KR100368734B1

KR100368734B1 - 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법

Info

Publication number: KR100368734B1
Application number: KR10-2000-0006654A
Authority: KR
Inventors: 구본철
Original assignee: 에스케이 주식회사
Priority date: 2000-02-12
Filing date: 2000-02-12
Publication date: 2003-01-24
Also published as: KR20010083417A

Abstract

본 발명은 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 용매 및 산화제 존재하에서 2,3,5-트리메틸페놀 또는 2,3,6-트리메틸페놀을 산화촉매로 붕소화합물을 사용하여 반응시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 사용된 산화제와 촉매는 상업적으로 손쉽게 구입할 수 있는 화합물인바, 본 발명을 통해서 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 경제적으로 대량생산이 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법{Method for the preparation of 2,3,5-trimethylbenzoquinone}

본 발명은 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법을 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 하기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀 또는 하기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 특정한 촉매하에서 과산화수소를 산화제로 사용하여 하기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 상기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논은 비타민(Vitamin) E 합성에 출발물질로 사용되는 매우 중요한 유기화합물이다 (Charles S. Sodano; Vitamins Synthesis Production and Use, Advance Since 1970, pp174-188, Noyes Data Corporation).

종래의 제조방법으로는 상기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀을 이산화망간(MnO₂)을 이용하여 산화시키는 방법이 대표적으로 알려져 있는데, 이 방법은 우선 황산 등으로 4-위치를 설폰산화시켜 4-설폰산페놀을 중간체로 제조하고 이를 산화시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법이다. 이 방법은 반응 완료후의 황산과 산화망간(MnO) 부산물의 처리가 문제가 되고, 상업적으로 적용하기 위해서는 부산물을 별도로 처리해야 하는 등의 단점이 있고, 또한 1당량 이상의 산화제를 사용하는 등 생산비용이 매우 높은 문제점을 가지고 있다(미국특허제3,956,346호, 독일 공고특허 제1 932 362호, 독일 공개특허 제2 225 543호).

한편, 상기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀이나 상기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 촉매 존재하에서 여러 산화제를 사용하여 직접 산화시켜 상기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법이 제안되었다. 예를 들어, 산화제로 질산(Nitric acid)을 사용하여 산화시키는 방법(미국특허 제3,932,475호), 퍼벤조산(Perbenzoic acid)을 사용하는 방법(일본 특개소 53-39847호) 등이 알려져 있으나, 상업적으로 적용하는 데는 만족스럽지 못하였다. 즉, 질산을 사용하는 경우는 질소산화물의 생성이 문제가 되고, 퍼벤조산을 사용하는 경우에는 반응물로 함께 넣어주는 염소, 브롬 등과 같은 매우 유해한 물질의 취급 등의 문제로 별도의 제거기술이 필요하다. 또한, 산화제가 상업적으로 구입은 가능하나 가격이 비싸고 이론적으로 벤조산(Benzoic acid) 등 유기 부반응물이 생기는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 산소를 산화제로 사용하고 촉매 존재하에서 산화시키는 방법이 소개되었는데, 사용된 촉매로는 코발트 쉬프염기(Cobalt Schiff base; 미국특허 제4,360,649호, 독일 공개특허 제245 098호), 2가 구리(R. A. Sheldon, "Metal - Catalyzed Oxidations of Organic Compounds" Academic Press, New York, 1981, p368, 유럽 공고특허 제161 753호) 등이 있다. 이 경우에도 코발트 쉬프염기(Cobalt Schiff base)가 매우 고가이고 촉매의 회수 및 재사용이 용이하지 못한 단점이 있고, 2가 구리를 사용하는 경우에는 1당량 이상의 촉매를 사용하게 되며, 특히 염화구리(CuCl), 브롬구리(CuBr) 등의 할로겐화합물을 사용하면부반응물로 4-위치에 할로겐이 치환된 4-할로겐페놀이 생성되며 이는 최종 비타민 E 제품이 의료용 등으로 활용될 때 엄격한 제한을 받는다. 또한, 반응을 고압의 산소하에서 진행시켜야 하는 등의 단점이 있어 상업화에는 번거로움이 있다.

최근에는 과산화수소를 촉매 존재하에서 산화제로 사용하는 방법이 개발되었는데, 이때 사용되는 촉매로는 루세늄할라이드(RuCl₃, 미국특허 제4,482,493호), 몰리브데늄과 텅스텐의 헤테로포리산(Heteropoly acid, 미국특허 제5,245,059호), 아뉴렌(Tetraaz(13)annulene) 리간드를 포하하는 유기철촉매(미국특허 제5,712,416호) 등이 있다. 그러나 가격이 싸고 쉽게 구입이 가능한 산화제인 과산화수소를 사용하는 장점에도 불구하고 금속촉매의 가격이 매우 비싼 점, 촉매의 구입이나 제조가 용이하지 않은 단점, 그리고 하이드로벤조퀴논(Hydrobenzoquinone), 벤조퀴논의 다이머(Dimer) 등의 부반응물 생성 등으로 상업적으로 활용되기에는 제한을 갖는 단점이 있다.

이에 본 발명자는 광범위한 연구를 수행하여 종래의 방법이 갖는 문제점을 극복하고 상업적으로 용이하게 2,3,5-트리메틸페놀 또는 2,3,6-트리메틸페놀을 산화시켜 고수율로 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법을 개발하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 고수율로 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법은 용매 및 산화제 존재하에서, 하기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀 또는 하기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 산화촉매로 붕소화합물을 사용하여 반응시키는 것으로 이루어진다.

화학식 1

화학식 2

화학식 3

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서는 과산화수소(H₂O₂)를 산화제로 사용하고, 붕소화합물을 촉매로 첨가하여 반응시켜 상기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 제조할 수 있었다. 이때 사용하는 과산화수소는 상업적으로 쉽게 구입이 가능한 농도 30∼60%의 수용액이고, 3차 부틸과산화수소(t-BuO₂H, 농도 약 70%)도 산화제로 사용이 가능하다. 촉매는 상업적으로 구입이 용이한 붕소산(H₃BO₃), 산화붕소(B₂O₃) 등의 붕소화합물을 소량 사용하며, 반응온도는 10∼100℃에서 진행시키고, 용매로는 물과 혼합가능한 산 용매를 사용한다.

다시 말하면, 상기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀 또는 상기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 산화시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논 (III)을 제조함에 있어 사용되는 산화제는 수용성 과산화수소(H₂O₂)로서 농도는 30∼60%이며, 바람직하게는 농도 30%의 과산화수소이다. 또한, 약 70%의 수용성 3차 부틸과산화수소(t-BuO₂H)도 상기 과산화수소 대신에 적합하게 사용될 수 있다(실시예 1∼4). 상기 산화제의 양은 화학당량으로 2,3,5-트리메틸페놀 또는 2,3,6-트리메틸페놀의 1∼50몰이 사용되고, 1몰 미만이면 반응속도가 낮아 반응을 최종 종결하기 어려우며, 50몰을 초과하면 벤조퀴논의 다이머의 생성등 부반응물의 생성이 많아지는 경향이 있다.

한편, 상기 산화제를 촉매의 존재부재하에서 반응시키면 반응속도가 매우 느리고 부반응물이 발생하는 등의 문제로 선택도 및 수율이 매우 저하된다(비교예 1). 그러나 본 발명의 산화반응의 촉매인 붕소산(H₃BO₃)이나 산화붕소(B₂O₃)를 소량 첨가하면 반응속도가 증가하며 선택도도 매우 향상되고 수율이 증가함을 알 수 있다(실시예 5∼6). 바람직하게는 붕소산이 반응생성물의 선택도와 반응속도에서 약간 우수함을 알 수 있다. 상기 촉매는 화학당량으로 2,3,5-트리메틸페놀 또는2,3,6-트리메틸페놀의 0.001∼1몰이 사용되며, 0.001몰 미만이면 반응성의 저하로 반응속도가 매우 느려지고 부반응물의 생성이 증가하고, 1몰을 초과하여도 크게 수율의 향상이 두드러지지는 않는다.

본 발명의 반응은 바람직하게는 용매하에서 수행되며 사용되는 용매로는 물과 혼합가능한 산으로 초산(AcOH), 개미산(HCO₂H), 및/또는 옥살산(HO₂CCO₂H) 등이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는 50∼99.5%의 초산 용매하에서 반응이 수행되며 0.5∼40%의 초산보다 더욱 산성, 즉 pKa값이 더 낮은 산의 존재하에서 하이드로벤조퀴논 (Hydrobenzoquinone)이나 벤조퀴논의 다이머(Dimer)의 생성을 억제하면서 반응을 진행시킬 수 있다. 이런 산으로는 인산(H₃PO₄)을 사용할 수 있으며, 이를 단독 또는 상기 산들과 혼합 사용할 수 있다. 인산의 바람직한 농도는 1∼20%이다(실시예 7∼10).

본 발명의 반응온도는 10∼100℃이며, 바람직하게는 20∼60℃에서 최적의 반응 수율을 얻을 수 있었다(실시예 11∼14). 만약 상기 반응온도가 10℃ 미만이면 반응속도가 매우 저하되며, 100℃를 초과하면 벤조퀴논 다이머의 생성 등 부반응물을 많이 생성시키는 경향이 있다. 또한, 반응시간은 3∼6시간이 바람직하나, 이에 제한받지 않으며, 반응물질인 트리메틸벤조퀴논의 전환율이 정량적인 상황에서 반응을 종결한다.

이와 같이, 본 발명은 산화제와 촉매가 모두 상업적으로 저렴한 가격으로 쉽게 구입이 가능하며 반응조건도 매우 온화하고 생성물의 수율이 매우 높고 부반응물이 거의 없을 뿐 아니라 반응생성물을 유기용매를 이용하여 고순도로 얻을 수 있는 장점이 있어 상업적으로 매우 유용한 방법이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1∼4

환류냉각기가 장착된 250ml 3구 플라스크에 2,3,5-트리메틸페놀(화학식 1) 1g 또는 2,3.6-트리메틸페놀(화학식 2) 1g을 넣고 초산 100ml을 첨가한 후 붕소산 1g을 첨가한 다음, 반응기 내부 용액의 온도를 35℃가 되게 조절한 후 반응물을 교반하면서 인산을 5ml 첨가한 후 40ml의 과산화수소(30%, 동양화학사) 또는 35ml의 3차 부틸과산화수소(70%, Aldrich사)를 천천히 방울방울 적하시킨다. 산화제를 모두 적하하고 기체 크로마토그라피(Hewlett Packard사, HP-5890, Ultra-1 Column)로 반응의 진행을 관측한다. 반응은 4시간 후 종결하였으며, 반응 완결후 반응물을 물 100ml에 섞고 이염화탄소(CH₂Cl₂) 100ml로 3회 추출한 후 모아진 유기층을 5% 탄산수소나트륨(NaHCO₃) 수용액 50ml로 세척한다. 유기 용매층을 황산마그네슘 (MgSO₄)으로 처리한 후 여과하고 용매를 증발시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논(화학식 3)을 얻었다. 생성물의 순도는 기체 크로마토그라피로 측정하였다. 하기 표 1에 사용한 반응물과 산화제에 따른 반응조건과 그 결과를 나타내었다.

실시예	반응물	산화제	반응시간	수율	순도
1	화학식 1	30% H₂O₂	4시간	98%	99%
2	화학식 2	30% H₂O₂	4시간	97%	97%
3	화학식 1	70% t-BuO₂H	4시간	99%	99%
4	화학식 2	70% t-BuO₂H	4시간	95%	97%

비교 예 1

환류냉각기가 장착된 250ml 3구 플라스크에 2,3,5-트리메틸페놀(화학식 1) 1g을 넣고 초산 100ml을 첨가한 후, 반응기 내부 용액의 온도를 30∼35℃가 되게 조절한 후, 반응물을 교반하면서 40ml의 30% 과산화수소를 천천히 방울방울 적하시킨다. 과산화수소를 모두 적하한 후 추가로 8시간 반응을 진행시킨다. 반응물을 물 100ml에 섞고 이염화탄소 100ml로 3회 추출한다. 모아진 유기층을 5% 탄산수소나트륨 수용액 50ml로 세척한다. 유기 용매층을 황산마그네슘으로 처리한 후 여과하고 용매를 증발시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논(화학식 3)을 수율 34%로 얻었다.

실시예 5∼6

환류냉각기가 장착된 250ml 3구 플라스크에 2,3,5-트리메틸페놀(화학식 1) 1g을 넣고 초산 100ml을 첨가한 후 붕소산 1g 또는 산화붕소 1g을 첨가한다. 반응기 내부 용액의 온도를 30∼35℃가 되게 조절하고, 반응물을 교반하면서 인산 5ml를 첨가한 후, 40ml의 30% 과산화수소를 천천히 방울방울 적하시킨다. 산화제를 모두 적하하고 기체 크로마토그라피로 반응의 진행을 관측한다. 반응은 4시간 후 완결하였으며, 반응이 완결된 후 반응물을 물 100ml에 붓고 이염화탄소 100ml로 3회 추출한다. 모아진 유기층을 5% 탄산수소나트륨 수용액 50ml로 세척한다. 유기용매층을 황산마그네슘으로 처리한 후 여과하고 용매를 증발시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논(화학식 3)을 얻는다. 생성물의 순도는 기체 크로마토그라피로 측정하였다. 하기 표 2에 사용한 붕소산 촉매의 종류에 따른 반응조건과 결과를 나타내었다.

실시예	촉매	반응시간	수율	순도
5	H₃BO₃	4시간	98%	99%
6	B₂O₃	4시간	95%	99%

실시예 7∼10

환류냉각기가 장착된 250ml 3구 플라스크에 2,3,5-트리메틸페놀(화학식 1) 1g을 넣고 초산 100ml을 첨가한 후 붕소산 1g을 첨가한다. 반응기 내부 용액의 온도를 30∼35℃가 되게 한 후, 반응물을 교반하면서 인산 또는 개미산을 하기 표 3의 양만큼 첨가한 후 40ml의 30% 과산화수소를 천천히 방울방울 적하시킨다. 산화제를 모두 적하하고 기체 크로마토그라피로 반응의 진행을 관측한다. 반응후 반응물을 물 100ml에 섞고 이염화탄소 100ml로 3회 추출한다. 모아진 유기층을 5% 탄산수소나트륨 수용액 50ml로 세척한다. 유기 용매층을 황산마그네슘으로 처리한 후 여과하고 용매를 증발시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논(화학식 3)을 얻는다. 하기 표 3에 사용한 인산과 개미산에 따른 반응조건과 결과를 나타내었다.

실시예	보조산	사용량	반응시간	수율
7	인산	1ml	7시간	93%
8	인산	5ml	4시간	98%
9	개미산	5ml	4시간	96%
10	인산	20ml	4시간	98%

실시예 11∼14

환류냉각기가 장착된 250ml 3구 플라스크에 2,3,5-트리메틸페놀(화학식 1) 1g을 넣고 초산 100ml을 첨가한 후 붕소산 1g을 첨가한다. 반응물의 온도를 하기 표 4에 기재된 온도로 조절한 후 반응물을 교반하면서 인산을 5ml 첨가한 후 40ml의 30% 과산화수소를 천천히 방울방울 적하시킨다. 과산화수소를 모두 적하하고 기체크로마토그라피로 반응의 진행을 관측한다. 반응 완료후 반응물을 물 100ml에 섞고 이염화탄소 100ml로 3회 추출한다. 모아진 유기층을 5% 탄산수소나트륨 수용액 50ml로 세척한다. 유기층을 황산마그네슘으로 처리한 후 여과하고 용매를 증발시켜 2,3,5-트리메틸벤조퀴논(화학식 3)을 얻는다. 하기 표 4에 반응온도별 결과를 나타내었다.

실시예	반응온도	반응시간	수율
11	25∼30℃	7시간	97%
12	30∼35℃	4시간	98%
13	40∼47℃	4시간	98%
14	60∼63℃	2시간	94%

본 발명에서는 상기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀과 상기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 붕소화합물 촉매 존재하에서 과산화수소 또는 3차 부틸과산화수소를 산화제로 사용하고 초산을 주용매로 하고 인산 등의 강산을 보조용매로 사용하여 산화반응시켜 상기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 고수율과 고순도로 제조할 수 있었다. 본 발명에 사용된 산화제와 촉매는 상업적으로 손쉽게 구입할 수 있는 화합물인바, 본 발명을 통해서 2,3,5-트리메틸벤조퀴논을 경제적으로 대량생산이 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims

용매 및 산화제 존재하에서 하기 화학식 1로 표시되는 2,3,5-트리메틸페놀 또는 하기 화학식 2로 표시되는 2,3,6-트리메틸페놀을 산화촉매로 붕소화합물을 사용하여 반응시키며, 상기 산화제가 과산화수소 또는 3차 부틸과산화수소이고, 상기 붕소화합물이 붕소산 또는 산화붕소인 것을 특징으로 하는 하기 화학식 3으로 표시되는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.

화학식 1

화학식 2

화학식 3
삭제
제1항에 있어서, 상기 산화제의 사용량이 화학당량으로 2,3,5-트리메틸페놀 또는 2,3,6-트리메틸페놀의 1∼50몰임을 특징으로 하는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 촉매의 사용량이 화학당량으로 2,3,5-트리메틸페놀 또는 2,3,6-트리메틸페놀의 0.001∼1몰임을 특징으로 하는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용매가 물과 혼합가능한 산용매임을 특징으로 하는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 산용매가 초산, 개미산, 인산 및 옥살산으로 이루어진 군으로부터 하나 또는 그 이상 선택됨을 특징으로 하는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 반응온도가 10∼100℃임을 특징으로 하는 2,3,5-트리메틸벤조퀴논의 제조방법.