Brevet FR2806645A1 — publié le 20010928

La présente invention concerne la dimérisation, la codimérisation et l'oligomérisation catalytique des oléfines. Elle a pour objet une formule catalytique résultant de la dissolution d'un complexe du nickel contenant au moins un ligand carbène hétérocyclique avec au moins un halogénure d'hydrocarbylaluminium et éventuellement au moins un solvant organique. La présente invention a également pour objet l'utilisation de cette composition catalytique dans les procédés de dimérisation, de codimérisa- tion et/ou d'oligomérisation des oléfines. Il est connu de préparer des catalyseurs de dimérisation ou de codiméri- sation de monooléfines telles que l'éthylène, le propylène, les butènes ou les pentènes. Parmi ces catalyseurs, on peut citer notamment à titre d'exemples: les produits d'interaction des halogénures de n-allyl nickel phosphine avec les acides de Lewis (brevet français FR-B-1 410430), les produits d'interaction des halogénures de nickel phosphine avec les acides de Lewis (brevet US-A-3 485 881) et les produits d'interaction de certains carboxylates de nickel avec les halogénures d'hydrocarbylaluminium (brevet US-A-3 321 546). Presque tous ces catalyseurs mettent en oeuvre un ligand tel qu'un composé organique du phosphore. Or il est préférable de pouvoir disposer de catalyseurs d'oligomérisation sans phosphore. On pourrait utiliser des catalyseurs dans lesquels le nickel se trouve déposé sur un support minéral comportant des sites acides, comme la silice, l'alumine ou les silice-alumines. Cependant, il s'agit là de catalyseurs solides, contrairement aux catalyseurs en phase liquide de l'invention. Certains complexes organométalliques du nickel contenant des ligands carbènes hétérocycliques ont été décrits dans l'art antérieur (demande internationale WO-A-99/06 004, brevet US-A-5 728 839 et demande de brevet EP-A-0 798 041). De tels complexes ont l'avantage d'être très stables. Plus particulièrement, ces ligands monocarbènes ou bicarbènes conduisent à des complexes du nickel stables thermiquement et chimiquement surtout vis-à-vis de l'oxydation. Ces ligands carbènes ont fait l'objet d'une revue dans Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 2162. Ce sont des ligands a-donneurs et 2E-accepteurs qui forment avec les métaux de transition des liaisons très stables. Leurs propriétés électroniques peuvent être comparées à celles des trialkylphosphines basiques. Il a maintenant été trouvé que la mise en contact d'un complexe du nickel portant au moins un ligand monocarbène ou bicarbène répondant par exemple aux formules (I) et (Il) données ci-après; * avec au moins un halogénure d'hydrocarbylaluminium; * et éventuellement un solvant organique conduisait à un système actif pour la dimérisation, la codimérisation et/ou l'oligo- mérisation des oléfines. R2 R3 IR2 R2 _C N X+R3 I R3 C C C RR N Type I Type II ] 2 R4 RN yp I R3 R / N R4 N N R4/CN R1 R R5 R5 I C N N NN I R5 IR5 I R6 R6 Type Il Les composés du nickel utilisés selon l'invention sont des sels de nickel ou des composés organométalliques, chargés ou non, qui répondent à la formule générale (déjà décrite dans la demande de brevet EP-A-0 798 041): (NiaXbYdLc)n (A), dans laquelle: - a, b, c, d et n sont des nombres entiers avec a égal à 1, 2 ou 3; b de 0 à 2 fois a; d de 0 à 2 fois a; c de 1 à 4 fois b; n égal à 0, 1 ou 2; - X et Y, identiques ou différents, représentent chacun un ligand mono- ou multi-chélatant, chargé ou non; à titre d'exemples, on pourra citer les halogénures, les carboxylates (par exemple l'éthyl-2-hexanoate), I'acétyl- acétonate, le sulfate, les phénates, les mono- et di-oléfines, les naromatiques, les radicaux alkyles ou aryles, les phosphines, les phosphites et le monoxyde de carbone; - L est un mono- ou bi-carbène hétérocyclique qui répond par exemple à l'une des formules générales (I) et (11) ci-dessus, dans lesquelles R1, R2, R3, R4, Rs et R6, identiques ou différents, représentent chacun l'hydrogène, un groupe hydro- carboné, aliphatique, saturé ou insaturé, ou aromatique, comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, et Y représente un reste bivalent aliphatique de 1 à 4 atomes de carbone; et - A est un anion faiblement coordinant; à titre d'exemples, on pourra citer les anions tétrafluoroborate, hexafluorophosphate, tétraphénylborate et leurs dérivés, les anions tétrachloroaluminate, hexafluoroantimonate, trifluoroacétate, trifluoro- méthylsulfonate et acétate. Les carbènes hétérocycliques L peuvent être générés à partir des sels d'imidazolium ou bis(azolium) correspondants, par déprotonation. Le métal de transition peut jouer le rôle de réducteur. A titre d'exemples non limitatifs de ligands mono- ou bicarbènes hétéro- cycliques, on citera les ligands carbènes décrits par les formules (1), (2) et (3) données ci-après. Me H I C N Il C. (1) H N I Me Me Me l /C II \C HC N HC N/ CH2 CH Il 2 /CH2)2 I /o mC-N HC N Me Me Me (2) (3) A titre d'exemples non limitatifs de composés du nickel utilisables selon l'invention, on peut citer les complexes NiCI2, [diméthyl-1,3imidazolylidène-2]2; Nil2,[diméthyl-1,3-imidazolylidène-2]2; le chlorure de 7t-allyl nickel (diméthyl-1,3- imidazolylidène-2); Nil2,[diméthyl-1,1'-imidazol-diylidène-2,2'-méthylène3,3']2 et Nil2,[diméthyl-1,1 '-imidazol-diylidène-2,2'-éthylène-3,3']212. Les dérivés halogénures d'hydrocarbylaluminium utilisés selon l'invention ont pour formule générale AIRXX3-x, dans laquelle R est un reste hydrocarboné comportant de 1 à 12 atomes de carbone, qui peut être alkyle, linéaire ou ramifié, cycloalkyle, aryle ou aralkyle, X étant le chlore ou le brome et x est un nombre de 1 à 3. A titre d'exemples non limitatifs de ces dérivés, on peut citer le sesqui- chlorure d'isobutylaluminium, le sesquichlorure d'éthylaluminium, le dichloro- isobutylaluminium, le dichloroéthylaluminium et le chlorodiéthylaluminium. Les constituants de la formule catalytique peuvent être mélangés dans un ordre quelconque. Le solvant facultatif permettant d'effectuer le mélange des constituants de la formule catalytique et dans lequel peut être effectuée la catalyse est un solvant hydrocarboné, par exemple un alcane ou un hydrocarbure aromatique, ou encore un hydrocarbure halogéné ou encore le mélange d'oléfines produit dans la réaction d'oligomérisation. Le rapport molaire du composé organique de l'aluminium au composé du nickel, exprimé par le rapport AI/Ni, est par exemple de 2/1 à 50/1 et de préférence de 2/1 à 20/1. Les oléfines susceptibles d'être dimérisées, codimérisées ou oligomérisées par les compositions catalytiques selon l'invention sont l'éthylène, le propylène, les n-butènes et les n-pentènes, seuls ou en mélange, purs ou dilués par un ou plusieurs alcane(s), tels qu'on les trouve dans des " coupes " issues des procédés de raffinage du pétrole, comme le craquage catalytique ou le craquage à la vapeur. La réaction catalytique de dimérisation, d'oligomérisation ou de codiméri- sation des oléfines qui est aussi un objet de l'invention, peut être conduite en système fermé, en système semi-ouvert ou en continu avec un ou plusieurs étages de réaction. La température de réaction peut être de à +80 C, de préférence de -20 à +50 C, dans des conditions de pression telles que les réactifs soient maintenus au moins en majorité en phase liquide ou en phase condensée. La chaleur engendrée par la réaction peut être éliminée par tous les moyens connus de l'homme du métier. Le procédé peut être mis en oeuvre dans un réacteur à un ou plusieurs étages de réaction en série, la charge oléfinique et/ou la composition catalytique au préalable pré-conditionnée étant introduites en continu, soit dans le premier étage, soit dans le premier et un autre quelconque des étages. A la sortie du réacteur, le catalyseur peut être désactivé, par exemple par injection d'ammoniac et/ou d'une solution aqueuse de soude et/ou d'une solution aqueuse d'acide sulfurique. Les oléfines non converties et les alcanes éventuellement présents dans la charge sont ensuite séparés des oligomères par distillation. Les produits du présent procédé peuvent trouver une application par exemple comme composants de carburants pour automobiles et/ou comme charges dans un procédé d'hydroformylation pour la synthèse d'aldéhydes et d'alcools. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée. EXEMPLE 1: Préparation: du complexe de nickel Nil2,[diméthyl-1,3imidazolyl- idène-2]2: Le complexe de nickel est préparé par une amélioration de la synthèse décrite dans Organometallics, 1997, 16, 2209. Dans un tube de type Schlenk, on agite fortement l'acétate de nickel préalablement séché (6 mmoles) avec l'iodure de diméthyl-1,3-imidazolium (12 mmoles) dans le nitrométhane (60 mL). On chauffe à 150 C en tirant sous le vide de la pompe pendant une heure. On laisse refroidir, puis on extrait le complexe rouge formé avec du tétrahydrofuranne chaud (500 mL). Le THF est ensuite évaporé sous vide et le composé rouge est lavé à l'éther diéthylique (140 mL). Un deuxième lavage avec de l'éthanol absolu (15 mL) est nécessaire pour éliminer l'iodure de diméthyl-1,3-imidazolium qui n'a pas réagi. EXEMPLE 2: Dimérisation du butène Un réacteur en verre de 100 mL, muni d'une sonde de mesure de température, d'un barreau aimanté pour assurer une bonne agitation et d'une double enveloppe permettant la circulation d'un liquide de réfrigération, a été purgé d'air et d'humidité, et maintenu à la pression atmosphérique de butène-1. On y a introduit 50,2 mg (0,1 mmole) du complexe Nil2,[diméthyl-1,3imidazolyl- idène-2]2 et 10 mL d'heptane, puis on a abaissé la température a 10 C et injecté à l'aide d'une seringue 1,5 mmole de dichloroéthylaluminium dissous dans 2 mL d'heptane. On a mis l'agitation en route et on a observé immédiatement une absorption de butène. Quand le réacteur a été aux trois quarts plein de liquide (au bout d'une demi-heure), on a arrêté l'agitation. A ce moment, on avait introduit au total 24 g de butène. On a produit 4 kg de produits par gramme de Ni pendant une demi-heure. Ces produits sont composés à 90 % en poids de dimères (détermination par chromatographie en phase gazeuse). REVENDICATIONS 1. Composition catalytique résultant de la mise en contact * d'au moins un complexe du nickel portanrt au moins un ligand carbène hétérocyclique L; * avec au moins un halogénure d'hydrocarbylaluminium; À et facultativement avec un solvant organique. 2. Composition catalytique selon la revendication 1 dans laquelle le complexe du nickel répond à la formule générale (NiaXbYdLc)n (A), dans laquelle À a, b, c, d et n sont des nombres entiers, avec a égal à 1,2 ou 3; b de 0 à 2 fois a; d de 0 à 2 fois a; c de 1 à 4 fois b; n égal à 0, 1 ou 2; * X et Y, identiques ou différents, représentent chacun un ligand mono- ou multi-chélatant, chargé ou non; L est un mono- ou bi-carbène hétérocyclique; * A est un anion faiblement coordinant. 3. Composition catalytique selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le ligand L répond à l'une des formules générales (I) et (Il) de la description, dans lesquelles R1, R2, R3, R4, Rs et R6, identiques ou différents, représentent chacun l'hydrogène, un groupe hydrocarboné, aliphatique, saturé ou insaturé, ou aromatique, comprenant de 1 à 12 atomes de carbone et Y représente un reste bivalent aliphatique de 1 à 4 atomes de carbone. 4. Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que L est choisi parmi les ligands carbènes répondant aux formules (1), (2), (3) de la description. 5. Composition catalytique selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que X et Y sont choisis parmi les halogénures, les carboxylates, I'acétyl- acétonate, le sulfate, les phénates, les mono- et di-oléfines, les n- aromatiques, les radicaux alkyles ou aryles, les phosphines, les phosphites et le monoxyde de carbone. 6. Composition catalytique selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisée en ce que A est choisi parmi les anions tétrafluoroborate, hexafluorophosphate, tétraphénylborate et dérivés, tétrachloroaluminates, hexafluoroantimonate, trifluorométhylacétate, trifluorométhylsulfonate et acétate. 7. Composition catalytique selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisée en ce que le complexe du nickel est choisi parmi - NiCI2, [diméthyl-1,3imidazolylidène-2]2; - Nil2,[diméthyl-1,3-imidazolylidène-2]2; - le chlorure de n-allyl nickel (diméthyl-1,3-imidazolylidène-2); - Nil2, [diméthyl-1,1 '-imidazol-diylidène-2,2'-méthylène-3,3']212; et - Nil2,[diméthyl-1,1'-imidazol-diylidène-2,2'-éthylène-3,3']2. 8. Composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que le composé organométallique de l'aluminium répond à la formule générale AIRxX3-x, dans laquelle R est un reste hydrocarboné comportant 1 à 12 atomes de carbone, tels que alkyle, linéaire ou ramifié, cycloalkyle aryle ou aralkyle, X étant le chlore ou le brome et x est un nombre de 0 à 3. 9. Composition catalytique selon la revendication 8 caractérisée en ce que l'halogénure d'hydrocarbylaluminium est le sesquichlorure d'isobutyl- aluminium, le sesquichlorure d'éthylaluminium, le dichloroisobutylaluminium, le dichloroéthylaluminium ou le chlorodiéthylaluminium. 10. Composition catalytique selon les revendications 1 à 9 caractérisée en ce que le rapport du composé organique de l'aluminium au complexe du nickel, exprimé par le rapport AI/Ni, est de 2/1 à 50/1. 11. Composition catalytique selon la revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le solvant utilisé facultativement est un solvant hydrocarboné choisi parmi les alcanes, les hydrocarbure aromatique, les hydrocarbures halogénés et la ou l'(es) oléfine(s) produite(s) dans la réaction de dimérisation, de codimérisation ou d'oligomérisation. 12.Procédé de dimérisation, de codimérisation ou d'oligomérisation d'au moins une oléfine caractérisé en ce que ladite oléfine est mise en contact avec une composition catalytique selon l'une des revendications 1 à 11. 13.Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que la réaction de diméri- sation, de codimérisation ou d'oligomérisation d'oléfine(s) est conduite en système fermé, en système semi-ouvert ou en continu, avec un ou plusieurs étages de réaction, sous agitation et à une température de -40 à +80 C. 14.Procédé selon l'une des revendications 12 et 13 caractérisé en ce que l'(les) oléfine(s) est (sont) choisie(s) parmi l'éthylène, le propylène, les nbutènes et les n-pentènes et leurs mélanges, purs ou dilués par au moins un alcane. 15.Procédé selon l'une des revendications 12 à 14 caractérisé en ce que 1'(les) oléfine(s) est (sont) contenue(s) dans une " coupe " issue d'un procédé de raffinage du pétrole.