Procédé de préparation d'un acide monocarboxylique aromatique
Le brevet principal a pour objet un procédé de préparation d'un acide monocarboxylique aromatique par oxydation en phase liquide d'un composé aromatique substitué sur le noyau par un reste d'hydrocarbure aliphatique oxydable en groupe carboxy, caractérisé en ce que l'on effectue l'oxydation au moyen d'oxygène moléculaire, en présence conjointe d'un métal lourd et de brome comme catalyseur.
La présente invention a pour objet un procédé selon la revendication du brevet principal, caractérisé en ce que ledit métal lourd est du vanadium, du chrome, du molybdène, de tungstène, de l'étain ou un métal lourd de nombre atomique de 57 à 71.
On a en effet constaté que ces métaux, utilisés conjointement au brome, donnent des résultats particulièrement satisfaisants dans l'oxydation desdits composés aromatiques.
Les métaux lourds de nombre atomique de 57 à 71 sont connus comme éléments des terres rares et comprennent le cérium, le lanthane, le samarium, l'erbium, le gadolinium, le néodyme, le dysprosium et le praséodyme. Les métaux lourds préférés sont le chrome, le vanadium, le molybdène, le tungstène, l'étain, le cérium et le néodyme. Ces métaux lourds peuvent être utilisés en mélange.
La matière de départ aromatique peut être l'une quelconque des matières de départ mentionnées dans le brevet principal. Ainsi, la matière de départ peut être un monoalcoylbenzène ou monoalcoylnaphtalène à l'état de pureté technique, exempt de poisons ou de matières entravant la réaction d'oxydation. Le substituant alcoyle contient de préférence de 1 à 4 atomes de carbone. Le composé aromatique de départ peut contenir un peu d'hydrocarbures aliphatiques saturés de zones d'ébullition semblables, relativement résistants à l'oxydation dans ce système.
Comme exemples de composés aromatiques monoalcoylés qui conviennent comme matières de départ du procédé selon l'invention, on peut citer le méthylbenzène, l'éthylbenzène, l'isopropylbenzène, le n-butylbenzène, le s - butylbenzène, l'a - méthyl- naphtalène et le B-méthylnaphtalène. Les composés alcoylés dans lesquels un substituant est plus facilement oxydable que les autres substituants, comme par exemple le tert-utyl-toluène, peuvent également être utilisés. Par un choix approprié des conditions de réaction, ce dernier composé peut être converti en acide tert-butyl-benzoique sans production de quantités appréciables d'acide dicarboxylique.
Le catalyseur de métal lourd et de brome peut être introduit dans le mélange réactionnel sous forme de sel ou de composé, en proportion fournissant une quantité catalytiquement active du métal et du brome, qui peuvent être présents sous forme ionique.
La proportion de catalyseur calculée comme bromure du métal lourd, par exemple MoBr2 ou CeBr5, peut être de 0,1 à 10 % du poids du composé aromatique de départ, avantageusement de 0,3 à 2 % et de préférence de 0,5 à 1,7 %. Cependant, il n'est pas nécessaire que le métal lourd et le brome soient présents dans les proportions stoechiométriques correspondant au bromure de métal lourd, et le métal ou le brome peut être en excès par rapport à cette proportion.
Les exemples ci-après montrent comment on peut préparer des catalyseurs contenant du brome avec du chrome, du molybdène, du tungstène ou du néodyme.
I1 est fréquemment avantageux d'opérer en sence d'un milieu organique inerte qui est de préférence un acide monocarboxylique aliphatique saturé contenant de 2 à 8 atomes de carbone, ou mieux de 2 à 4 atomes de carbone dans la molécule, ou encore de l'acide benzoïque. La proportion de milieu inerte peut être de 0,1 à 10 parties en poids par partie en poids du composé aromatique à oxyder.
En général, la proportion de milieu inerte est de 0,5 à 4 parties, et de préférence de 1 à 2,5 parties en poids par partie de la matière aromatique à oxyder. Le milieu inerte peut également être constitué par de l'acide benzoïque.
L'oxygène utilisé peut être de l'oxygène prati quement pur ou un mélange d'oxygène et de gaz inerte, comme l'air qui contient environ 20 % d'oxygène. La proportion totale de l'oxygène introduit dans le mélange réactionnel peut être de 2 à 500 moles d'oxygène par mole de matière aromatique à oxyder. Les limites préférées sont de 5 à 75 moles d'oxygène par mole de composé aromatique de départ et il n'est en général pas avantageux d'employer une proportion d'oxygène en dehors des limites de 5 à 300 moles par mole de composé aromatique.
Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de façon discontinue ou de façon continue, et la matière partiellement oxydée peut être renvoyée dans l'appareil de réaction après séparation du produit final. L'eau peut être retirée pour maintenir la concentration désirée, par exemple par distillation ou par addition d'anhydride acétique.
On soumet le mélange réactionnel à une pression suffisante pour y maintenir une phase liquide.
Ainsi, en opérant aux températures comprises entre 120 et 2750 C, la pression peut être comprise entre la pression atmosphérique et 100 atmosphères, suivant le composé aromatique de départ et le milieu organique inerte éventuellement présent dans le mélange réactionnel. Lorsqu'un milieu organique inerte tel qu'un acide monocarboxylique est utilisé, la phase liquide doit en contenir au moins une partie.
La température doit être suffisamment haute pour que la réaction s'effectue, mais ne pas être élevée au point de provoquer une carbonisation ou une formation de goudrons indésirables. La température peut être de 120 à 2750 C, avantageusement de 150 à 2500 C et de préférence de 170 à 2250 C. Le temps de réaction doit etre suffisant pour un taux de conversion satisfaisant du composé aromatique de départ en acide carboxylique désiré, et peut être de 0,5 à 25 h ou plus, et est de préférence inférieur ou égal à environ 4h.
Exemple 1
Dans un appareil de réaction approprié, pourvu d'une surface interne résistant à la corrosion (par exemple de verre, de céramique, ou de métal ou alliage inoxydable), muni de moyens d'agitation tels que dispositif agitateur mécanique ou moyens d'agitation par courant gazeux, et muni de moyens de chauffage ou de refroidissement du contenu, par exemple serpentin ou double enveloppe, un réfrigérant à reflux pourvu d'un dispositif séparateur pour séparer l'eau et faire refluer le condensat non aqueux dans le récipient de réaction, un tube d'entrée de gaz et un évent pour le dégagement de matières volatiles, on introduit 100 parties en poids de toluène, 100 parties en poids d'acide acétique et un catalyseur préparé en mélangeant et en évaporant à sec 1,0 partie en poids de chromate d'ammonium, 0,
5 partie en poids de bromure d'ammonium et 58 parties en poids d'acide bromhydrique (20 %
HBr).
On chauffe le mélange à 2000 C sous une pression manométrique de 28 kg/cmS. On fait passer de l'air dans le mélange réactionnel à un débit de 400 l/h (mesuré à environ 270 C et à la pression atmosphérique). Les vapeurs formées vont dans le réfrigérant, le condensat reflue dans le mélange réactionnel et les gaz non condensés sont évacués par une soupape régulatrice de pression qui maintient la pression manométrique à 28 kg/cm dans l'appareil. Lorsque la teneur en oxygène des gaz évacués atteint approximativement 20 % en volume, on interrompt l'admission d'air dans l'appareil de réaction. On refroidit le contenu de l'appareil jusqu'à environ 1000 C, et on le transfère dans un appareil de distillation. On chasse l'eau et l'acide acétique par distillation et on isole un acide benzoïque de haute pureté.
Le rendement en acide benzolque atteint 90 moles pour cent.
Exemple 2
Dans l'appareil de l'exemple 1, on introduit 100 parties en poids de toluène, 25 parties en poids d'acide benzoïque et un catalyseur préparé en évaporant à sec 1,0 partie en poids de molybdate d'ammonium, 1,0 partie en poids de bromure d'ammonium et 58 parties en poids d'acide bromhydrique (20 % HBr).
On chauffe le mélange sous une pression suffisante pour assurer le maintien d'une phase liquide de toluène et d'acide benzoïque. On fait passer dans le mélange réactionnel de l'oxygène pratiquement pur à un débit de 100 l/h (mesuré à 270 C et à la pression atmosphérique), tout en agitant le mélange réactionnel. Au bout de 50 min, l'oxydation étant terminée, on refroidit le contenu de l'appareil de réaction jusqu a environ 1000 C et on le transfère dans un appareil de distillation. On obtient de l'acide benzoïque de grande pureté en rendement de 90 % de la théorie, par rapport au toluène introduit.
Exemple 3
Dans l'appareil de l'exemple 1, on introduit 100 parties en poids d'a-méthylnaphtalène exempt de soufre, 100 parties en poids d'acide acétique et un catalyseur préparé en évaporant à sec 1,0 partie d'acide tungstique, 1,0 partie en poids de bromure d'ammonium et 58 parties d'acide bromhydrique (20 % HBr). On chauffe le mélange à 2000 C sous une pression manométrique de 28 kg/cmW tout en faisant passer de l'air dans le mélange réactionnel à un débit de 400 l/h (mesuré comme dans l'exemple 1). On poursuit l'opération comme décrit dans l'exemple 1. Lorsque la teneur en oxygène des gaz évacués atteint 20,8 % en volume, la réaction est terminée. On refroidit le contenu de l'appareil de réaction jusqu'à environ 1000 C, et on le retire.
On chasse par évaporation l'acide acétique et l'eau de réaction. On dissout le résidu dans une solution diluée d'hydroxyde de sodium, on filtre et on acidule le filtrat avec de l'acide chlorhydrique. On recueille sur un filtre le précipité, qui est de l'acide -naphtoi- que, on le lave à l'eau et on le sèche. Le rendement en acide a-naphto ; que est d'environ 75 % de la théorie.
Exemple 4
Dans l'appareil de l'exemple 1, on introduit 100 parties en poids de toluène, 100 parties en poids d'acide acétique et un catalyseur préparé en combinant 4,2 parties en poids de Nd(NO,), 2NH4NO3. 4H2O et 15 parties en poids d'acide bromhydrique concentré (48 % HBr). On chauffe le mélange à 2000 C et sous 28 kg/cm2 de pression, et on fait passer de l'air dans le mélange à un débit de 400 1/h (mesuré à 270 C et à la pression atmosphérique). Lorsque la teneur en oxygène des gaz évacués atteint 20,6 % en volume, l'oxydation est terminée et on isole l'acide benzoïque comme déorit dans l'exemple 1. Le rendement en acide benzoïque atteint 90 % de la théorie.