Brevet FR2909088A1 — publié le 20080530

Procédé de transformation de composés nitriles en acides carboxyliques et esters correspondants. La présente invention concerne un procédé de transformation de composés hydrocarbonés comprenant au moins une fonction nitrile en composés comprenant au moins une fonction carboxylique et également un procédé d'obtention de composés esters à partir de ces composés carboxyliques ainsi obtenus. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de transformation des composés nitriles obtenus comme produits et sous produits dans l'hydrocyanation du butadiène tel que, par exemple, le méthyl-butyronitrile, le valéronitrile, le2-méthyl-2-butènenitrile, le 2-pentènenitrile, 3-pentènenitrile, 4-pentènenitrile,2-méthyl-3-butènenitrile, et les dinitriles tels que le méthyl-glutaronitrile, l'éthyl-succinonitrile et éventuellement l'adiponitrile ou le mélange de ces trois composés en composés diacides d'une part et composés diesters d'autre part. Le procédé de fabrication d'adiponitrile par hydrocyanation du butadiène est exploité industriellement depuis plusieurs dizaines d'années. Ce procédé présente une sélectivité élevée en adiponitrile, intermédiaire chimique important pour la synthèse de l'hexaméthylène diamine ou du caprolactame et la fabrication des polyamides. Toutefois, ce procédé produit également des composés dinitriles ramifiés tels que le méthyl-glutaronitrile, l'éthyl-succinonitrile notamment qui sont séparés et récupérés par 25 distillation. En général, cette récupération des composés dinitriles ramifiés permet de produire un mélange contenant majoritairement du méthyl-glutaronitrile avec de l'éthyl-succinonitrile et de l'adiponitrile. 30 Plusieurs solutions ont été proposées pour valoriser ces sous-produits ou mélanges. Une de celles-ci consiste à hydrogéner les composés dinitriles en amines primaires notamment pour produire de la méthylpentaméthylènediamine (MPMD), utilisée comme 2909088 2 monomère pour la fabrication de polyamides particuliers. Ce procédé requiert des étapes de purification soit du méthyl-glutaronitrile soit de la méthylpentaméthylènediamine. Dans l'industrie, ces sous-produits sont souvent détruits par combustion avec valorisation sous forme de vapeur ou d'énergie mais avec production d'effluents gazeux contenant du 5 CO2, et des oxydes d'azote. II existe donc un besoin et une demande importante de trouver de nouvelles voies de valorisation et transformation de ces composés nitriles ou des mélanges en composés chimiques valorisables et économiquement intéressants. 10 Un des buts de la présente invention est notamment de proposer un procédé permettant de transformer ces composés nitriles en composés carboxyliques d'une part, utilisables notamment comme intermédiaires chimiques tels que, par exemple, monomères pour la fabrication de polyuréthanes et polyamides, ou en composés diesters d'autre part, 15 utilisables notamment comme solvant. A cet effet, l'invention propose un procédé de transformation de composés comprenant au moins une fonction nitrile et comprenant de 4 à 10 atomes de carbone en composés comprenant au moins une fonction carboxylique consistant à hydrater les fonctions nitriles 20 en fonction amide par réaction avec l'eau en présence d'un acide fort minéral, puis à hydrolyser les fonctions amides en fonctions carboxyliques par réaction avec l'eau et un acide fort minéral. Selon l'invention, la réaction d'hydratation est réalisée sous agitation, en utilisant de 1 à 1,5 mole d'eau par mole de fonction nitrile à hydrater en présence d'un acide fort minéral à une température permettant de maintenir le milieu réactionnel à l'étai: liquide, avantageusement à une température supérieure ou égale à 90 C et préférentiellement à une température comprise entre 90 C et 180 C. L'acide minéral fort est avantageusement choisi dans le groupe comprenant l'acide chlorhydrique gazeux, l'acide phosphorique, l'acide sulfurique ou analogue. L'acide est ajouté avantageusement sous forme pure ou très concentrée pour contrôler la quantité d'eau ajoutée dans le milieu réactionnel. 2909088 3 En outre, la réaction d'hydrolyse est également réalisée sous agitation, en utilisant de 1 à 10 mole d'eau par mole de fonction amide à hydrolyser, de préférence de 1 à 5 mole 5 d'eau et encore plus avantageusement de 1 à 2 mole d'eau et une quantité d'acide fort minéral exprimée en proton et correspondant à au moins 1 mole de proton par mole d'amide à hydrolyser, la température du milieu réactionnel étant déterminée pour maintenir le milieu réactionnel à l'état liquide, avantageusement à une température supérieure ou égale à 90 C et préférentiellement à une température comprise entre 90 C 1 o et 180 C. Les acides forts minéraux convenables sont ceux décrits dans la liste ci-dessus. Selon l'invention, après la fin de la réaction d'hydrolyse, l'agitation du milieu réactionnel 15 est arrêtée pour permettre audit milieu de décanter tout en maintenant la température à une valeur telle que le milieu réactionnel soit maintenu à l'état liquide. On obtient une séparation en deux phases dont la phase supérieure comprend essentiellement l'acide carboxylique formé. 20 Ainsi, selon le procédé de l'invention, il est possible de récupérer et séparer le composé carboxylique selon une technologie simple à savoir la décantation et séparation de phases. Dans un mode de réalisation, l'acide carboxylique récupéré est avantageusement lavé à 25 l'eau pour éliminer notamment le sel d'ammonium restant, par exemple, l'hydrogénosulfate d'ammonium. Cette récupération et séparation de phases sont obtenues par la réalisation de l'hydratation et l'hydrolyse des fonctions nitriles en milieu acide et par l'utilisation d'une 3o quantité déterminée d'eau dans les deux étapes et la présence d'un sel dans le milieu d'hydrolyse. 2909088 4 L'eau et le sel d'ammonium produits sont également aisément récupérables car ils constituent la phase inférieure du milieu réactionnel. Le procédé de l'invention est réalisé avantageusement sous pression atmosphérique. 5 Selon un mode particulier de l'invention, le composé carboxylique récupéré, est utilisé avantageusement sans lavage à l'eau, comme matière première pour la fabrication d'esters, par réaction avec un alcool. Cette réaction peut être réalisée sans addition complémentaire de composés acides 10 comme catalyseur. En effet, la quantité de composés acides (acide fort: et/ou sel d'ammonium) présente dans la phase supérieure du milieu réactionnel obtenu à l'étape d'hydratation peut être suffisante pour catalyser la réaction d'estérification. Ainsi, l'estérification peut être réalisée par mélange de la phase supérieure obtenue après décantation dans le procédé de fabrication d'acide carboxylique avec un alcool et 15 maintien du milieu réactionnel à une température comprise entre 20 C et 100 C ou une température inférieure ou égale à la température d'ébullition de l'alcool. Ce mode de réalisation est plus préférentiellement exploitable quand le sel formé à l'hydrolyse a un caractère acide tel que l'hydrogénosulfate d'ammonium formé quand 20 l'acide fort est l'acide sulfurique. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'ajouter une quantité déterminée de catalyseur acide pour réaliser l'étape d'estérification. Ce catalyseur peut être constitué par un acide minéral fort et/ou par une partie de la phase aqueuse 25 contenant le sel acide obtenu après l'étape d'hydrolyse. La présence d'un sel dans le milieu d'estérification favorise la décantation de l'eau et donc la formation de l'ester. Ainsi, en présence d'un sel favorisant la séparai:ion de l'eau par décantation, il est possible de limiter l'excès d'alcool engagé. Pour la fabrication de ces diesters, les acides récupérés, avant ou après purification, sont mélangés avec un alcool. L'estérification est réalisée par chauffage du mélange en présence d'un composé acide pour catalyser la réaction. 30 2909088 5 Ainsi, cette réaction peut être réalisée par passage sur une résine sulfonique acide à une température comprise entre 40 et 150 C. Le milieu issu de la colonne contenant la résine est ensuite distillé pour séparer l'alcool n'ayant pas réagi et l'eau formé. 5 Elle peut également être mise en oeuvre dans une colonne à distiller réactive permettant de réaliser la réaction d'estérification simultanément à l'extraction de l'eau formée par distillation. Ainsi, il est possible de déplacer l'équilibre pour obtenir un taux de transformation voisin de 100%. 10 Les alcools convenables sont, par exemple, les alcools aliphatiques ramifiés ou non, cycliques ou non, pouvant comporter un noyau aromatique et pouvant comprendre de 1 à 20 atomes de carbone. A titre d'exemples préférés, on peut citer les alcools suivants, méthanol, propanol, isopropanol, alcool benzylique, éthanol, n-butanol, isobutanol, cyclohexanol, hexanol, isooctanol, 2-éthyl hexanol, pentanols, méthyl-butanol ou 15 analogues. Le milieu contenant les diesters est ensuite, avantageusement, distillé dans une installation comprenant une étape d'étêtage et d'équeutage. Cette distillation peut être réalisée dans une seule colonne avec récupération des diesters sous forme d'une fraction 20 intermédiaire. Le procédé de l'invention s'applique aux composés comprenant une ou plusieurs fonctions nitriles. 25 Dans un mode de réalisation préféré, il s'applique plus particulièrement à la transformation des composés comprenant deux fonctions nitriles en acides dicarboxyliques puis diesters. On peut citer comme composés nitriles convenables pour le procédé de l'invention, le 30 méthyl-butyronitrile, le valéronitrile, le2-méthyl-2-butènenitrile, le 2-pentènenitrile, le 3-pentènenitrile, le 4-pentènenitrile, le 2-méthyl-3-butènenitrile, et les dinitriles tels que le méthyl-glutaronitrile, l'éthyl-succinonitrile et éventuellement l'adiponitrile le méthyl-2 butyronitrile, le méthyl- gultaronitrile, l'éthyl-succinonitrile, le succinonitrile, le glutaronitrile, l'adiponitrile, ou analogues ou un mélange d'au moins deux desdits composés. 2909088 6 Selon un mode particulièrement privilégié, les composés nitriles convenables pour l'invention sont les composés dinitriles formés dans le procédé d'hydrocyanation du butadiène, plus particulièrement les composés dinitriles ramifiés tels que le méthyl- 5 glutaronitrile et l'éthyl- succinonitrile, seuls ou mélange. Encore plus préférentiellement, la matière première utilisée pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention est constituée par la fraction de distillation comprenant les composés dinitriles ramifiés formés dans le procédé d'hydrocyanation du butadiène, et 10 notamment récupérée dans l'étape de séparation et purification de l'adiponitrile. Ainsi, cette matière première comprend principalement du méthyl glutaronitrile, de l'éthylsuccinonitrile et de l'adiponitrile. Le méthyl glutaronitrile est majoritaire dans ce mélange. Le procédé de l'invention permet donc de produire un mélange de composés dicarboxyliques et un mélange de composés diesters. Il est bien entendu possible de séparer les différents composés de ce mélange par les 20 techniques habituelles telles que distillation, cristallisation, extraction liquide/liquide. Toutefois, dans de nombreuses applications, le mélange de composés peut être utilisé, sans séparation. Ainsi, le mélange de diesters présente des propriétés de solvant très intéressantes et est 25 utilisé en remplacement ou en mélange avec des solvants usuels tels que la méthylbutyrolactone, le N-méthylpyrrolidone, l'acétonitrile ou analogue. A titre d'exemple, les diesters ainsi obtenus peuvent être utilisés dans de nombreuses applications telles que comme solvant dans les peintures, vernis, laques, l'industrie du 30 revêtement de surfaces ou tout autre articles comme les câbles par exemple, l'industrie des encres des lubrifiants pour textiles, les liants et résines pour noyaux de moules de fonderie, les produits nettoyants, les formulations cosmétiques. Ils peuvent également être utilisés comme matières premières pour certaines réactions chimiques, dans les compositions de traitement des sols et végétaux. 15 2909088 7 Plus généralement, ils peuvent être utilisés seul ou dans une formulation, comme solvant de nettoyage, décapage, dégraissage dans toute activité industrielle ou domestique. Ces diesters peuvent également être utilisés comme plastifiants de certaines matières 5 plastiques ou comme monomères pour la fabrication de polymères. De même les diacides obtenus sont avantageusement utilisés sous forme de mélange dans, par exemple, la fabrication de polyuréthanne, polyesters, polyamides ou analogues. Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre de manière discontinue ou continue. 10 Les acides carboxyliques et/ou diesters peuvent être purifiés par les techniques usuelle telle que, par exemple, traitement sur résine échangeuse d'ions, traitement avec le charbon actif, distillation, cristallisation, extraction liquide/liquide. D'autres détails et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu des 15 exemples donnés ci-dessous à titre d'illustration, uniquement. Exemple 1 : Dans un réacteur de 1 litre, muni d'une agitation et surmonté d'un réfrigérant, on charge 20 sous azote à température ambiante, 50 g d'eau puis on coule 220,43 g d'H2SO4 98%. La température est ensuite amenée à 105 C. 108,68 g de MGN sont alors introduits en 2 h et la température du milieu est maintenue à 120 C. Après maintien 15 min en température, 58,5 g d'eau sont coulés sur le milieu homogène 25 en 10 min puis la température est portée à 125 C et maintenue pendant 6 h. L'agitation est arrêtée et deux phases liquides décantent très rapidement. Le dosage potentiométrique à la soude de la phase inférieure montre que le rapport molaire (Ni-14)HSO4 / (H2SO4 + (NH4)HSO4 ) correspond à une conversion complète du MGN. 30 On refroidi le milieu réactionnel à 90 C, et la phase supérieure est séparée de la phase aqueuse et transférée dans un réacteur de 500 ml. 147,47 g d'acide méthyl-2-glutarique brutes sont ainsi obtenus. 2909088 8 64 g de méthanol sont ajoutés sur le diacide et la température est maintenue à 60 C sous agitation pendant 1 h L'agitation est arrêtée et une couche aqueuse de 20 g environ décante. Cette dernière est séparée et l'analyse de la couche supérieure montre que plus de 60% des fonctions acide ont été transformées en fonctions ester. L'estérification peut- 5 être complétée par addition de méthanol. On peut également séparer les composés diesters par distillation du milieu réactionnel et recycler les monoesters dans le milieu d'estérification pour augmenter le taux de transformation en diesters. Exemple 2 : 10 Dans un réacteur de 1 litre, muni d'une agitation et surmonté d'un réfrigérant, on charge sous azote à température ambiante, 98,3 g d'eau (5,9 moles) puis on coule 379,2 g d'acide sulfurique à 98% (3,8 moles). La température est ensuite amenée à 105 C. 300 g de 2-méthylbutyronitrile sont alors introduits en 4 h et la température du milieu est maintenue une heure supplémentaire à 105 C. L'analyse du milieu réactionnel indique que la 15 totalité des fonctions nitrile ont réagit. 89 g d'eau sont ajoutés et la température est portée à 120 C et maintenue pendant 15h. La température est alors abaissée à 70 C, l'agitation est arrêtée et deux phases liquides décantent très rapidement. Une analyse potentiométrique à la soude de la phase inférieure montre que le rapport molaire (NH4)HSO4 / (H2SO4 + (NH4)HSO4 ) correspond à une conversion complète du 20 2-méthylbutyronitrile en acide carboxylique correspondant. Les phases sont séparées par décantation à cette température. On obtient ainsi 492g de phase aqueuse et 366g de couche organique constituée d'acide 2-méthylbutyrique. 329g d'éthanol (7,1 moles) et 18 g d'acide sulfurique (0,2mole) sont ajoutée à la phase organique et la température est maintenue à 80 C pendant 2 heures. L'analyse du milieu indique que 84% 25 des fonctions acides ont été estérifiées. La température est ensuite abaissée à 20 C, et du carbonate de sodium est ajoutée sous agitation pour neutraliser l'acide. L'agitation est ensuite arrêtée et de l'eau est ajoutée pour obtenir deux phases liquides qui décantent. On obtient une phase aqueuse et 620g de phase organique contenant le 30 2-méthylbutyrate d'éthyle qui est ensuite purifié par distillation. Exemple 3 : Dans un réacteur de 1 litre, muni d'une agitation et surmonté d'un réfrigérant, on charge sous azote à température ambiante, 98,3 g d'eau (5,9 moles) puis on coule 379,2 g d'acide sulfurique à 98% (3,8 moles). La température est ensuite amenée à 105 C. 2909088 9 300 g de 2-méthylbutyronitrile sont alors introduits en 4 h et la température du milieu est maintenue une heure supplémentaire à 105 C. L'analyse du milieu réactionnel indique que la totalité des fonctions nitrile ont réagit. 89 g d'eau sont ajoutés et la température est amenée à 120 C et maintenue pendant 15h. La 5 température est alors abaissée à 70 C, l'agitation est arrêtée et deux phases liquides décantent très rapidement. Une analyse potentiométrique à la soude de la phase inférieure montre que le rapport molaire (NH4)HSO4 / (H2SO4 + (NH4)HSO4) correspond à une conversion complète du 2-méthylbutyronitrile en acide 2-méthylbutyrique. Les phases sont séparées par décantation à cette température. On obtient ainsi 492g de phase aqueuse et 367g de couche organique 10 constituée d'acide valérique. 197g d'éthanol (4,3 moles) et 18 g d'acide sulfurique (0,2mole) sont ajoutée et la température est maintenue à 80 C pendant 2 heures puis ramenée à 20 C. L'agitation est arrêtée et une couche aqueuse de 62g décante. Celle-ci est éliminée et 18g d'acide sulfurique (0,2mole) sont ajoutée à la couche organique sous agitation. La température est maintenue à 80 C pendant deux heures 15 puis ramenée à 20 C. Du carbonate de sodium est ajouté pour neutraliser l'acüde. Après 30 minutes d'agitation, celle-ci est arrêtée et de l'eau est ajoutée pour obtenir deux phases qui décanteny. Une analyse de la couche organique indique que 82% des fonctions nitrile de départ sont converties en ester éthylique. La phase organique de 497g est ensuite purifiée par distillation. Revendications 1. Procédé de fabrication d'acides carboxyliques comprenant de 4 à 10 atomes de carbone par hydratation des fonctions nitriles d'un composé organique en fonction amide et hydrolyse des fonctions amides en fonctions carboxyliques, caractérisé en ce que L'étape d'hydratation est réalisée par réaction avec l'eau en présence d'un acide fort minéral, en utilisant de 1 à 1,5 mole d'eau par mole de fonction nitrile à hydrater en présence d'un acide fort minéral à une température permettant de maintenir le milieu réactionnel à l'état liquide L'étape d'hydrolyse est réalisée, sous agitation, en utilisant de 1 à 10 mole d'eau par mole de fonction amide à hydrolyser et une quantité d'acide fort minéral exprimée en proton et correspondant à au moins 1 mole de proton par mole d'amide à hydrolyser, la température du milieu réactionnel étant déterminée pour maintenir le milieu réactionnel à l'état liquide et en ce que L'acide carboxylique formé est récupéré par maintien du milieu réactionnel, sans agitation, à une température supérieure à la température de fusion de l'acide carboxylique et/ou du sel formé pour décantation du milieu réactionnel, la phase supérieure contenant l'acide carboxylique étant séparée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'eau utilisée dans l'étape d'hydrolyse est comprise entre 1 et 5 mole d'eau par mole de fonction amide à hydrolyser, de préférence entre 1 et 2 moles d'eau. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le composé comprenant des fonctions nitriles est choisi dans le groupe comprenant le méthyl-butyronitrile, le valéronitrile, le2-méthyl-2-butènenitrile, le 2-pentènenitrile, le 3-pentènenitrile, le 4-pentènenitrile, le 2-méthyl-3-butènenitrile, et les dinitriles tels que le méthyl- glutaronitrile, l'éthyl-succinonitrile et éventuellement l'adiponitrile le méthyl-2 butyronitrile, le méthyl- gultaronitrile, l'éthyl-succinonitrile, le succinonitrile, le glutaronitrile, l'adiponitrile, ou analogues ou un mélange d'au moins deux desdits composés 2909088 11 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, le composé comprenant des fonctions nitriles est un mélange de méthyl glutaronitrile, éthyl succinonitrile, et d'adiponitrile. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit mélange constitue la fraction de tête de la purification ou séparation de l'adiponitrile par clistillation dans le procédé de fabrication de l'adiponitrile à partir du butadiène. 10 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'étape d'hydratation est réalisé à une température comprise entre 90 C et 180 C et l'étape d'hydrolyse à une température comprise entre 90 C et 180 C 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'acide minéral est 15 choisi dans le groupe comprenant l'acide chlorhydrique gazeux, l'acide phosphorique, l'acide sulfurique ou analogue. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acide minéral est ajouté sous forme pure ou concentrée. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'estérification des acides carboxyliques en esters par réaction avec un alcool. 25 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'étape d'estérification est réalisée par mélange de la phase supérieure séparée avec un alcool et maintien du milieu réactionnel à une température inférieure ou égale à la température d'ébullition de l'alcool 30 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un acide minéral est ajouté comme catalyseur. 12. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'alcool est choisi dans le groupe comprenant les alcools aliphatiques ramifiés ou non, cycliques ou non, 5 20 15 2909088 12 pouvant comporter un noyau aromatique et pouvant comprendre de 1 à 20 atomes de carbone. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alcool est choisi dans le 5 groupe comprenant le méthanol, propanol, isopropanol, alcool benzylique, éthanol, n- butanol, isobutanol, cyclohexanol, hexanol, isooctanol, 2-éthyl hexanol, les isomères des pentanols, l'isobutanol. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la réaction to d'estérification est réalisée dans une colonne réactive avec élimination de l'eau. 15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la réaction d'estérification est réalisée par passage du mélange composé carboxylique/alcool sur une résine sulfonique acide échangeuse d'ions. 16. Procédé selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que les esters formés sont récupérés et purifiés par distillation.