Brevet FR2761984A1 — publié le 19981016

PROCEDE D'OXYDATION D'HYDROCARBURES, D'ALCOOLS ETIOU DE CETONES La présente invention concerne l'oxydation par l'oxygène ou un gaz en contenant, d'hydrocarbures en acides carboxyliques, alcools et/ou cétones correspondants ou d'alcools et/ou de cétones en acides carboxyliques correspondants. L'oxydation directe par l'oxygène des hydrocarbures, plus particulièrement des cycloalcanes, en présence d'un catalyseur, est un procédé qui a été étudié depuis longtemps. En effet, il y aurait des avantages évidents à éviter l'emploi d'un oxydant comme l'acide nitrique, utilisé dans une des étapes des procédés industriels actuels, ce qui épargnerait le traitement des oxydes d'azote générés. Dans les nombreuses variantes d'un tel procédé d'oxydation catalytique par l'oxygène, le cobalt est le catalyseur le plus fréquemment préconisé. Ainsi le brevet américain US-A-2 223 493, publié en décembre 1940, décrit l'oxydation d'hydrocarbures cycliques en diacides correspondants, en phase liquide comportant généralement de l'acide acétique, à une température d'au moins 60 C, à l'aide d'un gaz contenant de l'oxygène et en présence d'un catalyseur d'oxydation tel qu'un composé du cobalt. Le brevet américain US-A-4 902 827, publié en février 1990, décrit un perfectionnement à l'oxydation par l'air du cyclohexane en acide adipique, en phase liquide comportant l'acide acétique, à une température de 80 C à 160 C et en présence d'un catalyseur d'oxydation comprenant un composé soluble du cobalt et un compose soluble du zirconium et/ou de l'hafnium. Plus récemment, il a été préconisé dans le brevet EP-A-0 694 333 de mettre en oeuvre dans le cadre de l'oxydation des hydrocarbures par l'oxygène, un catalyseur comprenant un sel cobaltique et un sel ferrique. Il s'avère néanmoins que les sélectivités obtenues avec les systèmes catalytiques utilisés dans les procédés antérieurs décrits précédemment doivent encore être améliorées. C'est ce que se propose de réaliser la présente invention. Elle consiste plus précisément en un procédé d'oxydation d'hydrocarbure, d'alcool et/ou de cétone à l'aide d'oxygène ou d'un gaz en contenant, en phase liquide et en présence d'un catalyseur dissous dans le milieu réactionnel, caractérisé en ce que le catalyseur comprend un composé soluble du cobalt et un composé soluble du chrome. Les hydrocarbures qui sont utilisés comme substrats de départ dans le procédé de l'invention sont plus particulièrement les alcanes, les cycloalcanes, les hydrocarbures alkyl-aromatiques, les alcènes et les cycloalcènes ayant de 3 à 20 atomes de carbone. Parmi ces hydrocarbures, les cycloalcanes, notamment ceux qui ont un cycle ayant de 5 à 12 atomes de carbone, sont certainement les plus importants, car leur oxydation conduit aux diacides carboxyliques ou aux cycloalcanols et cycloalcanones intermédiaires. L'hydrocarbure le plus intéressant est le cyclohexane dont l'oxydation conduit à l'acide adipique, I'un des composés de base du polyamide 6-6, mais peut aussi foumrnir la cyclohexanone conduisant au caprolactame et donc au polyamide 6. Le présent procédé peut également être utilisé pour l'oxydation des alcools ou cétones intermédiaires, notamment les cycloalcanols et cyclohexanones ayant de 5 à 12 atomes de carbone, pour préparer les diacides carboxyliques correspondants. Dans ce qui suit, le procédé sera plus particulièrement décrit pour l'oxydation des hydrocarbures, essentiellement des cycloalcanes, et de manière privilégiée pour l'oxydation du cyclohexane. Le catalyseur comprenant un composé du cobalt et un composé du chrome permet de préparer directement l'acide adipique avec une bonne sélectivité, lorsque l'on réalise l'oxydation du cyclohexane; cette capacité est évidemment très avantageuse. Le catalyseur comprend au moins un composé du cobalt soluble dans le milieu réactionnel, choisi par exemple de manière non limitative parmi le chlorure de cobalt, le bromure de cobalt, le nitrate de cobalt et les carboxylates de cobalt comme l'acétate de cobalt tétrahydraté, le propionate de cobalt, I'adipate de cobalt, le glutarate de cobalt, le succinate de cobalt. Le catalyseur comprend également au moins un composé du chrome soluble dans le milieu réactionnel, choisi par exemple de manière non limitative parmi le chlorure de chrome, le bromure de chrome, le nitrate de chrome et les carboxylates de chrome comme l'acétate de chrome, le propionate de chrome, I'adipate de chrome, le glutarate de chrome, le succinate de chrome. Le rapport molaire entre le chrome et le cobalt du catalyseur peut varier dans de larges limites. On peut ainsi mettre en oeuvre des rapports molaires Cr/Co de 0,001 à , et de préférence de 0,01 à 10. Le catalyseur peut être réalisé in situ en chargeant les composés du cobalt et du chrome dans le milieu réactionnel. Il peut également être préparé extemporanément par mélange desdits composés dans les proportions nécessaires pour obtenir le rapport molaire Cr/Co souhaité. Ce mélange est réalisé plus commodément dans un solvant, de préférence le solvant qui servira pour la réaction d'oxydation. La quantité de catalyseur, exprimée en pourcentage pondéral d'élément cobalt et d'élément chrome par rapport au mélange réactionnel, se situe généralement entre 0,001 % et 5 % et de préférence entre 0,01 % et 2 %, sans que ces valeurs soient critiques. Il s'agit cependant d'avoir une activité suffisante tout en n'utilisant pas des quantités trop importantes d'un catalyseur qu'il faut ensuite séparer du mélange réactionnel final et recycler. Il est avantageux de mettre en oeuvre également un composé initiateur de la réaction d'oxydation. Les initiateurs sont souvent des hydroperoxydes, comme par exemple l'hydroperoxyde de cyclohexyle ou l'hydroperoxyde de tertiobutyle. Ce sont également des cétones ou des aldéhydes, comme par exemple la cyclohexanone qui est l'un des composés formés lors de l'oxydation du cyclohexane ou l'acétaldéhyde. Généralement l'initiateur représente de 0,01 % à 20 % en poids du poids du mélange réactionnel mis en oeuvre, sans que ces proportions aient une valeur critique. L'initiateur est surtout utile lors du démarrage de l'oxydation et lorsque l'on réalise l'oxydation du cyclohexane à une température inférieure à 120 C. Il peut être introduit dès le début de la réaction. Le milieu réactionnel liquide contient préférentiellement un solvant au moins partiel de l'acide carboxylique et/ou de l'alcool et/ou de la cétone dont la préparation est visée par la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce solvant peut être de nature très variée dans la mesure o il n'est pas sensiblement oxydable dans les conditions réactionnelles. Il peut être notamment choisi parmi les solvants protiques polaires et les solvants aprotiques polaires. Comme solvants protiques polaires, on peut citer par exemple les acides carboxyliques ne possédant que des atomes d'hydrogène primaires ou secondaires, en particulier les acides aliphatiques ayant de 2 à 9 atomes de carbone, les acides perfluoroalkylcarboxyliques tel que l'acide trifluoroacétique, les alcools tels que le tertiobutanol, les hydrocarbures halogénés tel que le dichlorométhane, les cétones telles que l'acétone. Comme solvants aprotiques polaires, on peut citer par exemple les esters d'alkyle inférieur (= radical alkyle ayant de 1 à 4 atomes de carbone) d'acides carboxyliques, en particulier des acides carboxyliques aliphatiques ayant de 2 à 9 atomes de carbone ou des acides perfluoroalkylcarboxyliques, la tétraméthylènesulfone (ou sulfolane), l'acétonitrile. L'acide acétique est utilisé de préférence comme solvant de la réaction d'oxydation du cyclohexanre. Il est commode de mettre en oeuvre un catalyseur dont les constituants cobalt et chrome soient sous la forme de composés dérivant de l'acide carboxylique utilisé comme solvant, dans la mesure o lesdits composés sont solubles dans le milieu réactionnel. Les acétates de cobalt et de chrome sont donc utilisés de préférence, notamment pour cette raison. Le solvant, tel que défini précédemment, représente généralement de 1 % à 99 % en poids du milieu réactionnel, de préférence de 10 % à 90 % et encore plus préférentiellement de 20 % à 80 %. L'oxydation peut également être mise en oeuvre en présence d'eau introduite dès le stade initial du procédé. La température à laquelle est réalisée la réaction d'oxydation est variable, notamment selon le substrat mis en oeuvre. Elle est généralement comprise entre 50 C et 200 C et de préférence entre 80 C et 140 C. La pression n'est pas un paramètre critique du procédé. Elle peut être inférieure, égale ou supérieure à la pression atmosphérique. Généralement elle se situera entre 0,1 MPa (1 bar) et 20 MPa (200 bar), sans que ces valeurs soient impératives. On peut utiliser de l'oxygène pur, de l'air, de l'air enrichi ou appauvri en oxygène ou encore de l'oxygène dilué par un gaz inerte. Les exemples qui suivent illustrent l'invention. EXEMPLE 1 Dans un autoclave de 125 ml en titane, muni de moyens de chauffage par collier chauffant, d'une turbine et de moyens d'introduction de gaz et de régulation de pression, on charge: -21,25 g (253 mmol) de cyclohexane 27,35 g d'acide acétique - 0,26 g (2,65 mmol) de cyclohexanone - 0,32 g (1,29 mmol de Co) d'acétate de Cobalt tétrahydraté - 0,0331 g (0,1445 mmol de Cr) d'acétate de chrome Après fermeture du réacteur, on agite à 1000 tours par minute, on crée une pression d'air (100 bar à 20 C) et on chauffe. La température atteint 105 C dans la masse en 10 min et on maintient cette température pendant encore 50 min. Après refroidissement et dépressurisation, le mélange réactionnel est constitué de deux phases liquides que l'on homogénéise par addition d'acide acétique. Le mélange homogène ainsi obtenu est dosé par chromatographie en phase gazeuse. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 12,2 % - sélectivité (ST) en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 6,2 % - sélectivité (ST) en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 11,9 % - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 67,3 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 85,4 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés (acides adipique, glutarique et succinique): 85,3 % - ST en autres composés (butyrolactone, valérolactone acide hydroxyadipique, acide hydroxycaproïque): 3,0 % ESSAI COMPARATIF 1 On répète l'exemple 1 dans le même appareillage et dans les mêmes conditions opératoires, mais en ne chargeant pas de composé du Cr et en utilisant une quantité d'acétate de Co tétrahydratée augmentée d'une quantité égale à la quantité molaire d'acétate de Cr de l'exemple 1. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 15,0 % - ST en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 14,7 % - ST en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 8,1% - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 54,7 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 77,5 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés: 82,6 % - ST en autres composés: 10,9 % ESSAI COMPARATIF 2 On répète l'essai comparatif 1 dans le même appareillage et dans les mêmes conditions opératoires, mais en utilisant une quantité d'acétate de Co tétrahydratée encore plus importante (1,45 g). On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 13,2 % - ST en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 9, 5 % - ST en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 8,5 % - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 56,7 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 74,7 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés: 81,2 % - ST en autres composés: 12,2 % ESSAI COMPARATIF 3 On répète l'exemple 1 dans le même appareillage et dans les mêmes conditions opératoires, mais en remplaçant l'acétate de Cr par une même quantité molaire d'acétate de Fe. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 15,0 % - ST en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 9, 3 % - ST en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 7,3 % - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 58,9 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 75,5 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés: 81,0 % - ST en autres composés: 10,7 % ESSAI COMPARATIF 4 On répète l'exemple 1 dans le même appareillage et dans les mêmes conditions opératoires, mais en remplaçant l'acétate de Cr par une même quantité molaire d'acétate de Mn. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 13,9 % - ST en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 17,1% - ST en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 8,1% - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 54,2 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 79,4 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés: 83,4 % - ST en autres composés: 9,8 % ESSAI COMPARATIF 5 Dans l'appareillage décrit dans l'exemple 1, on charge: - 47,4 g d'acide acétique - 0,25 g (2,54 mmol) de cyclohexanone - 1,72 g (6,88 mmol de Co) d'acetate de Cobalt tétrahydraté - 0,194 g (1,11 mmol de Fe) d'acétate de fer. Après fermeture du réacteur, on agite à 1000 tours par minute, on crée une pression d'air (100 bar à 20 C) et on chauffe. La température atteint 105 C dans la masse en 10 min et on maintient cette température pendant encore 50 min. Après refroidissement et dépressurisation, on rajoute alors 10,1 g de cyclohexane. Après fermeture du réacteur, on met une pression de 100 bar d'air et on chauffe à C avec une agitation à 1000 tours/minute. On laisse réagir pendant 1 heure à 105 C en maintenant constante la pression à l'aide d'une réserve d'oxygène pur. Après refroidissement et dépressurisation du réacteur, le mélange réactionnel est constitué de deux phases liquides que l'on homogénéise par addition d'acide acétique. Le mélange homogène ainsi obtenu est dosé par chromatographie en phase gazeuse. On obtient les résultats suivants: - taux de transformation (TT) du cyclohexane: 40,9 % - ST en cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 9,6 % - ST en cyclohexanone par rapport au cyclohexane transformé: 0 % - ST en acide adipique par rapport au cyclohexane transformé: 66,8 % - ST en acide adipique + cyclohexanone + cyclohexanol par rapport au cyclohexane transformé: 76,4 % - rapport molaire acide adipique/total des diacides formés: 81,1 % - ST en autres composés: 8,2 % REVENDICATIONS 1) - Procédé d'oxydation d'hydrocarbure, d'alcool et/ou de cétone à l'aide d'oxygène ou d'un gaz en contenant, en phase liquide et en présence d'un catalyseur dissous dans le milieu réactionnel, caractérisé en ce que le catalyseur comprend un composé soluble du cobalt et un composé soluble du chrome. 2) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrocarbure utilisé comme substrat de départ est choisi parmi les alcanes, les cycloalcanes, les hydrocarbures alkyl-aromatiques, les alcènes et les cycloalcènes ayant de 3 à 20 atomes de carbone. 3) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrocarbure utilisé comme substrat de départ est choisi parmi les cycloalcanes qui ont un cycle ayant de 5 à 12 atomes de carbone, et est de préférence le cyclohexane. 4) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alcool et/ou la cétone utilisés comme substrats de départ sont choisis parmi les cycloalcanols et cycloalcanones qui ont un cycle ayant de 5 à 12 atomes de carbone, et sont de préférence le cyclohexanol et/ou la cyclohexanone. ) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le catalyseur comprend au moins un composé du cobalt soluble dans le milieu réactionnel, choisi parmi le chlorure de cobalt, le bromure de cobalt, le nitrate de cobalt et les carboxylates de cobalt comme l'acétate de cobalt tétrahydraté, le propionate de cobalt, l'adipate de cobalt, le glutarate de cobalt, le succinate de cobalt. 6) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le catalyseur comprend au loins un composé du chrome soluble dans le milieu réactionnel, choisi parmi le chlorure de chrome, le bromure de chrome, le nitrate de chrome et les carboxylates de chrome comme l'acétate de chrome, le propionate de chrome, l'adipate de chrome, le glutarate de chrome, le succinate de chrome. 7) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport molaire entre le chrome et le cobalt du catalyseur est de 0,001 à 100, et de préférence de 0,01 à 10. 8) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la quantité de catalyseur, exprimée en pourcentage pondéral d'élément cobalt et d'élément chrome par rapport au mélange réactionnel, se situe entre 0,001 % et 5 % et de préférence entre 0,01 % et 2 %. 9) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le milieu réactionnel liquide contient un solvant choisi parmi les solvants protiques polaires et les solvants aprotiques polaires. 10) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le milieu réactionnel liquide contient un solvant choisi parmi les acides carboxyliques aliphatiques ayant de 2 à 9 atomes de carbone, les acides perfluoroalkylcarboxyliques, les alcools, les hydrocarbures halogénés, les cétones, les esters d'alkyle inférieur d'acides carboxyliques, de préférence des acides carboxyliques aliphatiques ayant de 2 à 9 atomes de carbone ou des acides perfluoroalkylcarboxyliques, la tétraméthylènesulfone (ou sulfolane), I'acétonitrile. 1) - Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le solvant utilisé est l'acide acétique. 12) - Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le solvant représente de 1 % à 99 % en poids du milieu réactionnel, de préférence de % à 90 % et encore plus préférentiellement de 20 % à 80 %. 13) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la température à laquelle est réalisée la réaction d'oxydation est comprise entre 50 C et C et de préférence entre 80 C et 140 C. 14) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la pression à laquelle est réalisée la réaction d'oxydation est comprise entre 0,1 MPa (1 bar) et 20 MPa (200 bar).