Brevet FR2803294A1 — publié le 20010706

Procédé d'hydrocyanation de composés organiques insaturés La présente invention concerne un procédé d'hydrocyanation de composés organiques insaturés tels que des oléfines ou des composés organiques insaturés comprenant une fonction nitrile, pour la production de composés organiques mono ou polynitriles. La réaction d'hydrocyanation d'une oléfine pour la fabrication de nitriles et plus particulièrement des dinitriles est connue et exploitée depuis de très longues années. Cette réaction est notamment utilisée pour la production d'un grand intermédiaire chimique, l'adiponitrile, à partir du butadiène. Ainsi, le brevet US 3 496 217 décrit un procédé de fabrication de l'adiponitrile par réaction du cyanure d'hydrogène sur du butadiène en présence d'un catalyseur à base de nickel lié à un ligand organique du type phosphine ou phosphite. La réaction est réalisée en milieu liquide monophasique. Le brevet français n 2 338 253 décrit également un procédé de fabrication d'adiponitrile par hydrocyanation du butadiène. La réaction est réalisée en milieu liquide biphasique, le catalyseur étant contenu dans une phase aqueuse. Ce procédé permet de récupérer l'adiponitrile dans la phase organique exempt de catalyseur et donc de métal. Le catalyseur décrit est également un catalyseur à base d'un métal tel que le nickel associé à un ligand du type phosphine. Toutefois, ce ligand comprend des radicaux sulfonates permettant de rendre soluble ou dispersable le catalyseur dans l'eau. De nombreux autres brevets ont été publiés sur des structures particulières de ligands du type phosphites ou phosphines tant dans le domaine de la réaction monophasique que biphasique. Ces ligands appartenant à la famille des phosphites ou phosphines génèrent soit des problèmes pour leur extraction et récupération du milieu réactionnel soit une capacité limitée d'échange de catalyseur entre les phases. Un des buts de l'invention est de répondre à ces problèmes en proposant un procédé d'hydrocyanation en milieu liquide à base d'un catalyseur comprenant un nouveau type de ligand. A cet effet, l'invention propose un procédé d'hydrocyanation d'un composé hydrocarboné comprenant au moins une insaturation éthylénique ou acétylénique par réaction en milieu liquide avec le cyanure d'hydrogène en présence d'un catalyseur. Selon l'invention, le catalyseur comprend un métal de transition associé à un ligand organophosphoré comprenant des atomes de fluor. En outre, le catalyseur est au moins partiellement extractible du milieu réactionnel par un solvant liquide dans lequel les composés hydrocarbonés et les composés hydrocyanés formés par la réaction ne sont pas solubles. Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, la teneur pondérale en fluor dans le ligand organophosphoré est au moins égale à 10 %, avantageusement comprise entre 20%et90 /a. Selon une nouvelle caractéristique de l'invention, le catalyseur correspond à la formule générale (I): M ILt]n Dans laquelle: M est un métal de transition choisi dans le groupe comprenant le nickel, le fer, le palladium. Lf représente le ligand organophosphoré choisi dans le groupe comprenant les phosphines, les phosphinites, les phosphonites, les phosphites ou leurs mélanges, ledit ligand comprenant au moins un radical fluoré. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le radical fluorés est: -un radical alkyl de formule (II): -CnH2n+t-mFm dans laquelle n est un nombre entier compris entre 1 et 8 m est un nombre entier déterminé par l'inéquation: - ou un radical polyéther de formule (III): 0- CPH2p-qF4 ]x- dans laquelle: p est un nombre entier compris entre 1 et 8, x est supérieur ou égal à 1 de préférence Selon une caractéristique préférentielle, le ligand comprend au moins un radical comprenant un groupe phényl substitué par au moins un radical fluoré correspondant aux formules générales (II) et (III). Comme ligands convenables pour l'invention on peut citer les composés décrits dans les articles dont les références sont: D. RUTHERFORD et al, Catal. Today 42 (1998) 381-388 T. MATHIVET et al, Tet. Lett. 40 (1999) 3885-3888 J. MOINEAU et al, Tet. Lett. 40 (1999) 7683-7686 B. RICHTER et al, J. Mol. Catal. A : Chem. 145 (1999) 317-321 Les catalyseurs convenables pour l'invention peuvent être préparés selon les méthodes habituelles de préparation des catalyseurs comprenant un élément métallique associé à un ligand, par exemple par addition d'un composé dudit métal dans une solution du ligand. Le catalyseur peut également être formé in situ dans le milieu réactionnel d'hydrocyanation par addition dans ledit milieu contenant le ligand, d'un composé du métal de transition. Des exemples de procédés de fabrication de tels catalyseurs avec des ligands analogues mais non fluorés sont décrits dans les brevets US 3496217 et FR 2338253. Selon la solubilité du ligand dans le composé organique à hydrocyaner ou un solvant dudit composé, la réaction peut être réalisée soit en milieu monophasique soit en milieu polyphasique. En outre, il est également possible d'utiliser un solvant du catalyseur, immiscible à basse température avec le composé organique à hydrocyaner, mais devenant miscible quand la température augmente. Ce mode de réalisation permet d'effectuer la réaction en milieu monophasique et par refroidissement du milieu d'extraire le catalyseur dans son solvant quand le milieu redevient biphasique. Dans un mode de réalisation préféré, le solvant d'extraction du catalyseur ou solvant du catalyseur est de préférence un solvant constitué par un composé comprenant des atomes de fluor, appelé généralement solvant fluoré. Toutefois, d'autres solvants peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. En effet, tout solvant qui solubilise le catalyseur et danslesquels, dans certaines conditions, les composés à hydrocyaner et les composés résultant de la réaction d'hydrocyanation sont insolubles ou solubles à une concentration en poids inférieure à 30% sont convenables pour l'invention. A titre d'exemple de solvants fluorés on peut citer les perfluoroalcanes, perfluoroalkylethers, perfluoroalkylamines, perfluoropolyalkyléthers. On peut définir comme solvants fluorés convenables pour l'invention les composés organiques dans lesquels le taux d'atomes de fluor représente au moins 20 % en poids du poids total du solvant. Selon l'invention, le composé à hydrocyaner peut être mis en oeuvre tel quel et donc forme la phase liquide dans laquelle est dissous le nitrile formé. II est également possible de dissoudre ce composé dans un solvant organique tiers. Comme solvants convenables notamment pour la mise en oeuvre de système polyphasique, on peut citer les hydrocarbures tels que le toluène, l'hexane, le benzène, les xylènes, l'heptane, le cyclohexane, le pentane. L'invention s'applique notamment à l'hydrocyanation des oléfines, des nitriles insaturés. Ainsi, une application préférée de l'invention est la synthèse de l'adiponitrile qui consiste à transformer le butadiène en 3-pentènenitrile, puis dans une seconde étape à hydrocyaner le 3-pentènenitrile en adiponitrile. L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'hydrocyanation d'une oléfine comprenant au moins deux insaturations éthyléniques conjuguées ou non, par exemple le butadiène, par réaction avec le cyanure d'hydrogène. Cette réaction est réalisée en milieu liquide monophasique ou polyphasique, avantageusement biphasique, c'est à dire une phase organique contenant l'oléfine, et une seconde phase non miscible dans laquelle le catalyseur d'hydrocyanation est solubilisé. Cette réaction est généralement réalisée en plusieurs étapes. Ainsi, dans une première étape, une seule insaturation éthylénique de l'oléfine est hydrocyanée pour produire un nitrile insaturé. Généralement, plusieurs isomères linéaires et ramifiés de nitriles insaturés sont produits. Dans un objectif de favoriser la formation d'un isomère particulier, par exemple l'isomère linéaire, une deuxième étape appelée "isomérisation" est mise en oeuvre. Le milieu réactionnel peut être identique mais les conditions opératoires et la concentration en cyanure d'hydrogène sont adaptées. Enfin, dans une troisième étape, la seconde liaison éthylénique est hydrocyanée pour produire un dinitrile. Dans le cas du butadiène, l'adiponitrile est ainsi obtenu en fin de troisième étape. Le procédé de l'invention s'applique aux trois étapes décrites ci-dessus, et plus particulièrement aux première et deuxième étapes comme cela est illustré ci-après. Les première et deuxième étapes sont réalisées avantageusement à une température comprise entre 30 C et 150 C, avec une quantité de catalyseur exprimée en nickel comprise entre 10-4 et 1 mole de métal par litre de milieu réactionnel, avantageusement entre 0,005 et 0,5 mole/l. Egalement, la quantité de ligand fluoré ajouté dans le milieu réactionnel est choisie de telle sorte que le nombre de moles de ce composé rapporté à une mole de métal élémentaire soit compris entre 0,5 et 2000, de préférence de 2 à 300. On peut également utiliser des cocatalyseurs tels que des acides de Lewis. Par acide de Lewis, il faut comprendre les composés accepteurs de doublets électroniques. Ainsi, à titre d'exemple, on peut citer les acides de Lewis qui peuvent être mis en oeuvre comme cocatalyseurs dans le présent procédé. Ils sont choisis parmi les composés des éléments des groupes lb, Ilb, Illa, Illb, IVa, IVb, Va, Vb, Vlb, Vllb et VIII de la Classification périodique des éléments, dans la mesure où lesdits composés sont au moins partiellement solubles et stables dans le milieu utilisé. Ces composés sont le plus souvent des sels, notamment des halogénures, de préférence chlorures et bromures, des sulfates, des carboxylates et des phosphates. A titre d'exemple non limitatif de tels acides de Lewis, on peut citer le chlorure de zinc, le bromure de zinc, l'iodure de zinc, le chlorure de manganèse, le bromure de manganèse, le chlorure de cadmium, le bromure de cadmium, le chlorure stanneux, le bromure stanneux, le sulfate stanneux, le tartrate stanneux, les chlorures ou bromures des éléments des terres rares comme 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 lutétium, le chlorure de cobalt, le chlorure ferreux, le chlorure d'yttrium. On peut bien entendu mettre en oeuvre des mélanges de plusieurs acides de Lewis. Le cocatalyseur acide de Lewis mis en couvre représente généralement de 0,01 à 5 moles par mole de métal élémentaire du catalyseur, de préférence de 1 à 10 moles par mole. La solution catalytique utilisée pour l'hydrocyanation selon l'invention peut être préparée avant son introduction dans la zone de réaction, par exemple par addition à la solution dans le solvant utilisé du ligand organophosphoré de formule (I), de la quantité appropriée de composé du métal de transition choisi, de l'acide de Lewis et éventuellement du réducteur. II est également possible de préparer la solution catalytique "in situ" par simple mélange de ces divers constituants. La réaction peut être réalisée sans tiers solvant, c'est à dire sans solvant de l'oléfine ou du composé à hydrocyaner. II peut être toutefois avantageux d'utiliser un solvant organique inerte, non miscible au solvant fluoré, qui pourra permettre l'extraction ultérieure des nitriles formés. Selon le type de ligand utiliser ou de solvant, la réaction d'hydrocyanation est réalisée soit en milieu monophasique soit en milieu biphasique. Les procédés de récupération ou séparation du catalyseur seront différents selon le cas. Ainsi, dans le cas d'un milieu monophasique, le catalyseur est extrait par un tiers solvant. Dans les cas d'un milieu biphasique, le catalyseur se trouvant majoritairement dans la phase ne contenant pas le nitrile formé, il est donc récupéré par séparation des phases. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre de manière continue ou discontinue. Le cyanure d'hydrogène mis en oeuvre peut être préparé à partir des cyanures métalliques, notamment le cyanure de sodium ou des cyanhydriques. Le cyanure d'hydrogène est introduit dans le réacteur sous forme gazeuse ou sous forme liquide. Il peut également être préalablement dissous dans un solvant organique. Dans le cadre d'une mise en oeuvre discontinue, on peut en pratique charger dans un réacteur, préalablement purgé à l'aide d'un gaz inerte (tel qu'azote, argon), soit une solution contenant la totalité ou une partie des divers constituants tels que le ligand fluoré, le composé de métal de transition, les éventuels réducteur et solvant, l'acide de Lewis, soit séparément lesdits constituants. Généralement le réacteur est alors porté à la température choisie, puis le composé à hydrocyaner est introduit. Le cyanure d'hydrogène est alors lui-même introduit, de préférence de manière continue et régulière. Lorsque la réaction (dont on peut suivre l'évolution par prélèvements et dosage) est terminée, le mélange réactionnel est soutiré après refroidissement et les produits de la réaction sont séparés du catalyseur par les procédés décrit précédemment. La solution contenant le catalyseur ou celui-ci peut alors être recyclé dans une nouvelle réaction d'hydrocyanation. Dans le cadre d'une mise en oeuvre du procédé en continu d'un système biphasique, seule la phase organique peut être soutirée, tandis que la phase catalytique demeure dans le réacteur. L'invention est illustrée par les exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif et sans limitation de la portée de l'invention. EXEMPLE 1 : Préparation d'un catalyseur conforme à l'invention Dans un ballon de 500 mL muni d'un barreau aimanté et purgé à l'argon, on charge 12,7 g de ligand fluoré de formule: 188,6 g de perfluoro(méthylcyclohexane) et 87,0 g toluène sont également ajoutés. On obtient ainsi un système biphasique. Sous agitation et à température ambiante, 800 mg de Ni(COD)2 (COD = 1,5- cyclooctadiène) sont additionnés. Le catalyseur constitué du Ni à l'état d'oxydation 0 et du ligand organophosphoré est ainsi formé. Un dosage du nickel et du phosphore sur un prélèvement de la phase inférieure fluorée, de coloration rouge intense, montre que celle-ci contient 80% en poids dudit catalyseur. EXEMPLE 2 : Isomérisation du 2-méthyl-3-butènenitrile (2M3BN) en 3-pentène nitrile (système biphasique) Sous atmosphère d'argon, 1,910 g de la phase fluorée de l'Exemple 1 sont introduits dans un réacteur en verre de 4 ml muni d'un barreau aimanté. Après ajout de 0,910 g de toluène et de 0,774 g d'un mélange de pentènenitriles contenant environ 80% mol. de 2- méthyl-3-butènenitrile (2M3BN), le tube est fermé et porté sous agitation à 100 C pendant 6 heures, puis à 120 C pendant 3h, puis encore à 100 C pendant 6h. Après retour à température ambiante et décantation, un prélèvement de la phase organique est analysé par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats obtenus sont: conversion du 2M3BN égale à 94 sélectivité en 3 et 4-pentènenitrile (3PN et 4PN) égale à 89%. Un dosage du nickel et du phosphore sur un prélèvement de la phase fluorée montre que celle-ci contient environ 85% en poids du catalyseur engagé. EXEMPLE 3 : Isomérisation du 2-méthyl-3-butènenitrile (2M3BN) en 3-pentène nitrile (système monophasique) Sous atmosphère d'argon, 1,79 g de la phase fluorée de l'Exemple 1 sont introduits dans un tube en saphir (tube transparent pressurisable). Après ajout de 0,850 g de toluène et de 0,790 g d'un mélange de pentènenitriles contenant environ 80% mol. de 2M3BN, le tube est préssurisé à 20 bar d'azote, fermé puis chauffé à 150 C. Dans ces conditions de température et de pression, on obtient un système monophasique parfaitement homogène et limpide. Après 3h à 150 C, retour à température ambiante et décantation, un prélèvement de la phase organique supérieure est analysé par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats obtenus sont: conversion du 2M3BN égale à 16 sélectivité en 3 et 4-pentènenitrile (3PN et 4PN) égale à 84,5%. Dans les exemples ci-dessus, le taux de conversion correspond au nombre de moles de 2M3BN transformées exprimé en pourcentage, la sélectivité est le pourcentage en mole de 2M3BN transformé en 3PN et 4PN calculé par rapport au nombre de moles de 2M3BN transformés. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'hydrocyanation d'un composé hydrocarboné comprenant au moins une insaturation éthylénique ou acétylénique par réaction en milieu liquide avec le cyanure d'hydrogène en présence d'un catalyseur, caractérisé en ce que le catalyseur comprend un élément métallique choisi parmi les métaux de transition et un ligand organophosphoré comprenant des atomes de fluor et en ce que le catalyseur est au moins partiellement extractible du milieu réactionnel par un solvant liquide dans lequel les composés hydrocarbonés et les composés hydrocyanés formés par la réaction ne sont pas solubles. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur pondérale en fluor dans le ligand organophosphoré est au moins égale à 10 %. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur pondérale en fluor dans le ligand organophosphoré est comprise entre 20 % et 90 %. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément métallique est choisi dans le groupe comprenant le nickel, le fer, le palladium. 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur correspond à la formule générale (I): M 141- Dans laquelle: M est un métal de transition choisi dans le groupe comprenant le nickel, le fer, le palladium. Lf représente le ligand organophosphoré choisi dans le groupe comprenant les phosphines, les phosphinites, les phosphonites, les phosphites ou leurs mélanges, ledit ligand comprenant au moins un radical fluoré. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le radical fluorés est: -un radical alkyl de formule (II): -CnH2n+t-mFm dans laquelle n est un nombre entier compris entre 1 et 8 m est un nombre entier déterminé par l'inéquation - ou un radical polyéther de formule (III): [-0 - CPH2P-qFqIz dans laquelle: p est un nombre entier compris entre 1 et 8, x est supérieur ou égal à 1, et q est un nombre entier déterminé par l'inéquation 7.- Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le ligand comprend au moins un radical comprenant un groupe phényl substitué par au moins un radical fluoré correspondant aux formules générales (II) et (III). 8.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réaction est effectuée en milieu monophasique. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu réactionnel comprend un solvant du catalyseur miscible à la phase comprenant le composé à hydrocyaner à la température d'hydrocyanation et immiscible avec ladite phase à température inférieure. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la réaction est réalisée en milieu polyphasique, en présence d'un solvant du catalyseur. 11.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le solvant d'extraction du catalyseur est un solvant fluoré. 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le solvant fluoré est choisi dans le groupe comprenant les perfluoroalcanes, perfluoroalkylethers, perfluoroalkylamines, perfluoropolyalkyléthers 13.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un acide de LEWIS est ajouté dans le milieu réactionnel. 14.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un solvant du composé à hydrocyaner est utilisé 15.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé à hydrocyaner est une oléfine. 16.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réaction d'hydrocyanation est une hydrocyanation d'une insaturation éthylénique ou acétylénique du composé à hydrocyaner. 17.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réaction d'hydrocyanation est une isomérisation de composés mononitriles insaturés ramifiés en composés mononitriles insaturés linéaires. 18.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé à hydrocyaner est le butadiène. 19.- Procédé selon la revendication16, caractérisé en ce que le composé mononitrile insaturé est le 2-méthyl-3-butènenitrile. 20.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité molaire de ligand par rapport à une mole d'élément métallique est comprise entre 0,5 et 2000. 21.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration en élément métallique par litre de milieu réactionnel est comprise entre 10-4 et 1 mole de métal par litre de milieu réactionnel.