KR100406220B1 - 알콕시부텐의카르보닐화에의한3-펜텐산에스테르의제법 - Google Patents
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Abstract
적어도 1종의 C1-C10-알콕시부텐(여기서, 알콕시기는 이중 결합에 대하여 알릴 위치에 있음)을 60 내지 140 ℃에서 팔라듐 기재 촉매의 존재하에 3 내지 30 MPa 범위의 일산화탄소 분압으로 일산화탄소와 반응시키는 것을 포함하는, 촉매 및 용매의 존재하에 고온 및 고압에서 알콕시부텐을 카르보닐화시켜 3-펜텐산 에스테르를 제조하였다.
Description
본 발명은 승온 및 승압에서 촉매 및 용매의 존재하에 알콕시부텐을 카르보닐화시켜 3-펜텐산 에스테르를 제조하는 방법에 관한 것이다.
EP-A 301,450호 및 EP-A 351,616호는 코발트 카르보닐 착물 및 3급 질소염기의 존재하에 부타디엔과 일산화탄소 및 알콜을 반응시켜 알킬 펜테노에이트를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이들 방법은 120 내지 700 바아의 고압을 필요로 하고, 2-, 3- 및 4-펜텐산 에스테르의 혼합물을 형성한다.
GB-A 1,110,405호는 알콜의 존재하에 백금, 팔라듐 및(또는) 니켈 촉매를 사용하여 부타디엔을 카르보닐화시킴으로써 펜텐산 에스테르를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 여기에서도 역시, 100 내지 1000 바아의 고압이 필요하다.
EP-A 60,734호는 대략 150 바아의 저압에서 알콜, 할로겐화 수소 및 팔라듐 촉매의 존재하에 부타디엔을 카르보닐화시킴으로써 펜텐산 에스테르를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법의 단점은 과량의 부식성 할로겐화 수소가 필요하다는 것이다(할로겐화 수소 대 팔라듐의 몰 비는 20 - 100 : 1임).
EP-A 284,170호 및 EP-A 271,145호에 따르면, 알콜의 존재하에 팔라듐 화합물, 포스핀 및 산을 사용하여 부타디엔을 카르보닐화시킴으로써 펜텐산 에스테르를 제조할 수 있다. 여기서는 3-펜텐산 에스테르가 순수 형태가 아닌 그의 이성질체들의 혼합물로 얻어진다.
β,γ-불포화 에스테르를 제조하는 별법이 US 4,622,416호에 기술되어 있다. 할로겐화니켈, 할로겐화코발트 또는 할로겐화철을 촉매로 사용하여 알릴 에테르를 카르보닐화시켜 에스테르를 얻는다. 이 방법의 단점은 생성물이 혼합물 형태로 생성된다는 점이다. 8-메톡시-1,6-옥타디엔을 카르보닐화시키면 메틸-3,8-노나디에노에이트 뿐만 아니라, 3환식 카르복실산 화합물이 얻어진다. 만족스러운 선택도(최고 91%)는 170 바아 이상의 압력 및 150 ℃의 온도에서만 얻을 수 있다. 이러한 조건하에서는 휘발성 니켈 화합물의 형성으로부터 기인한 촉매 손실이 매우 높다.
EP-A 217,407호는 PdCl2/CuCl2촉매를 사용하여 알릴 에테르를 카르보닐화시켜 불포화 에스테르를 얻는 방법을 기술하고 있다. 여기에서는 생성물의 추출을 위해 다량의 테트라부틸암모늄 클로라이드(출발 물질을 기준으로 하여 25 몰% 임)를 반응 혼합물에 첨가한다. 이 첨가는 금속성 팔라듐의 과도한 침전을 유발한다.
EP-A 514,288호, EP-A 478,471호 및 EP-A 433,191호는 팔라듐 화합물 및 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 4급 암모늄 또는 포스포늄 할라이드 등의 염화물을 사용하여 1,4-부텐디올 및 1,4-디알콕시부텐을 이중 카르보닐화시켜 데히드로아디프산(디에스테르)를 얻는 방법을 개시하고 있다. 이들 방법은 과량의 클로라이드(Pd 대 염화물의 전형적인 몰비는 1 : 17 내지 1 : 27임) 또는 출발 물질을 기준으로 약 21 몰%의 다량의 PdCl2가 별도로 필요하다.
본 발명의 목적은 온화한 조건에서 팔라듐 기재 촉매의 존재하에 알콕시부텐을 카르보닐화시켜 이성질체 2- 및 4-펜텐산 에스테르를 매우 낮은 비율로 포함하는 3-펜텐산 에스테르를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 목적이 승온 및 승압에서 촉매 및 용매의 존재하에 알콕시부텐을 카르보닐화시킴으로써, 즉 60 내지 140 ℃의 온도 및 3 내지 30 MPa 범위의 일산화탄소 분압에서 팔라듐 기재 촉매의 존재하에 적어도 1종의 C1-C10-알콕시부텐(여기서, 알콕시기는 이중 결합에 대하여 알릴 위치에 있음)을 일산화탄소와 반응시킴으로써 3-펜텐산 에스테르를 제조하는 방법에 의해 달성됨을 알게 되었다.
또한, 본 발명자들은 추가로 4급 암모늄염 또는 포스포늄염, 또는 특정 포스핀의 존재하에 카르보닐화를 수행할 경우 팔라듐 침전의 결과로서 일어나는 촉매의 불활성화가 전혀 없는 균질 촉매계를 발견하였다.
본 발명의 방법에서 사용되는 출발 물질은 1종 이상의 C1-C10-알콕시부텐, 바람직하게는 C1-C4-알콕시부텐(여기서, 알콕시기는 이중결합에 대하여 알릴 위치에 있음)을 포함한다. 바람직한 것은 3-메톡시-1-부텐, 3-에톡시-1-부텐, 3-n-프로폭시-1-부텐, 3-n-부톡시-1-부텐, 트랜스-1-메톡시-2-부텐, 트랜스-1-에톡시-2-부텐, 트랜스-1-n-프로폭시-2-부텐, 트랜스-1-n-부톡시-2-부텐, 시스-1-메톡시-2-부텐, 시스-1-에톡시-2-부텐, 시스-1-n-프로폭시-2-부텐, 시스-1-n-부톡시-2-부텐 및 이들의 혼합물이고, 특히 3-메톡시-1-부텐, 트랜스-1-메톡시-2-부텐 및 시스-1-메톡시-2-부텐의 혼합물이 바람직하다.
출발 물질은 US 2,922,822호에 따라 부타디엔에 산-촉매 알콜 부가 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 촉매는 팔라듐 기재 촉매이다. 팔라듐염 또는 팔라듐 착물, 특히 PdCl2, PdCl2(벤조니트릴)2, PdCl2(아세토니트릴)2, Pd(OAc)2, 비스(알릴클로로팔라듐) 착물 및 디클로로디포스핀팔라듐 착물로서 존재할 수 있는 산화 상태 0, +1 또는 +2의 팔라듐 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 화합물은 당업자들에게 공지되어 있으며, 예를 들면 Dictionary of Organometallic Compound, Vol. 2, 1984, Chapman and Hall, pp.1484-1544에 기재되어 있다.
팔라듐 화합물 대 알콕시부텐(또는 사용된 알콕시부텐의 몰수의 합계)의 몰비는 통상적으로 0.1 : 1 내지 10 : 1의 범위이고, 바람직하게는 0.5 : 1 내지 5 : 1의 범위이다.
바람직한 실시태양에서, 팔라듐 촉매의 활성 및(또는) 안정성은 염화물, 산, 질소 함유 또는 인 함유 리간드 (이하, 이들을 첨가제라 칭함)의 첨가에 의해 증가될 수 있다. 사용되는 염화물은 바람직하게는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 4급 암모늄 및 포스포늄의 염화물들, 예를 들면, 염화리튬, 염화나트륨, 염화칼륨, 바람직하게는 염화나트륨, 이염화마그네슘, 이염화칼슘, 이염화스트론튬, 이염화바륨, 바람직하게는 이염화칼슘, 이염화구리, 염화은, 삼염화금, 바람직하게는 이염화구리이고, 또한 화학식 R1R2R3R4NCl, R1R2R3R4PCl 또는 (R5)3N=P=N(R5)3의 화합물(여기서, R1내지 R4는 서로 동일하거나 또는 상이하며 1 내지 10개의 탄소 원자, 바람직하게는 4 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 지방족, 및(또는) 비치환 또는치환된 아릴기이고, R5는 비치환되거나 또는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기, 알콕시기 또는 알콕시카르보닐기 또는 할로겐에 의하여 치환된 탄소 원자수 6 내지 10의 아릴기임), 특히 바람직하게는 염화테트라부틸암모늄, 염화테트라부틸포스포늄 및 염화비스(트리페닐포스핀)이미늄이다.
사용되는 산은 바람직하게는 염산, 황산, 인산, 테트라플루오로붕산 또는 술폰산(예, 메탄술폰산 및 p-톨루엔술폰산) 등의 무기 및 유기 양성자산 또는 삼불화붕소-디에틸 에테르 붕소 착물 및 삼염화알루미늄 등의 루이스산이다.
사용되는 인화합물은 바람직하게는, 화학식 R6R7R8P(여기에서, R6내지 R8은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 1 내지 10개의 탄소 원자, 바람직하게는 4 내지 8 탄소 원자를 가지는 지방족이거나, 6 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 비치환 또는 치환된 아릴기, 또는 비치환 또는 치환된 헤테로아릴기, 바람직하게는 페닐, 피리딜 및 피리미딜기이다)를 갖는 포스핀이다. 예를 들면, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 트리스(2-메톡시페닐)포스핀, 트리스(3-메톡시페닐)포스핀, 트리스(4-메톡시페닐)포스핀 및 2-디페닐포스피노피리딘을 들 수 있다.
사용할 수 있는 다른 인화합물은 비스(디페닐포스피노)메탄, 1,2,-비스(디페닐포스피노)에탄, 1,3,-비스(디페닐포스피노)프로판, 1,4-비스(디페닐포스피노)부탄 및 비스(디-3급-부틸포스피노)메탄 등의 복배위수의 킬레이트 리간드이다.
일반적으로, 첨가제 대 팔라듐의 몰 비는 0.1 내지 10의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 4의 범위 내에서 선택된다.
본 발명에 따르면, 카르보닐화는 60 내지 140 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃의 온도 및 3 내지 30 MPa, 바람직하게는 5 내지 15 MPa 범위의 일산화탄소 분압에서 수행된다.
또한, 카르보닐화는 배치식으로 또는 연속식으로 수행할 수 있다.
또한, 카르보닐화는 용매 존재하에 수행될 수 있으며, 이 때 용매 대 알콕시부텐(들)의 중량비가 0.5 : 1 내지 15 : 1의 범위, 바람직하게는 2 : 1 내지 10 : 1의 범위에서 일반적으로 선택된다.
사용되는 용매는
- 1 내지 10개의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 4 개의 탄소 원자를 갖는 지방족, 지환족 또는 방향족 알콜, 바람직하게는 RO 라디칼이 사용된 알콕시부텐의 C1-C10-알콕시 라디칼에 상응하는 알콜 ROH이며, 더욱 바람직하게는 메탄올, 에탄올, n-프로판올 및 n-부탄올;
- 2 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 지방족 또는 방향족 니트릴, 바람직하게는 벤조니트릴, 아세토니트릴, 프로피오니트릴;
- 5 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 우레아, 바람직하게는 테트라메틸우레아, 디메틸에틸렌우레아, 디메틸프로필렌우레아;
- 3 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 산 아미드, 바람직하게는 디메틸포름아미드, 디부틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈;
- 3-메틸-2-옥사졸리디논 등의 4 내지 13개의 탄소 원자를 갖는 카르밤산에스테르;
- 벤젠 및 톨루엔 등의 5 내지 10개의 원자를 갖는 탄화수소;
- 메틸 3급-부틸 에테르 및 디페닐 에테르 등의 2 내지 16개의 탄소 원자를 갖는 에테르;
및 이들의 혼합물이다.
본 발명에 따라 제조할 수 있는 3-펜텐산 에스테르는, 예를 들면 아디프산, 카프로락탐 및 카프로락톤과, 이들의 중합체 및 공중합체(예를 들면, 폴리아미드-6 및 폴리아미드-66)를 제조하기 위한 중요한 중간체이다
종래 기술의 방법과 비교하여 본 발명의 방법의 장점은 고압, 즉 30 MPa를 초과하는 압력을 피할 수 있고, 수율이 높으며, 3-펜텐산 에스테르를 고순도의 이성질체로 얻을 수 있고, 알콕시부텐의 이성질체 혼합물을 사용할 수 있으며, 또한 방법을 연속적으로 실시할 수 있고, 촉매를 활성의 큰 손실없이 재사용할 수 있다는 점이다.
모든 실시예에서, 수율은 기체 크로마토그래피로 측정하였다. 4-펜텐산 에스테르는 검출되지 않았다. 실시예 1 내지 19에서, 각각의 3-펜텐산 에스테르를 기준으로 2 % 미만의 2-펜텐산 에스테르가 형성되었다.
<실시예 1>
61.48 mmol의 3-메톡시-1-부텐, 48.72 mmol의 트랜스-1-메톡시-2-부텐, 5.8mmol의 시스-1-메톡시-2-부텐, 5.6 mmol의 PdCl2및 45 g의 메탄올의 혼합물을 실온에서 300 ㎖ 용량의 오토클레이브에서 10 MPa의 일산화탄소로 처리하였다. 다음에, 혼합물을 80 ℃까지 가열하고, 이 온도 및 일정 압력(12 MPa)에서 5시간 동안 교반하였다. 다음에, 실온까지 냉각시키고, 압력은 대기압까지 떨어뜨렸다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 60 %였다.
<실시예 2 내지 4>
53.0 mmol의 3-메톡시-1-부텐, 42.0 mmol의 트랜스-1-메톡시-2-부텐, 5.0 mmol의 시스-1-메톡시-2-부텐, 2.5 mmol의 PdCl2및 40g의 용매(표 1 참조)의 혼합물을 실온에서 300 ㎖ 용량의 오토클레이브에서 5 MPa의 일산화탄소로 처리하였다. 다음에, 혼합물을 가열하고(온도는 표 1 참조), 이 온도 및 10 MPa의 압력에서 5시간 동안 교반하였다. 다음에, 실온까지 냉각시키고, 압력은 대기압까지 떨어뜨렸다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 표 1에서 보여주는 바와 같다.
<실시예 5 내지 18>
53.0 mmol의 3-메톡시-1-부텐, 42.0 mmol의 트랜스-1-메톡시-2-부텐, 5.0 mmol의 시스-1-메톡시-2-부텐, 2.5 mmol의 PdCl2, 2.5 내지 10 mmol의 첨가제(표 2참조) 및 40g의 용매(표 2 참조)의 혼합물을 실온에서 300 ㎖ 용량의 오토클레이브에서 10 MPa의 일산화탄소로 처리하였다. 다음에, 혼합물을 100 ℃까지 가열하고, 이 온도 및 13 MPa 미만의 일정 압력에서 5시간 동안 교반하였다. 다음에, 실온까지 냉각시키고, 압력은 대기압까지 떨어뜨렸다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 표 2에서 보여주는 바와 같다.
<실시예 19>
26.5 mmol의 3-메톡시-1-부텐, 21 mmol의 트랜스-1-메톡시-2-부텐, 2.5 mmol의 시스-1-메톡시-2-부텐, 2.5 mmol의 Pd(OAc)2, 5 mmol의 1,4-비스(디페닐포스피노)부탄 및 50 g의 톨루엔의 혼합물을 실온에서 300 ㎖ 용량의 오토클레이브에서 10 MPa의 일산화탄소로 처리하였다. 다음에, 혼합물을 110 ℃까지 가열하고, 이 온도 및 일정 압력(11 MPa)에서 20시간 동안 교반하였다. 다음에, 실온까지 냉각시키고, 압력은 대기압까지 떨어뜨렸다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 35 %였다.
<실시예 20>
N-메틸-2-피롤리돈(NMP)중의 48.0 중량%의 메톡시부텐 이성질체 혼합물(3-메톡시-1-부텐 : 트랜스-1-메톡시-2-부텐 : 시스-1-메톡시-2-부텐의 몰 비는 49 : 45 : 6임)의 용액 5.25 g/h 및 NMP 중의 2.20 중량%의 PdCl2및 7.36 중량%의 Bu4NCl 수화물의 촉매 용액 11.9 g/h를 6 ℓ/h의 일산화탄소 기체와 함께 자기 교반기가 장착된 오토클레이브중으로 연속적으로 공급하고, 유조내에서 100 ℃로 항온시켰다. 압력은 100 바아로 일정하게 유지시켰다. 조절 밸브를 통해 21.0 g/h의 액체 생성물을 연속적으로 취하였다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 85.5 %의 전환율에서 73.6 %였다. 메틸 2-펜테노에이트가 5.1 %의 수율로 형성되었다. 오토클레이브에서 Pd 침전은 발견할 수 없었다. 사용된 팔라듐의 99 중량%를 액체 반응 생성물중에 용해된 형태로 검출할 수 있었다.
<실시예 21>
NMP중의 48.8 중량%의 메톡시부텐 이성질체 혼합물(3-메톡시-1-부텐 : 트랜스-1-메톡시-2-부텐 : 시스-1-메톡시-2-부텐의 몰비 = 45 : 50 : 5)의 용액 9.10 g/h 및 NMP중의 2.20 중량%의 PdCl2및 7.36 중량%의 Bu4NCl 수화물의 촉매 용액20.6 g/h를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 19의 실험을 반복하였다. 메틸 3-펜테노에이트의 수율은 78.9 %의 전환율에서 69.4 %였다. 메틸 2-펜테노에이트는 3.4 %의 수율로 형성되었다. 오토클레이브에서 Pd 침전은 발견할 수 없었다. 사용된 팔라듐은 액체 반응 생성물에 용해된 형태로 정량적으로 검출할 수 있었다.
생성물 및 미반응 출발 물질은 샘베이(Sambay) 증류(100 ℃, 30 mbar)에 의해 분리하고, 촉매를 포함한 증류 잔류물은 새로운 촉매 용액 대신에 재사용하였다. 상기 방식으로 촉매 용액을 3회 재순환시킨 후, 77.9 %의 전환율에서 69.0 % 수율의 메틸 3-펜테노에이트 및 3.4 % 수율의 메틸 2-펜테노에이트를 얻었다.
Claims (4)
1종 이상의 C1-C10-알콕시부텐 (여기서, 알콕시기는 이중 결합에 대하여 알릴 위치에 있음)을 할라이드-함유 첨가제 없이 팔라듐 기재 촉매의 존재하에 60 내지 140 ℃의 온도 및 3 내지 30 MPa 범위의 일산화탄소 분압에서 일산화탄소와 반응시키는 것을 포함하는, 촉매 및 용매의 존재하에 승온 및 승압에서 알콕시부텐을 카르보닐화시켜 3-펜텐산 에스테르를 제조하는 방법.
1종 이상의 C1-C10-알콕시부텐 (여기서, 알콕시기는 이중 결합에 대하여 알릴 위치에 있음)을 팔라듐 기체 촉매, 및 염화물, 산, 질소-함유 리간드 및 인-함유 리간드로 구성된 군 중에서 선택되는 첨가제 (촉매에 대한 첨가제의 몰비는 0.1 내지 10임)의 존재하에 60 내지 140 ℃의 온도 및 3 내지 30 MPa 범위의 일산화탄소 분압에서 일산화탄소와 반응시키는 것을 포함하는, 촉매 및 용매의 존재하에 승온 및 승압에서 알콕시부텐을 카르보닐화시켜 3-펜텐산 에스테르를 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 트랜스-1-메톡시-2-부텐 및 시스-1-메톡시-2-부텐의 혼합물이 사용되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 3-메톡시-1-부텐, 트랜스-1-메톡시-2-부텐 및시스-1-메톡시-2-부텐의 혼합물이 사용되는 방법.
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