WO1999015271A1 - Particules polymetalliques ultrafines, leur preparation et leur utilisation pour l'hydrogenation d'olefines ou pour le couplage de derives halogenes aromatiques - Google Patents

Particules polymetalliques ultrafines, leur preparation et leur utilisation pour l'hydrogenation d'olefines ou pour le couplage de derives halogenes aromatiques Download PDF

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Definitions

  • Ultrafine polymetallic particles their preparation and their use for the hydrogenation of olefins or for the coupling of aromatic halogen derivatives
  • the subject of the present invention is a process for preparing ultrafine polymetallic particles, the particles obtained, and the use of the particles obtained, in particular for catalysis.
  • Fine metallic particles are known for various applications, in particular in catalysis. Various methods for preparing them have been described. L. K. Kurihara, et al, (Nanostructured Materials, vol.
  • the dimensions of the crystallites of the particles are greater than or equal to 8 nm, more generally between 10 and 80 nm. Only Ru and Pt make it possible to obtain mean dimensions of smaller crystallites, respectively 5 and 2 nm.
  • Obtaining nanometric particles of Cu-Co is described in L. K. Kurihara, et al, J. Mat. Res. Flight. 10, n ° 6, June 1995. In this case, these are two metals with a standard oxidation potential between -1.20 V and +0.8 V, ie easy metals To reduce.
  • the so-called "polyol" process does not however allow the preparation of fine particles of a metal which is difficult to reduce such as aluminum for example.
  • Nanoscale particles containing aluminum can be prepared by reducing a salt with LiAlH 4 .
  • a salt with LiAlH 4 is described by JA Haber, et al, (Advanced Materials, 1996, 8 no 2).
  • the reaction mechanism of this process being as follows:
  • the Al content has an upper limit corresponding to the valence of the associated metal.
  • the structure of the powders obtained is difficult to control, the kinetics of A1H 3 decomposition being unpredictable.
  • the preparation of nanometric intermetallic particles is also known using borohydrides.
  • ST Schwab, et al (Materials Science and Engineering A204 (1995) 197-200), describe the preparation of intermetallic particles by reduction of a mixture of salts of different metals with a borohydride. (for example TiCl 4 + A1C1 3 + lithium triethylborohydride).
  • This process makes it possible to obtain intermetallic particles without limitation on the respective metal contents. It nevertheless requires a heat treatment at 1000 ° C. to decompose the products obtained by reaction of the salts with the borohydride and obtain the metallic forms.
  • the preparation of monometallic fine particles is also known by reaction of a metal salt with sodium hydride in solution in an organic solvent and in the presence of an alcoholate.
  • a metal salt with sodium hydride in solution in an organic solvent and in the presence of an alcoholate.
  • Such a process has been described for nickel particles and for zinc particles (Paul Caubère, et al, J. Am. Chem. Soc, 1982, 104, 7130; P. Gallezot, C. Leclercq, Y. Fort, P. Caubère, Journal of Molecular Catalysis, 93 (1994) 79 83, pp. 80-83; Brunet, et al, Journal of Organic Chemistry 1980, vol. 45, pp. 1937-1945).
  • the particles obtained have a crystallite dimension of the order of nm and are useful in particular as a catalyst for heterogeneous catalysts.
  • This process is particularly interesting, but cannot be effectively used to prepare particles of a metal which is difficult to reduce, having a standard oxidation potential at 25 ° C of less than -1.20 V, such as aluminum for example. .
  • a metal which is difficult to reduce, having a standard oxidation potential at 25 ° C of less than -1.20 V, such as aluminum for example.
  • the reduction of an Al 3+ cation in the presence of sodium or lithium hydride has never been mentioned in these methods.
  • the utility of polymetallic ultrafine particles is known as a catalyst in various reactions, in particular those which contain aluminum or another metal whose salts are difficult to reduce.
  • the processes of the prior art do not allow easy obtaining of ultrafine polymetallic particles containing aluminum having good purity, with any aluminum content.
  • the object of the present invention is to provide such a method.
  • the present inventors have now found that, although the reduction of an aluminum salt by lithium or sodium hydride gives ultrafine particles of metallic aluminum which reoxidize rapidly in the reaction medium, it was possible to obtaining stable polymetallic particles containing aluminum and another metal, the content of Al being arbitrary, by reduction of a mixture of salts with an alkali or alkaline earth metal hydride.
  • the present invention thus relates to a process for the preparation of ultrafine polymetallic particles, the particles obtained, as well as their uses.
  • the process of the present invention is a process for the preparation of ultrafine polymetallic particles by reduction of a mixture of salts in solution in an organic solvent using an alkali or alkaline earth metal hydride, at a temperature lower than or equal to the reflux temperature of the solvent. It is characterized in that the mixture of salts in solution comprises at least one salt of a metal having a standard oxidation potential E ° M n + / M at 25 ° C greater than -1.18 V.
  • the mixture of salts which is reacted with the hydride additionally contains at least one salt of a metal having a standard oxidation potential E ° M n + / M to 25 ° C below -1.20 V.
  • the process is advantageously carried out by adding to the reaction medium, an aliphatic or aromatic alcoholate of an alkali metal, of an alkaline earth metal or of a transition metal or an amino alcohol of an alkali metal, of an alkaline earth metal or of a transition metal.
  • an aliphatic or aromatic alcoholate of an alkali metal, of an alkaline earth metal or of a transition metal or an amino alcohol of an alkali metal, of an alkaline earth metal or of a transition metal has the effect of activating the reduction reaction of metal ions by the hydride.
  • the salts used in the process of the present invention can be chosen from halides. They can also be chosen from organic salts such as acetates, acetylacetonates or from alcoholates.
  • the salt of a metal with a standard oxidation potential E ° M n + / M at 25 ° C lower than -1.20 V is a salt of a metal chosen from the group consisting of V, Zr, Ce, Ti, Hf and Al.
  • Aluminum salts are particularly advantageous.
  • the salt of a metal with a standard oxidation potential EE ° M n + / M at 25 ° C greater than -1.18 V is a salt of a metal selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr, Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Sb.
  • a metal selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr, Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Sb.
  • Pd, Ag, Pt and Au which have a standard oxidation potential E ° M n + / M at 25 ° C greater than +0.8 V, are very easy to reduce.
  • the relative amounts of the various salts used for the reduction reaction are chosen according to the composition desired for the polymetallic particles. final, it being understood that the proportions are preserved during the reduction reaction.
  • the reducing agent used in the process of the invention is an alkali or alkaline earth hydride.
  • these hydrides mention may be made of: LiH, NaH, KH, CaH 2 and MgH 2 . LiH and NaH are particularly preferred.
  • NaH can advantageously be used in the form of a commercial solution at 65% by mass in mineral oil, optionally after washing with an aprotic organic solvent.
  • lithium hydride a commercially available lithium hydride can be used in powder form.
  • the hydride can be activated by the presence of an alcoholate or an aminoalcoholate.
  • an alcoholate or an aminoalcoholate Sodium tert-butoxide, lithium tert-butoxide, aluminum isopropylate and sodium N, N-dimethylaminoethanolate are particularly preferred.
  • the alcoholate is formed in situ by the action of the hydride on an aliphatic or aromatic alcohol preferably chosen from the group consisting of tertiobutanol, methyl-2-pentanol-2, phenol, monoethyl etherdiethylene glycol, neopentane, cyclohexanol, ethanol, isopropanol.
  • the quantity of hydride (in number of moles) which is added to the medium must be at least equal to the sum of the valences of the metal cations to be reduced.
  • An excess of hydride is desirable, preferably of the order of 20%.
  • the reduction of the metal salt by the alkaline or alkaline earth hydride is carried out in an aprotic organic solvent.
  • the solvent can be chosen from aprotic ethers, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons. A mixture of several solvents can be used. The following solvents are cited by way of example: tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, anisole, hexane heptane, octane, benzene, toluene, xylene, mesitylene. It is preferable to use solvents previously distilled, purified and dried, free of peroxides.
  • the process of the present invention can also: be carried out in the presence of a compound comprising a nitrogenous or phosphorous ligand.
  • a nitrogenous or phosphorous ligand for example 2, 2 '-bipyridine, dialkylpyridines and dialkoxypyridines
  • terpyridines for example 2, 2', 6, 6 '-terpyridine
  • triphenylphosphine 1,2-bis (diphenylphosphino) ethane
  • alkylphosphines 1,2-bis (diphenylphosphino) ethane
  • arylphosphines 1,2-bis (diphenylphosphino) ethane
  • the reagents are dispersed in the organic solvent.
  • all the reactants are introduced simultaneously into the reactor.
  • the reagents are introduced successively: into the reactor, the order of introduction is not critical.
  • the reduction reaction of the salt mixture can be carried out at any temperature within the range limited by the solidification temperature and by the reflux temperature of the solvent used. It is particularly advantageous to carry out the reaction at the reflux temperature of the solvent when the reaction medium contains a metal salt having a low reduction potential.
  • the progress of the reaction can be followed by measuring the quantity of hydrogen released, due to the reduction of the metal salts and, where appropriate, to the formation in situ of the alcoholates intended to activate the hydride.
  • the material obtained by the proposed process consists of nanometric polymetallic particles having an average dimension of crystallites less than 4 nm and an intimate association of the various metals present inside the grains, consisting of at least one metal chosen from the group consisting by Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi and Sb, and at least one metal chosen from the group consisting of V, Zr, Ce, Ti, Hf et Al.
  • a material consisting of particles containing at least 70% by number of Al atoms is particularly preferred.
  • the particles obtained at the end of the reduction reaction can be used directly in the solvent in which they were obtained. Said solvent can also be removed to obtain particles in powder form. When a heat treatment is desired, it can be carried out either before the removal of the solvent, or on the powders obtained after removal of the solvent.
  • the particles of the present invention exhibit catalytic properties in many reactions. They are particularly effective as a hydrogenation catalyst and as a direct coupling catalyst for aromatic halogen derivatives. Their yield and their reaction speed is significantly higher than those of the monometallic particles used up to now. Surprisingly, it has been found that the addition of Al, which has no catalytic activity, to a metal having intrinsic catalytic activity, increases the overall catalytic activity.
  • the present invention is illustrated below by examples in which the catalytic performances of polymetallic particles obtained by the process according to the invention are compared with those of monometallic particles obtained by a similar process. In the attached figures:
  • FIG. 1 represents the volume fraction FH of hydrogen released as a function of time T (expressed in minutes), for the reaction of Example 1 (curve 1), of Example 2 (curve 2) and of l 'example 3 (curve 3).
  • Figure 2 represents the volume fraction FH of hydrogen released as a function of time T (expressed in minutes), for the reaction of Example 4 (curve 1), of Example 5 (curve 2) and l 'example 6 (curve 3).
  • Figure 3 represents the curve showing the variation of the volume of hydrogen consumed VH (expressed in ml) as a function of the duration T (expressed in minutes) during a styrene hydrogenation reaction catalyzed by AINi particles (curve 1) and Ni (curve 2).
  • Figure 4 represents the curve showing the variation of the volume of hydrogen consumed VH (expressed in ml) according to the duration T (expressed in minutes) during a hydrogenation reaction of cyclooctene catalyzed by AlNi particles (curve 1) and Ni (curve 2).
  • Figure 5 represents the curve showing the variation of the volume of hydrogen consumed VH (expressed in ml) as a function of the duration T (expressed in minutes) during a hydrogenation reaction of diphenylacetylene catalyzed by AlNi particles (curve 1) and Ni (curve 2).
  • the heating time at 63 ° C with stirring was 10 hours.
  • the heating time at 63 ° C with stirring was 12 hours.
  • the heating time at 63 ° C with stirring was 5 hours.
  • the particles obtained by the method of Example 1 were characterized by transmission electron microscopy, using a Philips CM20 / STEM microscope. Characterization has shown that the size of the ultrafine particles obtained is of the order of a nanometer.
  • Examples 12, 14 and 16 relate to a hydrogenation reaction catalyzed by polymetallic particles obtained according to Example 4 above.
  • Examples 13, 15 and 17 relate to a hydrogenation reaction carried out under conditions strictly identical to those of Examples 12, 14 and 16, using monometallic particles of Ni obtained by Brunet, et al,
  • Curves 1 and 2 in FIG. 3 correspond to Examples 12 and 13 respectively.
  • Curves 1 and 2 in FIG. 4 correspond respectively to Examples 14 and 15.
  • Curves 1 and 2 in FIG. 5 correspond to Examples 16 and 17 respectively.
  • the yield of hydrogenated product formed over time was determined by gas chromatographic assay of the aliquots. The yields are expressed as a molar percentage.
  • V volume of suspension used as catalyst (from Example 4 for Examples 12, 14 and 16; from the process described in Brunet, cited above, for Examples 13, 15 and 17)
  • Examples 18, 20, 22, 24 and 26 relate to a direct coupling reaction of aromatic halogenated derivatives catalyzed from the polymetallic particles obtained according to Example 10 above.
  • Examples 19, 21, 23, 25 and 27 relate to a direct coupling reaction of aromatic halogen derivatives carried out under conditions strictly identical to those of Examples 18, 20, 22, 24 and 26, using monometallic particles obtained according to Lourak, et al, Journal of Organic Chemistry 1989, vol. 54, pp. 4840-4844, i.e., a monometallic nickel system.
  • the procedure used for each of Examples 18 to 27 is as follows: the aromatic halogen derivative dissolved in 10 ml of THF was added dropwise to the particle suspension obtained in Example 10 for Examples 18, 20, 22, 24 and 26 and to the suspension of particles obtained according to the Lourak process above for Examples 19, 21, 23, 25 and 27.
  • the amounts of halogen derivative used are indicated in Table 3 below.
  • the yield of coupling product formed over time was determined by gas chromatographic assay from aliquots. The yields obtained are expressed as a molar percentage on the one hand relative to the starting halogen derivative and on the other hand relative to the amount of nickel used. Table 3

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Abstract

L'invention concerne des particules polymétalliques ultrafines. Elles sont obtenues par réduction d'un mélange de sels en solution dans un solvant organique à l'aide d'un hydrure de métal alcalin ou alcalino-terreux, à une température inférieure ou égale à la température de reflux du solvant, le mélange de sels en solution comprenant au moins un sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E DEG M<n+>/M à 25 DEG C supérieur à -1,18 V. Application à l'hydrogénation des oléfines et au couplage de dérivés aromatiques halogénés.

Description

Particules polymétalliques ultrafines, leur préparation et leur utilisation pour l'hydrogénation d'oléfines ou pour le couplage de dérivés halogènes aromatiques
La présente invention a pour objet un procédé de préparation de particules polymétalliques ultrafines, les particules obtenues, et l'utilisation des particules obtenues, notamment pour la catalyse.
Les particules métalliques fines sont connues pour diverses applications, notamment en catalyse. Différents procédés pour les préparer ont été décrits. L. K. Kurihara, et al, (Nanostructured Materials, vol.
5, n° 6, 607-613, 1995) décrit la préparation de particules nanométriques d'un métal par un procédé dit "polyol", mis en œuvre pour divers métaux faciles à réduire tels que par exemple Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, Re, W, Pt , seuls ou en mélange. Un tel procédé consiste à dissoudre ou à mettre en suspension un précurseur du dit métal dans un polyol, puis à chauffer au reflux pour obtenir un précipité de particules métalliques. Les particules obtenues peuvent être nanométriques. Elles sont polymétalliques lorsque le milieu réactionnel contient des sels de métaux différents. L'utilisation d'un sel précurseur d'aluminium ou d'un autre métal difficile à réduire n'est pas mentionnée. Pour les métaux autres que les métaux nobles, les dimensions des cristallites des particules sont supérieures ou égales à 8 nm, plus généralement entre 10 et 80 nm. Seul Ru et Pt permettent d'obtenir des dimensions moyennes de cristallites plus faibles, respectivement de 5 et 2 nm. L'obtention de particules nanométriques de Cu-Co est décrite dans L. K. Kurihara, et al, J. Mat. Res. Vol. 10, n° 6, juin 1995. Dans ce cas, il s'agit de deux métaux ayant un potentiel standard d'oxydation entre -1,20 V et +0,8 V, c'est-à-dire de métaux faciles à réduire. Le procédé dit "polyol" ne permet cependant pas la préparation de particules fines d'un métal difficile à réduire tel que l'aluminium par exemple.
Des particules nanométriques contenant de l'aluminium peuvent être préparées en réduisant un sel par LiAlH4. Ainsi la préparation de particules nanocristallines Ti/Al et Ni/Ai à partir d'un chlorure du métal correspondant en présence de LiAlH4 est décrite par J.A. Haber, et al, (Advanced Materials, 1996, 8 n° 2) . Le mécanisme réactionnel de ce procédé étant le suivant :
Mn+ + nLiAlH4 → nLi+ + M + nAlH3 + n/2 H2* nAlH3 → 3n/2 H2" la teneur en Al présente une limite supérieure correspondant à la valence du métal associé. En outre, la structure des poudres obtenues est difficilement contrôlable, la cinétique de décomposition de A1H3 étant peu prévisible.
On connaît en outre la préparation de particules intermétalliques nanométriques à l'aide de borohydrures . S. T. Schwab, et al, (Materials Science and Engineering A204 (1995) 197-200) , décrivent la préparation de particules intermétalliques par réduction d'un mélange de sels de différents métaux par un borohydrure. (par exemple TiCl4 + A1C13 + triéthylborohydrure de lithium) . Ce procédé permet d' obtenir des particules intermétalliques sans limitation sur les teneurs en métaux respectifs. Il requiert néanmoins un traitement thermique à 1000°C pour décomposer les produits obtenus par réaction des sels avec le borohydrure et obtenir les formes métalliques.
D'autres procédés sont connus, consistant à réduire des sels de métal soit par un borohydrure, soit par un hydrure alcalin activé par addition de BF3. Dans tous les cas, la présence de bore dans le milieu réactionnel introduit un risque de pollution.
On connaît également la préparation de particules fines monométalliques par réaction d'un sel de métal avec 1 ' hydrure de sodium en solution dans un solvant organique et en présence d'un alcoolate. Un tel procédé a été décrit pour des particules de nickel et pour des particules de zinc (Paul Caubère, et al, J. Am. Chem. Soc, 1982, 104, 7130 ; P. Gallezot, C. Leclercq, Y. Fort, P. Caubère, Journal of Molecular Catalysis, 93 (1994) 79 83, pp. 80-83 ; Brunet, et al, Journal of Organic Chemistry 1980, vol. 45, pp. 1937- 1945) . Les particules obtenues ont une dimension de cristallites de l'ordre du nm et sont utiles notamment comme catalyseur pour des catalyses hétérogènes. Lorsqu'elles sont préparées en présence d'un ligand phosphine ou 2,2'- bipyridine, elles perdent leurs propriétés réductrices et se comportent comme un agent de couplage (Lourak, et al, Journal of Organic Chemistry 1989, vol. 54, pp. 4840-4844) .
Un procédé analogue a également été décrit pour la préparation de particules monométalliques de Pd, qui peuvent être utilisées comme catalyseur d'hydrogénation d'acétylène.
(J.J. Brunet et P. Caubère, J. Org. Chem. 1984, 49, 4058-
4060) .
Ce procédé est particulièrement intéressant, mais ne peut être efficacement utilisé pour préparer des particules d'un métal difficile à réduire, ayant un potentiel d'oxydation standard à 25°C inférieur à -1,20 V, tel que l'aluminium par exemple. De plus, la réduction d'un cation Al3+ en présence d'hydrure de sodium ou de lithium n'a jamais été évoquée dans ces procédés.
On connaît l'utilité des particules ultrafines polymétalliques comme catalyseur dans différentes réactions, notamment celles qui contiennent de l'aluminium ou un autre métal dont les sels sont difficiles à réduire. Or les procédés de l'art antérieur ne permettent pas d'obtenir aisément de particules polymétalliques ultrafines contenant de l'aluminium ayant une bonne pureté, avec une teneur en aluminium quelconque. Le but de la présente invention est de proposer un tel procédé. Les présents inventeurs ont maintenant trouvé que, bien que la réduction d'un sel d'aluminium par l'hydrure de lithium ou de sodium donne des particules ultrafines d'aluminium métallique qui se réoxydent rapidement dans le milieu réactionnel, il était possible d'obtenir des particules polymétalliques stables contenant l'aluminium et un autre métal, la teneur en Al étant quelconque, par réduction d'un mélange de sels par un hydrure de métal alcalin ou alcalino-terreux.
La présente invention a ainsi pour objet un procédé de préparation de particules polymétalliques ultrafines, les particules obtenues, ainsi que leurs utilisations.
Le procédé de la présente invention est un procédé de préparation de particules polymétalliques ultrafines par réduction d'un mélange de sels en solution dans un solvant organique à l'aide d'un hydrure de métal alcalin ou alcalino- terreux, à une température inférieure ou égale à la température de reflux du solvant. Il est caractérisé en ce que le mélange de sels en solution comprend au moins un sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C supérieur à -1,18 V.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le mélange de sels que l'on fait réagir avec l' hydrure contient en outre au moins un sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,20 V.
Le procédé est mis en œuvre avantageusement en ajoutant au milieu réactionnel, un alcoolate aliphatique ou aromatique de métal alcalin, de métal alcalino-terreux ou de métal de transition ou un aminoalcoolate de métal alcalin, de métal alcalino-terreux ou de métal de transition. L'addition d'un tel alcoolate a pour effet d'activer la réaction de réduction des ions métalliques par l' hydrure.
Les sels utilisés dans le procédé de la présente invention peuvent être choisis parmi les halogénures. Ils peuvent également être choisis parmi les sels organiques tel que les acétates, les acétylacétonates ou parmi les alcoolates .
Le sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,20 V, (c ' est-à-dire le sel d'un métal difficile à réduire) est un sel d'un métal choisi dans le groupe constitué par V, Zr, Ce, Ti, Hf et Al. Les sels d'aluminium sont particulièrement intéressants.
Le sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E E°M n+/M à 25°C supérieur à -1,18 V, (c'est-à-dire le sel d'un métal plus facile à réduire) est un sel d'un métal choisi dans le groupe constitué par Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr, Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Sb. Parmi ces métaux, Pd, Ag, Pt et Au, qui ont un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C supérieur à +0,8 V, sont très faciles à réduire.
Les quantités relatives des divers sels utilisés pour la réaction de réduction sont choisies en fonction de la composition souhaitée pour les particules polymétalliques finales, étant entendu que les proportions sont conservées lors de la réaction de réduction.
L'agent réducteur utilisé dans le procédé de l'invention est un hydrure alcalin ou alcalino-terreux. Parmi ces hydrures, on peut citer : LiH, NaH, KH, CaH2 et MgH2. LiH et NaH sont particulièrement préférés.
NaH peut avantageusement être utilisé sous la forme d'une solution commerciale à 65% en masse dans l'huile minérale, éventuellement après lavage par un solvant organique aprotique.
Comme hydrure de lithium, on peut utiliser un hydrure de lithium du commerce sous forme de poudre.
L' hydrure peut être activé par la présence d'un alcoolate ou d'un aminoalcoolate . Le tertiobutylate de sodium, le tertiobutylate de lithium, 1 ' isopropylate d'aluminium et le N,N-diméthylaminoéthanolate de sodium sont particulièrement préférés. De préférence, 1 ' alcoolate est formé in situ par action de 1 ' hydrure sur un alcool aliphatique ou aromatique choisi de préférence dans le groupe constitué par le tertiobutanol, le méthyl-2-pentanol-2, le phénol, le monoéthyl étherdiéthylène glycol, le néopentane, le cyclohexanol, l'éthanol, 1 ' isopropanol .
La quantité d' hydrure (en nombre de moles) qui est ajoutée au milieu doit être au moins égale à la somme des va- lences des cations métalliques à réduire. Lorsque l'on souhaite activer la réduction par un alcoolate préparé in situ, il est nécessaire d'augmenter la quantité initiale d' hydrure de la quantité correspondant au moins à la stcechiométrie de la réaction de formation de l' alcoolate. Un excès d' hydrure est souhaitable, de préférence de l'ordre de 20%.
La réduction du sel de métal par 1 ' hydrure alcalin ou alcalino-terreux est effectuée dans un solvant organique aprotique. Le solvant peut être choisi parmi les éthers apro- tiques, les hydrocarbures aliphatiques, les hydrocarbures aromatiques. Un mélange de plusieurs solvants peut être utilisé. Les solvants suivants sont cités à titre d'exemple : tétrahydrofuranne, 1, 2-diméthoxyéthane, anisole, hexane heptane, octane, benzène, toluène, xylène, mésitylène. Il est préférable d'utiliser des solvants préalablement distillés, purifiés et séchés, exempts de peroxydes.
Le procédé de la présente invention peut également: être mis en œuvre en présence d'un composé comprenant un ligand azoté ou phosphore. Parmi les ligands azotés, on peut citer les bipyridines (par exemple la 2, 2 ' -bipyridine, les dialkylpyridines et les dialkoxypyridines) , et les terpyridines (par exemple la 2, 2 ' , 6, 6 ' -terpyridine) .
Parmi les ligands phosphores, on peut citer la tri- phénylphosphine, le 1, 2-bis (diphénylphosphino) éthane, les alkylphosphines et les arylphosphines .
Pour la mise en œuvre du procédé, les réactifs sont dispersés dans le solvant organique. Dans un mode de réalisation du procédé, tous les réactifs sont introduits simultanément dans le réacteur. Dans un autre mode de réalisation, les réactifs sont introduits successivement: dans le réacteur, l'ordre d'introduction n'étant pas critique.
La réaction de réduction du mélange de sels peut être effectuée à toute température comprise dans l'intervalle limité par la température de solidification et par la température de reflux du solvant utilisé. Il est particulièrement intéressant d'effectuer la réaction à la température de reflux du solvant lorsque le milieu réactionnel contient un sel d'un métal ayant un faible potentiel de réduction.
L'évolution de la réaction peut être suivie par la mesure de la quantité d'hydrogène dégagée, due à la réduction des sels métalliques et le cas échéant à la formation in situ des alcoolates destinés à activer l' hydrure. Le matériau obtenu par le procédé proposé est constitué de particules nanométriques polymétalliques ayant une dimension moyenne de cristallites inférieure à 4 nm et une association intime des divers métaux présents à l'intérieur des grains, constituées d'au moins un métal choisi dans le groupe constitué par Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi et Sb, et d'au moins un métal choisi dans le groupe constitué par V, Zr, Ce, Ti, Hf et Al. Un matériau constitué de particules contenant au moins 70 % en nombre d'atome d'Al est particulièrement préféré.
Les particules obtenues à la fin de la réaction de réduction peuvent être utilisées directement dans le solvant dans lequel elles ont été obtenues. On peut également éliminer ledit solvant pour obtenir des particules sous forme de poudre. Lorsqu'un traitement thermique est souhaité, il peut être effectué soit avant l'élimination du solvant, soit sur les poudres obtenues après élimination du solvant. Les particules de la présente invention présentent des propriétés catalytiques dans de nombreuses réactions. Elles sont particulièrement efficaces comme catalyseur d'hydrogénation et comme catalyseur de couplage direct de dérivés halogènes aromatiques. Leur rendement et leur vitesse de réaction est nettement supérieure à ceux des particules monométalliques utilisées jusqu'ici. De manière surprenante, on a constaté que l'addition d'Al, qui n'a pas d'activité cataly- tique, à un métal ayant une activité catalytique intrinsèque, augmente l'activité catalytique globale. La présente invention est illustrée ci-après par des exemples dans lesquels les performances catalytiques de particules polymétalliques obtenues par le procédé selon l'invention, sont comparées à celles de particules monométalliques obtenues par un procédé similaire. Sur les figures jointes :
=> la figure 1 représente la fraction volumique FH d'hydrogène dégagé en fonction du temps T (exprimé en minutes), pour la réaction de l'exemple 1 (courbe 1), de l'exemple 2 (courbe 2) et de l'exemple 3 (courbe 3). => la figure 2 représente la fraction volumique FH d'hydrogène dégagé en fonction du temps T (exprimé en minutes), pour la réaction de l'exemple 4 (courbe 1), de l'exemple 5 (courbe 2) et de l'exemple 6 (courbe 3). =^ la figure 3 représente la courbe montrant la variation du volume d'hydrogène consommé VH (exprimé en ml) en fonction de la durée T (exprimée en minutes) au cours d'une réaction d'hydrogénation de styrène catalysée par des particules AINi (courbe 1) et Ni (courbe 2) . => la figure 4 représente la courbe montrant la variation du volume d'hydrogène consommé VH (exprimé en ml) en fonction de la durée T (exprimée en minutes) au cours d'une réaction d'hydrogénation de cyclooctène catalysée par des particules AlNi (courbe 1) et Ni (courbe 2) .
=> la figure 5 représente la courbe montrant la variation du volume d'hydrogène consommé VH (exprimé en ml) en fonction de la durée T (exprimée en minutes) au cours d'une réaction d'hydrogénation de diphénylacétylène catalysée par des particules AlNi (courbe 1) et Ni (courbe 2 ) .
Exemple 1
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
Dans un réacteur muni d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée et d'un thermomètre, on a introduit 0,72 g (90 mmoles) de LiH, 1,76 g (10 mmoles) d'acétate de nickel Ni(OAc)2 et 3,24 g (10 mmoles) d ' acetylacetonate d'aluminium Al(Acac)3 en suspension dans 30 ml de THF à une température d'environ 20°C et sous atmosphère d'azote. La suspension obtenue a été portée à reflux (environ 63°C) .
On a ensuite ajouté goutte à goutte en 10 min environ, par l'intermédiaire de l'ampoule de coulée, 1,48 g (20 mmoles) de t-BuOH en solution dans 10 ml de THF. La suspension a ensuite été agitée pendant 6 heures à 63°C. La formation des particules métalliques a été suivie par la mesure du dégagement d'hydrogène résultant de la réaction de formation de t-BuOLi et de la réduction des sels métalliques. L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 1 de la figure 1. Après le chauffage de 6 heures à 63°C, les particules sont complètement formées et se présentent sous la forme d'une suspension de couleur noire. Exemple 2
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [2/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 0,96 g (120 mmoles) de LiH, 1,76 g (10 mmoles) de Ni(OAc)2 et 6,48 g (20 mmoles) de Al(Acac)3.
La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 10 heures .
L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 2 de la figure 1.
Exemple 3
Préparation de particules trimétalliques Al-Ni-Co [1/1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 0,88 g (110 mmoles) de LiH, 1,75 g (10 mmoles) de Ni(OAc)2, 1,76 g (10 mmoles) de Co(OAc)2 et 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3.
La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 12 heures .
L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 3 de la figure 1.
Exemple 4
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 2,16 g (90 mmoles) de NaH, 1,76 ç (10 mmoles) de
Ni(OAc)2 et 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3. La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 5 heures .
L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 1 de la figure 2.
Exemple 5 Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 2,16 g (90 mmoles) de NaH, 1,28 ç (10 mmoles) de NiCl2 et 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3. La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 6 heures
L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 2 de la figure 2.
Exemple 6
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 2,16 g (90 mmoles) de NaH, 2,57 g (10 mmoles) de
Ni(Acac)2 et 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3. La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 5 heures .
L'évolution du dégagement d'hydrogène est représentée sur la courbe 3 de la figure 2.
Exemple 7 Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 1, mais en utilisant 2,16 g (90 mmoles) de NaH, 2,57 g (10 mmoles) de Ni(Acac)2 et 1,33 g (10 mmoles) de A1C13.
La durée du chauffage à 63 °C sous agitation était de 5 heures.
Exemple 8
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 6, mais en utilisant 1,92 g (80 mmoles) de NaH, 2,57 g (10 mmoles) de Ni(Acac)2, 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3 et 0,74 g
(10 immoles) de t-BuOH.
La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 3 heures .
Exemple 9 Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 6, mais en utilisant 2,28 g (95 mmoles) de NaH, 2,57 g (10 mmoles) de Ni(Acac)2, 3,24 g (10 mmoles) de Al(Acac)3 et 1,85 g (25 mmoles) de t-BuOH. La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 2 heures .
Exemple 10
Préparation de particules bimétalliques Al-Ni [1/1]
On a opéré de la même manière que dans l'exemple 4, mais en ajoutant 3,12 g (20 mmoles) de 2, 2 ' -bipyridine à la suspension initiale d ' hydrure et de sels métalliques.
La durée du chauffage à 63°C sous agitation était de 3 heures .
Les conditions particulières de chacun des exemples ci- dessus sont rassemblées dans le tableau 1 suivant :
Tableau 1
Figure imgf000013_0001
Exemple 11
Les particules obtenues par le procédé de l'exemple 1 ont été caractérisées par microscopie électronique à transmission, à l'aide d'un microscope Philips CM20/STEM. La caractérisation a montré que la taille des particules ultrafines obtenues est de l'ordre du nanomètre.
Une microanalyse X par dispersion d'énergie, effectuée sur les échantillons Al-Ni a montré qu'il existe une répartition homogène (à l'échelle de 100 nm) des espèces métalliques Al et Ni. Une analyse quantitative basée sur l'exploitation des signaux X émis lors des diffusions inélastiques avec transfert important d'énergie indique que la compositon des éléments métalliques est de 50/50 en nombre d' atomes .
Exemples 12 à 17
Les exemples 12, 14 et 16 concernent une réaction d'hydrogénation catalysée par des particules polymétalliques obtenues selon l'exemple 4 ci-dessus.
Les exemples 13, 15 et 17 concernent une réaction d'hydrogénation effectuée dans des conditions strictement identiques à celles des exemples 12, 14 et 16, à l'aide de particules monométalliques de Ni obtenues par Brunet, et al,
Journal of Organic Chemistry 1980, vol. 45, pp. 1937-1945.
Dans tous les cas, la réaction d'hydrogénation a été effectuée dans un appareillage classique pour une hydrogénation sous pression atmosphérique. Les conditions opératoires étaient les suivantes :
• substrat à hydrogéner : 20 mmoles
• pression d'hydrogène : 1 bar (= 105 Pa) • solvant : 15 ml d'éthanol.
L'avancement de la réaction a été déterminé par mesure de l'hydrogène absorbé. Les cinétiques d'absorption d'hydrogène sont représentées sur les figures 3, 4 et 5.
Les courbes 1 et 2 de la figure 3 correspondent respectivement aux exemples 12 et 13. Les courbes 1 et 2 de la figure 4 correspondent respectivement aux exemples 14 et 15.
Les courbes 1 et 2 de la figure 5 correspondent respectivement aux exemples 16 et 17.
Le rendement en produit hydrogéné formé au cours du temps a été déterminé par dosage chromatographique en phase gazeuse des prélèvements aliquotes . Les rendements sont exprimés en pourcentage molaire.
Le tableau 2 suivant donne les conditions réactionnelles pour les différents exemples.
Tableau 2
Figure imgf000015_0001
• S : substrat à hydrogéner
• V : volume de suspension utilisée comme catalyseur (issue de l'exemple 4 pour les exemples 12, 14 et 16 ; issue du procédé décrit dans Brunet, précité, pour les exemples 13, 15 et 17)
• % Ni : pourcentage molaire de nickel dans le milieu réactionnel • PR : produit de la réaction
• t50% : durée exprimée en minutes, nécessaire pour obtenir un rendement molaire de 50%.
• t90% : durée exprimée en minutes, nécessaire pour obtenir un rendement molaire de 90%. • t100% : durée exprimée en minutes, nécessaire pour obtenir un rendement molaire de 100%.
Il apparaît que pour les réactions d'hydrogénation, les durées nécessaires pour obtenir un rendement donné sont fortement réduites, voire approximativement divisées par 2, lorsqu'un catalyseur monométallique est remplacé par un catalyseur polymétallique .
Exemples 18 à 27
Les exemples 18, 20, 22, 24 et 26 concernent une réaction de couplage direct de dérivés halogènes aromatiques catalysée des particules polymétalliques obtenues selon l'exemple 10 ci-dessus.
Les exemples 19, 21, 23, 25 et 27 concernent une réaction de couplage direct de dérivés halogènes aromatiques effectuée dans des conditions strictement identiques à celles des exemples 18, 20, 22, 24 et 26, à l'aide de particules monométalliques obtenues selon Lourak, et al, Journal of Organic Chemistry 1989, vol. 54, pp. 4840-4844, c'est-à-dire un système monométallique de nickel. Le mode opératoire utilisé pour chacun des exemples 18 à 27 est le suivant : on a ajouté goutte à goutte le dérivé halogène aromatique en solution dans 10 ml de THF à la suspension de particules obtenue dans l'exemple 10 pour les exemples 18, 20, 22, 24 et 26 et à la suspension de particules obtenue selon le procédé Lourak ci-dessus pour les exemples 19, 21, 23, 25 et 27. Les quantités de dérivé halogène utilisées sont indiquées dans le tableau 3 ci- dessous .
Le rendement en produit de couplage formé au cours du temps a été déterminé par dosage chromatographique en phase gazeuse d'après des prélèvements aliquotes. Les rendements obtenus sont exprimés en pourcentage molaire d'une part par rapport au dérivé halogène de départ et d'autre part par rapport à la quantité de nickel utilisée. Tableau 3
Figure imgf000017_0001
Il apparaît que pour les réactions de couplage, les rendements sont augmentés dans des proportions variables suivant les essais, avec des durées de réaction généralement plus courtes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation de particules polymétalliques ultrafines par réduction d'un mélange de sels en solution dans un solvant organique à l'aide d'un hydrure de métal alcalin ou alcalino-terreux, à une température infé- rieure ou égale à la température de reflux du solvant, caractérisé en ce que le mélange de sels en solution comprend au moins un sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C supérieur à -1,18 V.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce le mélange de sels que l'on fait réagir avec l' hydrure de métal alcalin contient au moins un sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,20 V.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajoute au milieu réactionnel, un alcoolate de métal alcalin, de métal alcalino-terreux ou d'un métal de transition, ou un aminoalcoolate de métal alcalin, de métal alcalino-terreux ou de métal de transition.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sels sont choisis dans le groupe constitué par les halogénures, les sels d'acides organiques et les alcoolates.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel d'acide organique est un acétate ou un acetylacetonate .
6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal du sel de métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,20 V est choisi dans le groupe constitué par V, Zr, Ce, Ti, Hf et Al.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du sel d'un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C supérieur à -1,18 V est choisi dans le groupe constitué par Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr, Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Sb.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 ' hydrure de métal alcalin est choisi dans le groupe constitué par l' hydrure de sodium, l' hydrure de lithium et 1' hydrure de potassium.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 ' hydrure de métal alcalino-terreux est l' hydrure de calcium ou l' hydrure de magnésium.
10. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce 1' alcoolate est choisi parmi le tertiobutylate de sodium, le tertiobutylate de lithium et 1 ' isopropylate d'aluminium, et 1 ' aminoalcoolate est le N, N-diméthylaminoéthanolate de sodium.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on forme l' alcoolate in situ par action de l' hydrure sur un alcool aliphatique ou aromatique.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alcool est choisi dans le groupe constitué par le tertiobutanol, le méthyl-2-pentanol-2, le phénol, le monoéthyl étherdiéthylène glycol, le néopentane, le cyclohexanol, l'éthanol, 1 ' isopropanol .
13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction de réduction du mélange de sels est effectuée à une température comprise dans l'intervalle limité par la température de solidification et par la température de reflux du solvant utilisé.
14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajoute au milieu réactionnel un composé comprenant un ligand azoté ou phosphore.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le composé comprenant un ligand azoté est choisi dans le groupe constitué par les bipyridines et les terpyridines .
16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le composé comprenant un ligand phosphore est choisi dans le groupe constitué par la triphénylphosphine, le 1,2- bis (diphénylphosphino) éthane, les alkylphosphines et les arylphosphines .
17. Matériau constitué par des particules nanométriques polymétalliques ayant une dimension moyenne de cristallites inférieure à 4 nm et une association intime des divers métaux présents à l'intérieur des grains, l'un au moins des métaux constituant lesdites particules étant un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C supérieur à -1,18 V.
18. Matériau selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'un au moins des métaux constituant les particules est un métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,25 V.
19. Matériau selon la revendication 18, caractérisé en ce que le métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°M n+/M à 25°C inférieur à -1,20 V est choisi dans le groupe constitué par V, Zr, Ce, Ti, Hf et Al.
20. Matériau selon la revendication 17, caractérisé en ce que le métal ayant un potentiel d'oxydation standard E°Mn+/M à 25°C supérieur à -1,18 V est choisi dans le groupe constitué par Ni, Co, Fe, Cu, Zn, Cd, Cr, Mn, Pd, Ag, Pt, Au, Bi, Sb.
21. Procédé d'hydrogénation d'oléfines, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre en présence d'un matériau obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 13.
22. Procédé de couplage de dérivés halogènes aromatiques, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre en présence d'un matériau obtenu par le procédé de l'une des revendication 14 à 16.
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