FR2500445A1 - Preparation de dinitriles par hydrocyanation de 3- et/ou 4-pentenenitriles - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA CHIMIE ORGANIQUE. ELLE CONCERNE UN PROCEDE PERFECTIONNE POUR PREPARER DES DINITRILES, PAR EXEMPLE DE L'ADIPONITRILE, PAR HYDROCYANATION DE 3- ETOU 4-PENTENENITRILES EN PRESENCE D'UN CATALYSEUR CONTENANT DU NICKEL DE VALENCE ZERO ACTIVITE PAR AU MOINS UN TRIARYL ORGANOBORANE, SELON LEQUEL ON MAINTIENT LA TEMPERATURE D'HYDROCYANATION AU-DESSOUS DE 75C ET ON REGLE LA PROPORTION DE HCN PAR RAPPORT AUX 3- ETOU 4-PENTENENITRILES, AU CATALYSEUR ET AU PROMOTEUR. UTILISATION PAR L'INDUSTRIE DES POLYAMIDES.

Description

La présente invention concerne la production de dinitriles, et plus

particulièrement la production

d'adiponitrile par l'hydrocyanation de 3- et/ou 4-pentène-

nitriles en présence d'un catalyseur au nickel de valence zéro activé par un organoborane. Le brevet des E.U.A. nO 3 496 218 délivré le 17 Février 1970 décrit en termes généraux un procédé pour la préparation de dinitriles, spécialement d'adiponitrile,

par l'hydrocyanation de composés organiques éthylénique-

ment non saturés, non conjugués, par exemple de 3- et/ou 4pentènenitriles, en utilisant certains complexes de nickel comme catalyseurs. Les catalyseurs sont activés par des organoboranes comme le triphénylborane. Le brevet décrit un large éventail de conditions opératoires ainsi

que de quarâtés relatives et de types de corps en réaction.

Une forme particulièrement utile de catalyseur au nickel de valence zéro est décrite dans le brevet des

E.U.A. nO 3 766 237 délivré le 16 Octobre 1973. Les titu-

laires du brevet décrivent l'utilisation d'un excès du ligand triarylphosphite dans l'hydrocyanation ainsi que l'addition de certains éthers pour améliorer le rendement et augmenter le nombre de kilogrammes de produit que l'on

peut obtenir par kilogramme de catalyseur consommé.

Le brevet des E.U.A. n 4 082 811 délivré le 4 Avril 1978 décrit un procédé d'hydrocyanation associé

à un procédé de récupération du catalyseur.

La présente invention concerne un procédé per-

fectionné pour la production de dinitriles, par exemple

d'adiponitrile, par l'hydrocyanation de nitriles non sa-

turés, par exemple de 3- et/ou 4-pentènenitriles en pré-

sence d'un catalyseur contenant du nickel de valence zéro activé par un organoborane, selon lequel on maintient la température de l'hydrocyanation à moins d'environ 750C et de préférence entre 30 et 650C, et on règle la quantité

d'acide cyanhydrique par rapport aux autres composés par-

ticipant à la réaction de manière que le rapport molaire total de l'acide cyanhydrique au nitrile non saturé soit compris entre environ 0,18/1 et 0, 7/1, le rapport molaire total de l'acide cyanhydrique au catalyseur au nickel de valence zéro soit compris entre environ 10/1 et 116/1 et

le rapport molaire total de l'acide cyanhydrique au pro-

moteur soit compris entre environ 30/1 et 400/1. Le catalyseur préféré est représenté par la formule NiL4 dans laquelle L est P(OAr)3 et Ar est un groupe mixte m,p-tolyle, par exemple des phosphites de tritolyle (TTP). Le promoteur préféré est un triarylborane,

par exemple le triphénylborane.

Dans un mode opératoire préféré, la température pour l'hydrocyanation est maintenue entre 30 et 6500 et les rapports molaires totaux de l'acide cyanhydrique aux 3- et/ou 4-pentènenitriles, au catalyseur au nickel de valence zéro et au promoteur sont compris entre 0,25/1 et 0,55/1; entre 20/1 et 75/1 et entre 40/1 et 300/1, respectivement. La présente invention peut être utilisée pour produire divers dinitriles, mais l'adiponitrile (ADN)

est particulièrement intéressant parce que c'est un pro-

duit intermédiaire utilisé dans la production d'hexa-

méthylènediamine qui à son tour est utilisée pour produire du polyhexaméthylèneadipamide, un polyamide du commerce

utile dans la formation de fibres, de pellicules et d'ar-

ticles moulés.

Bien que la réaction d'hydrocyanation puisse utiliser n'importe quel nitrile organique éthyléniquement

non saturé, non conjugué, ayant de 4 à 20 atomes de car-

bone, elle est particulièrement intéressante dans l'hydro-

cyanation de pentènenitriles, par exemple des cis- et trans-3pentènenitrile (3PN), du 4-pentènenitrile (4 PN)

et de leurs mélanges (3,4-PN).

La préparation du catalyseur au nickel de va-

lence zéro (Ni ) qui est utilisé dans la mise en oeuvre de la présente invention est décrite dans le brevet des

E.U.A. n 3 903 120 délivré le 2 Septembre 1975. Est par-

ticulièrement intéressant, un catalyseur ayant la formule générale NiL4 dans lequel L est un ligand neutre tel qiun phoephite de triaryle de la formule P(OAr)3 dans laquelle

Ar est un groupe aryle ayant Jusqu'à 18 atomes de carbone.

Des exemples des groupes aryle sont les groupes méthoxy-

phényle, tolyle, xylyle et phényle. Des groupes méta- et para-tolyle et leurs mélanges sont les groupes aryle

préférés. On peut utiliser un excès de ligand.

Les romoteurs qui sont utilisés avec les cata-

lyseurs décrits ci-dessus sont des triarylboranes compre-

nant ceux de formule BR3 o R est un groupe aryle ou aryle substitué ayant de 6 à 12 atomes de carbone, par exemple les groupes phényle, orthotolyle, para-tolyle, naphtyle,

méthoxyphényle, biphényle, ehlorophényle et bromophényle.

Le triphénylborane (TPB) est préféré.

L'hydrocyanation peut être conduite en une seule ou plusieurs étapes. Si on utilise plusieurs étapes, il est préféré que les étapes soient en série, le produit d'une étape étant passé à une étape suivante. L'acide cyanhydrique peut être introduit dans la première étape ou réparti entre les étapes. Il est préféré de conduire

le procédé de manière continue.

La discussion suivante concerne l'hydrocyanation de 3PN et /ou de 4PN pour la production d'ADN en utilisant

un catalyseur Ni contenant un ligand mixte m,p-tritolyl-

phosphite avec du triphénylborane (TPB) comme promoteur.

Il y a lieu de comprendre que la discussion suivante s'ap-

plique à d'autres types de nitriles et de catalyseurs.

Il est bien connu que l'on peut augmenter la

vitesse de réaetion en élevant la température de réaction.

Toutefois, dans ce système, une élévation de la tempéra-

ture augmente les pertes de rendement dans une mesure

inacceptable.

On a découvert qu'en réglant les variables commrne

expliqué ci-après, on peut porter à son maximum le ren-

dement en adiponitrile tout en maintenant une vitesse de production acceptable. Plus particulièrement, on a trouvé que la conversion du 3PN et/ou du 4PN en ADN et la température de la réaction ont un effet prononcr sur

le rendement. Pour les buts de la présente description,

la perte de rendement est recprsentée typiquement par la quantité de ciset de ptrar -pntnri'e (2PN ro duite. la température de la racticx est u:e variable

critique. Quand la températur-e s'l&ve, la perte de ren-

dement, comme mesuré par la prcoduction de 2Eq, augmente.

La plus basse température qui p -ut être toldrée dépend

de la vitesse de production dsir-e airnsi que de l'acti-

vité du catalyseur. Hbitullemet la température ne

sera pas maintenue au-dessous de 25V de manière a pro-

duire ADN avec un rendement acceptable à des vitesses industriellement admissibles. A des températures de plus de 7500, par exemple h 10000, on a trouivé ue la perte de rendement est excessive et qu'on ne peut pas effectuer d'aJustements industriellement admissibles dans les corps en réaction ou les autres variables de réaction de manière à reproduire les résultats obtenus à des températures plus basses. On obtient les meilleurs rsul-tats quand la

température est maintenue entre 30 et 65 .

Comme la quasi-totalité de l'aelde cyanhydrique introduit dans le système réagit, c'est-a-dre au moins % ou plus, on a trouvé qu'on peut régler le rendement en réglant la température de réactionr et l:aIdltion de

HON par rapport aux autres corps en rêactiJn.

Ce qui suit est une discussion de l'importance de la quantité de HCN par rapport arx autres composés participant à la réaction. Quand on augmente la quantité6 de HON par rapport au 3PN et/ou au 4PNi la conversion de ces nitriles augmente et leur concentration dans les

produits de réaction diminue. Il en résulte une produc-

tion réduite de 2PN et une perte de rendement réduite.

Toutefois, la quantité de catalyseur nécessaire pour en-

tretenir la réaction augmente en mCme temps, ce qui a

une influence défavorable sur l'4conomie du procédé. In-

versement, quand on diminue la quantité de HON par rapport au 3PH et/ou au 4PN, la perte de rendement augmente et

le coût de récupération de 3PN et/ou de 4PN augmente.

En maintenant le rapport de HON à 3PN et/ou 4PN compris entre environ 0, 18/1 et 0,7/1 et de préférence entre 0,25/1 et 0,55/1, on équilibre l'avantage du rendement amélioré et l'inconvénient du coût du promoteur et des

cotte de récupératien du catalyseur et des produits 3,4-

PN. Quand le rapport de HON à Ni augmente à plus de 116/1, la réaction est difficile à entretenir, sauf si on utilise des quantités excessives de promoteur. Par ailleurs, des températures plue élevées sont nécessaires

et la perto de rendement augmente. Avec des rapporte in-

férieurs à 10/1, bien que la réaction soit vive et que

la perte de rendement soit petite, le coût de récupéra-

tion du catalyseur devient excessif. L'é4quilibre préféré est réalisé à un rapport HON/Ni compris entre 20/1 et /1. On a trouvé que la quantité de HON par rapport au promoteur, par exemple à TPB dans la réaction a une influence sur l'aotivité du catalyseur. Quand le rapport HON/promoteur dépasse 400/1, l'activité du catalyseur diminue damn une mesure telle que la température de la réaction doit Stre portée au-dessus de celle nécessaire pour l'obtention d'un rendement acceptable et, à moins d'utiliser des quantités excessives de catalyseur, la perte de rendement en 2PE est excessive. Quand le rapport HCON/promoteur descend au-dessous d'environ 25/1, le coût

da promoeteur est excessif. Le fait d'opérer avec un rap-

port HCN/pronoteur compris entre environ 30/1 et 400/1 et de préférence entre 40/1 et 300/1 permet une opération

à une vitesse et une température acceptables. Un but es-

sentiel dan le réglage des variables dont il est question est le maintien d'un rapport optimal des penténenitriles

désirés aux nitriles indésirables, par exemple les 2PN.

Les exemples non limitatifs suivants montreront bien comment l'invention peut être mise en oeuvre. Les

parties et les pourcentages sont en poids, a mois d'in-

dication contraire. les abr4viations et d6finitions sui-

vantes sont utilisées dan es exemplics: TTP = le produit de d,': ion6 Pd O 'de m,p-crésoi disponible da!s qQ.oeroe qi ontient des

quantités mino-e; s2 ph6nols Vois.

molesa de 3-= et 4-EPT consommées Conversion =moles e - e x moles d'e f) 3-od es 43- _-route Rendement (ADN) =-moles d-A x- 13C moles de 3- ?e; GN S moles de 2-RP -Produites Rendement (2!'N) = o e Z ose x 10C moles de 3cit 4-i c:sff L'appareil utilisd da t.ou les exemples est constitué de! 2 ou 3 ballon7r en verze come iacte-eurs, d'environ 25 dm3 de eapdoité aui, quî d on uItilise pils dt'm réacteur, sont disposes er. ri i e trc2-plein du

premier réacteur étant passd par gra-iit au deuxième r6éac-

teur et le trop-plein du deuxiè.me racoeu? tant passé

par gravité au tzoisième réac1mr, le trcp-.plsin du der-

nier réacteur est retenu dans uv r cipient de recueil du produit qui est changé piodiquemcz- C C/que réacteur

est équipé dr'u; moyen de *]auffe iectriy -0owMnd.

indi.vidueliement et de tubul-zs latérales -v.ir prélève

ment d'échantillone durat!e cours di'n z.ss&i, De pre-

mier réacteur comporte un orifice d'entrée cour la solu-

tion de catalyseur, la solution de promoteur et les pen-

tnenitriles. O'aque r6éacteur cImporte aussi un orifice pour des introductions dae'ide cyahyd.rique au-dessous du contenu li-Tuide des Uballon o Une entrée dzote est prévue vers lespace des vapeurs de chaque z4aeteur et du récipient de recueil du produi de façon à fournir une atmosphère non-ozydante. les pentènenitriles uintroduits dans le réacteur et utilisés pour préparer les solutions déerites ci-après contenaient environ 9% de 3PN et 1% de 4PN avec des quantités de i'ordre de traces d'autres nitriles. Des pentènenitriles d'une pureté moindre peuvent O044'

être utilisés avec des résultats sensiblement similaires.

La solution de catalyseur qui est introduite dans le pre-

mier réacteur a été préparée en faisant réagir un mélange contenant 77% de TTP, 20% des PN, 3% de poudre de nickel, mélange auquel on a ajouté 100 ppm de catalyseur chlorure sous la forme de trichlorure de phosphore. On a chauffé le mélange pendant 16 heures à 800C, on l'a refroidi et on l'a filtre pour obtenir une solution contenant environ

2,7% en poids de nickel de valence zéro (Ni0). On a pré-

paré la solution de promoteur en dissolvant un mélange de TPB anhydre dans les nitriles décrits ci-dessus de manière à obtenir une solution contenant environ 20%o en poids de triphénylborane. L'acide cyanhydrique utilisé

dans les exemples était sensiblement exempt d'acide sul-

furique et contenait seulement des quantités de l'ordre de traces d'anhydride sulfureux. L'acide cyanhydrique

était refroidi à environ o00 pour empocher une dégrada-

tion avant introduction dans le premier étape (ou les étages). On a fait démarrer le système en ajoutant de la

solution de catalyseur, des pentènenitriles et de la so-

lution de promoteur dans chaque réacteur à la température

ambiante. On a commencé ensuite l'agitation. Après chauf-

fage du ou des réacteurs à la température indiquée, on a commencé l'introduction d'acide cyanhydrique, Quand la

réaction a atteint un état de régime permanent comme in-

diqué par une concentration constante d'acide cyanhydrique

dans le milieu de réaction à un niveau indiquant une réac-

tion importante du HCN, on a prélevé des échantillons des contenus des réacteurs et du produit et on les a analysés par chromatographie en phase gazeuse pour déterminer les quantités présentes de ADN, 3IN, 4PN et 2PN. Le fait de ne pas atteindre une concentration constante d'acide cyanhydrique avec une réaction importante de HCN indique

que la réaction ne se développe pas de manière satisfai-

sante. Les résultats sont rapportés dans le Tableau.

0'5z b'69 S'9t 0'9 0ú'5 9'8V

S '6V7

6'6t 6'6t '6t 9'85 0'0 6 'Lú 8'05 b'L9 9'89 6'89 6'89 L '0ú L'V.[ 8' VS 9' 55 0'6t 0'9[. 9',9 u'úu Z'6t b"ú i 6' iú 0'6 t O'Il 9',9 -J.uo 0p s p O1.TUpo.T 69'01 9A'g L'Za 9L ' a ' S 19'9 [g'Z 88'b L' V 'ú 09'5

9.L'9.

VIL 'Vt 98'bV 98' V 08'bV (9.'/U[ x u/cFx essel:,A / N c l 8q.'t 00 99.'o O0 OS OS OS (ú 3o9 #'9V ([f '69t O0 0s O (00) tneG -aPm -np exn4,6 -Pmel

1.6V'O

K V'0 Log'o 9L 2O o0ç '0 0TN op-çod ue % '0o az'9 59t'0 b8b'0

9.69.'0

9.99.'0

08V'0

9.9 '0

96 [ '0

068'0 969'0 úL9'O 9'0 te 89' 0

(8)C-9*ú

1.1.'9

1.'9 99'5 69.'9 'ú 06' Z 9ú'Z 68' 1 68' 5 L1'9

56' 11

Z9'6 j '5 gg'L cI,TT (t (*

Y %bT - m +a ---V aa-

e;àa nil L'V. 8'o0 :zecItmoD

L'96 0'59 L 1

L'66 5'Lb 91 L'O6t 01'? [

t'1oi ' E a1.

9'66 s'8. 01 9'5b1. L'5 i 6 Z'05 Z'9a B L'96 Z'9g L 6' i[8 0'05 9

8'66 0'ú: 5

L.'05 9'1.O1 b.

68 Z'9L ú

b'05 Z'9 Z

L'_ ú' 1.9.

aa "o TN ou %u PN41:;iT -aO u o N' OD 9ú'9 Z8'ú oú'z ze 9. çLú' lL'Z O0'Z o ' a

09..48

1.-2 a oo ' Ot'e 9g.'V 00'9. VW Ob'8 96'b çLb' 61?' (Ral? %6) %ueu elueI L '68 8' Z6 ' 1.6 8' Z6 9'56 9.'L8 a' [6

8' 166

6' 16 ' g6 Z'Z6 L'Z6 V'ú6 q.ueur -epueu 12 klrrtT a-n - TABLEAU (suite) (1) HON introduit dans deux réacteurs 71,7% dans le premier, 28,3% dans le deuxième Premier réacteur 450c - Deuxième réacteur 600C - Moyenne 49, 2c00 (2) HCN introduit dans trois réacteurs 42,7% dans le premier - 39,2% dans le deuxième - 18,1% dans le troisième

Premier réacteur 4500 - Deuxième réacteur 47,500 - Troisième réacteur 500C -

Moyenne 46,9 C (3) HCN introduit dans trois réacteurs ,3% dans le premier, 28,5% dans le deuxième, 11,2% dans le troisième Température dans chaque réacteur 600C (4) Promoteur tri-p-chlorophénylborane (5) Promoteur tri-ptolylborane (6) Ligand préparé à partir de PCl3 et d'un mélange dans un rapport molaire 1/1 de phénol et m,p-crésol (7) Moyenne pondérée (8) La charge normale de PN est combinée avec 1 à 0,2 partie d'un courant contenant environ 70% de 3PN et 4PN, environ 10% de 2PN, environ 12% de 2méthyl-2-butènenitrile et 8% de valéronitrile rO to to Les exemples 1-8 et 9-12 illustrent le fait qu'à une température presque constante et en utilisant des rapports compris dams les intervalles spécifiés, quand le rapport de HON à 3PN et/ou 4PN diminue, le rendement en 2PN augmente. L'exemple 12 illustre le fait qu'un abaissement de la température réduit le rendement en 2PN et qu'une

vitesse acceptable peut encore être obtenue.

Les exemples 13-15 montrent les effets indiqués ci-dessus avec d'autres systèmes de catalyseur et/ou de promoteur. Les exemples 16 et 17 montrent l'effet de la température sur le rendement en TEPN dans des conditions

par ailleurs sensiblement constantes.

L'exemple comparatif montre que des températures au-dessus de la limite supérieure donnent des rendements

inacceptables.

REVEiDIC T IONS 1. Un procédé pour la production de dinitriles

par l'hydrocyanation continue de 3- et/ou 4-pentène-

nitriles en présence d'un catalyseur contenant du nickel de valence zéro activé par au moins un promoteur triaryl

organoborane, caractérisé en ce qu'on maintient la tem-

pérature de l'hydrocyanation au-dessous d'environ 750C

et que l'acide cyanhydrique est introduit dans la réac-

tion en quantité telle que le rapport molaire de l'acide cyanhydrique aux 3- et/ou 4-pentènenitriles soit compris

entre environ 0,18/1 et 0,7/1; le rapport molaire de l'aci-

de cyanhydrique au catalyseur au nickel de valence zéro

soit compris entre environ 10/1 et 116/1 et que le rap-

port molaire de l'acide cyanhydrique au promoteur soit

compris entre environ 30/1 et 400/1.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il est mis en oeuvre à une température com-

prise entre 30 et 65 C0.

3. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le rapport moaiere de l'acide cyanhydrique aux 3- et/ou 4pentènenitriles, au catalyseur au nickel de valence zéro et au promoteur est compris entre 0,25/1 et 0,55/1, entre 20/1 et 75/1 et entre 40/1 et 300/1, respectivement.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le catalyseur au nickel de valence zéro a la formule NiL4 o L est P(OAr)3 et Ar est un groupe aryle ayant Jusqu'à 18 atomes de carbone et le promoteur a la formule BR3 o R est un

groupe aryle ayant de 6 à 12 atomes de carbone.

5. Procédé selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que Ar est choisi parmi les groupes méta-tolyle,

para-tolyle et leurs mélanges, et R est un groupe phényle.

6. Procédé selon la revendication 1, caracté-

rieé en ce que le catalyseur au nickel de valence zéro a la formule NiL4 dans laquelle L est P(OAr)3 et Ar est choisi parmi les groupes métatolyle, para-tolyle et leurs mélanges; le procédé est mis en oeuvre à une température comprise entre 30 et 6500 et le rapport molaire de l'acide

cyanhydrique aux 3- et/ou 4-pentènenitriles, au cataly-

seur de valence zéro et au promoteur est compris entre 0,25/1 et 0,55/1; entre 20/1 et 75/1 et entre 40/1 et

300/1, respectivement.