Brevet FR2714379A1 — publié le 19950630

PROCEDE DE PREPARATION DE LACTAME La présente invention concerne la préparation de lactame par hydrolyse cyclisante d'aminonitrile correspondant. Les lactames aliphatiques, tels que notamment l'epsilon-caprolactame, sont des composés de base pour la préparation des polyamides (polyamide 6 à partir du caprolactame). Un des moyens connus de préparer ces lactames consiste à effectuer une hydrolyse cyclisante des aminonitriles correspondants, plus particulièrement des aminonitriles aliphatiques non ramifiés, par passage en phase vapeur avec de l'eau sur un catalyseur solide. Ainsi le brevet US 2 357 484 décrit un procédé de préparation en phase vapeur de lactame, consistant à faire passer un mélange d'eau et d'aminonitrile sur un catalyseur de déshydratation, tel qu'alumine activée, gel de silice et d'oxyde de titane ou acide 1 5 borophosphorique. Le brevet US 4 628 085 a proposé un procédé de préparation de lactames en phase vapeur, consistant à mettre en contact un aminonitrile aliphatique ou aromatique et de l'eau avec un catalyseur à base de silice, sous forme de particules sphériques ayant une surface BET supérieure à 250m2/g et un diamètre moyen de pores inférieur à 20 nm, et généralement en présence d'hydrogène et d'ammoniac. En général, les catalyseurs utilisés dans les procédés de l'art antérieur permettent d'obtenir de bonnes sélectivités en lactame. Par contre, il s'avère souvent que leur désactivation est rapide, ce qui constitue un très gros handicap pour une mise en oeuvre industrielle desdits procédés. En outre, le procédé selon US 4 628 085 met en oeuvre un mélange réactionnel très complexe, nécessitant en fin de réaction des opérations de séparation et des recyclages qui compliquent beaucoup ledit procédé. La présente invention propose de nouveaux catalyseurs qui, tout en conduisant à un bonne sélectivité de la réaction de transformation des aminonitriles en lactames, ont une durée de vie plus grande et nécessitent donc une régénération moins fréquente. Plus précisément, l'invention consiste en un procédé de préparation de lactame par réaction en phase vapeur d'un aminonitrile aliphatique de formule générale (I): N=-C-R-NH2 (I) dans laquelle R représente un radical alkylène ayant de 3 à 12 atomes de carbone, avec de l'eau, en présence d'un catalyseur solide, caractérisé en ce que le catalyseur est un phosphate métallique de formule générale (Il): (PO4)n Hh M, (Imp)p (Il) dans laquelle: - M représente un élément divalent, trivalent, tétravalent ou pentavalent choisi dans les groupes 2a, 3b, 4b,5b, 6b, 7b, 8, 2b, 3a, 4a et 5a de la classification périodique des éléments ou un mélange de plusieurs de ces éléments ou M=O, - Imp représente un composé d'imprégnation basique constitué d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, ou de mélanges de plusieurs de ces métaux, associé à un contre- anion pour assurer la neutralité électrique, - n représente 1, 2 ou 3, - h représente O, 1 ou 2, - p représente un nombre compris entre 0 et 1/3 et correspond à un rapport molaire entre l'imprégnant Imp et l'imprégné (PO4)n Hh M. Parmi les aminonitriles de formule (I) les plus importants sont ceux qui conduisent aux lactames servant de matière première pour la préparation des polyamides 4, 5, 6 et , c'est-a-dire ceux dans la formule desquels le symbole R représente un radical alkylène linéaire ayant 3, 4, 5 ou 9 atomes de carbone. Le composé de formule (I) préféré est l'amino-6 capronitrile (ou epsilon-capronitrile), qui conduit au caprolactame dont la polymérisation fournit le polyamide 6. Parmi les métaux des groupes 2a, 3b, 4b,5b, 6b, 7b, 8, 2b, 3a, 4a et 5a de la classification périodique des éléments, on peut citer notamment le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum, l'aluminium, le bore, le gallium, I'indium, l'yttrium, les lanthanides tels que le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium et le lutécium, le zirconium, le titane, le vanadium, le niobium, le fer, le germanium, I'étain, le bismuth. Parmi les phosphates de lanthanides, on peut distinguer une première famille qui regroupe les orhophosphates de terres rares legères, également dénommées terres rares cériques, incluant le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le samarium et l'europium. Ces orthophosphates sont dimorphiques. Ils présentent une structure hexagonale et évoluent vers une structure monoclinique, lorsqu'ils sont chauffés à une température de 600 à 800 C. Une deuxième famille de phosphates de lanthanides regroupe les orthophosphates de gadolinium, de terbium et de dysprosium. Ces orthophosphates présentent la même structure que les orthophosphates de terres rares cériques, mais présentent en plus une troisième phase cristalline de structure quadratique à haute température (vers 1700 C). Une troisième famille de phosphates de lanthanides regroupe les orthophosphates de terres rares lourdes, appelées également terres rares yttriques, incluant l'yttrium, l'holmium, rl'erbium, le thulium, l'ytterbium.et le lutecium. Ces composés cristallisent uniquement sous la forme quadratique. Parmi les différentes familles d'orthophosphates de terres rares précitées, on fait appel préférentiellement aux orthophosphate de terres rares cériques. On peut mettre en oeuvre des phosphates métalliques de formule (Il) qui sont des mélanges de phosphates de plusieurs des métaux indiqués précédemment ou des phosphates mixtes de plusieurs des métaux indiqués précédemment ou encore des phosphates mixtes contenant un ou plusieurs des métaux indiqués précédemment et un ou plusieurs autres métaux tels que les métaux alcalins ou alcalinoterreux. Les contre-anions entrant dans la formule du composé d'imprégnation Imp sont basiques. On peut notamment utiliser les ions hydroxyde, phosphate, hydrogénophosphate, dihydrogénophosphate, chlorure, fluorure, nitrate, benzoate, oxalate, sans que ces citations soient limitatives. Le rapport molaire p est de préférence compris entre 0,02 et 0,2. Si l'on se réfère aux techniques générales de préparation de phosphates (telles que décrites notamment dans "PASCAL P. Nouveau traité de chimie minérale" tome X (1956), pages 821-823 et dans "GMELINS Handbuch der anorganischen Chemie" (8ème édition) volume 16 (C), pages 202-206 (1965), on peut distinguer deux voies principales d'accès aux phosphates. D'une part, la précipitation d'un sel soluble du métal (chlorure, nitrate) par l'hydrogénophosphate d'ammonium ou l'acide phosphorique. D'autre part, la dissolution de l'oxyde ou du carbonate du métal (insolubles) avec de l'acide phosphorique, généralement à chaud, suivie d'une reprécipitation. Les phosphates précipités obtenus selon l'une des voies indiquées peut être séche, traité par une base organique (telle que l'ammoniaque) ou minérale (telle qu'un hydroxyde de métal alcalin) et être soumis à une calcination, ces trois opérations pouvant être réalisées dans l'ordre indiqué ou dans un ordre différent. Les phosphates métalliques de formule (Il) pour lesquels le symbole p est supérieur à 0, peuvent être préparés par imprégnation du composé (PO4)n Hn M préparé selon l'une des techniques décrites précédemment, avec une solution ou une suspension de Imp dans un solvant volatil, tel que l'eau de préférence. Les résultats sont d'autant meilleurs que Imp est plus soluble et que le composé (PO4)n Hh M est plus fraichement fabriqué. Ainsi un procédé avantageux de préparation des phosphates de formule (Il) consiste: a) à réaliser la synthèse du composé (PO4)n Hh M; puis de préférence sans séparer (PO4)n Hh M du milieu réactionnel; b) à introduire l'imprégnant Imp dans le milieu réactionnel c) à séparer l'éventuel liquide résiduel d'avec le solide réactionnel; d) à sécher et éventuellement à calciner. Les performances du catalyseur de formule (Il) et notamment sa résistance à la désactivation peuvent être encore améliorées par une calcination. La température de calcination sera avantageusement comprise entre 300 C et 1000 C et de préférence entre 400 C et 900 C. La durée de la calcination peut varier dans de larges limites. A titre indicatif, elle se situe généralement entre 1 heure et 24 heures. Parmi les catalyseurs de formule (Il) préférés dans le procédé de l'invention, on peut citer plus particulièrement le phosphate de lanthane, le phosphate de lanthane calciné, le phosphate de lanthane associé à un dérivé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de cérium calciné, le phosphate de cérium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de samarium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate d'aluminium, le phosphate d'aluminium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de niobium calciné, le phosphate de niobium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, I'hydrogénophosphate de zirconium calciné, I'hydrogénophosphate de zirconium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium. Généralement le catalyseur est mis en oeuvre sous forme de poudre, de pastilles, de billes ou d'extrudés, ladite mise en forme pouvant éventuellement être réalisée à l'aide d'un liant. Il peut dans certain cas être avantageux qu'au moins une partie du volume libre du réacteur soit occupé par un solide inerte, tel que par exemple du quartz, afin de favoriser la vaporisation et la dispersion des réactifs. La réaction d'hydrolyse cyclisante nécessite la présence d'eau. Le rapport molaire entre l'eau et l'aminonitrile engagés se situe habituellement entre 0,5 et 50 et de préférence entre 1 et 20. L'aminonitrile et l'eau peuvent être engagés sous forme de leurs mélanges à l'état de vapeurs ou être introduits séparément dans le réacteur. On peut réaliser une prévaporisation des réactifs qui circulent ensuite dans une chambre de mélange. On peut sans inconvénient utiliser tout gaz inerte comme vecteur, tel que l'azote, l'hélium ou l'argon. La température à laquelle est mis en oeuvre le procédé de l'invention doit être suffisante pour que les réactifs soient bien à l'état de vapeurs. Elle se situe généralement entre 200 C et 450 C et de préférence entre 250 C et 400 C. Le temps de contact entre l'aminonitrile et le catalyseur n'est pas critique. Il peut varier selon l'appareillage utilisé notamment. Des temps de contact de 1 à 200 secondes sont préférés et encore plus préférentiellement de 50 à 100 secondes. La pression n'est pas un paramètre critique du procédé. Ainsi on peut opérer sous des pressions de 10-3 bar à 200 bars. De préférence on mettra en oeuvre le procédé sous une pression de 0,1 à 20 bars. Il n'est pas exclu d'utiliser un solvant inerte dans les conditions réactionnelles, tel que par exemple un alcane, un cycloalcane, un hydrocarbure aromatique ou l'un de ces hydrocarbures précédents halogéné, et d'avoir ainsi une phase liquide dans le flux réactionnel. Les exemples qui suivent illustrent l'invention. EXEMPLES 1 A 6 Dans un réacteur cylindrique de 20 ml en verre Pyrex, disposé verticalement et muni de moyens de chauffage, d'ouvertures pour l'arrivée et la sortie des flux gazeux et d'un système d'injection des réactifs, on charge successivement 10 ml de quartz, 1ml du catalyseur sous forme de poudre de 0,8 à 1,25 micromètre (nature du catalyseur indiquée dans le tableau 1 ci-après) et à nouveau 10 ml de quartz. Le réacteur ainsi chargé est chauffé à 400 C sous courant d'air (avec un débit de 1,5 litre/heure) pendant 2 heures. Ensuite le réacteur est refroidi à 320 C ( température de réaction choisie) et mis sous courant d'azote (débit de 1 litre/heure). On injecte alors, à l'aide d'une pompe, un mélange d'amino-6 capronitrile (ACN) et d'eau (rapport pondérai 50/50, soit un rapport molaire eau/ACN de 6,2). La vitesse d'injection du mélange est de 1,2 ml/h. A la sortie du réacteur, les vapeurs sont condensées dans un piège en verre à température ambiante, sur une durée de 2 heures. Le mélange réactionnel final est dosé en chromatographie en phase vapeur. On détermine le taux de transformation (TT) de l'aminocapronitrile, le rendement (RT) en caprolactame (CPL) par rapport à l'aminocapronitrile transformé et l'activité du catalyseur mesurée en grammes de caprolactame formé/millilitre de catalyseur.heure. Le tableau 1 ci-après rassemble les résultats obtenus. Exemples Catalyseur TT % ACN RT % CPL Activité Exemple 1 LaPO4 63 91 0,49 g Exemple 2 LaPO4 calciné 4 h à 700 C 90 92 0,47 g Exemple 3 LaPO4/Cs * 69 97 0,63 g Exemple 4 AIPO4 88 93 0,70 g Exemple 5 Zr(HPO4)2 45 77 0,32 g Exemple 6 NbOPO4 39 100 0,33 g * phosphate de La dopé par l'hydrogénophosphate de Cs (rapport molaire Cs/LaPO4 = 0,053) Tableau 1 EXEMPLES 7 A 9 On répète les exemples 1 à 3, en suivant l'évolution de l'activité des différents catalyseurs sur des durées allant jusqu'à 35 heures. Le tableau 2 ci-après rassemble les valeurs de l'activité pour chaque catalyseur et pour des durées croissantes de réaction (ND = valeur non déterminée). Activité du catalyseur pour des durées de Exemples Catalyseur 4h 6 h 8 h 10h 25h 30h 35h Exemple 7 LaPO4 0,45 0,40 0,35 ND ND ND ND Exemple 8 LaPO4/Cs 0, 60 0,55 0,60 0,68 0,60 0,55 0,63 Exemple 9 LaPO4 calciné 0,62 0,70 0,63 0,50 0,35 0,37 0,42 Tableau 2 EXEMPLES 10 ET 11 On répète l'exemple I dans les mêmes conditions, mais en opérant la réaction d'hydrolyse cyclisante à des températures différentes. Le tableau 3 ci-après rassemble les résultats obtenus et rappelle également les résultats de l'exemple 1 à titre comparatif. Exemples. Température TT % ACN RT % CPL Activité Exemple 10 280 C 44 % 90 % 0,4 Exemple 11 300 C 46 % 100 % 0,5 Exemple 1 320 C 63 % 91 % 0,5 Tableau 3 ESSAI COMPARATIF A On répète l'exemple 1, en remplaçant le phosphate de La par de la silice (commercialisée sous la marque Aerosil 200), calcinée pendant 16 h à 600 C. Les conditions opératoires sont les mêmes que pour l'exemple 1 (température de 3200C; rapport molaire eau/ACN de 6,2 durée de 2 h). On a obtenu les résultats suivants: - TT de l'ACN: 17,6 % - RT en CPL: 53 % - Activité du catalyseur: 0,04 g CPUmi catalyseur.h La silice conduit à un faible rendement en caprolactame et présente une activité extrêmement basse. REVENDICATIONS 1) Procédé de préparation de lactame par réaction en phase vapeur d'un aminonitrile aliphatique de formule générale (I): N=C-R-NH2 (I) dans laquelle R représente un radical alkylène ayant de 3 à 12 atomes de carbone, avec de l'eau, en présence d'un catalyseur solide, caractérisé en ce que le catalyseur est un phosphate métallique de formule générale (11): (PO4)n Hh M, (Imp)p (11) dans laquelle: - M représente un élément divalent, trivalent, tétravalent ou pentavalent choisi dans les groupes 2a, 3b, 4b,5b, 6b, 7b, 8, 2b, 3a, 4a et 5a de la classification périodique des éléments ou un mélange de plusieurs de ces éléments ou M=O, - Imp représente un composé d'imprégnation basique constitué d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, ou de mélanges de plusieurs de ces métaux, associé à un contre- anion pour assurer la neutralité électrique, - n représente 1, 2 ou 3, - h représente 0, 1 ou 2, - p représente un nombre compris entre 0 et 1/3 et correspond à un rapport molaire entre l'imprégnant Imp et l'imprégné (PO4)n Hh M. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aminonitrile de formule (I) est l'amino-6 capronitrile. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que dans la formule (Il) des phosphates métalliques, les métaux des groupes 2a, 3b, 4b,5b, 6b, 7b, 8, 2b, 3a, 4a et 5a de la classification périodique des éléments représentés par M sont choisis parmi le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum, l'aluminium, le bore, le gallium, l'indium, I'yttrium, les lanthanides tels que le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, I'ytterbium et le lutécium, le zirconium, le titane, le vanadium, le niobium, le fer, le germanium, l'étain, le bismuth. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre des phosphates métalliques de formule (Il) qui sont des mélanges de phosphates de plusieurs des métaux M ou des phosphates mixtes de plusieurs des métaux M ou encore des phosphates mixtes contenant un ou plusieurs des métaux M et un ou plusieurs autres métaux tels que les métaux alcalins ou alcalino-terreux. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les contre- anions entrant dans la formule du composé d'imprégnation Imp sont basiques et sont choisis de préférence parmi les ions hydroxyde, phosphate, hydrogénophosphate, dihydrogénophosphate, chlorure, fluorure, nitrate, benzoate, oxalate. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport molaire p est de préférence compris entre 0,02 et 0,2. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le catalyseur de formule (Il) est soumis à une calcination à une température comprise entre 300 C et 10000C et de préférence entre 400 C et 900 C. 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le catalyseur est plus particulièrement choisi parmi le phosphate de lanthane, le phosphate de lanthane calciné, le phosphate de lanthane associé à un dérivé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de cérium calciné, le phosphate de cérium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de samarium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate d'aluminium, le phosphate d'aluminium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, le phosphate de niobium calciné, le phosphate de niobium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium, l'hydrogénophosphate de zirconium calciné, I'hydrogénophosphate de zirconium associé à un composé du césium, du rubidium ou du potassium. 9) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport molaire entre l'eau et l'aminonitrile engages se situe entre 0,5 et 50 et de préférence entre 1 et 20. 10) Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la température à laquelle est mis en oeuvre le procédé de l'invention se situe entre 2000C et 450 C et de préférence entre 250 C et 400 C.