Brevet FR2719841A1 — publié le 19951117

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 font actuellement l'objet de nouveaux développements à une échelle industrielle. Les dernières générations de ces procédés mettent ainsi 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. Malgré de telles conditions les résultats obtenus, en terme de sélectivité en acide formé, sont relativement peu satisfaisants, 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 moVh.l d'acide formé alors que le nombre de moles d'iridium 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, en outre, est caractérisé par le maintien, dans le milieu, pendant la réaction, de l'eau dans une teneur variant entre 0 exclu et 10 %, du promoteur halogéné dans une teneur variant entre 0 exclu et 10%, de l'ester correspondant à l'acide carboxylique et l'alcool précité, dans une teneur variant entre 2 et 40 %, d'iodures sous forme solubles, de telle sorte que le rapport atomique des iodures à l'iridium soit compris entre 0 exclu et 10, l'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. 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 les avantages de 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 ainsi que sa consommation spécifique, c'est-à-dire sa consommation lors d'une exploitation en continu du procédé de carbonylation. Par ailleurs, cette mesure a permis de baisser, pour des teneurs en eau et en ester données, 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. On a enfin constaté que l'iridium mis en oeuvre dans de telles conditions est remarquablement sélectif, en ce sens que la quantité de sous-produits formés, comme par exemple l'acide propionique, l'acide formique, est très faible. En effet, la quantité des deux acides précités formés pendant la réaction est, en général, pour chacun d'eux, inférieure à 200 ppm. 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. Pour plus de détail, on pourra notamment se référer au brevet américain US 3 772 380 dans laquelle figure une liste de tels composés. De préférence, on utilise des sels simples d'iridium, comme les halogénures d'iridium, l'halogène étant plus particulièrement choisi parmi le chlore, le brome ou de préférence l'iode. Les oxydes d'iridium de même que les complexes solubles de coordination de l'iridium, conviennent à la mise en oeuvre de l'invention. Dans cette dernière catégorie les composés les plus couramment employés 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 exclu d'utiliser des complexes solubles d'iridium dont les ligands sont choisis parmi des composés organo phosphorés ou organo azotés, par exemple. Ces catalyseurs peuvent être obtenus par toute méthode connue de l'homme du métier. Cependant, selon un mode particulièrement avantageux, on peut préparer une solution catalytique à partir d'un complexe carbonylé d'iridium, tel que lr4CO12, par mise en contact dudit composé avec de l'acide iodhydrique et/ou un précurseur d'un tel acide, en présence d'un solvant. Comme précurseur susceptible de libérer l'acide iodhydrique, on peut mentionner, à titre d'exemple, I'iode, les iodures d'alkyle en C1 Cî , ou encore les iodures alcoyles en C1 -C1 o, les iodures de métaux alcalins. En ce qui conceme les solvants, tous les composés peuvent être utilisés dans la mesure où ils solubilisent l'acide iodhydrique ou son précurseur et le composé à base d'iridium obtenu. Plus particulièrement on met en oeuvre des solvants, seuls ou en mélange, choisis parmi les acides carboxyliques ou les esters correspondants, obtenus par le procédé selon l'invention ou l'eau. La mise en contact à lieu sous une pression totale comprise entre 1 et 10 bar, à une température au plus égale à la température d'ébullition du solvant précité, dans les conditions de la mise en contact. L'opération peut être effectuée sous air, sous un gaz inerte ou encore sous monoxyde de carbone. Un autre exemple de méthode avantageuse pour la préparation d'une solution catalytique convenable à la mise en oeuvre de l'invention, consiste à mettre en contact, en phase liquide, un ou plusieurs oxydes hydratés ou non d'iridium, avec de l'acide iodhydrique ou un composé susceptible de libérer de l'acide iodhydrique. L'acide iodhydrique peut être employé sous la forme d'un gaz, d'une solution, plus particulièrement aqueuse. II peut encore être utilisé sous la forme d'un précurseur, comme notamment ceux mentionnés dans la précédente variante. Plus particulièrement la quantité d'acide iodhydrique est telle que le rapport entre le nombre de moles d'acide iodhydrique au nombre de moles d'iridium, varie entre 1 et 100. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre sous air, sous un gaz inerte, sous monoxyde de carbone, ces gaz étant seuls ou en combinaison. Généralement, la concentration totale en iridium dans le milieu réactionnel engagé, dans le procédé selon l'invention, est comprise entre 0,1 et 100 mmol/l. Selon un mode de réalisation particulier, la concentration en iridium varie de 0,5 à 40 mmoVI et de préférence entre 1 et 25 mmol/l. Le second constituant du système catalytique est un promoteur halogéné. Celuici 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 C1 -C1 o, un radical acyle en C1 C1 0, un radical aryle en C6-C10. L'halogène est en général choisi parmi le chlore, le brome ou l'iode, ce dernier étant préféré. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le promoteur mis en oeuvre comprend l'hydrogène ou un radical alkyle en Ci-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 exclu et 10 %. Selon une variante de l'invention, la teneur en composé halogéné dans le milieu réactionnel est comprise entre 0,5 et 8 % et de préférence entre 1 et 6 %. Le procédé selon l'invention est en outre mis en oeuvre en présence d'iodures sous forme soluble dans le milieu réactionnel. Les iodures peuvent être introduits en tant que tels dans le milieu réactionnel mais aussi sous la forme de composés susceptibles de former des iodures solubles. Ainsi, les iodures introduits dans ledit mélange, en tant que tels, sont choisis parmi les iodures minéraux ou organiques A titre d'iodures minéraux, on peut citer principalement les iodures de métal alcalino-terreux ou alcalin, ces derniers étant préférés. On peut citer parmi ceuxci l'iodure de potassium, I'iodure de lithium, I'iodure de sodium. A titre d'iodures organiques, on peut citer les composés organiques, comprenant au moins un groupe organo-phosphoré et/ou au moins un groupe organo-azoté, réagissant avec des composés à base d'iode, pour donner des espèces ioniques renfermant cet halogène. conviennent à la mise en oeuvre de l'invention. A titre d'exemple, on peut mentionner l'iodure de triphényle phosphonium, I'iodure de N méthyltriéthyle. A titre de composés susceptibles de former des iodures solubles dans le milieu réactionnel, on peut citer par exemple les carboxylates de métaux alcalins ou alcalinoterreux, tels que l'acétate de lithium notamment. En outre, il est à noter que les iodures peuvent provenir de la présence, dans le catalyseur employé dans la réaction, d'impuretés comme le potassium ou le sodium par exemple. Une caractéristique importante du procédé de l'invention consiste à introduire dans le milieu réactionnel une quantité d'iodure particulière selon la quantité d'iridium présent dans le milieu. Ainsi, cette quantité d'iodures introduite es telle que le rapport atomique iodures introduits/iridium (exprimé en mole/mole), soit compris entre 0 exclu et 10 et à maintenir ce rapport dans la gamme indiquée, pendant la réaction. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport atomique iodures/iridium est maintenu entre 0 exclu et 3. Plus particulièrement, ce rapport est compris entre 0 exclu et 1,5. On a trouvé que l'ajout de telles quantités d'iodures permet d'améliorer la stabilité du catalyseur et de conserver une productivité importante au procédé. 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 saturés, présentant un à dix atomes de carbone. A titre d'exemple de tels composés, on peut citer notamment le méthanol, I'éthanol, le propanol, le butanol, le 1,4-butanediol. Ces alcools peuvent être mono- ou di- hydroxylés. 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 éther 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. Celuici peut être utilisé sous forme pure ou diluée dans des gaz tels que I'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 5 et 200 bar, plus particulièrement entre 5 et 100 bar. De préférence, la pression partielle en monoxyde de carbone est comprise entre 10 et 50 bar. II faut cependant noter que des pressions partielles en dehors de ces gammes restent envisageables. 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 exclu et 10 %. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la teneur en eau dans le milieu est comprise entre 0,5 et 8 % et de préférence 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 préférence, 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, les iodures et l'acide carboxylique, dans les proportions venant d'être explicitées. Par conséquent, la présente invention est plus particulièrement 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 gazliquide. II est à noter que si le réacteur comprend de préférence des moyens d'agitation mécanique du mélange réactionnel, il n'est pas exclu d'opérer sans de tels moyens I'homogénéisation du mélange pouvant être 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, I'hydracide correspondant, ou un iodure, 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) ROH; les éthers de formule (2) ROR' ou encore des esters de formules (3) R'COOR, utilisés seuls ou en mélange. Dans ces formules, les radicaux R et R', identiques ou différents, représentent chacun un radical alkyle en C1C10, acyle en C1 -C1 o, ou aryle en C6-C10 ; avec le radical R correspondant au radical du promoteur halogéné. Ainsi, le méthanol, I'éthanol, le propanol, le butanol, le diméthyl éther, le diéthyl éther, I'oxyde d'éthylène, Acétate de méthyle, sont notamment des précurseurs convenables du 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. II est à noter que le procédé selon l'invention peut être convenablement mis en oeuvre dans les installations exploitant les procédés classiques. Ainsi, ces procédés sont habituellement constitués de 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 la 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, dont notamment le fer, le molybdène, le chrome, le nickel. 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 à ces acides. 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, d'iodures sous forme soluble et d'acide acétique en tant que solvant, outre le méthanol. Des exemples concrets mais non limitatifs de l'invention vont maintenant être présentés. EXEMPLES Ces essais ont été réalisés en continu dans un autoclave de 300 cm3 muni d'un moyen d'agitation mécanique et de moyens d'introduction des réactifs. La solution catalytique utilisée est obtenue à partir de lr4CO1 2 et est préparée comme suit: On introduit dans un ballon en verre, 10 g de Ir4CO12, 50 g d'acide iodhydrique en solution à 57 % dans l'eau et 290 g d'acide acétique. Le mélange est chauffé à reflux sous agitation et sous air pendant 4 heures. Les introductions de méthanol, d'iodure de méthyle, d'acétate 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 1 90 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. Exemple H2O CH3CO2CH3 CH1l Lil Ir Lilir Vcarb 1 9,5 23 1,3 33 1200 0,7 8,5 2 5,8 13 4 61 1760 0,96 9,1 Les teneurs en eau, acétate de méthyle, iodure de méthyle sont exprimées en % poids, rapporté au poids total du mélange réactionnel. Les teneurs en iodure de lithium et en iridium sont exprimées en ppm. Vcarb représente la vitesse de carbonylation, exprimée en mol/l.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. 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 exclu et 10 %, le promoteur halogéné, dans une teneur variant entre 0 exclu et 10%, l'ester correspondant à l'acide carboxylique et à l'alcool précités, dans une teneur variant entre 2 et 40 %, des iodures sous forme soluble dans un quantité telle que le rapport des iodures à l'iridium est compris entre 0 exclu et 10 Acide carboxylique constituant le solvant de la réaction. 2/ Procédé selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que l'on maintient le rapport atomique des iodures et l'iridium entre 0 exclu et 3. 3/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise des iodures de métal alcalin, de composés organo-phosphorés ou organoazotés. 4/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on maintient dans le mélange une teneur en eau comprise entre 0,5 et 8 %. 5/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on maintient dans le mélange une teneur en promoteur halogéné comprise entre 0,5 et 8%. 6/ 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 %. 7/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un alcool hydrocarboné saturé en C1 -C1 o. 8/ 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. 9/ 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. 10/ 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, d'iodures de métal alcalin, Acide acétique constituant le solvant de la réaction.