Brevet FR2713620A1 — publié le 19950616

PROCEDE DE PREPARATION D'UNE SOLUTION A BASE D'IRIDIUM, SOLUTION OBTENUE ET UTILISATION DE CELLE-CI EN TANT QUE CATALYSEUR La présente invention a trait à la préparation d'une solution à base d'iridium, à la solution ainsi obtenue ainsi qu'à l'utilisation de celle-ci en tant que catalyseur. L'iridium est un catalyseur bien connu et utilisé dans de nombreux types de réactions. On peut citer à titre d'exemple l'utilisation de systèmes catalytiques à base d'iridium dans des réactions de carbonylation de composés du type alcools, éthers, esters d'acides carboxyliques, dans le but de fabriquer notamment, les acides carboxyliques ou anhydrides d'acides carboxyliques. On connaît aussi des applications de l'iridium en tant que catalyseur dans des réactions d'hydroformylation d'oléfines pour obtenir des aldéhydes. Ce type de catalyseur peut de même être utilisé pour l'obtention d'acide acétique par isomérisation du formiate de méthyle ou encore dans la réaction de gaz à l'eau. Dans le cas plus particulier de l'obtention d'acides carboxyliques par carbonylation, le brevet américain US 3 772 380 décrit l'utilisation d'un système catalytique, se présentant sous une forme soluble ou non dans le milieu réactionnel, à base d'iridium, dont l'un des ligands est un halogène et d'un halogénure covalent (halogénure d'alkyle par exemple). L'iridium peut être introduit dans le mélange réactionnel soit directement sous la forme d'un composé comprenant l'halogène, soit sous la forme de deux composés distincts constituants des précurseurs du composé final comprenant l'iridium et l'halogène. On constate cependant l'existence de nombreux inconvénients à procéder, à l'échelle industrielle, comme décrit dans ce brevet, plus particulièrement dans le cadre d'une catalyse réalisée en phase homogène. En effet, les composés mentionnés dans ledit brevet ne sont pas, pour la plupart, disponibles industriellement et leur synthèse est très complexe et onéreuse. Par ailleurs, ces composés peuvent contenir des éléments étrangers au système qui risquent de polluer le milieu réactionnel ou encore de perturber la conduite de la réaction. Il est aussi mentionné dans ce brevet, la possibilité d'utiliser des composés solides et de les mettre directement en contact avec le milieu réactionnel. Cependant, la pratique industrielle n'est pas conforme à un tel mode opératoire. En effet, cela implique une période d'initiation de la réaction (donc de moindre production), correspondant au temps nécessaire à l'obtention du catalyseur final, et cela peut aussi être la cause d'une inhibition du catalyseur ou encore de la production de sous produits en plus grande quantité. Enfin, pour ce qui a plus particulièrement trait aux composés comprenant de l'iridium et de l'oxygène, ce brevet ne décrit pas de conditions opératoires dans lesquelles lesdits composés peuvent être solubilisés pour donner une solution catalytique homogène au milieu réactionnel. La présente invention a pour but de pallier les divers inconvénients mentionnés ci-dessus. Ainsi elle décrit une voie d'accès à une solution comprenant de l'iridium, exploitable à l'échelle industrielle, c'est-àdire ne nécessitant pas la mise en oeuvre d'une série d'étapes complexes et/ou coûteuses ni l'utilisation de réactifs non disponibles sur le marché. L'invention permet en outre de résoudre le problème de la mise en solution de composés comprenant de l'iridium et de l'oxygène, d'une part, et leur transformation en un composé directement actif, d'autre part. En effet, il est bien connu que ce type de composés est très difficilement soluble, dans les acides notamment, voire insoluble dans des mélanges tels que l'eau régale, comme c'est le cas pour l'oxyde d'iridium (IV) anhydre. Enfin, l'invention permet d'obtenir une solution utilisable directement en tant que catalyseur, au moins aussi efficace que les catalyseurs connus, dans des conditions identiques, et ne présentant pas, en outre, de période d'initiation lors de leur utilisation. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de préparation d'une solution à base d'iridium dans lequel on met en contact, en phase liquide, au moins un oxyde ou un hydroxyde, hydraté ou non, d'iridium, avec de l'acide iodhydrique ou un composé susceptible de libérer de l'acide iodhydrique. La présente invention concerne en outre une solution à base d'iridium susceptible d'être obtenue en mettant en oeuvre ledit procédé. Enfin, un autre objet de l'invention a trait à l'utilisation des solutions à base d'iridium mentionnées ci-dessus en tant que catalyseur. Mais d'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description et des exemples qui vont suivre. Ainsi que cela a été indiqué plus haut, le procédé selon l'invention consiste à mettre en contact en phase liquide un composé de l'iridium avec de l'acide iodhydrique ou un composé susceptible de libérer de l'acide iodhydrique, ledit composé étant choisi parmi les oxydes ou hydroxydes, hydratés ou non, d'iridium, seuls ou en mélange. Plus particulièrement le degré d'oxydation de l'iridium dans ces composés varie entre (111) et (IV). Les composés suivants conviennent à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention: Ir203, x H20; IrO2. yH2O0; formules dans lesquelles x est compris entre 0 et 10 et y entre 0 et 5. Bien entendu, les composés à base d'iridium convenables pour la mise en oeuvre de l'invention ne sont pas limités à cette seule liste, leur principal intérêt étant dû au fait que ces composés sont disponibles sur le marché. Par conséquent tous les composés iridiés comprenant essentiellement de l'oxygène, éventuellement des molécules d'eau conviennent au procédé. Les oxydes ou hydroxydes d'iridium se présentent sous forme pulvérulente. De préférence, on utilise une poudre dont la granulométrie est inférieure à 300 nm. Il est à noter que des composés dont la taille de particules est supérieure à cette valeur peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention. Cependant, pour des raisons de cinétique, il peut être préférable de broyer ceux-ci avant de les mettre en oeuvre. Il a été trouvé d'une façon surprenante que les oxydes et/ou hydroxydes, hydratés ou non, d'iridium, mis en contact en phase liquide, avec l'acide iodhydrique, permettent d'obtenir une solution dans laquelle au moins 20 % et avantageusement au moins 40 % de l'iridium initial engagé se trouve sous une forme soluble. Le fait que l'iridium engagé dans le procédé ne soit pas retrouvé en totalité dans la solution ne pose pas de problème particulier. En effet, dans la majeure partie des procédés industriels, le principal objectif n'est pas d'obtenir le rendement le plus élevé possible mais de trouver un compromis entre la productivité (rentabilité) et le rendement. Or dans ce cas précis, une solubilisation d'au moins 20 % et plus particulièrement au moins 40 % de l'iridium engagé représente un bon compromis, sachant que ce qui est resté sous une forme solide peut être recyclé lors d'une campagne de production ultérieure. L'acide iodhydrique peut être mis en oeuvre sous la forme d'un gaz, sous la forme d'une solution, ou encore sous la forme d'un précurseur. Comme précurseur susceptible de libérer l'acide iodhydrique, on peut mentionner à titre d'exemple, l'iode, les iodures d'alkyle en C1-Co10, ou encore les iodures alcoyles en C1-C10. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'acide iodhydrique est utilisé sous la forme d'une solution aqueuse. Bien que tous les degrés de dilution de l'acide conviennent à la mise en oeuvre du procédé, on préfère utiliser des solutions aqueuses présentant un titre en acide compris entre 40 et 70%. La quantité d'acide iodhydrique mise en jeu dans le procédé selon l'invention varie dans de larges limites et doit être suffisante pour obtenir au moins une solution à base d'iridium telle que décrite ci-dessus. Plus particulièrement la quantité d'acide iodhydrique est telle que le nombre de moles d'acide, rapporté au nombre de moles d'iridium varie entre 1 et 100. Selon un mode préféré, le nombre de moles d'acide, rapporté au nombre de moles d'iridium présent est comprise entre 1 et 50. Une variante de l'invention consiste à mettre en contact le ou les composés à base d'iridium, avec l'acide iodhydrique ou un précurseur, en présence d'un solvant. Tous les composés peuvent être utilisés dans la mesure o ils solubilisent l'acide iodhydrique et le composé à base d'iridium. Toutefois, on met en oeuvre plus particulièrement, des solvants choisis parmi l'eau, les acides carboxyliques insaturés ou non, linéaires ou ramifiés, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, les esters d'acides carboxyliques insaturés ou non, linéaires ou ramifiés, comprenant 2 à 20 atomes de carbone, ou leur mélange. De préférence, le choix du solvant est déterminé en fonction de l'application ultérieure de la solution obtenue. Ainsi, à titre d'exemple, on peut choisir l'acide acétique et/ou l'acétate de méthyle en cas de préparation d'acide acétique. On peut utiliser l'acide adipique et/ou un ester pour l'obtention de l'acide adipique. Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre sous air. Selon un première variante de réalisation de l'invention, on effectue la réaction en présence de monoxyde de carbone. Dans un tel cas, la pression partielle en ce gaz peut varier dans un large domaine. De préférence elle est comprise entre 1 et 200 bar. Une seconde variante du procédé selon l'invention consiste à effectuer la mise en contact du ou des composés iridiés avec l'acide, en présence d'hydrogène. Selon un tel mode de réalisation, la pression partielle en hydrogène, susceptible de varier elle aussi dans de larges limites, est plus particulièrement comprise entre 1 et 200 bar. Une troisième variante du procédé selon l'invention consiste à effectuer la mise en contact du ou des composés iridiés avec l'acide, en présence d'un gaz tel que l'azote ou les gaz rares, comme l'hélium ou encore l'argon. Selon un tel mode de réalisation, la pression partielle en ce gaz, varie dans de larges limites. Elle est plus particulièrement comprise entre 1 et 200 bar. Le procédé selon l'invention peut donc être mis en oeuvre sous air ou selon l'une ou l'autre de ces variantes, de même qu'en combinaison. La mise en contact proprement dite des réactifs peut être réalisée selon toutes méthodes connues de l'homme de l'art. Ainsi, le composé à base d'iridium peut être introduit dans l'acide iodhydrique, sachant qu'une introduction inversée ou une mise en contact simultanée des deux réactifs est possible. Par ailleurs, l'un et/ou l'autre de ces deux composés peuvent être mis en contact directement ou bien, chacun, sous la forme d'un mélange avec l'un ou plusieurs des solvants précités. Dans le cas o le procédé est effectué selon l'une et/ou l'autre des trois mode de réalisation mentionnés, I'atmosphère de monoxyde de carbone, d'hydrogène, d'azote et/ou de gaz rare, peut être installée avant, pendant ou après la mise en contact des réactifs. D'une façon classique, le procédé est réalisé sous agitation. La durée de mise en contact n'est pas critique et l'homme du métier est à même de la fixer, selon qu'il privilégie la rentabilité du procédé ou encore une solubilisation maximale du composé iridié. A titre d'indication, cette durée varie entre une dizaine de minutes et une vingtaine d'heures. Habituellement, la température à laquelle est mise en oeuvre le procédé est comprise entre 50 et 200 C. La présente invention a pour second objet une solution à base d'iridium susceptible d'être obtenue en effectuant le procédé décrit auparavant. Par conséquent, tout ce qui a été explicité au sujet du procédé de préparation de la solution reste valable. Enfin, l'invention a trait à l'utilisation de ladite solution à base d'iridium en tant que catalyseur. Ainsi, la solution selon l'invention peut être utilisée telle quelle pour la réaction, comme c'est le cas pour les catalyses en phase homogène. Elle peut de même être utilisée pour préparer un catalyseur solide (supporté ou non) en appliquant les méthodes classiques. On peut ainsi envisager sécher la solution obtenue, en présence éventuellement d'un support convenable pour la réaction dans laquelle le catalyseur est destiné à être utilisé, de façon à obtenir des particules à base d'iridium. Il est par ailleurs possible d'imprégner ledit support, chacune des étapes précitées (séchage, imprégnation) étant ou non suivies de périodes de chauffage/frittage. Cependant, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la solution est utilisée en tant que catalyseur, ou partie d'un système catalytique, pour effectuer des réactions en phase homogène. La solution objet de la présente invention peut être mise directement en contact avec le mélange réactionnel ou bien être préalablement traitée pour la rendre parfaitement compatible avec ledit milieu réactionnel. Par traitement préalable, on entend notamment, ajuster les teneurs en certains des composés de la solution, ou compléter la composition de la solution en y ajoutant des constituants qui ne s'y trouvaient pas, à l'issue de son procédé de préparation, ou encore modifier l'atmosphère sous laquelle se trouve la solution. La solution selon l'invention peut notamment être employée comme catalyseur de réactions de carbonylation, d'hydroformylation, d'isomérisation. Cependant, la présente solution est plus particulièrement adaptée pour effectuer des réactions de carbonylation en présence de monoxyde de carbone, en phase liquide, en vue d'obtenir des acides carboxyliques et/ou des anhydrides d'acides carboxyliques. Il est à noter que ce type de réaction est bien connu et qu'il a fait l'objet de nombreux brevets et publications. Par conséquent, les conditions de réactions énoncées ci-dessous ne sont données qu'à titre général et ne peuvent être considérées comme limitatives. Les réactifs mis en oeuvre pour ce genre de réaction sont choisis parmi les composés hydrocarbonés, linéaires, ramifiés ou cycliques, saturés ou non. On peut citer à titre illustratif, les alcènes ou alcynes, en C2-C10, les alcools en C1- Co10, les dérivés halogénés desdits alcools, les éthers en C2-C20, les acides carboxyliques en C3- C10, les esters d'acides carboxyliques en C2C20 de même que les dérivés halogénés desdits esters. D'une façon classique, le système catalytique comprend d'une part la solution à base d'iridium et d'autre part un promoteur halogéné, choisi de préférence parmi les dérivés iodés comme les iodures d'alkyles et d'alcoyles. Habituellement, le procédé consiste à faire réagir l'un des réactifs mentionnés ci-dessus en présence du système catalytique et de monoxyde de carbone, à une température variant de 50 à 300 C et sous une pression totale comprise entre 5 et 200 bar. La réaction est en général effectuée en présence d'un solvant qui est plus particulièrement choisi parmi les produits et/ou réactifs mis en oeuvre dans la réaction. Selon que l'objectif de la réaction est l'obtention de l'acide carboxylique (ou l'ester correspondant) ou l'anhydride d'acide carboxylique, la réaction est mise en oeuvre dans des conditions anhydres ou non. Ainsi, dans le premier cas, le milieu réactionnel comprend en général de l'eau alors que ce ne peut être le cas lors de l'obtention d'anhydride. Une application préférée de la solution catalytique selon l'invention consiste à effectuer la carbonylation d'alcools, ou des dérivés halogénés correspondants, en acides carboxyliques. Dans ce dernier cas, la réaction est menée de préférence en maintenant dans le milieu réactionnel des teneurs en eau, en promoteur halogéné, en alcool comprises entre 0 exclu et 10 %, une teneur en ester, correspondant à l'alcool et à l'acide carboxylique formé, comprise entre 2 et 40 %, le reste étant constitué par ledit acide formé. Des exemples concrets non limitatifs de l'invention vont maintenant être présentés. EXEMPLES EXEMPLE 1 Cet exemple illustre l'obtention d'une solution à partir de l'oxyde d'iridium !r203,x H20 Dans une ampoule en verre on introduit: * 0,168 g d'oxyde d'iridium (STREM); * 2,59 g d'acide iodhydrique en solution à 57 % dans l'eau * 12 g d'acide acétique. L'ampoule est ensuite placée dans un autoclave que l'on pressurise avec 5 bar de monoxyde de carbone. On porte la température à 180 C puis on établit, une fois la température requise atteinte, une pression totale de 50 bar, au moyen de monoxyde de carbone. La durée de la réaction est de 8 heures. L'autoclave est ensuite dépressurisé puis le milieu réactionnel refroidi. On obtient une solution de couleur rouge, que l'on décante. On dose l'iridium dissous dans la phase liquide par spectroscopie à absorption atomique. 71 % de l'iridium engagé ont été solubilisés. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre l'obtention d'une solution à partir de l'oxyde d'iridium non hydraté IrO2. On procède de la même façon que dans l'exemple 1 excepté le fait que la composition du mélange introduit dans l'ampoule est la suivante: * 0, 311 g d'oxyde d'iridium (STREM); * 9 g d'acide iodhydrique en solution à 57 % dans l'eau; * 22 g d'acide acétique. Après 17 heures de réaction, l'autoclave est dépressurisé et l'on obtient une solution de couleur rouge que l'on décante. Le dosage par spectroscopie d'absorption indique que 40 % de l'iridium engagé se trouvent en solution. EXEMPLE 3 L'obtention d'une solution à partir de l'oxyde d'iridium hydraté IrO2, x H20 va maintenant être décrite. La procédure suivie est identique à celle mise en oeuvre dans l'exemple 1 excepté le fait que la composition du mélange mise à réagir est la suivante: * 0,437 g d'oxyde d'iridium hydraté (DEGUSSA); *9 g d'acide iodhydrique en solution à 57 % dans l'eau; *22 g d'acide acétique. La réaction a une durée de 8 heures. Après dépressurisation de l'autoclave et refroidissement du milieu réactionnel, on obtient une solution de couleur rouge. L'analyse par spectroscopie à absorption atomique indique que 100 % de l'iridium engagé se trouvent en solution. EXEMPLE 4 Cet exemple concerne l'obtention d'une solution à partir d'oxyde d'iridium hydraté IrO2, x H20. On introduit les composé suivants dans un ballon: * 0,437 g d'oxyde d'iridium hydraté (DEGUSSA); * 9 g d'acide iodhydrique en solution à 57 % dans l'eau; * 22 g d'acide acétique. Le mélange est porté à 100 C et mis à réagir pendant 10 minutes sous air. Après refroidissement du mélange réactionnel, l'analyse par spectroscopie à absorption atomique de la solution résultante, de couleur rouge, indique que % de l'iridium engagé se trouve en solution. EXEMPLE 6 COMPARATIF Dans une ampoule, on introduit: * 0,14 g d'oxyde d'iridium IrO2 (STREM); * 0,5 g d'iodure de méthyle; * 20 g de méthanol. * 52 g d'acide acétique; L'ampoule est ensuite placée dans un autoclave que l'on pressurise avec 5 bar de monoxyde de carbone. On porte la température à 195 C puis on établit, une fois la température requise atteinte, une pression totale de 70 bar, au moyen de monoxyde de carbone. La durée de la réaction est de 3 heures. A l'issue de la réaction, l'autoclave est dépressurisé puis le milieu réactionnel refroidi. On obtient une solution incolore et un solide déposé au fond de l'ampoule. Le dosage de l'iridium par spectroscopie à absorption atomique que la totalité de I'iridium engagé est restée sous forme solide. Il est à noter par ailleurs qu'aucune carbonylation n'a été constatée dans ces conditions. EXEMPLE 7 Cet exemple a pour objet l'application de la solution catalytique obtenue dans l'exemple 1 pour la carbonylation du méthanol en acide acétique. Dans une ampoule en verre, on introduit: * 1,85 g de la solution obtenue à l'exemple 1; * 0,33 g d'eau; * 0,87 g de méthanol; * 0,33 g d'acétate de méthyle; * 0,77 g d'iodure de méthyle; * 11,6 g d'acide acétique. L'ampoule est ensuite placée dans un autoclave que l'on pressurise avec 5 bar de monoxyde de carbone. On porte la température à 185 C puis on établit, une fois la température requise atteinte, une pression totale de 30 bar, au moyen de monoxyde de carbone. Dans ces conditions la vitesse de carbonylation du méthanol, obtenue par la mesure du débit de consommation du monoxyde de carbone, est de 4 mol/h.l. Il n'a pas été constaté l'existence d'une période d'initiation de la réaction (la vitesse mentionnée ci-dessus a été atteinte immédiatement). EXEMPLE 8 Cet exemple a pour objet l'application de la solution catalytique obtenue dans l'exemple 2 pour la carbonylation du méthanol en acide acétique. On procède de la même manière que dans l'exemple 7, excepté le fait que la composition du mélange réactionnel est la suivante: * 2,24 g de la solution obtenue à l'exemple 2; * 0,38 g d'eau; * 1,3 g de méthanol; * 0,5 g d'acétate de méthyle; * 1,15 g d'iodure de méthyle; * 17,9 g d'acide acétique. Dans ces conditions la vitesse de carbonylation du méthanol est de 4 mol/h.I. Il n'a pas été constaté l'existence d'une période d'initiation de la réaction (la vitesse mentionnée ci-dessus a été atteinte immédiatement). REVENDICATIONS 1/ Procédé de préparation d'une solution à base d'iridium, caractérisé en ce que l'on met en contact, en phase liquide, au moins un oxyde ou un hydroxyde, hydraté ou non, d'iridium, ou leur mélange, avec de l'acide iodhydrique ou un composé susceptible de libérer de l'acide iodhydrique. 2/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on utilise un nombre de moles d'acide iodhydrique, rapporté au nombre de moles d'iridium, compris entre 1 et 100, et de préférence entre 1 et 50. 3/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact en présence d'un solvant. 4/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le solvant est choisi parmi l'eau, les acides carboxyliques, linéaires ou ramifiés, insaturés ou non, comprenant de 1 à 8 atomes de carbone, les esters d'acides carboxyliques, linéaires ou ramifiés, saturés ou non, comprenant 2 à 10 atomes de carbone, ou leur mélange. / Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact sous air. 6/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact en présence de monoxyde de carbone. 7/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact avec une pression partielle en monoxyde de carbone comprise entre 1 et 200 bar. 8/ Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact en présence d'hydrogène. 9/ Procédé de préparation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact avec une pression partielle en hydrogène comprise entre 1 et 200 bar. / Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact en présence d'azote et/ou d'un gaz rare comme l'argon ou l'hélium. 11/ Procédé de préparation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact avec une pression partielle en azote et/ou en gaz rare comprise entre 1 et 200 bar 12/ Solution à base d'iridium susceptible d'être obtenue en mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 11. 13/ Utilisation de la solution selon la revendication 12 en tant que catalyseur. 14/ Utilisation de la solution catalytique selon la revendication 12 en tant que catalyseur pour les réactions de carbonylation de composés hydrocarbonés, linéaires, ramifiés ou cycliques, saturés ou non, tels que les alcènes, les alcynes en C2-C0lo, les alcools en C1-Clo, les dérivés halogénés desdits alcools, les éthers en C2-C20, les acides carboxyliques en C3-C1O, les esters d'acides carboxyliques en C2-C20.