédé selon l'une des revendications 15 ou 16 dans lequel la température de réaction avec l'oléfine est comprise entre -20 C et +50 C. 18 Procédé selon l'une des revendications 15 à 17 dans lequel de l'hydrocarbure aromatique est introduit pendant la réaction avec I'oléfine.