WO2013120986A1 - Procede d'hydroxylation de composes aromatiques, catalyseur d'hydroxylation et son procede de preparation - Google Patents

Procede d'hydroxylation de composes aromatiques, catalyseur d'hydroxylation et son procede de preparation Download PDF

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WO2013120986A1
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hydroxylation
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titano
silicalite
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Thibaut CORRE
Belén ALBELA
Laurent Bonneviot
Laurent Garel
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Rhodia Operations
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Definitions

  • hydroxylation of aromatic compounds in the presence of an oxidant, in particular hydrogen peroxide, and a catalyst leads to the formation of hydroxylated aromatic compounds, such as hydroquinone (HQ) and pyrocatechol (PC ) for the phenol, but also to the formation of secondary products including tars.
  • HQ hydroquinone
  • PC pyrocatechol
  • the conversion of the starting aromatic compound must be limited, and is for example in the case of phenol of 5 to 30%.
  • hydroquinone is relatively important, particularly in the field of polymerization inhibitors.
  • One way to meet this growing demand for hydroquinone would be to direct the hydroxylation reaction of phenol to the formation of hydroquinone.
  • TS-1 and TS-2 are zeolites characterized by the presence of titanium atoms replacing silicon atoms in the structure. These zeolites have respectively an MFI or MEL structure and are generally obtained by mixing a source of silicon, a source of titanium, a structuring agent and a mineralizing agent, the mixture obtained is then crystallized for 1 to 4 hours. 10 days at a temperature typically close to 175 ° C and finally calcined for 3 to 12 hours at a temperature typically close to 550 ° C. Processes for the preparation of TS-1 are in particular described in US4410501 or EP031 1983.
  • TS-1 and TS-2 have interesting catalytic properties and are thus used in many reactions such as hydroxylation of phenol, rammoximation of cyclohexanone or epoxidation of alkenes.
  • An object of the present invention is to provide an improved method of hydroxylation of aromatic compounds, and in particular phenol, anisole and para-t-butyl phenol.
  • Another object of the present invention is to provide a method of hydroxylation of phenol for the preparation of hydroquinone and pyrocatechol with a PC / HQ molar ratio of less than 1, 4, preferably less than 1, 2, more preferred less than 1, preferably strictly less than 0.8, preferably strictly less than 0.7.
  • Another object of the present invention is to provide a zeolite titano-silicalite suitable for this method of hydroxylation of aromatic compounds.
  • the present invention relates to a process for the hydroxylation of a compound of formula
  • n is a number from 0 to 4, preferably equal to 0, 1 or 2,
  • R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl, cycloalkyl, aryl or aralkyl group
  • R 2 which may be identical or different, represent an alkyl, alkoxy, hydroxyl, a halogen or a perhaloalkyl group; by reaction of the compound of formula (I) with an oxidizing agent, in the presence of a zeolite titano-silicalite (or zeolite titano-silicalite) prepared by crystallization preceded by a curing step.
  • a zeolite titano-silicalite or zeolite titano-silicalite
  • alkyl means a linear or branched hydrocarbon chain C1-C15, preferably C1-C1 0 and even more preferably C1-C4.
  • alkyl groups include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl and t-butyl.
  • alkoxy is meant an alkyl-O- group in which the term alkyl has the meaning given above.
  • Preferred examples of alkoxy groups are methoxy or ethoxy.
  • cycloalkyl is meant a cyclic hydrocarbon group, monocyclic C 3 -C 8 , preferably a cyclopentyl or cyclohexyl or polycyclic (bicyclic or tricyclic) C 4 - C 18 , especially adamantyl or norbornyl.
  • aryl is meant an aromatic mono- or polycyclic group, preferably mono- or bicyclic C 6 -C 2 O, preferably phenyl or naphthyl.
  • the group is polycyclic, that is to say that it comprises more than one ring nucleus, the ring nuclei can be condensed two by two or attached in pairs by bonds ⁇ .
  • groups (C 6 -C 8) aryl include phenyl, naphthyl.
  • aralkyl is meant a linear or branched hydrocarbon-based group carrying a C 7 -C 12 monocyclic aromatic ring, preferably benzyl: the aliphatic chain comprising 1 or 2 carbon atoms.
  • perhaloalkyl group means an alkyl group comprising from 1 to 10 carbon atoms and from 3 to 21 halogen atoms, preferably fluorine and more particularly the trifluoromethyl group.
  • halogen atom is preferably fluorine, chlorine and bromine.
  • the substrates to which the process of the invention applies are in particular phenol; aliphatic phenol ethers; monoalkylphenols, dialkylphenols, trialkylphenols with alkyl groups in dC 4 ; alkoxyphenols with CC 4 alkoxy groups.
  • substrates of formula (I) which may be used in the process of the invention, mention may be made, without limitation, of phenol; aliphatic phenol ethers such as anisole, phenetole; alkylphenols such as ⁇ -cresol, p-cresol, m-cresol, 4-tert-butylphenol (or para-tert-butylphenol); alkoxyphenols such as 2-methoxyphenol (guaiacol), 4-methoxyphenol, 2-ethoxyphenol (guetol).
  • phenol aliphatic phenol ethers such as anisole, phenetole
  • alkylphenols such as ⁇ -cresol, p-cresol, m-cresol, 4-tert-butylphenol (or para-tert-butylphenol)
  • alkoxyphenols such as 2-methoxyphenol (guaiacol), 4-methoxyphenol, 2-ethoxyphenol (guetol).
  • R 1 represents H
  • R 2 represents tert-butyl
  • n 1, preferably R 2 is in the para position.
  • the hydroxylation process according to the invention makes it possible, in particular, from the phenol, the preparation of hydroquinone and of pyrocatechol with a molar ratio PC / HQ of less than 1, 4, preferably less than 1.2, more preferably less than 1, preferably strictly less than 0.8, and even more preferably less than 0.7.
  • the molar ratio PC / HQ is at least equal to 0.05.
  • the oxidizing agent is hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  • the oxidizing agent is used in a molar ratio relative to the compound of formula (I) of from 0.005 to 0.60, preferably from 0.05 to 0.50 and even more preferably from 0.15 to 0.35.
  • the hydrogen peroxide titer is typically 10 to 70%, and most often 20 to 30%.
  • the hydroxylation reaction is carried out in the presence of a solvent, especially chosen from protic solvents, aprotic solvents or a mixture of these solvents.
  • the process may especially be carried out in water, in a protic solvent, in an aprotic solvent or in a mixture of water / protic solvent or water / aprotic solvent.
  • the protic solvent may be chosen from water, alcohols, especially methanol, ethanol, propanol, isopropanol or tert-butanol and acids, in particular acetic acid.
  • the hydroxylation reaction is carried out in water.
  • the aprotic solvent may be acetone and any other ketone, nitriles such as acetonitrile, esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate or butyl acetate.
  • the solvent is used in a molar proportion of from 0.05 to 50 relative to the compound (I), preferably from 0.2 to 20.
  • the water may be mixed with other solvents in water / solvent molar proportions of 1 / 0.01 to 1/20, preferably of 1 / 0.1 to 1/2 .
  • the process according to the invention is a method of hydroxylation of phenol leading to the formation of pyrocatechol and hydroquinone.
  • the process of the invention makes it possible to obtain hydroquinone and pyrocatechol in a molar ratio PC / HQ of less than 1.4, of preferably less than 1, 2, more preferably less than 1, even more preferably strictly less than 0.8, and still more preferably less than 0.7.
  • the process according to the invention is a process for the hydroxylation of anisole.
  • the process according to the invention is a process for the hydroxylation of para-tert-butylphenol.
  • the process of the invention may in particular be carried out at a temperature of 50 ° C to 120 ° C, preferably 70 ° C to 100 ° C.
  • the method of the invention may in particular be implemented in a period of 5 minutes to several days, for example from 5 minutes to 100 hours.
  • the process according to the invention is advantageously implemented in a reactor operating in batch, semi-batch or continuous mode. Different types of reactor can be used for carrying out the process according to the invention.
  • the process according to the invention is carried out in a stirred reactor or a cascade of stirred reactors or in a plug flow reactor, for example a tubular reactor arranged horizontally, vertically or inclined. .
  • the process according to the invention is preferably carried out with a mass proportion of zeolite relative to the compound of formula (I) of 0.001 to 0.30, preferably of 0.01 to 0.10, and even more preferably from 0.01 to 0.06.
  • the matured titano-silicalite zeolite used for carrying out the hydroxylation process according to the invention is a TS-1 or TS-2 zeolite, respectively of the MFI family or of the MEL family.
  • zeolites are described in the state of the art but are modified according to the invention by the introduction of a curing step before crystallization to be used in the implementation of the hydroxylation process according to the invention.
  • the present invention thus relates to a matured titano-silicalite zeolite, preferably TS-1 or TS-2 matured, preferably TS-1, characterized by an average particle size of 10 to 300 nm, preferably 20 to 150 nm more preferably from 35 to 75 nm.
  • the structural study of the different materials is carried out using a X PERT Pro diffractometer.
  • the diffractograms are recorded over an angular range of from 5 ° to 90 ° to 200 seconds in steps of 0.02 °.
  • the size of the crystallites was also determined by an Ultra 55 Zeiss field-effect scanning electron microscope (SEM) equipped with an InLens detector (FIG. 2) and a JEOL 2010F transmission electron microscope equipped with a field emission gun operating at 200 kV ( Figure 3).
  • the crystallite size distribution also was determined by dynamic light scattering (DLS). The measurements were carried out at 20 ° C. using a Vasco DL135 granulometer from Cordouan Technologies.
  • the crystallite size distribution was calculated from the autocorrelation function using the Padé-Laplace algorithm (FIG. 4).
  • Measurements were applied to synthetic solutions (i.e., solutions obtained after curing, after crystallization and before calcining materials) diluted 10-400 fold in demineralized water and / or sonicated for 1 to 10 minutes but also to solutions obtained, after dispersion of 50 to 100 mg of calcined catalyst in 10 g of demineralized water, and sonicated for 15 minutes.
  • this zeolite is also characterized by an infrared absorption band at 550 cm -1 and an infrared absorption band at 960 cm -1 (FIG. 5).
  • the ratio between the area of the strip at 960 cm -1 (A 960 ) and the area of the strip at 550 cm -1 (A 550 ) varies between 0 and 1 and preferably between 0.4 and 0.7. .
  • the analyzes were carried out with a Jasco 4200 Fourier transform infrared (FT / IR) spectrometer, in attenuated total reflection (ATR), between 400 and 4000 cm -1 .
  • FT / IR Fourier transform infrared
  • this zeolite is also characterized by a UV absorption band of between 210 and 240 nm (FIG. 6).
  • the presence of titanium oxide (UV absorption band at around 330-360 nm) can also be demonstrated by this characterization technique.
  • the analyzes were carried out with a Perkin Elmer Lambda 950 spectrophotometer, for wavelengths between 190 and 500 nm.
  • the zeolite matured according to the invention and used in the hydroxylation process according to the invention can be advantageously obtained by a manufacturing process comprising a ripening step.
  • the specific surface area of this zeolite is between 350 and 600 m 2 / g, preferably between 400 and 500 m 2 / g.
  • the measurement of the amount of nitrogen capable of adsorbing on the surface of a porous solid, as a function of the relative pressure P / P 0 makes it possible to determine the specific surface area, the volume and the pore diameter.
  • Nitrogen adsorption and desorption are performed in liquid nitrogen (at -196 ° C) using a Belsorp Max. The sample is pretreated under secondary vacuum at 250 ° C. for 16 hours. The sample mass analyzed is about 50-100 mg.
  • Nitrogen adsorption and desorption isotherms of a TS-1 are reported as an example in FIG. 7. Nitrogen adsorption is first done in the micropores. Therefore, the analysis of the first part of the curve (P / P 0 ⁇ 0.02) makes it possible to determine the volume and the size of the micropores (BET method and HK method). Then, once the micropores are filled, the adsorption takes place outside the particles. The exploitation of the second part of the curve (0.02 ⁇ P / P 0 ⁇ 0.85) gives access to the external surface of the material (measured from the so-called t-plot method).
  • the zeolite has a Ti / (Ti + Si) molar ratio of from 0.0001 to 0.10, preferably from 0.0001 to 0.05, for example from 0.005 to 0.04.
  • the present invention also relates to a process for preparing a zeolite titano-silicalite comprising the following steps:
  • Step a) of preparing the precursor can be carried out by any method known to those skilled in the art.
  • step a) is carried out according to A.J.H.P. Van Der Pol et al. (Appl., Catalan A General 1992 92 93-1 1 1), it includes the following steps:
  • the mixture according to step (i) is stirred for 30 minutes to 2 hours, preferably for 1 hour, at a temperature of 20 to 50 ° C, preferably 25 to 40 ° C.
  • step (ii) is carried out under an inert atmosphere, for example under argon.
  • step a) is performed according to A. Thangaraj et al. (J. Catal. 1991 130 1-8), it comprises in particular the following steps:
  • step 2) adding the solution of step 2) into the solution of step 1) at low temperature, preferably 0 ° C;
  • the mixture according to step 1) is carried out at ambient temperature (20-25 ° C) for 0.5 to 5 hours, preferably for 2 to 4 hours before step 3).
  • the temperature of step 4) is 60 to 100 ° C, for example 80 ° C.
  • step a) is carried out according to Serrano et al. (Micro.Mat., 1995, 273-282), it comprises in particular the following steps:
  • step F) impregnation of the material obtained in step E) with an aqueous solution of structuring agent and mineralizing agent drip and homogenization.
  • step D the material becomes en masse.
  • Step E) is carried out at a temperature of 60 to 130 ° C, for example at 100 ° C; for 6 hours to 5 days, for example for 3 days.
  • the source of titanium and the source of silicon may be any compound known to those skilled in the art which can be used for the preparation of zeolite titano-silicalite (for example those described by Perego et al., Applied Catalysis A: General, 2001 , 221, 63-72)).
  • the sources of titanium and silicon are chosen from titanium or silicon oxides, titanium or silicon alkoxides and titanium or silicon halides.
  • the titanium source is a titanium alkoxide, for example tetraethoxytitanium (TEOT) or tetrabutoxytitanium (TBOT).
  • the silicon source is a silicon alkoxide, for example tetraethylorthosilicate (TEOS).
  • the term "structuring agent” means a structural directing agent which will allow the formation of the zeolite.
  • the term “mineralizing agent” is intended to mean any chemical species whose function is to catalyze the hydrolysis and polycondensation of the sources of titanium and silicon. The same entity can play the role of the structuring agent and the mineralizing agent.
  • the different structuring agents that can be used, alone or in combination, to prepare TS-1 are chosen from tetrapropylammonium (TPA + ), tetraethylammonium (TEA + ), tetrapropylphosphonium (TPP + ), tetraethylphosphonium (PET + ), l hexapropyl-1,6-hexanediammonium (di-TPA + ), the mineralizing agent can then be the counter-ion selected from HO " , F " and amine.
  • TS-2 tetrabutylammonium (TBA + ) and 3,5-dimethyl-N, N-diethylpiperidinium (DMDEP + ), the mineralizing agent being able to then be the counter-ion selected from HO " , F " and amine.
  • TAA + tetrabutylammonium
  • DDEP + 3,5-dimethyl-N, N-diethylpiperidinium
  • the tetrapropylammonium hydroxide acts as the structuring agent and the mineralizing agent (TPA + structuring agent and HO " mineralizing agent).
  • structuring agent is typically an aqueous solution between 20 and 40% by weight of structuring agent.
  • the molar ratios structuring agent / Si and mineralizing agent / Si are from 0.09 to 0.55, preferably from 0.17 to 0.45.
  • the molar ratio H 2 O / Si is between 4 and 80 and preferably between 10 and 30.
  • step b) of maturation of the zeolite titano-silicalite corresponds to a thermal heating step, before crystallization, with or without stirring, at a temperature of 20 to 120 ° C., preferably at a temperature of 70 to 100 ° C, more preferably 80 ° C or 90 ° C.
  • the b) maturing step is carried out between 30 minutes and 9 months, preferably between 1 hour and 15 days.
  • the maturing step b) corresponds to a thermal heating step, before crystallization, at a temperature of 20 to 120 ° C., preferably of 20 to 110 ° C., for 30 minutes at 9 ° C. month.
  • the ripening step is conducted between 70 and 100 ° C between 1 hour and 15 days and preferably at 80 ° C between 10 and 35 hours or at 90 ° C between 2 and 20 hours.
  • the ripening time will preferably be shorter for a higher temperature.
  • the zeolite titanosilicalite ripening step corresponds to a microwave heating step, before crystallization, with or without stirring, at a temperature of 40 to 120 ° C., for 1 to 180 hours. minutes.
  • the microwave heating will shorten the curing time.
  • microwave heating will reduce the temperature of ripening.
  • the crystallization step c) can be carried out, with or without stirring, under autogenous system pressure or under inert gas pressure, for example nitrogen, for example at a pressure of 10 to 120 bar, preferably 20 to 120 bars.
  • the crystallization step c) can be carried out with or without stirring, by microwave heating at a temperature of 140 to 200 ° C, for example 175 ° C, for a time below 8 hours, particularly preferably less than 3 hours, for example from 1 to 60 minutes.
  • the process for preparing the zeolite titano-silicalite may further comprise a step of washing the crystallized material of step c).
  • This step can be carried out by any method known to those skilled in the art and in particular by washing with deionized water.
  • This step may in particular be carried out by dispersing the material obtained in step c) in deionized water, this washing step may be repeated several times and preferably until the pH of the solution after washing is less than to 9.
  • the process for preparing the zeolite may further comprise a step of recovering the washed material.
  • This step can be carried out by any method known to those skilled in the art and in particular by centrifugation, in particular by centrifugation at low temperature.
  • the material thus obtained is then dried by any method known to those skilled in the art, in particular by atomization or simple drying at a temperature of 70 to 110 ° C., for 10 to 48 hours.
  • the process for preparing the zeolite may further comprise a final calcination step.
  • This step can be carried out by any method known to those skilled in the art, in particular by heating at a temperature of 350 to 750 ° C, for example at 550 ° C for 2 to 24 hours.
  • the ripening step b) makes it possible to reduce the duration of the crystallization step c) by thermal heating, which must usually be greater than 1 day at 175 ° C., without modifying the catalytic performances of the zeolite.
  • the crystallization step is carried out, with or without stirring, from 140 to 200 ° C., for example at 175 ° C. for a time of less than 1 day, preferably less than 12 hours, particularly preferably less than 8 hours, for example from 3 to 6 hours.
  • the invention also relates to a zeolite titano-silicalite obtainable by its preparation process.
  • the particle sizes obtained after maturing, after crystallization and before calcination are equivalent or identical to those obtained after maturing, after crystallization and after calcination.
  • FIG. 1 represents the X-ray diffractogram of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturing stage at 80 ° C. for 14 hours and then crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • I represents the diffracted intensity
  • ⁇ represents half the angle between the incident beam and the diffracted beam.
  • FIG. 2 represents a SEM image of a TS-1 type titano-silicalite zeolite which has undergone a maturing stage at 80 ° C. for 14 hours and then has been crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • FIG. 3 represents a TEM shot of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturation stage at 80 ° C. for 23 hours and then has been crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • FIG. 4 represents the population (percentage of the number of particles) as a function of the diameter D of the particles of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturation stage at 80 ° C., for 23 hours, and then has been crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • FIG. 5 represents the IR spectrum of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturation stage at 80 ° C. for 14 hours and then has been crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • R represents the reflectance and ⁇ represents the wave number.
  • FIG. 6 represents the UV spectrum of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturing stage at 80 ° C. for 14 hours and then crystallized for 5 days at 175 ° C.
  • F (R ⁇ ) represents the Kubeika Munk function for an infinite thickness of powder and ⁇ represents the wavelength.
  • FIG. 7 represents the nitrogen adsorption and desorption isotherms of a TS-1 type titanosilicalite zeolite which has undergone a maturing stage at 80 ° C. for 14 hours and then crystallized 5 days at 175 ° C. ° C.
  • V represents the volume Specifically adsorbed gaseous equivalent under standard conditions of temperature and pressure (STP) and P / P 0 represents the relative pressure of gas with respect to atmospheric pressure.
  • FIG. 8 represents the UV spectra of different TS-1 titano-silicalite zeolites matured at 80 ° C. for 14 hours and then crystallized at 175 ° C. for 6 hours, 24 hours or 5 days.
  • F (R ⁇ ) represents the Kubelka Munk function for an infinite thickness of powder and ⁇ represents the wavelength
  • the precursor obtained is placed in a 250 mL autoclave and is then heated without stirring at a determined temperature of 80 ° C or 90 ° C, autogenous pressure, for a specified period of 4.5 to 48 hours.
  • the cured precursor is crystallized, without stirring, at 175 ° C, autogenous pressure for 6 hours to 5 days.
  • the material obtained after the crystallization step is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes at 9 ° C. and 12000 rpm and is then washed, that is to say dispersed in about 150 to 200 ml of demineralised water and left stirring for about 1 hour.
  • the washing operation is repeated enough times (usually 3 times) so that the pH of the water of the last wash evening is less than 9.
  • the solid is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes. at 9 ° C and 12000 rpm.
  • the product is dried at 80 ° C for about 16 hours and then calcined at 550 ° C under air for 3 hours.
  • This process A describes the preparation of a zeolite titano-silicalite-1 (TS-1).
  • TS-2 titano-silicalite-2 zeolite
  • the precursor obtained is placed in a 250 ml autoclave and then heated at 80 ° C., autogenous pressure, without stirring, for a determined period of 14 hours.
  • the cured precursor is crystallized at 175 ° C., without stirring, autogenous pressure, for 5 days.
  • the material obtained after the crystallization step is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes at 9 ° C. and 12000 rpm and is then washed, that is to say dispersed in about 150 to 200 ml of demineralised water and left stirring for about 1 hour.
  • the washing operation is repeated enough times (usually 3 times) so that the pH of the water of the last wash evening is less than 9.
  • the solid is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes. at 9 ° C and 12000 rpm.
  • the product is dried at 80 ° C for about 16 hours and then calcined at 550 ° C, under air for 3 hours.
  • TEOS 1 mmol of TEOS are first hydrolysed with 35.2 ml of an aqueous HCl solution at 237 mmol / l, with stirring, at room temperature for 2 hours.
  • aqueous HCl solution 35.2 ml of an aqueous HCl solution at 237 mmol / l, with stirring, at room temperature for 2 hours.
  • To this solution are added 4.3 mmol of TBOT previously dissolved in 1.61 mol of isopropanol. The resulting mixture is then stirred for 20 minutes.
  • 14 mmol of 25% wt% TPAOH in water are added dropwise. A few seconds after the addition of the TPAOH, the cogel Si0 2 -Ti0 2 becomes en masse. This is then dried at 100 ° C for 3 days. 16.7 g of dry cogel are then collected.
  • the precursor obtained is placed in a 250 ml autoclave and then heated at 80 ° C., autogenous pressure, without stirring for a determined period of 14 hours.
  • the cured precursor is crystallized at 175 ° C, without agitation, autogenous pressure for 5 days.
  • the material obtained after the crystallization step is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes, at 9 ° C. and 12000 rpm and is then washed, that is to say dispersed in about 150 to 200 ml of demineralized water and left stirring for about 1 hour.
  • the washing operation is repeated enough times (usually 3 times) so that the pH of the water of the last wash evening is less than 9.
  • the solid is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes. at 9 ° C and 12000 rpm.
  • the product is dried at 80 ° C for about 16 hours and then calcined at 550 ° C, under air for 3 hours.
  • the precursor obtained is placed in a 250 ml autoclave and then heated at 80 ° C., 30 bars, without stirring, for a determined period of 14 hours.
  • the pressure is adjusted by an inert gas such as nitrogen.
  • the cured precursor is crystallized at 175 ° C., 60 bar, without stirring, for 5 days.
  • the pressure is adjusted by an inert gas such as nitrogen.
  • the material obtained after the crystallization step is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes at 9 ° C. and 12000 rpm and is then washed, that is to say dispersed in about 150 to 200 ml of demineralised water and left stirring for about 1 hour.
  • the washing operation is repeated enough times (usually 3 times) so that the pH of the water of the last wash evening is less than 9. Between each wash, the solid is recovered by centrifugation for 30 to 45 minutes. at 9 ° C and 12000 rpm.
  • the product is dried at 80 ° C for about 16 hours and then calcined at 550 ° C, under air for 3 hours.
  • the hydroxylation of the phenol is carried out in a stirred reactor (500 rpm) semi-batch of one liter in which are first added 200 g of phenol, 60 g of solvent such as water, acetone or methanol and 6 g of catalyst (TS-1 or TS-2).
  • the reactor is equipped with a jacket in which circulates a heat transfer fluid heated to 85 ° C to obtain a temperature of 80 ° C in the reaction medium.
  • the beginning of the reaction corresponds to the beginning of the introduction of 69.5 g of oxygenated water at 26% by weight in water. This is poured drop by drop, in 2 hours. After the end of the flow of hydrogen peroxide, two or three samples of 5 to 10 g of the reaction medium are made.
  • the determination of hydrogen peroxide is carried out by oxidation of iodide ions and the return of iodine formed by sodium thiosulfate.
  • the potentiometric titration station used for this analysis is a TitraLab ® 865 of the company Radiometer Analytical.
  • the degree of conversion (TT (H 2 0 2 )) of the hydrogen peroxide corresponds to the ratio between the number of moles of hydrogen peroxide converted and the number of moles of hydrogen peroxide introduced.
  • the yield of diphenols corresponds to the ratio between the number of moles of diphenols formed (pyrocatechol + hydroquinone) and the number of moles of hydrogen peroxide introduced.
  • the yield of pyrocatechol corresponds to the ratio between the number of moles of pyrocatechol formed and the number of moles of hydrogen peroxide introduced.
  • the yield of hydroquinone corresponds to the ratio between the number of moles of hydroquinone formed and the number of moles of hydrogen peroxide introduced.
  • the selectivity for diphenols corresponds to the ratio between the number of moles of diphenols formed (pyrocatechol + hydroquinone) and the number of moles of hydrogen peroxide transformed.
  • Zeolites were prepared according to Method A (Example 2.1), Method D (Example 2.2), Method C (Example 2.3) and Method B (Example 2.4) with a step of curing at 80 ° C for 4.5 minutes. at 48 hours or without a ripening stage. All zeolites prepared underwent a crystallization step at 175 ° C for 5 days and a calcination step at 550 ° C for 3 hours.
  • the size of the crystallites was determined by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) after the ripening, crystallization and calcination steps. Crystallite size was also determined by dynamic light scattering (DLS) from aqueous synthetic solutions (i.e., solutions obtained after curing, after crystallization and before calcining materials) diluted from 10 to 400 times in demineralized water and / or sonicated for 1 to 10 minutes but also from solutions obtained, after dispersion of 50 to 100 mg of cured catalyst, crystallized and calcined in 10 g of demineralized water, and sonicated for 15 minutes. The outer surface and the inter-grain distance were determined by nitrogen adsorption / desorption. The results are shown in Table 3.
  • the main characteristic of materials matured at 80 ° C is that the apparent average size of the particles is about 1.5 to 2 times lower than that of immature materials (size determined after DLS analysis, observation at TEM and calculated after XRD analysis at from the width at mid-height of the line (101)). Moreover, whatever the synthesis protocol, it is observed that TS-1 particles of 50 to 70 nm are obtained if the zeolite has undergone a maturing step, and this regardless of the curing time at 80 ° C. . The particles being smaller after curing, the space between the grains (D in ter- rains g determined by the BJH method) is consequently lower.
  • the zeolites matured for 4.5 to 48 hours at 80 ° C have an external surface area approximately twice that of immature materials.
  • the size of the crystallites obtained after the ripening and crystallization steps and before the calcination step is similar, or even identical, to the size of the crystallites obtained after the ripening, crystallization and calcination steps.
  • the hydroxylation reaction presented above was carried out with different zeolites prepared according to protocol A having undergone a maturation stage at 80 ° C. for 4.5 h (example 3.2), for 14 h (example 3.3), for 23 h (example 3.4) and during 48h (example 3.5) and at 90 ° C during 14h (example 3.6) and during 23h (example 3.7).
  • Example 3.1 A comparative example (Example 3.1) of hydroxylation of phenol was also carried out with a zeolite obtained by Method A but not having undergone the ripening step. All zeolites prepared underwent a crystallization step at 175 ° C for 5 days and a calcination step at 550 ° C for 3 hours.
  • T 0 T 0 + T 0 + T 0 + T 0 + T 0 + T 0 + T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0 T 0 + T 0
  • the hydroxylation reaction presented above was carried out with different zeolites prepared according to protocol A and having undergone a maturation stage at 80 ° C. for 14 hours and a crystallization step at 175 ° C. for 6 hours (example 4.1). during 24h (example 4.2), for 5 days (example 4.3). All zeolites were calcined at 550 ° C for 3 hours.
  • zeolites prepared according to protocol A underwent a ripening step at 80 ° C. for 14 hours and a crystallization step at 175 ° C. for 6 hours (example 5.1). for 24h (example 5.2) and for 5 days (example 5.3). All zeolites were calcined at 550 ° C for 3 hours.
  • the size of the crystallites was determined by DRX and DLS. The results are shown in Table 6.
  • the molar ratio Ti / (Ti + Si) is respectively 0.013, 0.016 and 0.020 for crystallization times at 175 ° C. for 6 hours, 24 hours and 5 days.
  • the increase in titanium content from 0.013 to 0.016 and 0.020 corresponds to the increasing formation of anatase as evidenced in FIG. 8.
  • the zeolite used for the hydroxylation reaction of phenol was prepared according to protocol A and first underwent a ripening step at 80 ° C. for 23 h, then a crystallization step at 175 ° C. for 5 days, and finally a calcination step at 550 ° C for 3 hours.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'hydroxylation d'un composé de formule (I) par réaction du composé de formule (I) avec un agent oxydant, en présence d'une zéolite titano-silicalite préparée par cristallisation précédée d'une étape de mûrissement. La présente invention concerne également une zéolite titano-silicalite et son procédé de préparation.

Description

Procédé d'hydroxylation de composés aromatiques, catalyseur d'hydroxylation et son procédé de préparation
L'hydroxylation de composés aromatiques, comme les phénols, en présence d'un oxydant, notamment d'eau oxygénée, et d'un catalyseur conduit à la formation de composés aromatiques hydroxylés, comme l'hydroquinone (HQ) et le pyrocatéchol (PC) pour le phénol, mais également à la formation de produits secondaires notamment goudrons. Pour limiter la formation de ces goudrons, la conversion du composé aromatique de départ doit être limitée, et est par exemple dans le cas du phénol de 5 à 30 %.
Plus spécifiquement, la demande en hydroquinone est relativement importante, notamment dans le domaine des inhibiteurs de polymérisation. Un moyen de satisfaire à cette demande croissante en hydroquinone serait d'orienter la réaction d'hydroxylation du phénol vers la formation d'hydroquinone.
Il est connu de l'art antérieur, notamment de FR2071464, l'utilisation de catalyseur homogène de type acide fort, éventuellement modifié, pour l'hydroxylation du phénol. La mise en œuvre de cette réaction d'hydroxylation du phénol en présence de catalyseur homogène acide fort conduit à la formation d'hydroquinone et de pyrocatéchol avec un ratio molaire PC/HQ, dépendant de l'acide utilisé, supérieur ou égal à 1 ,5. De manière générale, l'utilisation de catalyseur homogène conduit à la formation d'hydroquinone et de pyrocatéchol avec un ratio molaire PC/HQ supérieur ou égal à 1.
Il est également connu de l'art antérieur, notamment de FR2523575, d'utiliser une zéolite de type titano-silicalite de structure MFI ou MEL, notamment respectivement TS-1 ou TS-2, catalyseur hétérogène, pour l'hydroxylation du phénol. Il est ainsi possible d'obtenir de l'hydroquinone et du pyrocatéchol avec un ratio molaire PC/HQ inférieur à 1 ,3, notamment compris entre 0,4 et 1 ,3 selon le catalyseur ou le solvant utilisé dans la réaction d'hydroxylation du phénol.
Il convient cependant de fournir un procédé permettant d'obtenir un ratio molaire PC/HQ le plus faible possible pour favoriser la formation d'hydroquinone tout en gardant un rendement le plus élevé possible dans un solvant respectueux de l'environnement tel que l'eau.
La TS-1 et la TS-2 sont des zéolites caractérisées par la présence d'atomes de titane en remplacement d'atomes de silicium dans la structure. Ces zéolites présentent respectivement une structure MFI ou MEL et sont généralement obtenues par mélange d'une source de silicium, d'une source de titane, d'un agent structurant et d'un agent minéralisant, le mélange obtenu est ensuite cristallisé pendant 1 à 10 jours à une température typiquement proche de 175°C et enfin calciné pendant 3 à 12 heures, à une température typiquement proche de 550°C. Des procédés de préparation de TS-1 sont notamment décrits dans US4410501 ou EP031 1983.
La TS-1 et la TS-2 présentent des propriétés catalytiques intéressantes et sont ainsi utilisées dans de nombreuses réactions telles que l'hydroxylation du phénol, rammoximation de la cyclohexanone ou l'époxydation d'alcènes.
De nombreuses études ont été menées visant à améliorer les performances catalytiques des zéolites titano-silicalites. Ces études ont porté notamment sur le temps de cristallisation, sur la source de silicium, sur la source d'agent structurant, sur le ratio molaire TPAOH/Si, sur le ratio molaire H20/Si ou sur le ratio molaire Ti/(Ti+Si) (Van Der Pol et al., Appl. Catal. A General, 1992 92 93-1 1 1 ).
Il convient de trouver un procédé optimisé de préparation des silicalites au titane telles que la TS-1 ou la TS-2 permettant d'améliorer leurs propriétés catalytiques notamment dans le cadre de la réaction d'hydroxylation de composés aromatiques, et en particulier du phénol.
Un objectif de la présente invention est de fournir un procédé amélioré d'hydroxylation de composés aromatiques, et en particulier du phénol, de l'anisole et du para-t-butyl-phénol.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'hydroxylation du phénol permettant la préparation d'hydroquinone et de pyrocatéchol avec un ratio molaire PC/HQ inférieur à 1 ,4, de préférence inférieur à 1 ,2, de manière plus préférée inférieure à 1 , de préférence strictement inférieur à 0,8, de préférence strictement inférieur à 0,7.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir une zéolite titano-silicalite convenant à ce procédé d'hydroxylation de composés aromatiques.
D'autres objectifs apparaîtront à la lecture de la description de l'invention qui suit.
La présente invention concerne un procédé d'hydroxylation d'un composé de formule
(I) :
Figure imgf000004_0001
dans ladite formule :
- n est un nombre de 0 à 4, de préférence égal à 0, 1 ou 2,
- Ri représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, cycloalkyle, aryle, aralkyle,
- R2, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle, alkoxy, hydroxyle, un d'halogène, un groupe perhalogénoalkyle ; par réaction du composé de formule (I) avec un agent oxydant, en présence d'une zéolite titano-silicalite (ou zéolithe titano-silicalite) préparée par cristallisation précédée d'une étape de mûrissement.
Dans le cadre de l'invention, on entend par « alkyle », une chaîne hydrocarbonée linéaire ou ramifiée en C1-C15, de préférence en C1-C10 et encore plus préférentiellement en C1-C4. Des exemples de groupes alkyle préférés sont notamment méthyle, éthyle, propyle, isopropyle, butyle, isobutyle, t-butyle.
Par « alkoxy », on entend un groupe alkyl-O- dans lequel le terme alkyle a la signification donnée ci-dessus. Des exemples préférés de groupes alkoxy sont les groupes méthoxy ou éthoxy.
Par « cycloalkyle », on entend un groupe hydrocarboné cyclique, monocyclique en C3-C8, de préférence, un groupe cyclopentyle ou cyclohexyle ou polycyclique (bi- ou tricyclique) en C4- C18, notamment adamantyle ou norbornyle.
Par « aryle », on entend un groupe mono- ou polycyclique aromatique, de préférence, mono- ou bicyclique en C6-C2o, de préférence, phényle ou naphtyle. Lorsque le groupe est polycyclique c'est-à-dire qu'il comprend plus d'un noyau cyclique, les noyaux cycliques peuvent être condensés deux à deux ou rattachés deux à deux par des liaisons σ. Des exemples de groupes (C6-Ci8)aryle sont notamment phényle, naphtyle.
Par « aralkyle », on entend un groupe hydrocarboné, linéaire ou ramifié porteur d'un cycle aromatique monocyclique en C7-C12, de préférence, benzyle : la chaîne aliphatique comprenant 1 ou 2 atomes de carbone.
Par « groupe perhalogénoalkyle », on entend un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone et de 3 à 21 atomes d'halogène de préférence de fluor et plus particulièrement le groupe trifluorométhyle.
Dans la formule (I), on définit par « atome d'halogène », de préférence le fluor, le chlore et le brome.
Les substrats auxquels s'applique le procédé de l'invention sont notamment, le phénol ; les éthers aliphatiques de phénols ; les monoalkylphénols, les dialkylphénols, les trialkylphénols avec des groupes alkyle en d-C4 ; les alkoxyphénols avec des groupes alkoxy en C C4. Parmi les substrats de formule (I) qui pourront être mis en œuvre dans le procédé de l'invention, on peut citer à titre non limitatif, le phénol ; les éthers aliphatiques de phénol tels que l'anisole, le phénétole ; les alkylphénols tels que Γο-crésol, le p-crésol, le m-crésol, le 4- tert-butylphénol (ou para-tert-butylphénol) ; les alkoxyphénols tels que le 2-méthoxyphénol (le gaïacol), le 4-méthoxyphénol, le 2-éthoxyphénol (le guétol).
De façon préférée, dans le composé de formule (I), Ri est un atome d'hydrogène, un groupe méthyle ou un groupe éthyle, de manière plus préférée Ri est l'hydrogène. De façon encore plus préférée, n=0 dans le composé de formule (I). De façon très avantageuse, dans le composé de formule (I), n=0 et R-ι est un atome d'hydrogène, un groupe méthyle ou un groupe éthyle. De façon particulièrement préférée, le composé de formule (I) est le phénol ou l'anisole.
Dans un autre mode de réalisation et de façon avantageuse, dans le composé de formule (I), Ri représente H, R2 représente un tert-butyle et n = 1 , de préférence R2 est en position para.
Le procédé d'hydroxylation selon l'invention permet notamment, à partir du phénol, la préparation d'hydroquinone et de pyrocatéchol avec un ratio molaire PC/HQ inférieur à 1 ,4, de préférence inférieur à 1 ,2, de manière plus préférée inférieur à 1 , de préférence strictement inférieur à 0,8, et encore de préférence strictement inférieur à 0,7. De manière avantageuse, le ratio molaire PC/HQ est au moins égal à 0,05.
De préférence, l'agent oxydant est le peroxyde d'hydrogène (H202). De préférence, l'agent oxydant est utilisé dans un ratio molaire par rapport au composé de formule (I) de 0,005 à 0,60, de préférence de 0,05 à 0,50 et de manière encore plus préférée de 0,15 à 0,35. Le titre du peroxyde d'hydrogène est typiquement de 10 à 70 %, et le plus souvent de 20 à 30 %.
De façon préférée, la réaction d'hydroxylation est mise en œuvre en présence d'un solvant, notamment choisi parmi les solvants protiques, les solvants aprotiques ou un mélange de ces solvants. Le procédé peut notamment être mis en œuvre dans l'eau, dans un solvant protique, dans un solvant aprotique ou dans un mélange eau/solvant protique ou eau/solvant aprotique. Le solvant protique peut être choisi parmi l'eau, les alcools, notamment méthanol, éthanol, propanol, isopropanol ou ter-butanol et les acides notamment l'acide acétique. De façon particulièrement préférée, la réaction d'hydroxylation est mise en œuvre dans l'eau. Le solvant aprotique peut être l'acétone et toute autre cétone, les nitriles tels que l'acétonitrile, les esters tels que l'acétate de méthyle, l'acétate d'éthyle, l'acétate de propyle ou l'acétate de butyle.
De préférence, le solvant est utilisé dans une proportion molaire de 0,05 à 50 par rapport au composé (I), de préférence de 0,2 à 20.
Selon une variante, comme précisé plus haut, l'eau peut être mélangée avec d'autres solvants dans des proportions molaires eau/solvant de 1/0,01 à 1/20, de préférence de 1/0,1 à 1/2.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé selon l'invention est un procédé d'hydroxylation du phénol menant à la formation de pyrocatéchol et d'hydroquinone. De façon particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention permet l'obtention d'hydroquinone et de pyrocatéchol dans un ratio molaire PC/HQ inférieur à 1 ,4, de préférence inférieur à 1 ,2, de manière plus préférée inférieur à 1 , de manière encore plus préférée strictement inférieur à 0,8, et encore de préférence strictement inférieur à 0,7.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le procédé selon l'invention est un procédé d'hydroxylation de l'anisole.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le procédé selon l'invention est un procédé d'hydroxylation du para-tert-butylphénol.
Le procédé de l'invention peut notamment être mis en œuvre à une température de 50°C à 120°C, de préférence de 70°C à 100°C.
Le procédé de l'invention peut notamment être mis en œuvre dans une durée de 5 minutes à plusieurs jours, par exemple de 5 minutes à 100 heures.
Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre dans un réacteur fonctionnant en batch, en semi batch ou en mode continu. Différents types de réacteur peuvent être utilisés pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. De manière avantageuse, le procédé selon l'invention est mis en œuvre dans un réacteur agité ou une cascade de réacteurs agités ou encore dans un réacteur à écoulement piston, par exemple un réacteur tubulaire disposé à l'horizontale, à la verticale ou encore incliné.
Le procédé selon l'invention est de préférence mis en œuvre avec une proportion massique de zéolite par rapport au composé de formule (I) de 0,001 à 0,30, de préférence de 0,01 à 0,10 et de manière encore plus préférée de 0,01 à 0,06.
De préférence, la zéolite titano-silicalite mûrie utilisée pour la mise en œuvre du procédé d'hydroxylation selon l'invention est une zéolite TS-1 ou TS-2 respectivement de la famille MFI ou de la famille MEL. De telles zéolites sont décrites dans l'état de la technique mais sont modifiées selon l'invention par l'introduction d'une étape de mûrissement avant cristallisation pour être utilisées dans la mise en œuvre du procédé d'hydroxylation selon l'invention.
La présente invention concerne ainsi une zéolite titano-silicalite mûrie, de préférence TS-1 ou TS-2 mûrie, de préférence TS-1 , caractérisée par une taille moyenne apparente de particules de 10 à 300 nm, de préférence de 20 à 150 nm, de manière plus préférée de 35 à 75 nm. La taille apparente moyenne des cristallites a été calculée, selon la formule de Scherrer, à partir de la largeur à mi-hauteur de raies de diffraction X. Il a été choisi de travailler avec la raie (101 ) (29=7,9°) (figure 1 ). L'étude structurale des différents matériaux est effectuée à l'aide d'un diffractomètre X PERT Pro. Les diffractogrammes sont enregistrés sur un domaine angulaire en 29 allant de 5° à 90° à 200 secondes par pas de 0,02°. La taille des cristallites a également été déterminée grâce à un microscope électronique à balayage à effet de champ (MEB/FEG) Ultra 55 Zeiss équipé d'un détecteur InLens (figure 2) et d'un microscope électronique en transmission JEOL 2010F équipé d'un canon à émission de champ fonctionnant à 200 kV (figure 3). La distribution des tailles des cristallites a également été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les mesures ont été réalisées à 20°C au moyen d'un granulomètre Vasco DL135 de la société Cordouan Technologies. La distribution des tailles des cristallites a été calculée à partir de la fonction d'autocorrélation en utilisant l'algorithme Padé-Laplace (figure 4). Les mesures ont été appliquées aux solutions de synthèse (c'est-à-dire aux solutions obtenues après mûrissement, après cristallisation et avant calcination des matériaux) diluées de 10 à 400 fois dans de l'eau déminéralisée et/ou traitées aux ultrasons pendant 1 à 10 minutes mais également à des solutions obtenues, après dispersion de 50 à 100 mg de catalyseur calciné dans 10 g d'eau déminéralisée, et traitées aux ultrasons pendant 15 minutes.
De préférence, cette zéolite est également caractérisée par une bande d'absorption infrarouge à 550 cm"1 et une bande d'absorption infrarouge à 960 cm"1 (figure 5). Les bandes d'absorption infrarouge à 420 cm"1 , 800 cm"1 , 1070 cm"1 et 1220 cm"1, classiquement obtenues pour tout matériau à base de Si02, sont également observées. Le ratio entre l'aire de la bande à 960 cm"1 (A960) et l'aire de la bande à 550 cm"1 (A550) varie entre 0 et 1 et de préférence entre 0,4 et 0,7. Les analyses ont été réalisées avec un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FT/IR) Jasco 4200, en réflexion totale atténuée (ATR), entre 400 et 4000 cm"1.
De préférence, cette zéolite est également caractérisée par une bande d'absorption UV comprise entre 210 et 240 nm (figure 6). La présence d'oxyde de titane (bande d'absorption UV aux alentours de 330 - 360 nm) peut également être mise en évidence par cette technique de caractérisation. Les analyses ont été réalisées avec un spectrophotomètre Perkin Elmer Lambda 950, pour des longueurs d'onde comprises entre 190 et 500 nm.
La zéolite mûrie selon l'invention et mise en œuvre dans le procédé d'hydroxylation selon l'invention peut être avantageusement obtenue par un procédé de fabrication comprenant une étape de mûrissement.
Avantageusement, cette étape de mûrissement permet d'obtenir une zéolite présentant une surface externe (mesurée à partir de la pente de la courbe d'adsorption d'azote représentée selon la méthode dite du t-plot) de 60m2/g à 300 m2/g, de préférence de 60 à 150 m2/g et/ou une distance inter-grains (mesurée selon la méthode Barrett, Joyner et Halenda = méthode BJH) de 5 à 50 nm, de préférence de 10 à 30 nm. De façon avantageuse, la surface spécifique de cette zéolite (mesurée selon la méthode de Brunauer, Emmett et Teller = méthode BET) est comprise entre 350 et 600 m2/g de préférence entre 400 et 500 m2/g. De façon particulière, la taille des micropores est comprise entre 0,40 et 0,50 nm et de préférence entre 0,44 et 0,46 nm (mesurée par la méthode Horvath-Kawazoe = méthode HK). La mesure de la quantité d'azote capable de s'adsorber à la surface d'un solide poreux, en fonction de la pression relative P/P0, permet de déterminer la surface spécifique, le volume et le diamètre des pores. L'adsorption et la désorption d'azote sont réalisées dans l'azote liquide (à -196°C) à l'aide d'un Belsorp Max. L'échantillon est préalablement traité sous vide secondaire à 250°C pendant 16 h. La masse d'échantillon analysé est d'environ 50 - 100 mg. Des isothermes d'adsorption et de désorption d'azote d'une TS-1 sont reportées comme exemple figure 7. L'adsorption d'azote se fait tout d'abord dans les micropores. Par conséquent, l'analyse de la première partie de la courbe (P/P0 < 0,02) permet de déterminer le volume et la taille des micropores (méthode BET et méthode HK). Ensuite, une fois les micropores remplis, l'adsorption s'effectue à l'extérieur des particules. L'exploitation de la deuxième partie de la courbe (0,02 < P/P0 < 0,85) donne accès à la surface externe du matériau (mesurée à partir de la méthode dite du t-plot). Enfin, pour des pressions relatives supérieures à 0,85, nous observons une hystérèse due à une condensation capillaire dans les mésopores du matériau. Ces mésopores sont des pores inter-grains, issus d'un colmatage des particules entre elles. L'analyse de la dernière partie de la courbe (P/P0 > 0,85) permet de déterminer le volume et la taille des mésopores (équivalente à la distance inter-grains) (méthode BJH).
De préférence, la zéolite présente un ratio molaire Ti/(Ti+Si) de 0,0001 à 0,10, de préférence de 0,0001 à 0,05, par exemple de 0,005 à 0,04.
La présente invention concerne également un procédé de préparation d'une zéolite titano-silicalite comprenant les étapes suivantes :
a) préparation d'un précurseur de zéolite à partir d'au moins une source de silicium, d'au moins une source de titane, d'au moins un agent minéralisant et d'au moins un agent structurant ;
b) mûrissement du précurseur ;
c) cristallisation du précurseur mûri, et éventuellement
d) calcination du précurseur mûri et cristallisé, notamment pour l'obtention de la zéolite selon l'invention.
L'étape a) de préparation du précurseur peut être menée par toute méthode connue de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape a) est réalisée selon A. J. H. P. Van Der Pol et al. (Appl. Catal. A General 1992 92 93-1 1 1 ), elle comprend notamment les étapes suivantes :
i. mélange de la source de titane et de la source de silicium ;
ii. ajout à la solution obtenue en i), au goutte à goutte, à froid, de préférence à 0°C, d'une solution aqueuse d'agent structurant et d'agent minéralisant ; iii. chauffage de la solution obtenue en ii) à une température de 60 à 100°C, de préférence à 80°C ;
iv. ajout d'eau déminéralisée.
De préférence, le mélange selon l'étape (i) est agité pendant 30 min à 2 heures, de préférence pendant 1 heure, à une température de 20 à 50°C, de préférence de 25 à 40°C.
De préférence, l'étape (ii) est menée sous atmosphère inerte, par exemple sous argon.
Dans un autre mode de réalisation particulier, l'étape a) est réalisée selon A. Thangaraj et al. (J. Catal. 1991 130 1-8), elle comprend notamment les étapes suivantes :
1 ) mélange d'une source de silicium et d'une solution aqueuse d'agent structurant et d'agent minéralisant;
2) mélange d'une source de titane et d'un alcool notamment isopropanol ;
3) ajout de la solution de l'étape 2) dans la solution de l'étape 1 ) au goutte à goutte à basse température, de préférence 0°C ;
4) chauffage
5) ajout d'eau déminéralisée.
De préférence, le mélange selon l'étape 1 ) est effectué à température ambiante (20- 25°C) pendant 0,5 à 5 heures, de préférence pendant 2 à 4 heures avant l'étape 3).
De préférence, la température de l'étape 4) est de 60 à 100°C, par exemple de 80°C.
Dans un autre mode de réalisation particulier, l'étape a) est réalisée selon Serrano et al. (Micro. Mater. 1995 4 273-282), elle comprend notamment les étapes suivantes :
A) hydrolyse d'une source de silicium par une solution aqueuse acidifiée, de préférence une solution aqueuse d'HCI ;
B) dissolution d'une source de titane dans un alcool, notamment isopropanol ;
C) ajout de la solution B) dans la solution A) ;
D) ajout d'une solution aqueuse d'agent structurant et d'agent minéralisant ;
E) séchage et obtention d'un matériau solide ;
F) imprégnation du matériau obtenu à l'étape E) par une solution aqueuse d'agent structurant et d'agent minéralisant au goutte à goutte et homogénéisation.
A la fin de l'étape D) le matériau prend en masse.
L'étape E) est réalisée à une température de 60 à 130°C, par exemple à 100°C ; pendant 6 heures à 5 jours, par exemple pendant 3 jours.
La source de titane et la source de silicium, peuvent être tous les composés connus de l'homme du métier pouvant servir à la préparation de zéolite titano-silicalite (par exemple ceux décrits par Perego et al. (Applied Catalysis A : General, 2001 , 221 , 63-72)). De préférence, les sources de titane et de silicium sont choisies parmi les oxydes de titane ou de silicium, les alcoxydes de titane ou de silicium et les halogénures de titane ou de silicium. De préférence, la source de titane est un alcoxyde de titane, par exemple le tétraethoxytitane (TEOT) ou le tétrabutoxytitane (TBOT). De préférence la source de silicium est un alcoxyde de silicium, par exemple le tétraéthylorthosilicate (TEOS).
Selon l'invention, on entend par « agent structurant » un agent directeur de structure qui va permettre la formation de la zéolite. On entend par « agent minéralisant », toute espèce chimique ayant pour rôle de catalyser l'hydrolyse et la polycondensation des sources de titane et de silicium. La même entité peut jouer le rôle de l'agent structurant et de l'agent minéralisant. Les différents agents structurants pouvant être utilisés, seuls ou mélangés, pour préparer la TS-1 sont choisis parmi le tétrapropylammonium (TPA+), le tetraéthylammonium (TEA+), le tétrapropylphosphonium (TPP+), le tétraéthylphosphonium (TEP+), l'hexapropyl-1 ,6-hexanediammonium (di-TPA+), l'agent minéralisant pouvant alors être le contre-ion choisi parmi HO", F" et aminé. Les différents agents structurants pouvant être utilisés, seuls ou mélangés, pour préparer la TS-2 sont choisis parmi le tétrabutylammonium (TBA+) et le 3,5-diméthyl-N,N-diéthylpipéridinium (DMDEP+), l'agent minéralisant pouvant alors être le contre-ion choisi parmi HO", F" et aminé.
De préférence, dans le procédé de l'invention, l'hydroxyde de tétrapropylammonium (TPAOH) joue le rôle de l'agent structurant et de l'agent minéralisant (TPA+ agent structurant et HO" agent minéralisant). La solution aqueuse d'agent structurant est typiquement une solution aqueuse entre 20 et 40 % poids d'agent structurant.
De façon avantageuse, les ratios molaires agent structurant/Si et agent minéralisant/Si, et notamment le ratio molaire TPAOH/Si, sont de 0,09 à 0,55, de préférence de 0,17 à 0,45.
De façon avantageuse, le ratio molaire H20/Si est compris entre 4 et 80 et de préférence entre 10 et 30.
De façon particulièrement avantageuse, l'étape b) de mûrissement de la zéolite titano-silicalite correspond à une étape de chauffage thermique, avant cristallisation, avec ou sans agitation, à une température de 20 à 120°C, de préférence à une température de 70 à 100°C, plus préférentiellement 80°C ou 90°C. De préférence, l'étape b) de mûrissement est menée entre 30 minutes et 9 mois, de préférence entre 1 heure et 15 jours. Dans un mode de réalisation particulier, l'étape b) de mûrissement correspond à une étape de chauffage thermique, avant cristallisation, à une température de 20 à 120°C, de préférence de 20 à 1 10°C, pendant 30 minutes à 9 mois. De préférence, l'étape de mûrissement est menée entre 70 et 100°C entre 1 heure et 15 jours et préférentiellement à 80°C entre 10 et 35 heures ou encore à 90°C entre 2 et 20 heures. Le temps de mûrissement sera préférentiellement plus court pour une température plus élevée.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de mûrissement de la zéolite titano- silicalite correspond à une étape de chauffage micro-onde, avant cristallisation, avec ou sans agitation, à une température de 40 à 120°C, pendant 1 à 180 minutes. A température équivalente à un chauffage thermique, le chauffage micro-onde permettra de raccourcir le temps de mûrissement. A temps équivalent à un chauffage thermique, le chauffage microonde permettra de diminuer la température de mûrissement.
L'étape de cristallisation c) peut être mise en œuvre, avec ou sans agitation, sous pression autogène du système ou sous pression de gaz inerte, par exemple azote, par exemple à une pression de 10 à 120 bars, de préférence de 20 à 120 bars.
Dans un autre mode de réalisation, l'étape de cristallisation c) peut être mise en œuvre avec ou sans agitation, par chauffage micro-onde à une température de 140 à 200°C, par exemple 175°C, pendant un temps inférieur à 8 h, de manière particulièrement préférée inférieur à 3 h, par exemple de 1 à 60 minutes.
Le procédé de préparation de la zéolite titano-silicalite peut en outre comprendre une étape de lavage du matériau cristallisé de l'étape c). Cette étape peut être mise en œuvre par toute méthode connue de l'homme du métier et notamment par lavage à l'eau déionisée. Cette étape peut notamment être mise en œuvre par dispersion du matériau obtenu à l'étape c) dans une eau déionisée, cette étape de lavage peut être répétée plusieurs fois et de préférence jusqu'à ce que le pH de la solution après lavage soit inférieur à 9.
Le procédé de préparation de la zéolite peut en outre comprendre une étape de récupération du matériau lavé. Cette étape peut être mise en œuvre par toute méthode connue de l'homme du métier et notamment par centrifugation, notamment par centrifugation à basse température. Le matériau ainsi obtenu est ensuite séché par toute méthode connue de l'homme du métier, notamment par atomisation ou simple séchage à une température de 70 à 1 10°C, pendant 10 à 48 heures.
Le procédé de préparation de la zéolite peut en outre comprendre une dernière étape de calcination. Cette étape peut être mise en œuvre par toute méthode connue de l'homme du métier, notamment par chauffage à une température de 350 à 750°C, par exemple à 550°C pendant 2 à 24 heures.
De préférence, l'étape de mûrissement b) permet de réduire la durée de l'étape de cristallisation c) par chauffage thermique qui doit habituellement être supérieure à 1 jour à 175°C, sans modifier les performances catalytiques de la zéolite. Ainsi, de façon particulièrement avantageuse, l'étape de cristallisation est réalisée, avec ou sans agitation, de 140 à 200°C, par exemple à 175°C pendant un temps inférieur à 1 journée, de préférence inférieur à 12 heures, de manière particulièrement préférée inférieur à 8 heures, par exemple de 3 à 6 heures.
L'invention concerne également une zéolite titano-silicalite susceptible d'être obtenue par son procédé de préparation.
De façon générale, les tailles des particules obtenues après mûrissement, après cristallisation et avant calcination sont équivalentes, voire identiques, à celles obtenues après mûrissement, après cristallisation et après calcination.
La présente invention va maintenant être décrite à l'aide d'exemples illustratifs non limitatifs.
Dans les exemples, tous les pourcentages sont donnés en poids, sauf indication contraire, la température est exprimée en degré Celsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire.
La figure 1 représente le diffractogramme X d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 14 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C. Sur la figure 1 , I représente l'intensité diffractée et Θ représente la moitié de l'angle entre le faisceau incident et le faisceau diffracté.
La figure 2 représente un cliché MEB d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 14 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C.
La figure 3 représente un cliché MET d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 23 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C.
La figure 4 représente la population (pourcentage du nombre de particules) en fonction du diamètre D des particules d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 23 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C.
La figure 5 représente le spectre IR d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 14 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C. Sur la figure 5, R représente la réflectance et σ représente le nombre d'onde.
La figure 6 représente le spectre UV d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 14 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C. Sur la figure 6, F(R∞) représente la fonction de Kubeika Munk pour une épaisseur infinie de poudre et λ représente la longueur d'onde.
La figure 7 représente les isothermes d'adsorption et de désorption d'azote d'une zéolite titano-silicalite de type TS-1 ayant subi une étape de mûrissement à 80°C, pendant 14 heures, puis ayant été cristallisée 5 jours à 175°C. Sur la figure 7, V représente le volume spécifique adsorbé en équivalent gazeux dans les conditions standards de température et de pression (STP) et P/P0 représente la pression relative de gaz par rapport à la pression atmosphérique.
La figure 8 représente les spectres UV de différentes zéolites titano-silicalite de type TS-1 mûries à 80°C pendant 14 heures puis cristallisées à 175°C, pendant 6 heures, 24 heures ou 5 jours. Sur la figure 8, F(R∞) représente la fonction de Kubelka Munk pour une épaisseur infinie de poudre et λ représente la longueur d'onde,
EXEMPLES :
Procédé A de préparation d'une zéolite titano-silicalite selon l'invention
Préparation du précurseur
377 mmol de Si(OEt)4 (TEOS) (Sigma Aldrich≥ 99,0 %) et 8 mmol de Ti(OEt)4 (TEOT) (Alfa Aesar 99+ %) sont ajoutées dans un flacon en polypropylène balayé par un flux d'argon. Cette première solution est alors agitée 1 heure à 35°C. Ensuite, une deuxième solution contenant 132 mmol de (C3H7)4NOH (TPAOH) à 20 % poids dans l'eau est préparée par dilution à l'eau déminéralisée de la solution commerciale à 25 % (Acros). L'ajout de la solution de TPAOH se fait à 0°C, au goutte à goutte. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 80°C pendant environ 3 heures. Finalement, de 37 g d'eau déminéralisée sont ajoutés de manière à ce que le volume de la solution de précurseur soit égal aux 2/3 du volume de l'autoclave dans lequel la zéolite titano-silicalite est ensuite cristallisée. La composition molaire de la solution limpide résultante est : Si02/Ti02/TPAOH/H20 = 1/0,02/0,35/21
Mûrissement du précurseur
Le précurseur obtenu est placé dans un autoclave de 250 mL puis est chauffé sans agitation à une température déterminée de 80°C ou de 90°C, pression autogène, pendant une durée déterminée de 4,5 à 48 heures.
Cristallisation
Le précurseur mûri est cristallisé, sans agitation, à 175°C, pression autogène pendant 6 heures à 5 jours.
Lavage, séchage, calcination
Le matériau obtenu après l'étape de cristallisation est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute puis est lavé c'est-à-dire dispersé dans environ 150 à 200 mL d'eau déminéralisée et laissé sous agitation pendant environ 1 heure. L'opération de lavage est répétée suffisamment de fois (en général 3 fois) de manière à ce que le pH de l'eau du dernier lavage soir inférieur à 9. Entre chaque lavage, le solide est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute. Ensuite, le produit est séché à 80°C pendant environ 16 heures puis est calciné à 550°C, sous air pendant 3 heures.
Ce procédé A décrit la préparation d'une zéolite titano-silicalite-1 (TS-1 ). L'obtention d'une zéolithe titano-silicalite-2 (TS-2) est possible en remplaçant lors de la préparation du précurseur le TPAOH par le TBAOH ou tout autre agent structurant permettant la synthèse de la TS-2.
Procédé B de préparation d'une zéolite titano-silicalite
Préparation du précurseur
377 mmol de TEOS et 132 mmol de TPAOH à 20 % poids dans l'eau sont ajoutées dans un flacon en polypropylène balayé par un flux d'argon. Cette première solution est alors agitée 3 heures à température ambiante. Une deuxième solution est ensuite préparée en diluant 8 mmol de Ti(OC4H9)4 (TBOT) (Acros 99 %) dans 218 mmol d'isopropanol (Acros 99,5 %). L'ajout de cette deuxième solution se fait à 0°C, au goutte à goutte et toujours en balayant par de l'argon. L'élimination des différents alcools présents s'effectue ensuite par chauffage du mélange réactionnel à 80°C pendant environ 3 heures. Finalement, 37 g d'eau déminéralisée sont ajoutés de manière à ce que le volume de la solution de précurseur soit égal aux 2/3 du volume de l'autoclave dans lequel la zéolite titano-silicalite est ensuite cristallisée. La composition molaire de la solution limpide résultant est : Si02/Ti02/TPAOH/H20 = 1/0,02/0,35/21
Mûrissement du précurseur
Le précurseur obtenu est placé dans un autoclave de 250 mL, puis est chauffé à 80°C, pression autogène, sans agitation, pendant une durée déterminée de 14 heures.
Cristallisation
Le précurseur mûri est cristallisé à 175°C, sans agitation, pression autogène, pendant 5 jours.
Lavage, séchage, calcination
Le matériau obtenu après l'étape de cristallisation est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute puis est lavé c'est-à-dire dispersé dans environ 150 à 200 mL d'eau déminéralisée et laissé sous agitation pendant environ 1 heure. L'opération de lavage est répétée suffisamment de fois (en général 3 fois) de manière à ce que le pH de l'eau du dernier lavage soir inférieur à 9. Entre chaque lavage, le solide est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute. Ensuite, le produit est séché à 80°C pendant environ 16 heures puis calciné à 550°C, sous air pendant 3 heures. Procédé C de préparation d'une zéolite titano-silicalite
Préparation du précurseur
21 1 mmol de TEOS sont tout d'abord hydrolysées par 35,2 ml_ d'une solution aqueuse d'HCI à 237 mmol/L, sous agitation, à température ambiante pendant 2 heures. A cette solution sont ajoutées 4,3 mmol de TBOT préalablement dissout dans 1 ,61 mol d'isopropanol. Le mélange obtenu est alors laissé sous agitation pendant 20 minutes. Ensuite, 14 mmol de TPAOH à 25 % poids dans l'eau sont ajoutées goutte à goutte. Quelques secondes après l'addition du TPAOH, le cogel Si02-Ti02 prend en masse. Celui-ci est ensuite séché à 100°C pendant 3 jours. On recueille alors 16,7 g de cogel sec. Celui-ci est broyé puis est imprégné par 60 mmol de TPAOH à 20 % poids dans l'eau. Cette imprégnation est réalisée en ajoutant goutte à goutte la solution aqueuse de TPAOH sur le cogel placé dans un bêcher en polypropylène. Le mélange est homogénéisé à l'aide d'une spatule. On obtient finalement une pâte relativement fluide dont la composition molaire est Si02/Ti02/TPAOH/H20 = 1/0,02/0,35/13.
Mûrissement du précurseur
Le précurseur obtenu est placé dans un autoclave de 250 mL puis est chauffé à 80°C, pression autogène, sans agitation pendant une durée déterminée de 14 heures.
Cristallisation
Le précurseur mûri est cristallisé à 175°C, sans agitation, pression autogène pendant 5 jours.
Lavage, séchage, calcination
Le matériau obtenu après l'étape de cristallisation est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute puis est lavé c'est-à-dire dispersé dans environ 150 à 200 mL d'eau déminéralisée et laissé sous agitation pendant environ 1 heure. L'opération de lavage est répétée suffisamment de fois (en général 3 fois) de manière à ce que le pH de l'eau du dernier lavage soir inférieur à 9. Entre chaque lavage, le solide est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute. Ensuite, le produit est séché à 80°C pendant environ 16 heures puis calciné à 550°C, sous air pendant 3 heures.
Procédé D de préparation d'une zéolite titano-silicalite selon l'invention
Préparation du précurseur
377 mmol de TEOS et 132 mmol de TPAOH à 20 % poids dans l'eau sont ajoutées dans un flacon en polypropylène balayé par un flux d'argon. Cette première solution est alors agitée 3 heures à température ambiante. Une deuxième solution solution est ensuite préparée en diluant 8 mmol de Ti(OC4H9)4 (TBOT) (Acros 99 %) dans 218 mmol d'isopropanol (Acros 99,5 %). L'ajout de cette deuxième solution se fait à 0°C, au goutte à goutte et toujours en balayant par de l'argon. L'élimination des différents alcools présents s'effectue ensuite par chauffage du mélange réactionnel à 80°C pendant environ 3 heures. Finalement, 37 g d'eau déminéralisée sont ajoutés de manière à ce que le volume de la solution de précurseur soit égal aux 2/3 du volume de l'autoclave dans lequel la zéolite titano-silicalite est ensuite cristallisée. La composition molaire de la solution limpide résultant est : Si02/Ti02/TPAOH/H20 = 1/0,02/0,35/21
Mûrissement du précurseur
Le précurseur obtenu est placé dans un autoclave de 250 mL, puis est chauffé à 80°C, 30 bars, sans agitation, pendant une durée déterminée de 14 heures. La pression est ajustée grâce à un gaz inerte tel que l'azote.
Cristallisation
Le précurseur mûri est cristallisé à 175°C, 60 bars, sans agitation, pendant 5 jours. La pression est ajustée grâce à un gaz inerte tel que l'azote.
Lavage, séchage, calcination
Le matériau obtenu après l'étape de cristallisation est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute puis est lavé c'est-à-dire dispersé dans environ 150 à 200 mL d'eau déminéralisée et laissé sous agitation pendant environ 1 heure.
L'opération de lavage est répétée suffisamment de fois (en général 3 fois) de manière à ce que le pH de l'eau du dernier lavage soir inférieur à 9. Entre chaque lavage, le solide est récupéré par centrifugation pendant 30 à 45 minutes, à 9°C et 12000 tours par minute.
Ensuite, le produit est séché à 80°C pendant environ 16 heures puis calciné à 550°C, sous air pendant 3 heures.
Réaction d'hvdroxylation du phénol
L'hydroxylation du phénol est opérée dans un réacteur agité (500 tours par minute) semi- batch d'un litre dans lequel sont tout d'abord ajoutés 200 g de phénol, 60 g de solvant tel que l'eau, l'acétone ou le méthanol et 6 g de catalyseur (TS-1 ou TS-2). Le réacteur est équipé d'une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur chauffé à 85°C permettant d'obtenir une température de 80°C dans le milieu réactionnel. Le début de la réaction correspond au début de l'introduction des 69,5 g d'eau oxygénée à 26 % poids dans l'eau. Celle-ci est coulée goutte à goutte, en 2 heures. Après la fin de la coulée de l'eau oxygénée, deux ou trois prélèvements de 5 à 10 g du milieu réactionnel sont effectués. Ceux-ci permettent à la fois de déterminer la quantité d'eau oxygénée restante par dosage potentiométrique mais aussi de quantifier, par analyse chromatographique en phase liquide, le pyrocatéchol (PC) et l'hydroquinone (HQ). Dans ces conditions opératoires, le rapport molaire Phénol/H202/H20 est de 1/0,25/2,9 et le rapport massique Phénol/TS-1 de 1/0,03. Dosage de l'eau oxygénée et des produits de transformation du phénol
Le dosage de l'eau oxygénée s'effectue par oxydation d'ions iodures et dosage en retour de l'iode formée par du thiosulfate de sodium. La station de titrage potentiométrique utilisée pour cette analyse est un Titralab® 865 de la société Radiometer Analytical.
Le pyrocatéchol et l'hydroquinone sont analysés par chromatographie en phase liquide (Agilent 1200 séries).
Dans les exemples qui suivent, les abréviations suivantes signifient :
Le taux de transformation (TT(H202)) du peroxyde d'hydrogène correspond au rapport entre le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène transformées et le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène introduites.
Le rendement en diphénols (RR(HQ+PC)/H202) correspond au rapport entre le nombre de moles de diphénols formées (pyrocatéchol + hydroquinone) et le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène introduites.
Le rendement en pyrocatéchol (RR(PC)/H202) correspond au rapport entre le nombre de moles de pyrocatéchol formées et le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène introduites.
Le rendement en hydroquinone (RR(HQ)/H202) correspond au rapport entre le nombre de moles d'hydroquinone formées et le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène introduites.
La sélectivité en diphénols (RT(HQ+PC)/H202) correspond au rapport entre le nombre de moles de diphénols formées (pyrocatéchol + hydroquinone) et le nombre de moles de peroxyde d'hydrogène transformées. Exemple 1 : Effet de l'étape de mûrissement sur les performances catalytiques de la
TS-1 dans la réaction d'hydroxylation du phénol
La réaction d'hydroxylation du phénol décrite ci-dessus a été mise en œuvre avec des zéolites obtenues selon le procédé C (exemples 1.1 et 1.2), selon le procédé A (exemple 1.3), selon le procédé D (exemple 1.4) et selon le procédé B (exemple 1 .5) dans lesquels l'étape de mûrissement est réalisée à 80°C pendant 14 heures, l'étape de cristallisation à 175°C pendant 5 jours, et l'étape de calcination à 550°C pendant 3 heures. Des prélèvements ont été réalisés dans le milieu réactionnel 15 et 60 minutes après la fin de la coulée de H202. Les résultats sont présentés dans le tableau 1 . Des réactions comparatives ont été effectuées avec des zéolites obtenues selon le procédé C (exemple 1.6), le procédé A (exemple 1 .7) et le procédé D (exemple 1.8) mais qui n'ont pas subi l'étape de mûrissement. Ces zéolites ont seulement subi l'étape de cristallisation à 175°C pendant 5 jours et l'étape de calcination à 550°C pendant 3 heures. Des prélèvements ont été réalisés dans le milieu réactionnel 15 et 60 minutes après la fin de la coulée de H202. Les résultats sont présentés dans le tableau 2.
Exemples selon
1 1 1 .2 1.3 1 .4 1 .5 l'invention
Prélèvement (T0 = T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 2h = temps de 15 60 15 60 15 60 15 60 15 + 60 coulée d'H2C>2) min min min min min min min min min min
TT(H202) (%) 89 99 93 99 84 98 93 99 85 98
RR(HQ)/H202 (%) 49 53 46 46 43 46 49 49 40 49
RR(PC)/H202 (%) 30 32 29 28 27 29 29 31 29 30
RR(HQ+PC)/H202
79 85 75 74 70 75 78 80 70 78 (%)
RT(HQ+PC)/H202
89 86 81 75 83 76 83 80 82 79 (%)
Rapport molaire
0,62 0,61 0,63 0,62 0,64 0,63 0,59 0,63 0,73 0,61 PC/HQ
Tableau 1
Exemples comparatifs 1.6 1 .7 1.8
Prélèvement (T0 = 2h = temps T0 + 15 TQ + 60 T0 + 15 TQ + 60 T0 + 15 TQ + 60 de coulée d'H202) min min min min min min
TT(H202) (%) 67 81 65 80 74 89
RR(HQ)/H202 (%) 26 31 24 28 32 37
RR(PC)/H202 (%) 20 24 21 23 23 26
RR(HQ+PC)/H202 (%) 46 54 45 52 55 63
RT(HQ+PC)/H202 (%) 69 67 69 65 74 71
Rapport molaire PC/HQ 0,78 0,77 0,89 0,83 0,71 0,70
Tableau 2
Les résultats montrent que les performances catalytiques des matériaux cristallisés après l'étape de mûrissement sont nettement meilleures que celles des matériaux cristallisés sans mûrissement. En effet, d'un point de vue cinétique, on constate, 15 minutes après la fin de la coulée de l'eau oxygénée (T0 + 15 min), une conversion d'H2C>2 de 84 % pour une TS-1 mûrie préparée selon le protocole A (exemple 1.3) alors qu'elle n'est que de 65 % pour le matériau synthétisé selon le même protocole mais sans l'étape de mûrissement (exemple 1.7). De plus, à iso-conversion de l'eau oxygénée (environ 80 %), ce même matériau présente une sélectivité en PC+HQ par rapport à l'eau oxygénée de 83 % (exemple 1 .3) alors qu'elle n'est que de 69 % pour son homologue non mûri (exemple 1.7). Les mêmes observations peuvent être effectuées avec l'ensemble des TS-1 synthétisées selon les autres protocoles. De plus, on constate, indépendamment du protocole de synthèse, qu'un rapport molaire PC/HQ proche de 0,60 est obtenu pour les TS-1 mûries 14h/80°C.
Exemple 2 : Effet de l'étape de mûrissement sur la structure de la TS-1
Des zéolites ont été préparées selon le procédé A (exemple 2.1 ), le procédé D (exemple 2.2), le procédé C (exemple 2.3) et le procédé B (exemple 2.4) avec une étape de mûrissement à 80°C pendant 4,5 à 48 heures ou sans étape de mûrissement. Toutes les zéolites préparées ont subi une étape de cristallisation à 175°C pendant 5 jours et une étape de calcination à 550°C pendant 3 heures.
La taille des cristallites a été déterminée par diffraction de rayons X (DRX) et microscopie électronique en transmission (MET) après les étapes de mûrissement, de cristallisation et de calcination. La taille des cristallites a également été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS) à partir des solutions aqueuses de synthèse (c'est-à-dire les solutions obtenues après mûrissement, après cristallisation et avant calcination des matériaux) diluées de 10 à 400 fois dans de l'eau déminéralisée et/ou traitées aux ultrasons pendant 1 à 10 minutes mais également à partir de solutions obtenues, après dispersion de 50 à 100 mg de catalyseur mûri, cristallisé et calciné dans 10 g d'eau déminéralisée, et traitées aux ultrasons pendant 15 minutes. La surface externe et la distance inter-grains ont été déterminées par adsorption/désorption d'azote. Les résultats sont présentés dans le tableau 3.
Figure imgf000021_0001
Tableau 3
La caractéristique principale des matériaux mûris à 80°C est que la taille moyenne apparente des particules est environ 1 ,5 à 2 fois plus faible que celle des matériaux non mûris (taille déterminée après analyse DLS, observation au MET et calculée après analyse DRX à partir de la largeur à mi-hauteur de la raie (101 )). De plus, quel que soit le protocole de synthèse, on observe que des particules de TS-1 de 50 à 70 nm sont obtenues si la zéolite a subi une étape de mûrissement, et ceci quel que soit le temps de mûrissement à 80°C. Les particules étant plus petites après mûrissement, l'espace entre les grains (Dinter-grains déterminé par la méthode BJH) est par conséquent plus faible. De plus, les zéolites mûries de 4,5 à 48 heures à 80°C présentent une surface externe environ deux fois supérieure à celle des matériaux non mûris. D'après la DLS, quels que soient le protocole de synthèse et le temps de mûrissement à 80°C, la taille des cristallites obtenues après les étapes de mûrissement et cristallisation et avant l'étape de calcination est similaire, voire identique, à la taille des cristallites obtenues après les étapes de mûrissement, cristallisation et calcination. Exemple 3 : Effet de la durée et de la température de mûrissement sur les performances catalvtiques de la TS-1 dans la réaction d'hydroxylation du phénol
La réaction d'hydroxylation présentée ci-dessus a été réalisée avec différentes zéolites préparées selon le protocole A ayant subi une étape de mûrissement à 80°C pendant 4,5h (exemple 3.2), pendant 14h (exemple 3.3), pendant 23h (exemple 3.4) et pendant 48h (exemple 3.5) et à 90°C pendant 14h (exemple 3.6) et pendant 23h (exemple 3.7).
Un exemple comparatif (exemple 3.1 ) d'hydroxylation du phénol a également été effectué avec une zéolite obtenue par le procédé A mais n'ayant pas subi l'étape de mûrissement. Toutes les zéolites préparées ont subi une étape de cristallisation à 175°C pendant 5 jours et une étape de calcination à 550°C pendant 3 heures.
Des prélèvements ont été réalisés dans le milieu réactionnel 15 et 60 minutes après la fin de la coulée de H202. Les résultats sont présentés dans le tableau 4.
Exemples 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Mûrissement Aucun 4,5h/80°C 14h/80°C 23h/80°C 48h/80°C 14h/90°C 23h/90°C
Prélèvement (T0 = T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 T0 + T0 T0 + T0
2h = temps de 15 60 15 60 15 60 15 60 15 + 60 15 + 60 15 + 60 coulée d'H202) min min min min min min min min min min min min min min
TT(H202) (%) 65 80 80 94 84 98 93 99 65 82 78 95 83 98
RR(HQ)/H202 (%) 24 28 32 40 43 46 47 49 28 34 36 41 36 37
RR(PC)/H202 (%) 21 23 23 28 27 29 29 30 20 24 24 27 24 24
RR(HQ+PC)/H202
45 52 55 68 70 75 77 78 48 58 60 68 59 61 (%)
RT(HQ+PC)/H202
69 65 69 72 83 76 83 79 74 71 77 72 71 63 (%)
Rapport molaire
0,89 0,83 0,69 0,69 0,64 0,63 0,62 0,60 0,71 0,69 0,68 0,65 0,66 0,65 PC/HQ
Tableau 4
On remarque qu'il est possible de jouer sur la sélectivité en hydroquinone et pyrocatéchol par rapport à l'eau oxygénée (RT(HQ+PC)/H202) qui varie entre 60 et 85 % en modifiant la température de mûrissement comprise entre 80 et 90°C et le temps de mûrissement compris entre 4,5 et 48 heures. En revanche, quels que soient les catalyseurs mûris, les rapports molaires PC/HQ sont proches voire identiques et strictement inférieurs à 0,70. Exemple 4 : Effet de la durée de cristallisation sur les performances catalvtiques de la TS-1 mûrie dans la réaction d'hvdroxylation du phénol
La réaction d'hydroxylation présentée ci-dessus a été réalisée avec différentes zéolites préparées selon le protocole A et ayant subi une étape de mûrissement à 80°C pendant 14 heures et une étape de cristallisation à 175°C pendant 6h (exemple 4.1 ), pendant 24h (exemple 4.2), pendant 5 jours (exemple 4.3). Toutes les zéolites ont été calcinées à 550°C pendant 3 heures.
Des prélèvements ont été réalisés dans le milieu réactionnel 15 et 60 minutes après la fin de la coulée de H202. Les résultats sont présentés dans le tableau 5.
Exemples 4.1 4.2 4.3
Cristallisation 6h/175°C 24h/175°C 5j/175°C
Prélèvement (T0 = 2h = temps T0 + 15 To + 60 T0 + 15 To + 60 T0 + 15 To + 60 de coulée d'H202) min min min min min min
TT(H202) (%) 84 98 95 99 84 98
RR(HQ)/H202 (%) 43 46 44 48 43 46
RR(PC)/H202 (%) 27 28 28 29 27 29
RR(HQ+PC)/H202 (%) 70 74 72 77 70 75
RT(HQ+PC)/H202 (%) 84 75 76 78 83 76
Rapport molaire PC/HQ 0,64 0,61 0,62 0,61 0,64 0,63
Tableau 5
Les résultats montrent qu'après mûrissement 14h/80°C, le temps de cristallisation à 175°C peut être abaissé à 6 heures sans modifier les performances catalytiques de la TS-1 . En effet, à conversion quasi-totale de l'eau oxygénée, les RT(HQ+PC)/H202 sont très proches et respectivement de 75 %, 78 % et 76 % pour des temps de cristallisation à 175°C de 6 heures, 24 heures et 5 jours. Enfin, quel que soit le temps de cristallisation à 175°C, le rapport molaire PC/HQ est de 0,60.
Exemple 5 : Effet de la durée de cristallisation sur les caractéristiques de la TS-1
Différentes zéolites préparées selon le protocole A ont subi une étape de mûrissement à 80°C pendant 14 heures et une étape de cristallisation à 175°C pendant 6h (exemple 5.1 ), pendant 24h (exemple 5.2) et pendant 5 jours (exemple 5.3). Toutes les zéolites ont été calcinées à 550°C pendant 3 heures.
La taille des cristallites a été déterminée par DRX et DLS. Les résultats sont présentés dans le tableau 6.
Figure imgf000024_0001
Tableau 6
Les résultats montrent que la taille des cristallites, d'environ 50 nm, ne dépend pas du temps de cristallisation à 175°C pour des matériaux préalablement mûris 14h/80°C. En revanche, on observe que la teneur en titane du matériau augmente avec le temps de cristallisation. Le rapport molaire Ti/(Ti+Si) est respectivement de 0,013, 0,016 et 0,020 pour des temps de cristallisation à 175°C de 6 heures, 24 heures et 5 jours. L'augmentation de la teneur en titane de 0,013 à 0,016 et 0,020 correspond à la formation de plus en plus importante d'anatase comme mis en évidence sur la figure 8.
Exemple 6 : Effet de la nature du solvant dans la réaction d'hydroxylation du phénol en présence d'un catalyseur du type zéolite titano-silicalite
La réaction d'hydroxylation présentée ci-dessus a été réalisée avec différents solvants ou mélange de solvants tels que l'eau (exemple 6.1 ), l'eau/acétone (exemple 6.2) et l'eau/méthanol (exemple 6.3).
La zéolite utilisée pour la réaction d'hydroxylation du phénol a été préparée selon le protocole A et a d'abord subi une étape de mûrissement à 80°C pendant 23h, puis une étape de cristallisation à 175°C pendant 5 jours, et enfin une étape de calcination à 550°C pendant 3 heures.
Des prélèvements ont été réalisés dans le milieu réactionnel 15, 60 ou 120 minutes après la fin de la coulée de H202. Les résultats sont présentés dans le tableau ci dessous. Exemples 6.1 6.2 6.3
Solvant Eau Eau/acétone Eau/méthanol
T0 + T0 +
Prélèvement (T0 = 2h = T0 + T0 + T0 + T0 + T0 + T0 +
120 120 temps de coulée d'H202) 15 min 60 min 15 min 60 min 15 min 60 min
min min
TT(H202) (%) 93 99 67 84 97 70 90 98
RR(HQ)/H202 (%) 47 49 27 32 35 32 36 37
RR(PC)/H202 (%) 29 30 26 30 33 22 25 25
RR(HQ+PC)/H202 (%) 77 78 52 62 68 54 60 62
RT(HQ+PC)/H202 (%) 83 79 79 74 70 77 67 63
Rapport molaire PC/HQ 0,62 0,60 0,96 0,95 0,94 0,69 0,69 0,69
Les résultats montrent que le meilleur solvant pour l'hydroxylation du phénol est l'eau utilisée seule. En effet, d'un point de vue cinétique, on constate, 60 minutes après la fin de la coulée de l'eau oxygénée (T0 + 60 min), une conversion totale de l'eau oxygénée pour l'hydroxylation du phénol dans l'eau alors qu'elle n'est que de 84 et 90 % pour l'hydroxylation du phénol respectivement dans l'eau/acétone et eau/méthanol. De plus, à iso-conversion de l'eau oxygénée (environ 100%), l'hydroxylation du phénol dans l'eau conduit à une sélectivité en PC+HQ par rapport à l'eau oxygénée de 79 % qui est plus importante que celle obtenue pour l'hydroxylation du phénol dans les mélanges eau/acétone et eau/méthanol qui sont respectivement de 70 et 63 %. Enfin, le plus faible rapport PC/HQ a été obtenu pour l'hydroxylation du phénol dans l'eau (PC/HQ = 0,60). Celui-ci est respectivement de 0,94 et 0,69 pour l'hydroxylation du phénol dans les mélanges de solvants eau/acétone et eau/méthanol.

Claims

Revendications \ - Procédé d'hydroxylation d'un composé de formule (I)
Figure imgf000026_0001
dans ladite formule :
- n est un nombre de 0 à 4, de préférence égal à 0, 1 ou 2,
- Ri représente un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, cycloalkyle, aryle, aralkyle,
- R2, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle, alkoxy, hydroxyle, un atome d'halogène, un groupe perhalogénoalkyle ;
par réaction du composé de formule (I) avec un agent oxydant, en présence d'une zéolite titano-silicalite préparée par cristallisation précédée d'une étape de mûrissement.
2.- Procédé selon la revendication 1 , dans lequel R-ι est un atome d'hydrogène, un groupe méthyle ou un groupe éthyle.
3.- Procédé selon la revendication 1 , dans lequel Ri est un atome d'hydrogène.
4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la zéolite titano-silicalite est une TS-1 ou une TS-2.
5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la réaction est mise en œuvre dans l'eau, dans un solvant protique, dans un solvant aprotique ou dans un mélange eau/solvant protique ou eau/solvant aprotique.
6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de mûrissement de la zéolite titano-silicalite est mise en œuvre à une température de 20 à 120°C pendant une durée de 30 minutes à 9 mois.
7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la zéolite titano- silicalite présente une taille moyenne apparente de particules de 10 à 300 nm, de préférence de 20 à 150 nm, de manière plus préférée de 35 à 75 nm.
8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la zéolite est utilisée dans une proportion de 0,001 à 0,30, de préférence de 0,01 à 0,10 et de façon plus préférée de 0,01 à 0,06 en poids par rapport au composé de formule (I).
9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'agent oxydant est utilisé dans un ratio molaire par rapport au composé de formule (I) de 0,005 à 0,60, de préférence de 0,05 à 0,50, de manière encore plus préférée de 0,15 à 0,35.
10. - Procédé d'hydroxylation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel le composé de formule (I) est le phénol et conduisant à la formation d'hydroquinone (HQ) et de pyrocatéchol (PC).
1 1. - Procédé selon la revendication 10, pour lequel le ratio molaire PC/HQ est inférieur à 1 ,4, de préférence strictement inférieur à 0,8, de préférence strictement inférieur à 0,7.
12. - Zéolite titano-silicalite mûrie présentant une taille moyenne apparente de particules de 10 à 300 nm, de préférence de 20 à 150 nm, de manière plus préférée de 35 à 75 nm.
13. - Procédé de préparation d'une zéolite titano-silicalite selon la revendication 12 comprenant les étapes suivantes :
a) préparation d'un précurseur de zéolite à partir d'au moins une source de silicium, d'au moins une source de titane, d'au moins un agent minéralisant et d'au moins un agent structurant ;
b) mûrissement du précurseur ;
c) cristallisation du précurseur mûri, et éventuellement,
d) calcination du précurseur mûri et cristallisé,
pour l'obtention d'une zéolite titano-silicalite présentant une taille moyenne apparente de particules de 10 à 300 nm, de préférence de 20 à 150 nm, de manière plus préférée de 35 à 75 nm.
14. - Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape de mûrissement est menée à une température de 20 à 120°C, de préférence de 20 à 1 10°C pendant une durée de 30 minutes à 9 mois.
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