Brevet FR2931478A1 — publié le 20091127

Procédé de préparation de lactames comprenant une étape de photoni- trosation suivie d'une étape de transposition de Beckmann [Domaine de l'invention] La présente invention se rapporte à un procédé de préparation de lactames, comprenant notamment une étape de photonitrosation de cycloalcanes suivie d'une étape de transposition de Beckmann réalisée dans un microréacteur, de préférence dans un microréacteur en verre. [L'art antérieur et le problème technique] On connaît l'utilité industrielle des lactames. A titre d'exemple, le caprolactame et le lauryllactame sont respectivement des précurseurs des polyamides 6 et 12. Au niveau industriel, un procédé pour synthétiser des lactames à partir d'un cycloalcane peut mettre en oeuvre successivement les deux étapes réactionnelles suivantes : - dans une première étape réactionnelle, on effectue une photonitrosation du cycloalcane à l'aide de chlorure de nitrosyle (NOCI). Cette photonitrosation est généralement réalisée en milieu biphasique solvant organique/acide sulfurique à l'aide de lampes à mer-cure. Une oxime est ainsi produite en phase organique et ultérieurement extraite sous forme de chlorhydrate d'oxime par la phase sulfurique ; - dans une seconde étape réactionnelle, on effectue une transposition de Beckmann du chlorhydrate d'oxime extrait en milieu sulfurique concentré pour obtenir le lactame. Ce lactame résultant de la transposition de Beckmann est ensuite isolé et purifié pour conduire à un produit de haute pureté. Le procédé décrit ci-dessus présente de nombreux inconvénients. Par exemple, l'étape de photonitrosation est particulièrement coûteuse. En particulier, les lampes à mercure utilisées sont fragiles et elles pré-sentent une faible durée de vie. De plus, elles nécessitent un refroidissement et une alimentation électrique importants, et donc coûteux, compte-tenu de leur très forte puissance. Par ailleurs, cette étape de photonitrosation est peu sélective et génère de 5 à 10 % de dérivés chlorés, en particulier des chlorhydrates de chloro-oximes, qui sont extraits par l'acide sulfurique conjointement avec le chlorhydrate d'oxime désiré. De tels dérivés chlorés sont transformés -réactions dénommées par la suite réactions de déchloration- lors de la seconde étape réactionnelle relative à la transposition de Beckmann, ce qui diminue le rendement de cette transposition. En effet, comme les conditions de températures et de temps de séjour nécessaires à la déchloration sont plus sévères que les conditions requises pour effectuer la transposition de Beckmann, il en résulte des réactions secondaires d'hydrolyse du lactame final et du chlorhydrate d'oxime issu de l'étape de photonitrosation. C'est pourquoi, il est difficile d'obtenir à la fois de bons rendements de transposition et de déchloration dans cette seconde étape réactionnelle. A titre d'exemple, le rendement maximal de transposition du chlorhydrate d'oxime en lactame est de l'ordre de 90% pour un rendement de déchloration de l'ordre de 70%, étant noté qu'une augmentation du rendement de la dé-chloration provoque une baisse, rédhibitoire d'un point de vue économique, du rendement de transposition. D'autre part, les impuretés chlorées résiduelles, qui n'ont pas été transformées lors de la réaction de déchloration, doivent être éliminées lors d'étapes ultérieures de purification, étapes qui sont d'autant plus coûteuses que la quantité d'impuretés chlorées est importante. Il convient par ailleurs de noter que la réaction de transposition de Beckmann, qui s'effectue généralement dans l'acide sulfurique concentré à des températures supérieures à 100 °C, est extrêmement exothermique. Cet environnement est d'autant plus difficile que l'acide chlorhydrique présent dans le milieu, provenant du chlorhydrate d'oxime et/ou dégagé lors de l'élimination des dérivés chlorés, rend le milieu extrêmement corrosif. Cette deuxième étape nécessite donc des matériaux et des dispositifs de sécurité particulièrement coûteux. [Brève description de l'invention] La présente invention concerne un procédé de préparation de lactames dans lequel on effectue une photonitrosation d'un hydrocarbure à l'aide de chlorure de nitrosyle (NOCI), cette photonitrosation étant effectuée au moyen de diodes électroluminescentes émettant une lumière monochromatique. L'utilisation de diodes électroluminescentes, également dénommées LEDs de l'anglais "Light Emitting Diodes", présente de nombreux avantages, notamment un coût d'utilisation moindre par rapport aux lampes à mercure. En effet, les diodes LED ont une durée de vie supérieure à la durée de vie des lampes à mercure et requièrent un refroidissement et une consommation énergétique plus faibles que ces dernières. En outre, les diodes électroluminescentes ne contiennent pas de mer- cure, produit extrêmement toxique, dont l'utilisation et le recyclage complexe augmentent encore le coût d'utilisation. Les diodes électroluminescentes présentent également l'avantage d'être une source de lumière monochromatique, avec un spectre d'émission relativement étroit, ce qui permet d'améliorer de manière surprenante la sé- lectivité de la réaction de photonitrosation. Par exemple, l'utilisation de diodes électroluminescentes ayant une longueur d'onde de 590 nm permet de gagner de 1 à 2 % de sélectivité pour la réaction de photonitrosation. Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plu- sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - selon une réalisation, la lumière monochromatique émise par les diodes électroluminescentes a une valeur de longueur d'onde moyenne comprise dans un intervalle entre 550 et 650 nm ; - selon une réalisation, la lumière monochromatique émise par les diodes électroluminescentes a une valeur de longueur d'onde moyenne de 585 à 595 nm ; - selon une autre réalisation, un microréacteur, dont le corps est de préférence en verre, est utilisé pour effectuer la photonitrosation de l'hydrocarbure ; - selon une autre réalisation, le procédé selon l'invention comprend en outre une étape de transposition de Beckmann du chlorhydrate d'oxime généré lors de cette photonitrosation ; - selon une variante, on utilise un microréacteur pour effectuer l'étape de transposition de Beckmann, le corps du microréacteur pouvant avantageusement comprendre du tantale, un polymère fluoré, un acier verré ou du verre et étant préférentiellement réalisé en verre. Il est précisé que l'on entend par "corps du microréacteur" la partie du microréacteur qui se trouve au contact du milieu réactionnel, de l'étape de photonitrosation et/ou de l'étape de transposition de Beckmann. Selon un second aspect indépendant, l'invention concerne également un procédé de préparation de lactames comprenant une transposition de Beckmann d'un chlorhydrate d'oxime généré lors d'une photonitrosation préalable d'un hydrocarbure, dans lequel on utilise un microréacteur dont le corps comprend du tantale, un polymère fluoré, un acier verré ou du verre pour effectuer cette transposition de Beckmann. Grâce à ce second aspect de l'invention, il est possible d'effectuer des transpositions de Beckmann dans des conditions de contrôle précis du débit, de température et de temps de séjour des réactifs, ce qui accroît la sécurité et le rendement de cette réaction. Notamment, il a été constaté que, de façon surprenante, le rendement de la déchloration et le rendement de la transposition de Beckmann étaient améliorés simultanément et ce, indépendamment des conditions de mise en oeuvre de l'étape de photonitrosation préalable de l'hydrocarbure, que celles-ci utilisent des diodes LED ou des lampes à mercure de l'art antérieur. En outre, l'utilisation d'un microréacteur permet d'assurer des candi- tions de sécurité optimales en raison des faibles volumes de réactifs utilisés et de l'excellent contrôle de l'exothermicité de la réaction. Selon un aspect plus particulièrement préféré, on utilise un microréacteur réalisé en verre, qui est moins onéreux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'une réalisation de l'invention indiquée ci-dessous à titre illustratif et non limitatif. [Description détaillée d'une réalisation de l'invention] Un procédé de préparation de lactames conforme à l'invention corn- prend l'utilisation de diodes électroluminescentes pour effectuer la photonitrosation d'un hydrocarbure. Comme précédemment indiqué, l'utilisation de diodes électroluminescentes permet de réduire le coût du procédé de préparation de lactames compte tenu de leur faible consommation et de leur longue durée de vie comparativement aux lampes à mercure. En outre, les diodes électroluminescentes ont une taille et une puissance qui permettent leur utilisation dans un microréacteur pour accroître la sélectivité des réactions. Les diodes électroluminescentes mises en oeuvre dans cette réalisa- tion ont une puissance électrique supérieure à 1 Watt environ et sont caractérisées par une efficacité lumineuse supérieure à 10 lumen/W. De telles diodes sont disponibles chez de nombreux fournisseurs tels que Philips Lumileds (gamme Luxeon� par exemple), Cree Inc. ou Nichia Corporation. Par ailleurs, l'utilisation d'un microréacteur permet une agitation lmmogène du milieu réactif et assure notamment un meilleur transfert du chlorhydrate d'oxime de la phase organique à la phase sulfurique. Finalement, le contrôle de la température réactionnelle et du temps de séjour des composés chimiques en présence est plus aisé dans un micro-réacteur, ce qui est un avantage pour une réaction fortement exothermique telle que la transposition de Beckmann. Avantageusement, l'une au moins des deux étapes, photonitrosation, d'une part, et transposition de Beckmann/déchloration, d'autre part, est effec- tuée dans un tel microréacteur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, chacune des deux étapes réactionnelles, photonitrosation, d'une part, et transposition de Beckmann/déchloration, d'autre part- est effectuée dans un tel microréacteur. Concernant la première étape réactionnelle, on effectue la photonitro- sation d'un cycloalcane à l'aide de chlorure de nitrosyle (NOCI). Cette photo-nitrosation est réalisée en milieu biphasique solvant organique/acide sulfurique dans les conditions de températures et de concentrations bien connues de l'homme de l'art telles que celles décrites, par exemple, dans le document EP 0 993 438. Une oxime est ainsi générée en phase organique, cette oxime étant ensuite extraite sous forme de chlorhydrate d'oxime par la phase sulfurique. Par exemple, dans le cas du cyclododécane comme cycloalcane, on obtient le chlorhydrate de cyclododécanone-oxime selon la réaction : NOH, HCI NOCI - hv Cyclododecane Chlorhydrate de cyclododécanone-oxime Il convient de noter que, conformément à l'invention, la source de photons (hv) est constituée de diodes électroluminescentes qui émettent de façon monochromatique, c'est-à-dire principalement selon une plage ou un spectre de longueur d'onde significativement plus étroit que la plage d'émission des lampes à mercure, typiquement de l'ordre de 15 à 30 nm. En conséquence, ce spectre d'émission des diodes électroluminescentes est caractérisé par une longueur d'onde moyenne d'une valeur typiquement comprise dans un intervalle de 550 à 650 nm dans le cas de la photonitrosation effectuée conformément à l'invention. Ainsi, une valeur de longueur d'onde moyenne peut être de 585 à 595 nm. En outre, l'utilisation d'un microréacteur permet une meilleure répartition spatiale des photons émis par les diodes électroluminescentes dans le milieu réactionnel, ce qui est un avantage pour une réaction photochimique telle que la photonitrosation. Concernant la seconde étape réactionnelle, on effectue une transposition de Beckmann du chlorhydrate d'oxime issu de la première étape de photonitrosation, en milieu sulfurique concentré. Poursuivant l'exemple ci-dessus d'une préparation de lactame à partir de cyclododécane, on obtient le lauryllactame ou dodécalactame selon la réaction : NOH, HCI % H2O + HC1 Chlorhydrate de Dodécalactame cyclododécanone-oxi me25 De manière inattendue, l'utilisation de microréacteurs pour l'étape de transposition de Beckmann permet une amélioration surprenante à la fois du rendement de déchloration et du rendement de transposition de Beckmann proprement dit grâce au contrôle précis des températures et des temps de séjour, ce qui permet de réduire significativement les réactions secondaires (hydrolyse du chlorhydrate d'oxime et du lactame). Ainsi, on peut atteindre des rendements de déchloration compris entre 70 et 80 % et des rendements de transposition de Beckmann supérieurs à 90 %, ce qui n'était pas possible en effectuant cette réaction dans des réacteurs volumiques classiques. Ces résultats inattendus peuvent être obtenus par exemple dans les conditions suivantes : - soit en une seule étape réactionnelle conduite à des températures comprises entre 160 et 200°C et des temps de séjour compris en- tre 2 secondes et 10 minutes en fonction du nombre de microréac- teurs associés, - soit en deux étapes réactionnelles : la première, correspondant majoritairement à la transposition de Beckmann, étant conduite à des températures comprises entre 100 et 160°C et des temps de séjour compris entre 2 secondes et 10 minutes en fonction du nombre de réacteurs associés ; la deuxième, correspondant majo- ritairement aux réactions de déchloration, étant conduite à des températures comprises entre 160 et 240°C et des temps de sé- jour compris entre 2 secondes et 8 minutes en fonction du nombre de microréacteurs associés. Par ailleurs, l'utilisation de microréacteurs améliore nettement la sécurité du procédé en raison des faibles volumes mis en jeu et du contrôle particulièrement précis de l'exothermicité. Les étapes décrites précédemment -transposition de Beckmann et déchloration- sont avantageusement mises en oeuvre dans un microréacteur en verre. En effet, l'utilisation du verre comme matériau permet de résoudre les problèmes de corrosion habituellement observés avec des matériaux classiques tels que des métaux. Il convient de noter ici que l'utilisation d'un microréacteur requiert des investissements compensés par une amélioration des rendements des diffé- rentes réactions de la synthèse de lactames décrites d-dessus - photonitrosation, et/ou transposition de Beckmann et déchloration. De même, la diminution des problèmes liés à la corrosion, à la sécurité et aux coûts élevés de ces opérations compense ces investissements. La technologie permettant de fabriquer ces microréacteurs en verre est aujourd'hui bien connue de l'homme de l'art et on peut utiliser pour effectuer les réactions précédentes un microréacteur en verre fourni, par exemple, par les sociétés Corning ou Invenios. Typiquement, les microréacteurs utilisés peuvent se présenter sous la forme d'une plaque dont la surface est comprise entre 100 et 2500 cm2 ; ils présentent des canaux dont le diamètre est compris entre 50 microns et 10 mm et un système de chauffage par fluide caloporteur permettant d'atteindre des températures pouvant atteindre 250 °C. Les verres utilisables pour fabriquer ces microréacteurs sont tous les types de verre tels que les verres borosilicates (Pyrex°, par exemple), les verres sodocalciques, les verres au plomb, les verres de silice ou les vitrocéramiques. Revendications1. Procédé de préparation de lactames dans lequel on effectue une photonitrosation d'un hydrocarbure à l'aide de chlorure de nitrosyle (NOCI), ca- ractérisé en ce que cette photonitrosation est effectuée au moyen de diodes électroluminescentes (LEDs) émettant une lumière monochromatique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière monochromatique émise par les diodes électroluminescentes a une valeur de longueur d'onde moyenne comprise dans un intervalle de 550 à 650 nm. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lumière monochromatique émise par les diodes électroluminescentes a une valeur de longueur d'onde moyenne de 585 à 595 nm. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise un microréacteur pour effectuer la photonitrosation de l'hydrocarbure. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps du microréacteur est en verre. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de transposition de Beckmann du chlorhydrate d'oxime généré lors de cette photonitrosation. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on utilise un microréacteur pour effectuer l'étape de transposition de Beckmann. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps du microréacteur comprend du tantale, un polymère fluoré, un acier verré ou du verre, et est de préférence réalisé en verre. 9. Procédé de préparation de lactames comprenant une transposition de Beckmann d'un chlorhydrate d'oxime généré lors d'une photonitrosation préalable d'un hydrocarbure, caractérisé en ce qu'on utilise un microréacteur, dont le corps comprend du tantale, un polymère fluoré, un acier verré ou du verre, pour effectuer la transposition de Beckmann. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le corps du microréacteur est réalisé en verre.