KR0173061B1

KR0173061B1 - 케톤의 제조방법

Info

Publication number: KR0173061B1
Application number: KR1019950048881A
Authority: KR
Inventors: 전철호; 이혁; 홍준배; 이대연
Original assignee: 전철호; 이혁
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1999-03-30
Also published as: KR970042462A

Abstract

본 발명은 알데히드와 1-알켄에 로듐금속 촉매를 넣고 케톤을 제조하는 방법에 관한 것으로, 원료물질로서의 알데히드와 1-알켄에 로듐금속촉매를 약간 넣되, 여기에 첨가제로 2-아미노피리딘(2-Aminopyridine)유도체를 함께 넣고, 위 반응 혼합물을 약 섭씨60 내지 200도 정도로 6내지 330시간 가열하므로서 생성물로 케톤화합물을 얻을 수 있게 하는 것인바, 본 발명은 첨가제로서 2-아미노피리딘유도체를 투여하는 것을 특징으로 하며, 이리하여 비교적 완화된 반응조건으로 케톤을 제조할 수 있게 하여 케톤의 제조비용을 크게 감소시킬 수 있게 한 것임.

Description

케톤의 제조방법

본 발명은 알데히드와 1-알켄에 전이금속 촉매를 넣고 케톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

유기화합물에 존재하는 가장 중요한 작용기 가운데 하나인 케톤기를 유기화합물에 도입하는 방법이 많이 연구되어져 왔다. 가장 보편적인 방법중 하나는 알데히드를 알킬마그네슘할라이드와 같은 친핵시약인 유기금속화합물과 반응시켜 2가 알코올을 만들고, 이 2가 알코올을 여러가지 산화제로 산화시켜서 케톤을 만드는 것이다(식1).

이 방법은 여러 반응단계를 거쳐야 할 뿐 아니라 반응 중 많은 필요없는 부산물들이 생성되는 단점을 가지고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 촉매를 이용한 알데히드로 부터 케톤을 합성하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그중 하나는 올레핀과 알데히드에 고압의 일산화탄소를 넣고 루테늄촉매를 넣고 고온으로 가열하여 케톤을 합성해주는 것으로서, 이때 고온고압을 가하는 것은 촉매 중간체인 아실금속히드리드에서 탈카르보닐화반응이 일어나는 것을 억제해주기 위한 것으로 고압의 일산화탄소를 사용하고 있다.(식2).

그러나 이러한 일산화탄소 존재하에서 수행하는 하이드로아실화법은 높은 압력과 높은 온도를 요구하는 단점과 선형알킬 케톤이외에 가지달린 알킬 케톤화합물이 부산물로 생성되는 단점을 지니고 있다.

비슷한 방법으로 로듐촉매하에서 벤즈알데히드와 같은 알데히드와 에틸렌을 고압(1000psi)으로 가한 후, 100℃로 반응시켜 프로피오페논과 같은 케톤을 만드는 방법이 연구되었으나, 이 경우 올레핀을 에틸렌에 국한시켰으며 엄청난 고압을 유지해야하는 단점을 지니고 있다. 이 때에도 촉매에서 탈카르보닐화반응을 억제하기 위하여 고압의 에틸렌 가스를 가한 것이며 에틸렌 이외의 올레핀에 적용하기 어려운 단점을 함께 가지고 있다.

알데히드로부터 케톤을 합성하는 또 다른 진보된 방법은 알데히드로 부터 알디민 중간체를 만들어서 케톤을 합성하는 것이다(식3).

먼저 산촉매하에서 알데히드와 2-아미노-3-피콜린을 축합반응시켜서 알디민(aldimine)을 만들고, 알디민을 로듐촉매하에서 1-알켄과 반응시켜 하이드로이미노아실화법(hydroiminoacylation)을 통하여 케티민을 만든 후 생성된 케티민을 가수분해하여 최종의 케톤생성물을 얻게 된다. 이 반응은 알데히드로 부터 알디민을 합성하고, 하이드로이미노아실화반응에 의하여 생성되는 케티민을 가수분해하여야 하는 등 여러단계의 과정을 거쳐야 하는 단점이 있으며, 알디민이 수분에 의해 쉽게 가수분해되어 알데히드가 되기 때문에 출발물질인 알디민을 보관하기 어려운 단점 등을 지니고 있다.

본 발명은 위의 반응들 보다 훨씬 간단하며 온건한 조건으로 반응이 진행될 수 있는 케톤의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 반응기에 원료물질로서 알데히드, 1-알켄과 로듐과 같은 전이금속촉매를 약간 넣고, 여기에 첨가제로 2-아미노피리딘 유도체들을 넣어주며 용매로서 벤젠, 톨루엔, 테트라히드로후란 등의 유기용매를 넣은후(식4),

위 반응혼합물을 약 섭씨 60∼200도 정도로 6∼330시간 가열해주면 생성물로 케톤화합물을 높은 수율로 얻을 수 있게 하는 케톤의 제조방법을 제공하는 것이다. 이와같은 본 발명의 특징은 전이금속 촉매와 함께 첨가제 내지 촉매로 2-아미노피리딘유도체를 투입하고 반응시킨다는데 있다. 이때 생성물로는 케톤만을 얻을 수 있는데 반응조건과 반응기질에 따라서 극소량의 케티민이 생성될 때도 있으나, 이것은 가수분해를 통해서 쉽게 케톤으로 변형시킬 수 있다.

본 발명은 알데히드에서 케톤을 합성하는 데에 있어서, 고압의 일산화탄소를 넣어주는 대신, 일정한 양의 2-아미노피리딘 유도체를 첨가해줌으로써 반응을 효과적으로 진행시킬 수 있게 하고, 온건한 반응조건에서 뿐만 아니라 반응의 선택성에서도 잇점을 보이는데 생성물로 가지달린 알킬케톤화합물은 만들어지지 않고 선형 알킬 케톤화합물만을 얻을 수 있다.

출발물질로서의 알데히드는 벤즈알데히드나 파라-애니스알데히드와 같은 방향족알데히드나 지방족알데히드 중 어느 것이라도 좋다. 다만 퍼퓨랄데히드(Furfuraldehyde)와 같은 헤테로원소를 포함한 알데히드의 경우에는 후술하는 바와 같이 첨가제로서 2-아미노피리딘유도체외에 염화리튬(LiCl)과 같은 할로겐화금속화합물을 넣는 것이 바람직하다.

금속촉매로서 로듐금속을 사용할 때에는 윌킨슨촉매 (PPh₃)₃RhCl 등의 로듐1가촉매나 로듐3가촉매(RhCl₃·H₃O)를 사용하는 것이 바람직하다. 다만 로듐3가촉매(RhCl₃.H₃O)를 사용하는 경우에는 트리페닐포스핀(PPh₃)을 비롯한 포스핀화합물을 함께 넣어야 한다. 위와 같은 금속촉매는 이러한 금속촉매에 들어가 있는 염소기 대신에 할로겐화 원소가 치환되어 있는 로듐금속촉매를 사용하여도 좋다. 위와 같이 금속촉매는 이러한 금속촉매에 들어가 있는 염소기 대신에 할로겐화 원소가 치환되어 있는 로듐금속촉매를 사용하여도 좋다. 또한 루테늄금속일 때는 루테늄2가촉매(RuCl₂(PPh₃)₃)나 0가촉매(Ru(CO)₁₂)를 사용할 수 있다.

첨가제로서 2-아미노피리딘유도체를 상기 전이금속촉매와 함께 혼합하는 바, 이것이 본 발명의 핵심이다. 이러한 첨가제로서의 2-아미노피리딘유도체로서는 다양한 아민유도체가 널리 사용될 수 있으나, 이러한 유도체중 2-아미노-3-피콜린을 사용하는 것이 더욱 바람직함을 알았다. 첨가제로 투여하는 2-아미노피리딘 유도체를 알데히드의 당량보다 적게 사용할 경우에도, 비록 반응속도가 감소하기는 하나, 반응이 진행됨을 알 수 있었다.

다만, 유기용매는 반드시 필요한 것은 아니었으며, 용매를 사용하는 것이 용매가 반응물이나 촉매를 녹여서 반응을 용이하게 하는데 도움이 됨을 알았다.

본 발명의 반응메카니즘은 알데히드와 2-아미노-3-피콜린이 축합반응을 통해 알디민이 생성되고, 금속촉매가 계속해서 올레핀의 하이드로이미노아실화반응을 통해 케티민을 생성하며, 이 케티민은 초기의 축합반응시 생성된 물에 의하여 가수분해되어 아민을 재생성하면서 케톤을 만드는 것으로 추측된다.(그림1)

축합반응시에는 일반적으로 촉매가 필요하게 되는데, 본 반응의 경우 알데히드와 2-아미노피리딘 유도체는 전이금속 촉매에 의한 템플레이트 효과로 인하여 더 빨리 축합반응이 진행된다고 생각된다. 여기서 전이금속 촉매는 두가지 역할 즉, 축합반응과 하이드로아실화반응을 동시에 수행한다고 추정된다. 이 반응 메카니즘을 확인하기 위하여 2-아미노피리딘유도체를 빼고 본 발명의 제조방법을 실시하여 본 결과, 전혀 반응이 진행되지 않았고, 알데히드에서 카르보닐기가 제거된 알칸만이 생성됨을 알 수 있었다.

이와같은 본 발명을 다양한 실시예에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 과 2-아미노-3-피콜린의 촉매하에서 벤즈알데히드와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

0.5mL 소형 압력 반응기에 5.3mg(0.0491mmol)의 2-아미노-3-피콜린, 22.8mg(0.215mmol)의 벤즈알데히드, 20.1mg(0.217mmol)(벤즈알데히드에 대하여 10몰%)의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드, 147mg(2.10mmol)의 1-펜텐을 넣은 후, 200mg의 THF에 녹인다. 마개를 막고 반응기를 100℃로 60시간 교반하면서 가열한다.

반응 후, 가스크로마토그래피로 반응혼합물의 비를 확인하면, 벤즈알데히드는 검출되지 않고, 케톤만이 얻어짐을 알 수 있다. 이 반응혼합물을 실리카겔 관크로마토그라피(헥산과 에틸아세테이트의 비 = 5:2)로 정제하여 노란색 기름인 1-페닐-1-헥산논을 89%(33.7mg;0.191mmol)의 수율로 얻었다.

같은 반응조건에서 다양한 1-알켄을 사용한 결과는 아래의 표와 같다.

[실시예 2]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 과 2-아미노-3-피콜린의 촉매하에서 시간의 변화에 따른 벤즈알데히드와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

실시예 1과 동일한 반응조건(10몰%의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 20몰%의 2-아미노-3-피콜린, 100℃)에서 22.8mg(0.215mmol)의 벤즈알데히드, 147mg(2.10mmol)의 1-펜텐을 사용하여 반응시간을 조절한 결과 아래와 같은 수율로 1-펜널-1-헥사논을 얻었다.

[실시예 3]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 과 2-아미노-3-피콜린의 촉매하에서 온도의 변화에 따른 벤즈알데히드와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

실시예 1과 동일한 반응조건(10몰%의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 20몰%의 2-아미노-3-피콜린, 12시간)에서 22.8mg(0.215mmol)의 벤즈알데히드, 147mg(2.10mmol)의 1-펜텐을 사용하여 반응온도를 조절하여 아래와 같은 수율로 1-페닐-1-헥사논을 얻었다.

[실시예 4]

트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 촉매하에서 2-아미노-3-피콜린의 첨가량을 변화시킨 반응 결과는 아래 표와 같다. (파라-애니스알데히드(p-Anisaldehyde)와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응)

실험방법과 반응조건을 실시예 1과 동일(10몰%의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드, 100℃, 60h) 하게 하되, 다만 알데히드로서는 29.4mg(0.215mmol)의 파라-애니스알데히드를, 1-알켄으로서는 147mg(2.10mmol)의 1-펜텐을 사용하여 2-아미노-3-피콜린의 첨가량을 조절한 결과 아래와 같은 수율로 1-(4-메톡시페닐)1-헥사논을 얻었다. 2-아미노-3-피콜린을 첨가하지 않은 경우는 1-(4-메톡시페닐)1-헥사논은 전혀 얻을 수 없었으나 탈카르보널화합물인 애니졸을 46%의 수율로 얻을 수 있었다.

[실시예 5]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 촉매하에서 다양한 아민을 사용한 벤즈알데히드와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

실시예 1과 동일한 반응조건(10몰%의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 100℃, 60h)에서 22.8mg(0.215mmol)의 벤즈알데히드, 176mg(2.10mmol)의 1-헥센을 사용하여 다양한 아민을 사용한 결과 아래와 같은 수율로 1-펜널-1-헵타논을 얻었다.

[실시예 6]

[2-아미노-3-피콜린, 로듐(3)콜로리드와 트리페닐포스핀을 촉매로 이용 벤즈알데히드와 1-펜텐과의 하이드로아실화 반응]

0.5mL 소형 압력 반응기에 6mg(0.029mmol)의 로듐(3)클로리드, 37mg(0.14mmol)의 트리페닐포스핀, 304mg(2.87mmol)의 벤즈알데히드, 31mg(0.29mmol)의 2-아미노-3-피콜린, 603mg(8.61mmol)의 1-펜텐을 넣은 후, 마개를 막는다. 반응기를 100℃로 40시간 교반하면서 반응시킨다.

반응후, 혼합물에서 용매를 증발기로 날려주고, 실리카겔 관크로마토그라피(헥산과 에틸아세테이트의 비 = 5:2)로 정제하니 138.5mg(0.787mmol)의 옅은 노란색 기름인 1-페닐-1-헥사논을 얻을 수 있었는데 이 경우 로듐(3)클로리드 촉매에 대하여 turnover는 25.3이다.

[실시예 7]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드와 2-아미노-3-피콜린의 촉매하에서의 p-애니스알데히드(p-Anisaldehyde)와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

0.5mL 소형 압력반응기에 20mg(0.022mmol)(p-애니스알데히드에 대하여 10 몰%)의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드, 29.4mg(0.22mmol)의 p-애니스알데히드, 4.7mg(0.044mmol)(p-애니스알데히드에 대하여 20몰%)의 2-아미노-3-피콜린, 75.8mg(1.08mmol)의 1-펜텐, 0.5mL의 THF을 넣은 후, 마개를 막는다. 반응기를 100℃로 60시간 교반하면서 가열한다.

반응후, 실리카겔 관크로마토그라피(헥산과 에틸아세테이트의 비 = 5 : 2)로 정제하여 무색의 액체인 1-(4-메톡시페닐)-1-헥사논을 57%(25.8mg;0.125mmol )의 수율로 얻는다.

같은 반응조건에서 다양한 알데히드에 대한 반응 결과는 아래의 표와 같다.

[실시예 8]

[트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 과 2-아미노-3-피콜린의 촉매와 리튬클로리드의 첨가하에서 퍼퓨랄알데히드(Furfuraldehyde)와 1-펜텐의 하이드로아실화 반응]

0.5mL 소형 압력반응기에 20mg(0.022mmol)(퍼퓨랄알데히드에 대하여 10몰%)의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드, 0.5mL의 THF, 20.8mg(0.22mmol)의 퍼퓨랄알데히드, 23.3mg(0.22mmol)의 2-아미노-3-피콜린, 9.2mg(0.22mmol)의 리튬클로리드 75.8mg(1.08mmol)의 1-펜텐을 순서대로 넣은 후, 마개를 막는다. 반응기를 100℃로 40시간 교반하면서 반응시킨다.

반응후, 실리카겔 관크로마토그라피(헥산과 에틸아세테이트의 비 = 5 : 2)로 정제하니 1-(2-퓨란닐)-1-헥사논을 35%(13.1mg;0.079mmol)의 수율로 얻는다.

같은 반응조건으로 헤테로원소를 함유한 알데히드의 반응 결과는 아래와 같다.

[실시예 9]

[다양한 전이금속촉매를 사용하고 2-아미노-3-피콜린을 첨가한 벤즈알데히드와 1-펜텐의 하이드로아실화반응]

실험방법은 실시예 1과 동일하고 100℃, 40시간동안 23.3mg(0.22mmol)의 2-아미노-3-피콜린, 22.9mg(0.22mmol)의 벤즈알데히드, 75.8mg(1.08mmol)의 1-펜텐, 벤즈알데히드에 대하여 10몰%의 다양한 금속촉매를 사용한 결과 아래와 같은 수율로 1-펜널-1-헥사논을 얻었다.

실시예 1에서와 같이 1-알켄과 벤즈알데히드를 테트라히드로퓨란 용매에 녹이고 10몰%의 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드와 20몰%의 2-아미노-3-피콜린을 가한 후, 100℃로 60시간 반응시킨 후, 반응혼합물을 관크로마토그래피로 분리하여 케톤을 얻었다. 이때 여러가지 1-알켄을 사용하여 다양한 케톤을 얻을 수 있다.

실시예 2와 3에서 보는 바와 같이 반응시간을 증가시키거나, 반응온도를 높일수록 생성되는 케톤의 수율을 증가시킬 수 있었다.

실시예 4에서 보는 바와 같이 첨가하는 2-아미노피리딘 유도체의 양(알데히드를 기준으로 10몰%에서 500몰%까지)을 증가시킬수록 생성되는 케톤의 수율이 증가하였고, 2-아미노피리딘 유도체를 첨가하지 않았을 때는 케톤생성물은 얻을 수 없는 반면, 탈카르보닐화합물을 약40%의 수율로 얻을 수 있었다.

실시예 5에서 보는 바와 같이 다양한 2-아미노피리딘 유도체를 사용하였을 때 원하는 케톤을 얻을 수 있었다.

실시예 6과 9에서 보는 바와 같이 금속촉매로서 1가로듐착물인 트리스트리페닐포스핀로듐(1)클로리드 뿐만 아니라 3가로듐착물인 로듐(Ⅲ)클로리드수화물(RhCl, HO)과 포스핀화합물, 다양한 로듐(1)화합물과 포스핀화합물, 다양한 루테늄화합물을 사용하여도 알데히드로부터 케톤을 합성할 수 있었다. 특히 실시예 6에서 보는 바와 같이 용매를 사용하지 않아도 좋은 수율로 케톤을 합성할 수 있었다.

실시예 7과 8에서 보는 바와 같이 지방족알데히드, 방향족알데히드를 본 발명에 적용시켰을 때 높은 수율로 케톤을 합성할 수 있었다. 그러나 헤테로 고리 알데히드를 사용할 때는 위와 같은 반응조건으로는 수율이 매우 적으나 염화리튬을 첨가하면 수율을 많이 높일 수 있었다.

본 발명은 고압의 일산화탄소에서 반응시킬 필요없이 온건한 반응조건에서 반응시킬 수 있어 고압 반응기를 사용할 필요가 없으므로 케톤의 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있게되는 효과가 있다. 또한 올레핀을 에틸렌에만 국한시킬 필요없이 거의 모든 비닐함유 올레핀에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 용매를 사용하여도 문제는 없으나 용매를 사용하지 않고도 반응을 진행시킬 수가 있어서 반응기를 최소로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 반응물에 사용하였던 모든 물질이 촉매를 제외하고는 모두 생성물로 변환되는 효율성을 보여주고 있고 사용되는 2-아미노피리딘 유도체는 반응 후에도 변하지 않으므로 그대로 회수하여 재사용할 수 있다. 이것은 부산물이 생성되지 않는다는 것을 의미하는 것으로 공해물질이 생기지 않는 공정이므로 앞으로 환경공해를 줄일 수 있는 최적의 방법으로 생각된다.

더우기 종래에는 다단계 반응을 통해서만 알데히드로 부터 케톤을 합성할 수 있었으나 본 발명의 제조방법은 한단계로 되어 있어 반응 공정상 한 반응기로 모든 반응을 끝낼 수 있다. 또한 일산화탄소를 사용한 케톤 합성방법은 하이드로포르밀화반응과 같이 선형 알킬케톤이 생성될 때 가지달린 알킬케톤이 부산물로 생성되어 선택성이 결여되어 있었으나 본 반응은 선형 알킬케톤만을 생성하는 선택성을 보여주고 있다.

본 발명에 적용될 수 있는 알데히드는 특수한 알데히드만이 가능한 것이 아니라 폭넓게 방향족 알데히드 뿐만 아니라 지방족알데히드, 헤테로고리 함유 알데히드, 훼로센카르복스알데히드와 같은 유기금속 함유 알데히드 등 것의 모든 알데히드에 적용시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.

Claims

원료물질로서의 알데히드와 1-알켄에, 전이금속촉매와 첨가제로 2-아미노피리딘(2-Aminopyridine)유도체를 혼합하고, 약 섭씨 60 내지 200도 정도로 6 내지 330시간 가열하는 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항에 있어서, 알데히드는 방향족 알데히드나 지방족알데히드인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항에 있어서, 알데히드가 헤테르원소를 포함한 알데히드이고, 첨가제가 2-아미노피리딘유도체와 염화리튬(LiCl)인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항에 있어서, 1-알켄은 지방족, 방향족기및 헤테르원소 함유 알킬기를 가지는 비닐 올레핀(vinyl olefin)인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 전이금속촉매가 로듐1가촉매인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 전이금속촉매가 로듐3가촉매이고, 포스핀화합물을 함께 넣어 사용하는 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 전이금속촉매가 로듐1가에 포스핀화합물을 첨가한 것임을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 전이금속촉매가 루테늄화합물인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.
제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 2-아미노피리딘 유도체가 2-아미노-3-피콜린인 것을 특징으로 하는 케톤의 제조방법.