Brevet FR2772753A1 — publié le 19990625

La présente invention concerne un procédé pour la synthèse des acétals par réaction d'un composé carbonylé non cyclique tel qu'un aldéhyde ou une cétone de formule générale RI R2C=O où R1 et R2 identiques ou différents sont l'hydrogène ou des groupes aryles ou alkyles linéaires ou ramifiés contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses avec au moins un alcool de formule générale ROH où R est un groupe hydrocarboné linéaire ou ramifié, contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses. En particulier, la présente invention concerne un procédé pour la synthèse des acétals à partir d'au moins un alcool ROH dans lesquel R est un groupe alkyle linéaire ou ramifié contenant de I à 20 atomes de carbone, bornes incluses, de préférence de 4 à 16 atomes de carbone, bornes incluses. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé pour la synthèse des acétals à partir d'au moins un alcool de formule ROH où R est un groupe alkyle ramifié, en particulier un groupe alkyle comportant une ramification en position 2 comme par exemple le 2-éthyl-hexyle. L'art antérieur décrit deux méthodes générales pour la synthèse des acétals de cétones. Une méthode consiste à faire réagir un orthoester avec une cétone pour donner l'acétal de cétone recherché. Les mêmes acétals sont obtenus selon un deuxième type de réactions qui consiste à faire réagir un acétylène substitué avec deux moles d'alcool. A ces 2 méthodes principales s'ajoutent aussi d'autres méthodes de synthèse des acétals: une méthode qui consiste à faire réagir un aldéhyde ou une cétone avec un -ou plusieurs- alcool, ainsi qu'une méthode dite de transacétalisation à partir d'un acétal et d'un alcool. On connait aussi d'autres méthodes indirectes de synthèses des acétals qui restent cependant peu employées. L'étude de l'art antérieur a fait ressortir en particulier les documents suivants sur la synthèse d'acétals. Ces documents sont : le C. R. Hebd. Séances Acad. Sci., 257 p. 690-692 qui décrit l'obtention du di-sec-octyloxy-2,2 propane et le brevet US 5399778 qui décrit l'obtention de cétals à chaîne linéaire ou ramifiée de formule générale: dans laquelle R et R1 sont des groupes alkyles ou aryles contenant de 1 à 8 atomes de carbone ou R et R1 forment avec le carbone auquel ils sont liés un cycle -(CH2)4 - ou (CH2)5 -, et dans laquelle R2 est un groupe alkyle linéaire ou ramifié contenant de 2 à 8 atomes de carbone. La synthèse des acétals à partir d'aldéhydes ou de cétones et d'alcools par catalyse acide est une réaction équilibrée. Pour obtenir des rendements acceptables en acétals, cet équilibre doit être déplacé dans le sens de la synthèse de l'acétal. Plusieurs méthodes sont employées pour déplacer l'équilibre vers la formation de l'acétal. Parmi lesquelles l'utilisation d'un important excès d'un des réactifs, en général l'alcool, ce qui nécessite d'éliminer ensuite cet excès dans l'étape de purification du produit recherché. Dans la synthèse à partir d'aldéhydes ou de cétones et d'alcools, de meilleurs rendements en acétals sont obtenus lorsqu'on élimine l'eau formée au fur et à mesure de l'avancement de la réaction. Pour éliminer l'eau, plusieurs voies peuvent être empruntées : la distillation d'un azéotrope entre un solvant et l'eau -encore faut-il que le solvant et l'eau soient au moins en partie miscibles et que les points d'ébullition des différents constituants du milieu réactionnel soient compatibles avec cet azéotrope-, la captation de l'eau par réaction avec un composé chimique par exemple un orthoester ou un autre acétal. Il faut cependant noter que les produits secondaires formés dans cette réaction (par exemple l'ester) rendent difficiles la séparation des produits. La captation de l'eau peut aussi être effectuée par adsorption sur un solide déshydratant qui peut être du sulfate de calcium, un oxyde d'aluminium, un sulfate de cuivre, un tamis moléculaire ou tout autre composé bien connu de l'homme du métier apte à capter l'eau formée sans interférer sur la réaction de formation du produit recherché. Le catalyseur acide peut être soluble dans le milieu, qui est alors homogène, ce catalyseur soluble doit cependant être neutralisé et séparé des autres constituants du milieu réactionnel en fin de réaction. Il faut alors prévoir la mise en oeuvre de moyens adéquats pour effectuer ces traitements. L'utilisation d'un catalyseur soluble, par exemple l'acide para-toluènesulfonique, n'est pas compatible avec l'emploi de tamis moléculaire pour adsorber l'eau produite, à cause des interactions entre le solide adsorbant et l'acide. WORTEL et al. dans "Synthesis of acetals using molecular sieves III, the use of solid acids as catalysts"pam dans Rec. trav. Chim. Pays-Bas, 1977, Vol 96, p 44-49, décrit l'utilisation d'un catalyseur solide à caractère acide telle qu'une résine sulfonique ou une silice-alumine. Dans ce dernier cas, le catalyseur et l'agent déshydratant sont régénérables. WORTEL et al. décrit l'emploi d'un tel système pour la synthèse de l'acétal dérivé de la cyclohexanone et d'éthanol. Les acétals peuvent généralement être synthétisés par les méthodes classiques de l'art antérieur, ils peuvent être synthétisés par la méthode de transacétalisation mais cette synthèse nécessite de pouvoir déplacer l'équilibre par distillation d'un azéotrope alcool-solvant de point d'ébullition convenable ou nécessite d'autres moyens de mise en oeuvre parfois délicats lorsque le solvant ne forme pas d' azéotrope avec l'alcool utilisé. L'objet de la présente invention est un procédé de synthèse des acétals de formule générale: dans lequel un composé carbonylé non cyclique tel qu'un aldéhyde ou une cétone de formule générale R1R2C=O où R1 et R2 identiques ou différents sont l'hydrogène ou des groupes aryles ou alkyles linéaires ou ramifiés, contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses, réagit avec au moins un alcool de formule générale ROH dans laquelle R représente R3 ou R4 dans la formule générale (I) ci-devant et est un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses de préférence de 4 à 16 atomes de carbone, bornes incluses caractérisé en ce que la réaction de synthèse est effectuée dans un solvant hydrocarboné en présence d'une composition catalytique comprenant au moins un catalyseur solide acide et au moins un tamis moléculaire. On synthétise ainsi des acétals de formule générale (I) dans laquelle R3 et R4 sont identiques à partir d'un seul alcool, et des acétals de formule générale ( I ) dans laquelle R3 et R4 sont différents à partir d'au moins 2 alcools différents. Dans le procédé de synthèse selon l'invention, les réactifs sont choisis de telle façon que le rapport molaire alcool/ composé carbonylé est d'environ 1 : 1 à 10 : 1, de préférence le rapport molaire alcool/ composé carbonylé est d'environ 2 : 1. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en choisissant un excès en composé carbonylé par rapport aux conditions stoechiométriques, c'est-à-dire un rapport molaire alcool/ composé carbonylé d'environ 1:1 à 1 : 10, bornes incluses. Parmi les avantages présentés par le procédé selon l'invention, on notera la possibilité d'obtention d'acétals avec une bonne conversion par exemple par rapport à l'alcool et avec une bonne vitesse de réaction. L'utilisation d'un catalyseur solide dans le procédé selon l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir isoler ensuite aisément ce catalyseur solide du milieu réactionnel. De plus ce catalyseur est facile à régénérer et après régénération, ses propriétés catalytiques ne sont pas altérées. Dans le cas particulier de la synthèse du 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane, on notera aussi la possibilité de réaliser une synthèse à coût réduit par rapport à une synthèse classique de transacétalisation à partir du diméthyloxypropane. Le procédé de synthèse selon l'invention appliqué au 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane utilise en effet une cétone : l'acétone et un alcoolt: le 2-éthyl-hexanol. Cette synthèse est effectuée à partir de réactifs moins coûteux que la synthèse effectuée à partir de diméthyloxypropane. Le 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane obtenu présente la formule semi-développée suivante: La composition catalytique solide utilisée dans le procédé selon l'invention est un mélange d'un catalyseur à base de silice-alumine et d'un tamis moléculaire qui va jouer le rôle d'adsorbant de l'eau produite au cours de la réaction. L'équilibre de la réaction va ainsi être déplacé dans le sens de la formation de l'acétal. La composition catalytique solide utilisée présente aussi un caractère acide relativement fort et suffisant pour catalyser la réaction. L'utilisation de ce catalyseur permettra en outre de faire l'économie d'un composé acide supplémentaire. Par rapport à l'art antérieur, on notera que l'acétal obtenu est synthétisé à partir d'une cétone non cyclique, or il est bien connu de l'homme du métier que les synthèses d'acétals à partir de cétones cycliques sont plus faciles à réaliser que les synthèses d'acétals à partir de cétones non cycliques. Il est donc surprenant que l'on puisse former avec un bon rendement et une bonne sélectivité des acétals à partir de cétones non cycliques en utilisant une telle composition catalytique solide. En outre, le document de WORTEL et al. cité ci-dessus, s'intéresse plus particulièrement à la synthèse d'un acétal qui est le diéthoxy-l,l-cyclohexane à partir d'une cétone cyclique. WORTEL et al. a étudié plusieurs compositions de mélanges d'un tamis moléculaire avec différents catalyseurs de la réaction de synthèse du diéthoxy-1,1-cyclohexane, notamment il s'est intéressé au mélange d'un tamis moléculaire avec un catalyseur à base de silice-alumine dans lequel la teneur en silice-alumine est de 28 % en masse. La synthèse des acétals selon l'invention est effectuée à partir d'au moins un composé carbonylé et d'au moins un alcool en présence d'une composition catalytique solide contenant un tamis moléculaire et de la silice-alumine. La silice alumine utilisée contient environ de 5% à 95%, de préférence de 10% à 75% en masse d'alumine. De façon surprenante, il a été établi qu'on obtient de bons rendements pour la synthèse de ces acétals à partir de cétones non cycliques avec des compositions du mélange contenant d'environ 7% à 20% en masse de silice-alumine, de préférence d'environ 10% à 20 % en masse et de manière encore plus préférée d'environ 10% à 15% en masse et environ 80 à 93 % en masse de tamis moléculaire. D'autre part, il a été établi que l'on n'augmente pas le rendement en acétals si on utilise une teneur plus élevée en silice-alumine. La composition catalytique solide obtenue après mélange présente en outre l'avantage d'être régénérable ainsi que de pouvoir catalyser la réaction à une température de l'ordre de la température ambiante. Il est en effet bien connu de l'homme du métier qu'une température relativement basse par exemple d'environ 0 "C favorise le déplacement de l'équilibre de la réaction vers la formation de l'acétal. Or, dans le procédé de synthèse selon l'invention, il a été mis en évidence qu'en effectuant la réaction à une température plus élevée et en particulier à une température proche de l'ambiante, on obtient des taux de conversion au moins aussi bons que lorsqu'on opère à environ 0 C. La température de réaction est d'environ +10 "C à +80 "C, de préférence d'environ +20 à +60 "C et de manière encore plus préférée d'environ +20 "C à +40 "C. La réaction est cependant aussi réalisable entre -5 "C et +10 OC. Des essais ont été effectués sur plusieurs types de mise en forme de la composition catalytique: poudres, extrudés, pastilles et sur des agencements différents des constituants de la compositon catalytique. On a ainsi testé cette composition catalytique sous forme d'extrudés placés en couches alternées de catalyseur acide et de tamis moléculaire et sous forme d'un mélange intime de catalyseur acide en poudre et de tamis moléculaire broyé. Les meilleurs taux de conversion ont été obtenus avec un mélange intime des 2 poudres. Sans vouloir être lié à aucune théorie, il parait logique de penser que la réaction se fait plus aisément lorsque l'eau produite est aussitôt adsorbée sur le tamis moléculaire. Le solvant utilisé pour la réaction comprend au moins un alcane linéaire ou ramifié ou un composé aromatique, ces composés étant liquides dans les conditions de la réaction. Ce solvant est habituellement choisi dans le groupe formé par l'hexane, l'heptane, le cyclohexane, le toluène, le benzène, l'éthylbenzène, l'ortho-xylène, utilisés seuls ou en mélanges. De préférence, on effectuera la réaction de synthèse des acétals dans l'hexane. La réaction est effectuée dans les conditions opératoires suivantes : une température d'environ - 5 "C à +80 "C, une pression absolue d'environ 1 à 5 bar. On ne sortirait pas du cadre de l'invention si on effectuait la réaction sous vide partiel, par exemple jusqu'à environ 10 torr (1 torr = 133 Pa). En outre, on veillera à travailler dans une atmosphère de gaz sec. Par gaz sec, on entend que ce gaz contient au plus 0,1%, de préférence 50 ppm en masse d'eau. Ce gaz est souvent l'air, l'azote, l'argon, le plus souvent, on travaillera sous azote sec. L'avancement de la réaction est suivi en prélevant régulièrement des échantillons que l'on analyse par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). On calcule ainsi la conversion d'au moins un réactif et le rendement en l'acétal qui nous intéresse. Lorsque la conversion n'évolue plus, on arrête la réaction. L'acétal recherché est ensuite isolé des autres constituants du milieu réactionnel, en utilisant les moyens de séparation, de lavage, de purification adéquats pour isoler ledit acétal. Les exemples présentés ci-après illustrent l'invention sans en limiter la portée. Exemples Dans les exemples qui suivent, on exprimera la conversion de l'alcool c'est à dire le nombre de moles d'alcool converties par rapport au nombre de moles d'alcool réellement introduites. On exprimera aussi le rendement en acétal pur c'est à dire le nombre de moles d'acétal récupérées après fractionnement par rapport à la quantité théorique, une mole de composé carbonylé réagissant avec 2 moles d'alcool. Exemple 1 (conforme à l'invention) La composition catalytique, utilisée pour la synthèse du 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)propane, contient un catalyseur acide et un tamis moléculaire. Elle est obtenue à partir de 280 g de tamis moléculaire de type A commercialisé par Union Carbide sous la dénomination KA et de 46 g de silice-alumine en poudre à 28% en masse d'alumine commercialisée par AKZO (KETJEN) sous la référence HAPV. Le tamis moléculaire KA est broyé puis mélangé avec la silice-alumine. La composition catalytique obtenue est séchée à 450"C sous courant d'argon pendant 10 heures, elle présente une teneur en silice-alumine de 14% en masse. Cette composition catalytique est introduite sous azote sec dans un réacteur de volume 2 1 muni d'une agitation mécanique. Pour la synthèse de l'acétal recherché, 1,2 1 d'hexane sec, 326 g (2,5 moles) de 2-éthylhexanol et 67 g (1,15 moles) d'acétone sont introduits dans le réacteur. Le mélange est agité pendant 5 heures à +25"C, la réaction est effectuée à pression atmosphérique sous azote sec. L'avancement de la réaction est contrôlé en prélevant régulièrement des échantillons du contenu du réacteur que l'on analyse par résonance magnétique nucléaire (RMN). La conversion du 2-éthyl-hexanol s'établit à 83 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. L'agitation est alors stoppée, le solide décante rapidement. Le liquide est soutiré, filtré et envoyé dans un ballon contenant îg de méthylate de sodium. Le solide restant dans le réacteur est lavé avec 2 fois 250 ml d'hexane. La fraction liquide est soumise à une distillation, tout d'abord à pression atmosphérique, pour recueillir l'hexane, puis sous vide pour recueillir de l'éthyl-2hexanol pur (52,8g), un mélange (15,3 g) de 2-éthyl-hexanol et d'acétal (2,2 di-(éthyl-2hexyloxy)-propane) puis l'acétal (249,5 g) pur. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane par rapport à l'acétone introduite est de 72 %. Le 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane peut être caractérisé par son spectre en spectroscopie infra-rouge (I.R.) et son spectre de résonance magnétique nucléaire (R.M.N.). En spectroscopie infra-rouge, on note la présence des bandes caractéristiques des liaisons simples C - O des acétals à 1165 cm-l et 1212 cl~1. Le spectre de R.M.N., enregistré dans le benzène hexadeutérié, de formule C6D6, est consigné dans le tableau suivant: déplacement signal nombre d'atomes (ppm) d'hydrogène 0,85 - 1,05 multiplet 12 1,2 - 1,7 multiplet 24 3,39 doublet (J = 5 Hz) 4 Exemple 2 (conforme à l'invention) Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1, on mélange 280 g de tamis KA broyé et 31 g de silice-alumine. Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en silice-alumine de 10% en masse. La conversion du 2-éthyl-hexanol s'établit à 81,9 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)propane par rapport à l'acétone introduite est de 71 %. Exemple 3 (comparatif) Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1, on mélange 280 g de tamis KA broyé et 92 g de silice-alumine. Le catalyseur ainsi obtenu présente une teneur en silice-alumine de 25% en masse. La conversion du 2-éthyl-hexanol s'établit à 81 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2hexyloxy)-propane par rapport à l'acétone introduite est de 69 %. Cet exemple 3 montre qu'un taux de silice-alumine de 25% en masse, toutes conditions identiques par ailleurs, ne conduit pas à une conversion plus élevée de l'alcool introduit. Exemple 4 (comparatif) Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1, on mélange 140 g de tamis KA broyé et 46 g de silice-alumine. Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en silice-alumine de 25% en masse. La conversion du 2-éthyl-hexanol s'établit à 66 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2hexyloxy)-propane par rapport à l'acétone introduite est de 60 %. Cet exemple comparatif montre qu'une quantité plus faible de tamis moléculaire, à taux de silice-alumine de 25% en masse, toutes les autres conditions étant par ailleurs identiques, conduit à une conversion plus faible de l'alcool, il existe donc une quantité de tamis minimale nécessaire pour capter l'eau théoriquement produite. Par eau théoriquement produite on entend l'eau produite à conversion totale de l'alcool. Exemple 5 (conforme à l'invention) Dans les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1, on mélange 280 g de tamis KA broyé et 46 g de silice-alumine. Le catalyseur ainsi obtenu a une teneur en silice-alumine de 14 % en masse. La réaction est effectuée à 0 C. La conversion du 2éthyl-hexanol s'établit à 80 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane par rapport à l'acétone introduite est de 70 %. Cet exemple montre qu'une température de réaction plus basse, toutes les autres conditions opératoires étant par ailleurs identiques, conduit à une conversion équivalente de l'alcool. Exemple 6 (conforme à l'invention) Le catalyseur mis en oeuvre est celui qui a été utilisé dans l'exemple 1 après avoir été lavé avec 3 fois 200 ml d'hexane, séché sous courant d'air à 450"C pendant 10 heures puis refroidi à température ambiante sous courant d'azote sec. La conversion du 2-éthyl-hexanol s'établit à 83,7 % en masse par rapport au nombre de moles d'alcool introduites, ce taux de conversion n'évolue plus après 5 heures de réaction. Le rendement en 2,2 di-(éthyl-2-hexyloxy)-propane par rapport à l'acétone introduite est de 73 %. Il apparait donc que la composition catalytique a été régénérée et que les propriétés catalytiques de cette composition n'ont pas été altérées. REVENDICATIONS 1- Procédé pour la synthèse des acétals dans lequel un composé carbonylé non cyclique tel qu'un aldéhyde ou une cétone de formule générale R1R2C=O où Ri et R2 identiques ou différents sont l'hydrogène ou des groupes aryles ou alkyles linéaires ou ramifiés, contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses réagit avec au moins un alcool de formule générale ROH dans laquelle R est un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, contenant de 1 à 20 atomes de carbone, bornes incluses caractérisé en ce que la réaction de synthèse est effectuée dans un solvant hydrocarboné en présence d'une composition catalytique comprenant au moins un catalyseur solide acide et au moins un tamis moléculaire 2- Procédé pour la synthèse des acétals selon la revendication 1 caractérisé en qu'un composé carbonylé non cyclique réagit avec 2 alcools différents de formules générales ROH. 3- Procédé pour la synthèse des acétals selon la revendication 1 caractérisé en qu'un composé carbonylé non cyclique réagit avec 1 seul alcool de formule générale ROH. 4- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le catalyseur solide acide est une silice-alumine. 5- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la composition catalytique contient environ 7 à 20 % en masse de silicealumine et environ 80 à 93 % en masse de tamis moléculaire. 6- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la réaction est effectuée à une température comprise entre -5 "C et +800C. 7- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la composition catalytique utilisée est un mélange intime d'un tamis moléculaire broyé et d'un catalyseur acide en poudre. 8- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le solvant utilisé pour la réaction comprend au moins un alcane linéaire ou ramifié ou un composé aromatique, ces composés étant liquides dans les conditions de la réaction. 9- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le solvant utilisé pour la réaction est choisi dans le groupe formé par l'hexane, l'heptane, le cyclohexane, le toluène, le benzène, I'éthylbenzène, I'orthoxylène, ces solvants étant utilisés seuls ou en mélanges. 10- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les réactifs sont choisis de telle façon que le rapport molaire alcool/ composé carbonylé est d'environ 1 : 10 à 10 :1, bornes incluses. 11- Procédé pour la synthèse des acétals selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en que les réactifs utilisés sont l'acétone et le 2-éthyl-hexanol.