Brevet FR2847582A1 — publié le 20040528

PROCEDE DE PREPARATION DE POLYAMIDE PAR CARBONYLATION EN PRESENCE D'UN CATALYSEUR La présente invention concerne un procédé de préparation de polyamide, particulièrement de polyamide du type de ceux obtenus par polycondensation à partir de lactames et/ou aminoacides, par carbonylation en présence d'un catalyseur, notamment à base de palladium. Les polyamides sont des polymères présentant un intérêt industriel et commercial important. Les polyamides thermoplastiques sont obtenus soit par réaction entre deux monomères différents, soit par polycondensation d'un seul monomère. La classe de polyamides issue de deux monomères différents est généralement fabriquée en utilisant comme matière première, un sel obtenu par mélange en quantité stoechiométrique en général dans un solvant comme l'eau d'un diacide avec une diamine. Ainsi, dans la fabrication du poly(hexaméthylène adipamide), l'acide adipique est mélangé avec de l'hexaméthylène diamine généralement dans de l'eau pour obtenir un adipate d'hexaméthylène diamine plus connu sous le nom de sel Nylon ou "Sel N". La solution de sel N est éventuellement concentrée par évaporation partielle ou totale de l'eau. Le polyamide est obtenu par chauffage à température et pression élevées d'une solution aqueuse des monomères, pour évaporer l'eau tout en évitant toute formation de phase solide afin d'éviter une prise en masse. La classe de polyamides issue d'un seul monomère est généralement fabriquée en utilisant comme matière première, un lactame et/ou un aminoacide, et une faible quantité d'eau. L'industrie recherche des alternatives aux procédés existants ou d'autres méthodes de préparation de polyamide, par exemple à partir de monomères différents de ceux généralement utilisés. Ces alternatives peuvent représenter des économies de cot, une simplification des installations industrielles, de la flexibilité etc. Une méthode alternative connue de préparation de polyamides aromatiques du type de ceux obtenus par polycondensation de diacides et de diamines consiste en la réaction de diamines aromatiques et de composés aromatiques comprenant deux substituants halogènes avec du monoxyde de carbone en présence de catalyseur à base de palladium. La présente invention propose un procédé de préparation de polyamide par réaction d'au moins: * un composé organique comprenant une fonction amine et au moins: - une insaturation éthylénique et/ou acétylénique et/ou - un substituant X- choisi dans le groupe comprenant Cl-, Br-, I-, FSO3-, CIS03-, CF3-(CF2),-SO3- avec 0 amine primaire. Avantageusement la fonction amine est une fonction amine aromatique. Le composé organique de l'invention comprenant une fonction amine et une fonction éthylénique et/ou acétylénique peut être un alcène substitué ou non avec une ou plusieurs double liaisons carbone/carbone. En général l'alcène comprend entre 2 et 30 atomes de carbone et une ou deux double liaisons carbone/carbone. Le composé organique de l'invention comprenant une fonction amine et une fonction éthylénique et/ou acétylénique peut être un alcyne substitué ou non avec une ou plusieurs triple liaisons carbone/carbone. En général l'alcyne comprend entre 2 et 30 atomes de carbone et une triple liaison carbone/carbone. Selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, le composé de l'invention est un aminoalcène. L'aminoalcène peut être aliphatique tel que le Nméthylundéc-1-ène, cycloaliphatique, aromatique, tel que le para-aminostyrène, ou hétérocyclique. Les aminoalcènes particulièrement avantageux de l'invention sont les aminoalcènes de formule (1) suivante: R1HN-R2-CH=CH2 (1) selon laquelle R1 est choisi parmi l'hydrogène, et un groupement hydrocarboné substitué ou non, saturé ou non, comprenant ou non des hétéroatomes; et R2 est un groupement aromatique, cycloaliphatique ou aliphatique, par exemple un groupement alkyle branché ou un groupement alkyle linéaire. R2 peut être un groupement aromatique tel que le naphtalène, ou le benzène, éventuellement substitué par par exemple entre 1 et 4 substituants, de préférence des substituants comprenant de 1 à 6 atomes de carbone. R2 peut être un groupement cycloaliphatique, tel que le cyclohexane. Avantageusement, R2 est un groupement aliphatique, tel qu'un groupement polyméthylène- (CH2)m- o m est compris entre 1 et 25, de préférence compris entre 2 et 15, encore plus préférentiellement compris entre 3 et 10. Des exemples d'aminoalcènes selon la formule (1) pouvant convenir sont la undéc-10-èn-1-amine, la déc-9-èn-1-amine, la N,N-di(undéc1 0-èn-1 -)amine ou encore les aminostyrènes. De préférence l'aminoalcène est choisi parmi la 4-pentène amine, la 3pentèneamine, la 10-undécèneamine et la 11-dodécèneamine, la N,Ndi(undéc-10-èn-1)amine et le para-aminostyrène. Le composé organique comprenant une fonction amine de l'invention peut également comprendre un substituant choisi dans le groupe comprenant Cl-, Br-, 1-, FS03-, CIS03-, CF3-(CF2),-SO3- avec O R3 et R4 ont respectivement la même signification que R1 et R2de la formule (1) ci-dessus. De préférence R4 est un groupement aromatique, comprenant ou non des hétéroatomes. Dans le cadre de l'invention on peut utiliser un mélange de différents composés comprenant au moins une fonction amine, par exemple différents aminoalcènes etc. Le catalyseur de l'invention peut être un catalyseur à base de nickel tel que Ni(PPh3)2(CO)2; de ruthénium tel que Ru3(CO)12; de cobalt tel que Co304 ou C02(CO)8; de rhodium tel que RhCI3, CIRhCO(PPh3)3 ou HRhCO(PPh3)3; de palladium tel que PdCI2; de manganèse tel que Mn2(CO)10; d'iridium tel que Ir14, IrHCO(PPh3)3 ou IrCICO(PPh3)3; etc. Le catalyseur de l'invention est de préférence un composé du palladium. Ce composé est généralement soluble dans le milieu réactionnel. Les composés pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent être par exemple ceux décrits dans le document WO 0226382. On peut utiliser dans le cadre de l'invention les composés de palladium contenant un ou plusieurs groupements anioniques tels que, par exemple, ceux dérivés des acides chlorhydrique, iodhydrique, fluorhydrique ou bromhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide carbonique. Sont également convenables, les groupements anioniques dérivés des acides sulfoniques, des thioalcools, des acides carboxyliques comme l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide pivalique ou analogues. On peut citer à titre d'exemple le nitrate de palladium 11, le sulfate de palladium 11, les carboxylates de palladium Il tels que l'acétate de palladium Il ou le propionate de palladium 11, le sulfonate de palladium Il ou l'acétylacétonate de palladium Il. On peut également utiliser des complexes formés à partir de composés comprenant des atomes de phosphore ou d'azote. Le palladium peut également être présent sous forme de complexes organiques qui peuvent être formés avant l'introduction dans le milieu réactionnel ou directement dans ledit milieu. Il est également possible d'utiliser des complexes organiques du palladium tels que le diacétate de palladium, l'acétylacétonate de palladium, le bis(bi benzylidène acétone)palladium, le dimère de chlorure crotyle de palladium, les complexes de phosphines aromatiques ou aliphatiques avec du palladium comme la tétrakistriphénylphosphine de palladium, le dichlorure de palladium bistriphénylphosphine. Comme phosphine dans les complexes de phosphine avec du palladium, on peut mettre en oeuvre une monophosphine ou une diphosphine par exemple. Comme exemple de diphosphine on peut citer la " BISBI " de formule: I PPh2 PPh2 On préfère toutefois les monophosphines. Avantageusement la phosphine est choisi parmi la triphénylphosphine, la 2-furyl diphénylphosphine et la PNP de formule Ph Ph P Ph De préférence la phosphine mise en oeuvre est la triphénylphosphine. De façon préférentielle, le catalyseur à base de palladium est choisi parmi le diacétate de palladium, le bis(bi benzylidène acétone) palladium, le dichlorure de palladium et la tétrakistriphénylphosphine de palladium. La quantité de catalyseur à base de palladium de l'invention peut varier dans de larges limites. Généralement on met en oeuvre de 0.001 mole à 0. 02 mole de palladium par mole de composé comprenant une fonction amine engagé dans la réaction. Le catalyseur à base de palladium, s'il est sous forme de complexe de phosphine par exemple, peut être introduit dans le milieu réactionnel ou être formé in situ à partir d'un composé de palladium comprenant un groupement anionique par exemple, tel que le diacétate de palladium, et d'un ligand tel qu'une phosphine, par exemple la triphénylphosphine. La quantité de ligand peut varier dans de larges limites. Généralement on met en oeuvre un excès de ligand par rapport au palladium. De préférence le rapport entre le nombre de moles de ligand et le nombre de mole de palladium mis en oeuvre, lorsque le ligand est une monophosphine par exemple, est compris entre 0.01 et 0.2. On peut mettre en oeuvre dans le cadre de l'invention un mélange de différents catalyseurs à base de palladium. Le procédé de l'invention peut également mettre en oeuvre un acide fort comme agent d'activation. De préférence l'acide fort présente un pKa inférieur ou égal à 3, de préférence inférieur ou égal à 2. Comme exemple d'acide fort présentant un pK, inférieur ou égal à 2, on peut citer les acides phosphoriques ou les acides sulfoniques, tels que l'acide paratoluène sulfonique, l'acide méthanesulfonique, l'acide trifluorométhane sulfonique. On peut également citer comme exemple d'acide fort l'acide trifluoroacétique. Le rapport entre le nombre de moles d'acide fort et le nombre de moles de palladium mis en oeuvre est de préférence compris entre 3 et 30. La température de réaction de carbonylation est avantageusement comprise entre et 180'C, de préférence comprise entre 90 et 1500C. La pression en monoxyde de carbone est avantageusement comprise entre 10 et 120 bars, de préférence entre 10 et bars. Le temps de réaction est généralement inférieur à 30 heures. Le procédé de l'invention est principalement mis en oeuvre en phase liquide, généralement à l'aide d'un solvant. Comme solvants convenables dans le cadre de l'invention, on peut citer les hydrocarbures aromatiques ou aliphatiques, tels que le toluène, le xylène ou la décaline, ou les solvants polaires aprotiques, comme le THF, le 1,4-dioxane, la Nméthylpyrrolidone, la N-méthylpipéridone, le diméthyl sulfoxyde, les glycoléther (tels que le 1,2-diméthoxyéthane, le bis(2-méthoxyéthyl)éther ou le bis(2butoxyéthyl)éther), le DMF, le diméthylformaniline ou un mélange. On peut citer également les solvants chlorés tels que le dichlorométhane. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le solvant est au moins en partie du dichlorométhane. Le dichlorométhane peut être utilisé seul ou en mélange avec un autre solvant, tel que la NMP par exemple. Le monoxyde de carbone du procédé de l'invention peut être mis en oeuvre seul ou en mélange avec un autre gaz tel que l'hydrogène. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre selon un mode continu, semicontinu ou discontinu. Le catalyseur de l'invention peut être préalablement ajouté au solvant. Selon un mode de fonctionnement discontinu, le catalyseur, le composé comprenant une fonction amine, et le monoxyde de carbone peuvent être introduits dans un réacteur adapté, par exemple un autoclave, puis une mise en température et pression de réaction est opérée. A la fin de la réaction, le milieu réactionnel est refroidi, détendu à la pression atmosphérique. Le milieu réactionnel est ensuite traité de manière habituelle. Selon un mode de fonctionnement semi-continu, le catalyseur peut être introduit dans un réacteur adapté, par exemple un autoclave, seul ou avec un ou deux des produits de départ (composé comprenant une fonction amine, monoxyde de carbone), puis une mise en température et pression de réaction est opérée. Lors de la mise en pression de réaction, le monoxyde de carbone sous forme gazeuse et/ou le composé comprenant une fonction amine sont introduits. Au cours de la réaction, les produits de départ nécessaires sont introduits de manière continue ou périodique. A la fin de la réaction, le milieu réactionnel est refroidi, détendu à la pression atmosphérique. Le milieu réactionnel est ensuite traité de manière habituelle. Selon un mode de fonctionnement continu, le catalyseur peut être introduit dans un réacteur adapté, par exemple un autoclave, seul ou avec un ou deux des produits de départ (composé comprenant une fonction amine, monoxyde de carbone), puis une mise en température et pression de réaction est opérée. Lors de la mise en pression de réaction, le monoxyde de carbone sous forme gazeuse et/ou le composé comprenant une fonction amine sont introduits. Puis le monoxyde de carbone et le composé comprenant une fonction amine sont introduits selon les besoins de façon continue, et une partie du milieu réactionnel est extraite du réacteur de façon continue pour être traitée. L'invention sera mieux illustrée par les exemples donnés ci-dessous uniquement à titre illustratif et sans effet limitatif. EXEMPLES Exemple 1: polymérisation de la 4-pentènamine 0,05 mmol de Pd(OAc)2, 1 mmol de triphénylphosphine et du dichlorométhane sont placés dans une ampoule en verre dans un autoclave. 10 mmol de 4-pentènamine sont ensuite ajoutés à la solution homogène jaune. L'autoclave est fermé puis purgé avec environ 5 bars de CO/H2 (1/1) puis chauffé sous environ 20 bars à 120'C. Une fois la température atteinte, la pression est ajustée à 40 bars et le réacteur est agité pendant 26h. Après 26h, le réacteur est refroidi puis dégazé. Le solvant est évaporé et l'huile obtenue est analysée par chromatographie par perméation de gel (GPC), après dérivatisation par l'anhydride trifluoroacétique, par rapport à des étalons de polystyrène. La technique de détection utilisée est la réfractométrie. Un polyamide de masse moléculaire en nombre égale à 1040g/mol est obtenu. Exemple 2: polymérisation de la 4-pentènamine 0,05 mmol de Pd(OAc)2, 1 mmol de triphénylphosphine et du dichlorométhane sont placés dans une ampoule en verre dans un autoclave. 10 mmol de 4-pentènamine et 0.8 mmol de MsOH sont ensuite ajoutés à la solution homogène jaune. L'autoclave est fermé puis purgé avec environ 5 bars de CO puis chauffé sous environ 20 bars à 120'C. Une fois la température atteinte, la pression est ajustée à 60 bars et le réacteur est agité pendant 48h. Après 48h, le réacteur est refroidi puis dégazé. Le solvant est évaporé et l'huile obtenue est analysée par chromatographie par perméation de gel (GPC), après dérivatisation par l'anhydride trifluoroacétique, par rapport à des étalons de polystyrène. La technique de détection utilisée est la réfractométrie. Un polyamide de masse moléculaire en nombre égale à 370g/mol est obtenu. Exemple 3: polymérisation de la 10-undécènamine 0,05 mmol de Pd(OAc)2, 1 mmol de triphénylphosphine et du dichlorométhane (1,7 M) sont placés dans une ampoule en verre dans un autoclave. 10 mmol de 10undécènamine sont ensuite ajoutés à la solution homogène jaune. L'autoclave est fermé puis purgé avec environ 5 bars de CO/H2 (1/1) puis chauffé sous environ 20 bars à 1200C. Une fois la température atteinte, la pression est ajustée à 40 bars et le réacteur est agité pendant 24h. Après 24h, le réacteur est refroidi puis dégazé. Le solvant est évaporé et l'huile obtenue est analysée par chromatographie par perméation de gel (GPC). Un polyamide de masse moléculaire en nombre égale à 1400g/mol est obtenu. Exemple 4: polvmérisation du 4-aminostyrène 0,05 mmol de Pd(OAc)2, 1 mmol de triphénylphosphine et du dichlorométhane sont placés dans une ampoule en verre dans un autoclave. 5 mmol de 4-aminostyrène sont ensuite ajoutés à la solution homogène jaune. L'autoclave est fermé puis purgé avec environ 5 bars de CO/H2 (1/1) puis chauffé sous environ 20 bars à 120 C. Une fois la température atteinte, la pression est ajustée à 40 bars et le réacteur est agité pendant 22h. Après 22h, le réacteur est refroidi puis dégazé. Un solide violet est obtenu et analysé par chromatographie par perméation de gel (GPC). Un polyamide de masse moléculaire en nombre égale à 1160g/mol est obtenu (partie soluble dans l'anhydride trifluoroacétique). REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de polyamide par réaction d'au moins: * un composé organique comprenant une fonction amine et au moins: - une insaturation éthylénique et/ou acétylénique et/ou - un substituant Xchoisi dans le groupe comprenant Cl-, Br-, 1-, FSO3-, CISC3-, CF3-(CF2),SO3- avec 0 palladium, de manganèse ou d'iridium. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le catalyseur est à base de palladium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé comprenant une fonction amine est un aminoalcène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'aminoalcène est choisi parmi la 4-pentène amine, la 3-pentèneamine, la 10-undécèneamine, la 11dodécèneamine, la N,N-di(undéc-10-èn-1-)amine et le para-aminostyrène. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composé organique comprend un groupement aromatique ou hétéroaromatique et en ce que le substituant X est le substituant du groupement aromatique ou hétéroaromatique 7. Procédé selon la revendication 3 à 6, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi le diacétate de palladium, le bis(bi benzylidène acétone) palladium, le dichlorure de palladium et la tétrakistriphénylphosphine de palladium 8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le catalyseur est un complexe de phosphine avec du palladium 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de réaction est comprise entre 50 et 1 800C 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de réaction est inférieure ou égale à 30 heures 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression en monoxyde de carbone est comprise entre 10 et 60 bars 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu réactionnel comprend du dichlorométhane 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, outre le monoxyde de carbone, de l'hydrogène est mis en oeuvre lors de la réaction. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on introduit dans le mélange réactionnel un acide fort