KR100385192B1 - 3,5,5-트리메틸시클로헥사-3-엔-1-온 (β-이소포론)제조를 위한 연속적인 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 α-이소포론의 균질 촉매작용 하 이성질체화에 의한 β-이소포론 제조를 위한 연속적인 방법에 관한 것이다.
본 발명은 α-이소포론 및 알칼리 히드록시드 용액을 반응 영역에 도입하고, 반응 혼합물을 대기압 이하의 압력 P1 하에 150 ℃ 이상의 온도에서 환류시키고, 반응 혼합물로부터 150 ℃ 이하의 온도 및 P1 미만인 압력 P2 하에 증류에 의해 β-이소포론을, 반응 혼합물 내 7 중량% 이하의 함량이 되도록 배수에 의해 중산물을 연속적으로 및 동시에 제거하고, 증류 응축물을 반응 영역으로 연속적으로 재순환시키는 것으로 이루어진다.
Description
본 발명은 균질 촉매 존재 하에 액체상 내에서 3,5,5-트리메틸시클로헥사-2-엔-1-온 (이하, α-이소포론) 의 이성질체화에 의한 3,5,5-트리메틸시클로헥사-3-엔-1-온 (이하, β-이소포론) 제조를 위한 연속적인 방법에 관한 것이다.
β-이소포론은 카로테노이드, 비타민, 예컨대 비타민 E, 및 약제의 제조시 합성 중간체이다.
또한, 방향제 및 천연 생성물, 예컨대 아스탁산틴 및 아브시스산 및 유도체의 합성에 직접적으로 관여한다.
β-이소포론은 알칼리 매질 내에서 아세톤의 삼량체화에 의해 수득된 α-이소포론의 이성질체이며, 이는 이중 결합 위치에 의해 후자와 구별된다: 상기 이중 결합은 하기 나타낸 바와 같이 더이상 카르보닐과 켤레화(conjugated)되지 않는다:
α-이소포론의 β-이소포론으로의 이성질체화는 이중 결합 및 카르보닐의 평형 켤레화제거(deconjugation) 반응이며, 이러한 이유로 열역학적 평형이 α-이소포론 쪽으로 가중된다.
α-이소포론의 β-이소포론으로의 이성질체화를 위한 수많은 방법이 개시되었으나, 많은 단점, 예컨대 화학물질 (특히 촉매) 의 높은 소모, α-이소포론 축합 생성물 (중산물) 의 형성 또는 일반적인 수율을 나타내어, 반응 혼합물의 온도를 증가시키고, 따라서 반응계를 불안정하게 하는 중산물(heavy product)의 형성을 가속화한다.
특허 EP 832,871, 실시예 7 은 제 1 단계에서 증류에 의해 반응 혼합물로부터, β-이소포론 20 내지 22 % 를 함유하는 1차 혼합물을 연속적으로 추출한 다음, 상기 혼합물로부터 증류에 의해 대략 98 % 의 순도를 갖는 β-이소포론을 분리하는 것으로 이루어진 α-이소포론의 촉매적 이성질체화에 의한 β-이소포론의 제조방법을 개시하고 있다. 이러한 방법으로 진행되는 경우, 대략 90 % 의 α-이소포론및 10 % 의 중산물로 이루어진 혼합물이 재순환 증발기에 수집되는 것을 발견하였다. 조작의 지속기간 (대략 15 시간) 및 상기 증발기에 수집된 생성물의 양 (615 g) 측면에서, 이는 대략 4 g/h 의 중산물의 시간당 생산성에 상응한다.
또한, 사용된 α-이소포론에 대해 0.6 중량% 의 다량의 촉매가 사용된다.
반응의 열역학이 고려되면, 이성질체화가 수행되는 온도는 평형시 β-이소포론의 농도를 고정시킴: 즉, 온도가 증가할수록 평형시 β-이소포론 농도도 증가함을 발견하였다. β-이소포론이 α-이소포론보다 휘발성인 경우, 대부분의 휘발성 생성물의 증류에 의해 평형이 전이될 수 있다. 또한, 150 ℃ 초과의 온도에서 가열시, 촉매 부재시에도 α-이소포론으로 역 이성질체화한다: 상기 역 이성질체화의 열역학은 온도 수준에 의해 조절된다.
또한, 이성질체화를 수행하기 위해, 역시 알돌화/크로톤화 반응의 중간체인 중간체 에놀 또는 에놀레이트를 반드시 거칠 필요가 있으며, 이는 중산물을 구성하는 이소포론 중축합물의 형성을 일으키고, 이러한 형성은 β-이소포론의 제조를 위한 방법에서 이소포론의 손실을 나타내기 때문에 금지된다. 중산물의 형성은 한편으로는 촉매 농도, 다른 한편으로는 온도에 의해 촉진된다.
따라서, 비균질 촉매작용의 사용은 고체 촉매의 표면에서 중산물의 농도를 증가시킬 수 있어, 상기 촉매를 불활성화할 수 있으므로 바람직하지 못한 것으로 나타난다.
이제, 알칼리 매질 내에서 아세톤의 삼량체화에 의해 수득된 3,5,5-트리메틸시클로헥사-2-엔-1-온 (α-이소포론) 의 균질 촉매작용 하 이성질체화에 의한 3,5,5-트리메틸시클로헥사-3-엔-1-온 (β-이소포론) 제조를 위한 연속적인 방법으로서, 하기 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법이 발견되었다:
a) α-이소포론 및 알칼리 히드록시드의 용액을 반응 영역에 연속적으로 도입하는 단계,
b) 반응 혼합물을 대기압 이하의 압력 P1 하에 150 ℃ 이상, 바람직하게는 190 ℃ 내지 216 ℃ 의 온도에서 환류시키는 단계,
c) 반응 혼합물로부터
1) 150 ℃ 이하의 온도 및 P1 미만의 압력 P2 하에 증류에 의해 기체상의 β-이소포론,
2) 반응 혼합물 내 7 중량% 이하의 함량이 되도록 배수(drawing off)에 의해 중산물을 연속적으로 및 동시에 제거하는 단계, 및
d) 증류 응축물을 반응 영역에 연속적으로 재순환시키는 단계.
도 1 은 본 발명의 방법이 수행되는 장치를 나타낸다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1: 보일러 2: 단열 칼럼
3, 4, 5, 6: 라인
7: 펌프 8: 압력 감소 장치
본 발명에 따른면, 압력 P1 은 150 mbar 내지 대기압이며, P1 미만인 압력 P2 는 150 mbar 이하이며, 바람직하게는 50 mbar 내지 100 mbar 이다.
본 발명에 따르면, 알칼리 히드록시드는 NaOH 또는 KOH 이다. KOH 를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 히드록시드는 물 또는 저분자량의 지방족 알콜, 예컨대 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 이소프로판올에 용해될 수 있다. 메탄올 또는 에탄올이 일반적으로 사용된다.
본 발명에 따르면, 반응 영역에 도입된 α-이소포론에 대해 0.03 중량% 이하의 양의 알칼리 히드록시드가 사용된다.
0.010 내지 0.020 중량% 범위의 양의 알칼리 히드록시드가 사용되는 것이 바람직하다.
β-이소포론을 함유하는 분획의 증류를 위한 환류 비율, 즉 상기 분획의 순도를 조절하는 파라미터는 높은 β-이소포론 생산성을 수득하도록, 즉 최고 β-이소포론 순도를 위해 열 역행을 최소화하도록 선택된다.
본 발명에 따르면, 7 중량% 이하의 중산물을 포함하며, 그 나머지는 α- 및 β-이소포론의 혼합물인 혼합물이 연속적으로 추출된다. 이들 중산물은 이소포론의 이량체 및 삼량체, 및 또한 촉매 잔여물로 본질적으로 구성된다. 이들 중산물은 아세톤의 삼량체화 반응 후 및 염기성 촉매의 중화 이전에 염기성 촉매작용에 의한 α-이소포론의 제조를 위한 라인에 유리하게 도입될 수 있다.
중산물을 연속적으로 배수시키는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 연속적인 방법은, 보일러 내에서의 상기 중산물의 농도를 제한함으로써 이성질체화 온도를 안정화시키는 장점을 나타낸다.
본 발명의 방법의 또다른 장점은 중산물이 α-이소포론의 제조를 위한 장치 내에서 재순환될 수 있기 때문에, 이들에 대한 고가의 처리 조작을 수행할 필요가 없다는 것이다.
본 발명의 방법은 또한 촉매 충전량이 적게 소비되는 장점을 제공한다.
본 방법은 하기로 이루어진 도 1 에 도시적으로 나타낸 장치 내에서 수행된다:
- 술쩌(Sulzer) EX20 과 같은 팩킹을 함유할 수 있으며, 환류 비율을 조절할 수 있는 타이머를 포함하는 증류 칼럼 최상부가 장착된 단열 칼럼 (2) 이 덮고 있는, α-이소포론의 β-이소포론으로의 이성질체화 반응이 수행되는 보일러 (1); 환류 비율 R 은 추출된 생성물 양에 대한 증류 칼럼 최상부에서 수득된 응축물의 총 양의 비율로서 정의된다.
보일러 (1) 은 도 1 에 나타나지 않은 가열 장치가 장착되어 있다.
보일러 (1) 은 라인 (3) 을 통해 공급되며, β-이소포론은 라인 (4) 를 통해 회수되고, 보일러로부터 추출된 중산물은 라인 (5) 를 통해 배수된다.
응축물은 칼럼 (2) 의 바닥에서 회수되어 펌프 (7) 이 장착된 라인 (6) 을 통해 보일러 (1) 에 재순환된다.
압력 감소 장치 (8) 이 보일러 (1) 과 칼럼 (2) 사이에 삽입되어 있다.
칼럼과 보일러의 치수는 이성질체화될 α-이소포론의 양 및 목적하는 생산성에 따라 계산되며, 당 분야의 기술자들에게 일반적인 지식의 일부이다.
하기 시험은 본 발명의 예시를 위해 실험실 장치 내에서 수행하였다.
1 ℓ-유리 반응기로 이루어진 보일러는 대략 20 중량% 의 KOH 농도로 메탄올 중에 미리 용해된 KOH (순수한 KOH 로서 표현) 0.02 중량% 를 함유하는 α-이소포론으로 이루어진 혼합물 300 g 을 포함한다.
상기 혼합물을 600 mbar 의 압력 하에 196 ℃ 로 가열한다. 증기를 316 ℓ-스테인레스강으로 만들어진 겹겹이 싸인 술쩌(Sulzer) EX20 팩킹을 포함하는 단열 칼럼에 100 mbar 압력 하에 연속적으로 주입한다. 칼럼 최상부에서 온도는 110 ℃ 내지 111 ℃ 에서 안정화한다.
99 % 초과의 β-이소포론/α-이소포론 비율로서 정의된 순도를 갖는 β-이소포론은 60 의 환류 비율 R 로서 추출된다.
추출 처리량은 4 g/시간에서 안정화된다.
증류 응축물은 펌프를 사용하여 보일러에 운반된다.
시험은 10 시간 동안 지속한다.
중산물은 연속적으로 추출된다.
상기 중산물의 추출과 β-이소포론의 생성은 α-이소포론과 촉매의 도입에 의해 상쇄된다.
본 발명의 방법에 의해, 알칼리 매질 내에서 아세톤의 삼량체화에 의해 수득된 3,5,5-트리메틸시클로헥사-2-엔-1-온 (α-이소포론) 의 균질 촉매작용 하 이성질체화에 의한 3,5,5-트리메틸시클로헥사-3-엔-1-온 (β-이소포론) 을 제조하는 연속적인 방법이 수행되었다.
Claims (11)
- 알칼리 매질 내에서 아세톤의 삼량체화에 의해 수득된 3,5,5-트리메틸시클로헥사-2-엔-1-온 (α-이소포론) 의 균질 촉매작용 하 이성질체화에 의한 3,5,5-트리메틸시클로헥사-3-엔-1-온 (β-이소포론) 제조를 위한 연속적인 방법으로서, 하기 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법:a) α-이소포론 및 알칼리 히드록시드의 용액을 반응 영역에 연속적으로 도입하는 단계,b) 반응 혼합물을 대기압 이하의 압력 P1 하에 150 ℃ 이상의 온도에서 환류시키는 단계,c) 반응 혼합물로부터1) 150 ℃ 이하의 온도 및 P1 미만이고 150 mbar 미만인 압력 P2 하에 증류에 의해 기체상의 β-이소포론,2) 반응 혼합물 내 7 중량% 이하의 함량이 되도록 배수에 의해 중산물을 연속적으로 및 동시에 제거하는 단계, 및d) 증류 응축물을 반응 영역에 연속적으로 재순환시키는 단계.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 압력 P2 가 50 mbar 내지 100 mbar 인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 에 있어서, 단계 b) 에서, 반응 혼합물이 190 ℃ 내지 216 ℃ 범위의 온도가 되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 알칼리 히드록시드가 KOH 인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 알칼리 히드록시드가 저분자량의 지방족 알콜에 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 저분자량의 지방족 알콜이 메탄올 또는 에탄올인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 α-이소포론에 대해 0.03 중량% 이하의 양의 알칼리 히드록시드가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 사용된 α-이소포론에 대해 0.010 내지 0.020 중량% 범위의 양의 알칼리 히드록시드가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 단계 c) 2) 의 이성질체화 반응기로부터 배수된 중산물이 α-이소포론 제조를 위한 라인에 재순환되는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 중산물이 아세톤의 삼량체화 반응 후 및 염기성 촉매의 중화 이전에 α-이소포론의 제조를 위한 라인에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
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