KR100332212B1 - 4-클로로-2,5-디알콕시아닐린의제조방법및그정제법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4-클로로-2,5-디알콕시 니트로벤젠을 아세토 니트릴 또는 그의 수용액을 용매로 하여 촉매의 황화처리 여부에 관계없이 백금계 담지 촉매하에 수소환원시켜 탈염소화 없이 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 제조하는 방법에 관한 것이며 또한 생성 혼합물을 산석(酸析) 또는 염석(鹽析)을 통해 정제함으로써 반응물의 순도에 관계없이 고순도의 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 얻는 정제 방법에 관한 것이다.

Description

4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린의 제조방법 및 그 정제법

본 발명은 일반적인 백금계 담지 촉매를 사용하여 방향족 에테르 할로 니트로 화합물의 일종인 4-클로로-2,5-디알콕시니트로벤젠을 해당 아민 화합물인 4-클로로-2,5-디알콕시아닐린으로의 환원을 시키는 방법 및 합성된 해당 아민의 정제에 관한 것이다.

상세하게는, 본발명은 4-클로로-2,5-디알콕시 니트로벤젠을 일반 백금담지 촉매 또는 변형된 백금담지 촉매를 사용하여 아세토니트릴 등 RCN(R;알킬기) 또는 그 수용액 존재하에 수소 환원시켜 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 제조하는 방법에 관한 것이다.

더 나아가서는 이와 같은 개량된 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린의 제조방법에 부가하여 초기 투입되는 반응물의 순도의 고·저에 관계없이 부반응 생성물의 혼합에 의해 분리·정제가 곤란한 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 산석(酸析) 또는 염석[鹽析)에 의해 고순도로 얻을 수 있는 정제 방법에 관한 것이다.

방향족 에테르 할로아민 화합물중 가장 널리 사용되는 물질은 4-클로로-2,5-디메톡시 아닐린으로 이것은 염료, 안료의 중간체로 중간체로 사용되며, 이는 커플링을 통해 C.I. Azoic coupling component 23, 44, 112, 그리그 C.I.Pigment yellow 49, 83 및 C.I.11760등의 다양한 염료(또는 안료) 제품을 만드는데 사용된다. 4-클로로-2,5-디에톡시 아닐린 또한 4-클로로-2,5-디메톡시아닐린의 경우와 유사하게 사용되고 있다.

4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 제조하기 위해서 사용되는 니트로 화합물은 일반적인 방향족 니트로 화합물을 사용한 수소환원과 달리 pH, 용매의 성질에 따라서 반응율, 선택도등에서 많은 차이가 있다. 이는 방향족 할로 니트로 화합물의 수소환원시 탈할로겐화 반응외에 에테르의 성질에 의해서 생기는 현상이다. 본 발명의 제조 방법에서는 반응물로 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로벤젠(CDMNB) , 4-클로로-2,5-디에톡시니트로벤젠(CDENB) 등 4-클로로-2,5-디알콕시니트로벤젠이 사용되며 촉매로는 일반적인 백금계 담지 촉매인 Pt(백금)/Carbon 또는 Pd(팔라듐) /Carbon촉매가 사용된다. 촉매의 사용은 일반적으로 알려진 바와같이 할로겐이 기치환된 니트로화합물의 수소환원일 경우 백금 촉매를 사용하고 할로겐이 치환되지 않은 2,5-디알콕시니트로벤젠의 수소환원시 팔라듐 촉매를 사용한다.

종래의 생산 기술로는 다음과 같은 방법들이 알려져 있다.

1953년 Werner등 (미국 특허 2,631,167)에 따르면 용매로는 피리딘을 사용하였으며 환원제로 소디움 하이드로설피트를 사용하여 CDMNB으로 부터 해당 아민 CDMA(4-클로로-2,5-디메톡시 아닐린)를 제조하였다. 이러한 방법은 환원제가 고가일 뿐만아니라 용매의 증류회수가 어렵고 재결정단계가 필요하며 많은 폐수가 발생하여 공해문제를 야기한다. 독일 특허 (1941 377.5-42)에서는 Bechamp method을 이용, CDMNB을 출발물로 하여 4-클로로-2.5-디메톡시 아닐린을 얻는 공정을 채택하고 있다. 여기서 사용된 방법은 철, 개미산 또는 초산을 사용하여 환원하는 방법이며 용매로는 발암물질로 알려진 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 사용하고 있다. 따라서 작업자들도 이 용매의 사용을 기피하고 있으며 환원제로서 산과 철분을 이용하므로 폐산및 철폐기물이 다량 발생되고 있어 이 처리는 환경 문제로 대두되고 있다. 종래의 이러한 환원 방법들을 이용할때 필연적으로 동반되는 복잡한 제조 공정 및 환경 문제를 해결하고 깨끗한 작업환경을 유지할 수 있는 촉매 액상 수소환원법이 1980년대부터 본격적으로 정밀화학에 도입되기 시작하였다.

대한민국 공개특허 제 91-596호는 변형된 탄소상 백금 촉매하에서 수용액의 pH를 8내지 10으로 조절하는 약 0.01 내지 2몰의 화합물의 존재하에 및 4-클로로-2,5-디메톡시-니트로벤젠에 대해 0.1내지 약1.0 중량%의 직쇄상 지방족 1급, 2급, 또는 3급 아민 또는 사이클릭 아민의 존재하에 방향족 용매중에서 약 80 내지 110℃의 온도에서 약 5 내지 50 atm의 수소 압력에서 환원 반응을 수행하는 것을 기재 하고 있다. 여기서 변형된 촉매란 설파이드화된 촉매를 말한다. 상기 반응물의 수소환원 반응은 탈염소화등으로 매우 불안정하므로 사용할 촉매의 전처리와 pH조절제로 사용된 화합물과 함께 사용된 방향족 용매를 회수하여야 하는 어려움이 존재한다. 또한 설파이드화 전처리된 촉매는 처리 안한 촉매에 비하여 반응 속도가 떨어지므로 상대적으로 많은 양이 사용되는 단점이 있다.

이러한 종래의 방법에 비하여 본 발명에서는 적절한 용매의 선택으로 고수율 및 부반응 방지를 위해 별도의 반응 첨가제 및 촉매의 전처리와 용매의 pH조절을필요로 하지 않는다.

상기한 바와 같은 여러 문제점을 해결하고자 본 발명은 단일용매로 아세토니트릴[CH3CN) 등 RCN(R:알킬기) 또는 그의 수용액을 용매로 사용하며 일반 백금 담지 촉매 또는 변형된 백금 담지 촉매를 사용하여 수소가압하에 반응시키는 것을 특징으로하고 있다.

본 발명에서는 RCN계 용매는 어떤 것이든 모두 사용이 가능하고, RCN과 동등하거나 대체(또는 치환)되어 사용가능한 용매도 본 발명의 범위에서 제외되는 것은 아니며, 바람직한 용매의 예로써 채용된 아세토니트릴 또는 그의 수용액이 본 발명의 단일 용매로 한정되는 것은 아니다.

또한 반응에 사용된 용매는 반응 완료후 증류 또는 공비증류를 통하여 회수하여 재사용하는것이 가능하다.

본발명의 방법에서 바람직한 반응온도는 20 내지 80℃이며 바람직한 수소압력은 20 내지 180psi이다.

본 발명은 다른 부가적인 pH등의 반응조절이 필요없고 간단하여 추후 용매의 회수가 용이하다.

한편 환원한 생성물의 일반적인 정제방법(재결정 또는 증류)들은 정제 순도 및 수율이 낮고 열적 불안정성으로 인하여 색상이 떨어지며 정제 공정이 복잡하고 이에 따른 장치비가 많이 소요된다. 따라서 출발 물질인 니트로의 순도를 높이고 부반응를 억제하여 환원 후 간단한 용매 제거로 제품을 얻어야 한다. 따라서 반응물의 정제 과정이 전단계에 필수적으로 있어야 한다. 그러나 니트로 화합물의 정제는 재결정 방법과 같이 매우 제한적이다.

따라서 본발명의 정제법에서는 위와 같은 문제점도 동시에 해결한 것으로 초기 반응물의 순도가 낮은 경우에도 98%이상의 고순도의 아민을 얻을 수 있다.

이하 본발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

수소화 촉매 반응에 이용되는 촉매로 보통 수소 환원에 널리 쓰이는 니켈담지 촉매(라니 니켈 포함), Pt/C, Pd/C등을 사용할 수 있으나 본 반응의 출발물이 4-클로로-2,5-디알콕시 니트로 벤젠일 경우 기치환되어있는 염소기의 탈염소화를 막기 위해서 니켈 혹은 팔라듐 촉매보다 Pt 담지 촉매(예, Pt/C)를 사용하는 것이 좋다. 방향족 니트로 화합물의 액상 수소환원 반응은 탈염소화와 같은 부반응외에 중간체를 거쳐 최종 아민 화합물이 만들어지므로, 생성물에는 부반응물, 중간체, 그리고 반응물에 함유되어 있는 디클로로디알콕시벤젠이 함유되어 있을 수 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 니트릴용매를 사용할 경우 상업용 촉매 혹은 제조된 어떤 촉매에 비해서 고수율로 목적물을 얻을 수 있으며 부반응을 막기 위하여 다른 처리를 할 필요가 없다.

반응물이 순수할 경우 일반적인 방법에 따라서 단순히 용매를 증류 회수하거나 농축 재결정화 방법에 의하여 원하는 생성물을 얻을 수 있다. 그러나 반응물 4-클로로-2,5-디알콕시니트로벤젠에 불순물로서 디클로로디알콕시 벤젠이 혼합되어 있는 경우와 그리고 디알콕시 벤젠 또는 디알콕시 니트로벤젠이 포함되어 있는 경우, 환원 반응 후 통상적인 방법으로는 최종 생성물인 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 순수하게 얻기 힘들다.

따라서 본 발명과 같이 산석(또는 염석)을 행하지 않으면 쉽게 고순도 제품을 얻을 수 없다.

산석 방법이란 염산을 이용하여 원하는 생성물만을 용해시키는 방법을 말하며 염석이란 염화수소 가스를 이용하여 원하는 생성물만을 결정으로 석출시키는 방법을 의미한다.

산석으로 정제하는 경우에는 반응 종료후 촉매를 여과등의 방법으로 제거한다음 반응 여액을 증류하여 용매을 회수 한후 염산을 이용하여 생성된 결정을 용해시킨다. 용해되지 않는 결정은 주로 디클로로디알콕시벤젠으로 이를 여과하며 제거 한다. 여액을 알칼리 수용액으르 중화하면 백색의 결정이 석출되며 이를 여과 건조하면 고순도의 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 얻는다.

염석으로 정제하는 경우에는 반응 종료 후 촉매를 제거하고 반응 여액에 염화수소 가스를 주입하면 백색의 아민염만이 석출된다. 이를 여과하고 얻은 고체를 건조(이는 생략하여도 무방함)하여 물에 녹인다. 이를 알칼리 수용액으로 중화하면 백색의 결정이 형성되며 이를 여과 건조하면 그순도 4-클로로-2,5-디알콕시 아닐린을 얻는다.

이러한 정제 방법은 정제 순도가 높고 생성물의 회수율이 높아 제거되는 불순물(디클로로-1,4-디알콕시 벤젠등)의 순도도 따라서 높기 때문에 이의 활용도 가능하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하였다.

[실시예 1]

가열 히터와 냉각 코일이 장착되고 교반이 가능한 2리터 고압 반응기에 반응물인 순도 93.18 % 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로벤젠(4.26 % 디클로로디메톡시벤젠, O.29 % 디메톡시 니트로벤젠) 10O g과 시약급(EP급) 아세토니트릴 1.2리터를 함께 넣고 반응기를 40℃로 가열하며 질소로 반응기 속의 산소를 빼낸다. 촉매 1.5 wt% Pt/C 0.5 g을 반응기 안에 넣고 강하게 교반하며 다시 질소로 치환 한 후 반응 온도를 유지하며 수소를 설정 압력(80 psi)으로 가압하여 반응을 진행한다. 반응에 의한 수소 소비가 더이상없으면 반응을 종료한다. 반응이 끝나 촉매를 여과한 여액의 조성은 다음과 같았다. 94.19% 4-클로로 2,5-디메톡시 아닐린, 3.74% 디클로로 디메톡시 벤젠, 그리고 0.2% 디메톡시 아닐린. 따라서 본 발명에 의한 합성은 탈염소화가 일어나지 않고 잘 진행되었음을 알 수있다. 보다 고순도의 제품을 얻기 위하여 위 여액에 염화수소가스 1.1 당량을 주입 염석하였다. 생성된 결정을 여과하여 케이크를 물 200 cc에 녹인 후 50% NaOH 수용액 54 g으로 중화 처리한 후 여과하여 케이크를 건조시켜 4-클로로 2,5-디메톡시 아닐린(CDMA) 68.25g을 얻었다. 이때 얻은 제품(CDMA)의 색상은 흰색이고, 순도는 99.5% 였으며 수율은 85%(몰비)였다. 용매인 아세토니트릴은 단순 증류를 통하여 95%의 회수율을 보였다.

[실시예 2]

실시예1과 같은 2ℓ의 고압 반응기에 반응물인 74.45% 4-클로로-2.5-디메톡시 니트로벤젠(di-CDMB 19.71%, DMNB 1.8%) 100g과 CH3CN 1.2ℓ를 투입한다. 반응 온도인 40℃까지 온도를 올리면서 질소(80 psi)로 2회 이상 치환하고 수소 120psi르 1회 치환한다. 반응 온도에 도달하면 Pt/C 촉매 0.5g을 반응기 안에 투입하고수소로 1회 정도 다시 치환 한후 수소를 반응 압력까지 채우고 반응을 시작한다. 이때 반응 조건으로는, 반응 온도 40℃, 반응 압력 120 psi, 교반 속도 500-800 RPM으 한다. 반응완료 후 촉매를 여과한 후 여액을 GC로서 분석한 결과 DNA 1.65%, di-CDMB 20.39%, CDMA 75.09%였다. 이 여액을 증류하여 용매를 회수하고 생성된 결정을 다시 35% 염산 50 g과 물 500 g을 넣고 85℃까지 교반 가열한 후 녹지 않는 결정을 여과하여 제거 한다. 이 여액에 50% NaOH 약 56g으로 pH를 9-11로 조정하여 결정을 석출시킨다. 석출된 고체를 여과하고 건조 시켜 CDMA 60.92 g을 얻었다. 건조된 결정의 GC 순도는 CDMA 98.%, di-CDMB 0.55%으로 94.9%의 수율을 보였다. 결정의 색상은 분홍색을 띠었다. 이는 알칼리 영역에서 결정을 얻었기 때문이다.

[실시예 3]

실시예2와 동일 조건에서 실험을 하고 염산 처리시 35% 염산 100g과 물 500g을 사용하고 50% NaOH 11Og을 사용한 결과의 결정은 연한 분홍색으로 건조후 CDMA 58.94g을 얻었다. 이때 수율 91.83%, 순도 98% 였다.

[실시예 4]

실시예2와 동일 조건으로 실험을 하고 결정화시 촉매를 여과한후 반응 완료액에 염산 수용액 대신 HCl 가스로서 염석한 후 석출된 생성물을 여과하여 결정을 얻는다. 이 결정을 물 50Oml에 녹인 다음 50% NaOH로서 중화하여 재결정화하여 다시 결정을 얻는다. 여과 건조후 CDMA 54.83 g을 얻었으며 색상은 흰색으로 수율 85%, 순도 99.5%였다.

[실시예 5]

86% 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로벤젠을 반응물로 실시예2와 동일 조건으로 실험을 하고 염산 처리시 35% HCl 50g과 물 1000g을 사용하고 50% NaOH 55g을 사용한 결과 여과 건조 후 CDMA 72.17g을 얻었다. 이때 색상은 연한 분홍색으로 수율 97.33%, 순도 97.6% 였다.

[실시예 6]

86% 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로벤젠을 반응물로 하고 실시예5에서 사용된 용매를 증류하여 재사용하며 실시예5와 동일 조건으로 실험을 한 결과 결정의 색상은 실시예5와 동일하고 70.97 g의 CDMA를 얻었다. 이때 수율 95.72%, 순도 97%였다.

[실시예 7]

실시예1과 같은 고압 반응기에 반응물인 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로벤젠 (di-CDMB 19.71%, DMNB 1.8%) 10Og과 CH3CN 1045ml및 물 155ml를 투입한다. 용매의 이러한 조성은 아세토니트릴과 물이 공비하는 조성이다. 반응 온도인 40℃까지 온도를 올리면서 질소로 80psi까지 2회 이상 치환한 후 수소로 120psi까지 1회 치환한다. 반응 온도에 도달하면 반응기의 압력을 상압으로 낮춘후 Pt/C 촉매 0.5g을 반응기안에 투입하고 수소로 다시 1회 정도 치환한 후 수소를 반응압력까지 채우고 반응을 시작한다. 이때 반응 조건은 반응온도 40℃, 반응압력 120psi, 교반속도 500-80O RPM으로 한다. 반응완료 후 촉매를 여과한 후 여액을 GC로 분석한 결과 DMA 1.65%, di-CDMB 22.3%. CDMA 75.09% 였다. 이 여액을 증류하여 용매를 회수하여 생성된 결정에 35% HCl 50g과 물 500g을 넣고 85℃에서 교반후 여과를 한다. 여과에 의하여 분리된 결정은 부반응물( di-CDMB 86.44% CDMA 11%)이었고, 여액을 다시 50% Na0H 56g으로 pH를 7-1로 조절하여 결정을 석출시킨다음 결정을 여과하고 건조 시켜 58.11 g CDMA을 얻었다. 이때 GC 순도는 CDMA 98.3%, di-CDMB 0.53%으로 90.53%의 수율를 보였다. 결정의 색상은 분홍색을 띠었다.

[실시예 8]

실시예7과 동일 조건으로 실험을 하고 결정화시 촉매를 여과한 반응 완료액에 HCl 가스로서 염석한 후 석출된 반응 생성물을 여과하여 결정을 얻는다. 이 결정을 물 700ml에 녹인 다음 50% NaOH로서 중화하여 재결정화하여 건조후 54.35 g CDMA결정을 얻었다. 이때 수율 84.68%, 순도 99.2% 였다.

[실시예 9]

실시예7에서 사용된 용매를 회수하여 실시예5와 동일 조건으로 실험을 하고 반응 완료액을 여과후 염산 산석처리시 35% 염산수용액 55g과 물 500g을 사용하고 50% NaOH 50g을 사용하며 중화한 결과 57.64 g CDMA 분홍색 결정을 얻었다. 이때 수율 89.8%, 순도 98%였다.

[실시예 10]

실시예9와 동일 조건으로 실험을 하고 결정화시 촉매를 여과한 반응 완료액에 염화수소가스(HCl)로서 염석한 후 석출된 반응 화합물을 여과하여 결정을 얻는다. 이 결정을 물 60Oml에 녹인 다음 50% NaOH로 중화하여 재결정화하여 51.71 g CDMA 결정을 얻었다. 이결점은 흰색으로 수율이 80%, 순도 99.3%인 CDMA이다.

[실시예 11]

실시예1과 같은 조건하에 반응 온도만 50, 60, 70 그리고 80℃로 달리하여 수행하였다. 그결과 반응 속도만 차이가 있을 뿐 반응의 선택도, 수율 및 순도는 동일하였다. 따라서 아세토니트릴 또는 그의 수용액을 용매로 이용하는 경우 반응의 선택도는 뛰어 났다.

이상에서 아세토니트릴 또는 그의 수용액하에서는 탈염소화가 일어나지 않았으며 반응물의 순도에 무관하게 고순도의 해당 아민화합물을 얻을 수 있었다. 정졔 방법에 있어서 염석의 경우가 목적 생성물의 색상 및 순도에 있어서는 약간 높으나 수율은 산석에 비하여 떨어짐을 알 수 있다. 이는 용매중의 수분에 의한 현상으로 반응물의 상태에 따라서 적절한 방법을 사용하면 고순도, 고수율의 제품을 얻을 수 있다.

[비교실시예 1]

70% NaSH 60 g을 물 1000 ml에 녹인후 온도를 90℃까지 올린다. 반응 온도가유지되면 74% 4- 클로로-2,5-디메톡시니트로벤젠 100 g을 천천히 투입한다. 반응 종료후 생성물의 조성은 azo 또는 azoxy화합물이 형성되며 4-클로로-2,5-디메톡시아닐린이 거의 형성되지 않았다.

[비교실시예 2]

91% 4-클로로-2,5-디메톡시-니트로 벤젠 60 g을 1.5wt% Pt/C O.3 g과 CH3OH 360ml와 함께 가압 반응기에 넣어 반응 온도 40℃에서 수소 압력 120 psi하에 실시예1과 같이 행하였다. 이때 얻은 생성물의 조성은 실시예1과 비교했을때 탈염소화에 의해서 2,5-디메톡시아닐린이 1.5% 증가하였으며 pH가 4이하로 진행되었다. 또한 azo 및 azoxy화합물이 35%이상 형성되고 반응물이 존재하는데도 수소의 주입 속도가 급속히 감소되었다. 이는 azo화합물등의 반응 속도가 느려 일어난 현상과 azo화합물등에 의한 가역적 비활성화에 기인한다.

[비교실시예 3]

78.6% 4-클로로-2,5-디메톡시니트로벤젠 (21% 디클로로-2,5-디메톡시 벤젠) 62g, 5% Pd/C 0.31 g과 메탄올 600 ml을 사용하여 실시예1과 같이 합성하었다. 반응온도와 수소 압력을 각각 40℃와 120psi로 유지하며 반응하였다. 260분 후 반응기의 생성물 조성은 디메톡시 아닐린 12%, 디클로로-2,5-디메톡시 벤젠 22%, 4-클로로-2,5-디메톡시 아닐린 31%, 그리고 4-클로로-2,5-디메톡시 니트로 벤젠 29% 였다. 이로써 탈염소화가 급격히 일어남을 알 수 있다.

Claims (5)

1. 4-클로로-2,5-디알콕시니트로벤젠을 백금(Pt)담지 촉매, 수소 20∼180 psi 가압, 20∼80℃ 온도 조건으로 촉매 수소환원반응을 수행하되, 반응용매로서 아세토니트릴 또는 이의 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 4-클로로 2,5-디알콕시아닐린의 제조방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 수소환원반응 완료후 증류 또는 공비중류하여 회수한 용매를 재사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 4-클로로-2,5-디알콕시니트로벤젠은 4-클로로-2,5-디메톡시니트로벤젠 또는 4-클로로-2,5-디에톡시니트로벤젠인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제조된 4-클로로2,5-디알콕시아닐린은 염화수소 가스 또는 염산 수용액을 사용하여 염석 또는 산석한 후에, 알칼리로 중화처리하는 것을 특징으로 하는 방.
5. 제8항에 있어서, 상기 알칼리가 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 방법.