KR100449579B1 - 모포린 보레인의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모포린 보레인(Morpholine Borane)의 제조방법에 관한 것으로, 출발물질인 모포린(Morpholine)과 무수염산을 교반하고 용매와 함께 반응시켜 모포린염(Morpholine salt)을 합성한 후, 상기 합성된 모포린염과 소듐 보로하이드라이드(Sodium Borohydride)를 용매인 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(Ethylene Glycol Dimethyl Ether)와 함께 반응시켜 여러 유기물질의 환원제로 사용되는 모포린 보레인의 제조방법에 관한 것이다.

Description

모포린 보레인의 제조방법{Process for Producting Morpholine-Borane}

본 발명은 모포린 보레인(Morpholine Borane ; MPB)의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아래 구조식 2로 나타내어지는 출발물질인 모포린(Morpholine)과 무수염산을 교반하고 용매와 함께 반응시켜 모포린염(Morpholine salt)을 합성한 후, 상기 합성된 모포린염과 소듐 보로하이드라이드(Sodium Borohydride ; SBH)를 용매인 에틸렌글리콜 다이메틸 에테르(Ethylene Glycol Dimethyl Ether ; DME)와 함께 반응시켜 아래 구조식 1로 표시되는 모포린 보레인을 합성해내는 제조 방법에 관한 것이다.

[구조식 1]

[구조식 2]

상기 구조식 2로 표시되는 출발물질인 모포린(Tetrahydro-1, 4-Oxazine)은 다이에틸아민과 황산을 주원료로 하여 탈수반응을 시키고, 가성소다를 가해 중화한 후 여과·정제하여 제조된 것으로 에테르 및 아민환상화합물의 특성을 갖는 것이 특징이다.

상기 모포린은 고무약품, 도료, 염료, 레진, 왁스, 세락크 등 공업제품의 용제가 되며, 지방족과 반응해서 비누를 만들어 오일왁스 등 뛰어난 유화제가 되며, 차량이나 마루, 피혁, 화장크림, 샴푸, 종이코팅, 도료, 제초제, 살충제 등에 주로 사용될 수 있으며, 공장기계의 윤활유, 냉각제가 되는 동식물유의 솔루블 오일을 만드는데 사용되며, 물의 pH를 조절하고, 금속의 부식을 방지하기 위해 증기보일러 또는 가열제에 방청제로도 쓰이며, n-MM(normal-Methylmorpholine), n-EM(normal-Ethylmorpholine)은 물에 임의의 비율로 용해되고, 레진염료, 카제인, 왁스, 세락크 등의 용제가 된다.

그리고 제2급 아민으로 반응하며 일킬할로겐이나 다이에틸황산과 반응하고 제4급 암모늄을 생성한다. 상기 4급 암모늄염은 살균제나 섬유 마무리제 등에 사용되며 염소화용제의 안정제, 페놀이나 산의 추출, 왁스 및 오일 유화제, 방청제 등으로 사용된다.

일반적으로, 상기 구조식 1로 표시되는 모포린 보레인은 피리딘 보레인(Pyridine Borane)과 함께 열안정성이 좋은 아민 보레인(Amine Borane)의 일종으로, 유기적으로 합성되는 여러 유기 화합물에 환원을 일으키게 하는 환원제로 주로 사용된다.

일반적으로 사용되는 보레인류 합성 화합물의 제조방법은 다음과 같다.

아래는 독일특허 DE 196 39 359 C1인 다이메틸아민-보레인(Demethylamine Borane)의 제조방법에 관한 것이다.

우선, 소듐 보로하이드라이드, 다이메틸암모늄 염 및 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르를 포함하여 반응 혼합물을 형성하고, 상기 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르 중에서 다이메틸암모늄 염과 소듐 보로하이드라이드를 반응시켜 소비된 반응 혼합물을 형성하며, 상기 소비된 반응 혼합물로부터 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르를 완전히 증류시켜 1차 증류 잔사를 얻게 된다.

상기 얻어진 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르는 더이상의 처리없이 재사용할 수 있고, 이와 동시에 1차 증류 잔사를 물 및 수-불용성 유기 추출제 또는 추출제 혼합물과 혼합하여 유기상 및 수상을 형성하고 상기 수상으로부터 유기상을 분리하고 상기 분리된 유기상을 증류시켜 2차 증류 잔사로서 매우 순수한 다이메틸아민 보레인을 얻고 재사용 가능한 추출제 또는 추출제 혼합물을 증류물로서 얻게 되는 것이다.

하지만, 상기 다이메틸아민 보레인은 녹는점이 32℃ 정도로 낮아 상온에서 냄새가 많이 나며, 공정에 직접 적용하여 사용할 때 취급이 용이하지 못한 단점이있고, 또한 혼합물 추출 시간이 많이 소요되며, 복잡한 반응 설비가 요구된다.

또 다른 방법으로는 미국특허 US 5,516,909에 나타난 아민 보레인(Amine-Borane) 더욱 정확하게는 피리딘-보레인(Pyridine-Borane)의 제조방법이 있다.

상기 반응은 피리딘을 반응용기에 채워넣고, 상기 반응용기에 알칼리 금속 보로하이드라이드를 첨가하고, 이와 동시에 상기 반응 용기에 약산과 물을 첨가하고, 피리딘-보레인을 생산하기 위해 충분한 시간을 두고 교반한다. 그 후 상기 교반된 반응혼합물을 중화시키기 위해 수용액 상태의 알칼리 금속 하이드록사이드를 첨가하고, 마지막으로 상기 반응 혼합물로부터 피리딘-보레인을 분리해내는 방법으로 이루어져 있다.

하지만, 상기 피리딘 보레인 역시 다이메틸아민 보레인보다 녹는점이 10℃∼11℃ 정도로 더욱 낮아 상온에서 아민 특유의 냄새로 환경 친화적이지 못하며, 공정 약품으로 직접 사용할 때 모포린 보레인보다 작업성이 뛰어나지 못하고 혼합물 추출 시간이 많이 소요되며, 복잡한 반응 설비가 요구되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 유기물질의 환원제로 사용되는 모포린 보레인을 합성함에 있어서 출발물질과 반응물질 이외의 여타 유기물 및 유기 용매의 사용을 최대한 배제시키면서 여과 과정을 통해 목적물질의 회수가 용이하도록 하되, 제조방법을 간소화하여 경제적으로도 우수한 모포린 보레인의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 모포린으로부터 모포린염를 합성하고, 상기 합성된 모포린염으로부터 모포린 보레인을 제조하되, 출발물질인 모포린을 용매에 녹인 후 무수염산을 천천히 첨가시켜 소정의 시간동안 교반시키고, 반응이 완결된 후에는 다이클로로메탄을 가하여 재결정하고 여과하여 모포린염을 제조하는 제1방법; 소듐 보로하이드라이드와 상기 제1방법에서 합성된 모포린염을 동일한 몰당량으로 혼합하고, 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르 용액에 상기 소듐 보로하이드라이드와 모포린염 화합물을 첨가하고 교반시키는 제2방법; 상기 제2방법 후 반응하여 생성된 침전물은 여과하여 제거하고, 얻어진 유기용액속에 첨가되어 있는 상기 용매인 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르를 감압하에서 제거하는 제3방법; 상기 제3방법에서 얻어진 유기용매를 디클로로메탄-헥산으로 재결정하여 모포린 보레인을 제조하는 제4방법으로 이루어지는 모포린 보레인의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 일실시례에 의해 이루어진 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

Morpholine →Morpholine salt →Morpholine Borane

상기의 반응식 1은 본 발명인 모포린 보레인의 제조방법을 나타낸 것으로, 출발물질인 모포린으로부터 모포린염을 합성해낸 후, 상기 합성된 모포린염으로부터 다시 모포린 보레인을 합성하는 두 단계의 방법으로 나누어 볼 수 있다.

모포린염을 합성하는 첫번째 단계는 아래의 반응식과 같이 나타낼 수 있다.

모포린을 특정 유기용매에 녹인 후 반응물질을 천천히 첨가시켜 일정시간 동안 교반시키고, 반응이 완결된 후에는 다이클로로메탄(CH₂Cl₂)을 가하여 재결정하고 여과시켜 아래 구조식 3(a) 또는 3(b)로 표시되는 모포린염을 제조한다.

[구조식 3]

상기 모포린과 반응하는 반응물질로는 염산(HCl), 메탄술폰산(CH₃SO₃H) 또는 싸이오닐클로라이드(SOCl₂) 등의 무수 염산을 사용하게 되는데, 상기 구조식 3(a)는 반응물질로 염산 또는 싸이오닐클로라이드를 사용하여 제조된 모포린염이고, 상기 구조식 3(b)는 메탄술폰산을 사용하여 제조된 모포린염이다.

그리고 본 발명에서는 기존 무수 염산에 있는 미량의 물의 영향을 최소화하기 위하여 메탄올(CH₃OH)과 싸이오닐클로라이드(SOCl₂)를 사용하여 용기 내에서(in situ) 반응물질인 염산을 제조하게 되는데, 상기 출발물질인 모포린의 양을 기준으로 하였을 때, 메탄올 1몰당량을 용매와 모포린을 함께 넣은 혼합액에 0.55몰당량의 싸이오닐클로라이드에 나누어 넣으면서 반응속도를 조절한다.

본 발명에서는 모포린 보레인을 합성하기 위하여 모포린을 직접적으로 반응시키지 않고 중간에 모포린염을 합성하는 두 단계를 거치되, 용매의 종류를 각기 달리하여 사용한다.

즉, 모포린염을 합성하는 제1단계에서는 다이클로로메탄(CH₂Cl₂)과 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(DME)을 용매로 사용한다. 이는 액체인 모포린이 상기 무수염산과 반응하여 모포린염이 생성되면 상기 용매로부터 모포린염의 석출 및 분리가 용이하다는 장점이 있기 때문이다.

상기 반응이 끝나면 분리 방법에 들어가게 되는데, 생성된 고체인 모포린염과 액체인 용매는 여과과정으로 제거하여 분리해낼 수 있으며, 분리된 용매는 재사용이 가능하다는 장점이 있다.

상기와 같은 합성방법을 통해 출발물질인 모포린으로부터 99% 이상 모포린염을 생성할 수 있다.

모포린염에서 목적하고자 하는 모포린 보레인을 합성하는 두번째 단계는 다음과 같다.

소듐 보로하이드라이드(Sodium Borohydride ; SBH)와 상기 1단계에서 합성되어 구조식 3으로 나타내어지는 모포린염(Morpholine Salt)을 정량 혼합하여 구조식1로 나타내어지는 모포린 보레인(Morpholin Borane ; MPB라 함)을 제조할 수 있다.본 발명인 모포린 보레인의 제조방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

아래의 반응식 3은 본 발명에 따른 모포린염의 제조방법을 나타낸 것이다.

상기 반응식 3에 나타난 바와 같이, 소듐 보로하이드라이드와 상기 각각의 무수염산으로 제조된 모포린염을 합성한다. 모포린염과 소듐 보로하이드라이드를 동일한 몰당량으로 넣고, 용매로 사용되는 적량의 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르속에서 상기 혼합된 화합물을 첨가하고 3시간 교반시킨다.

상기 방법 후 반응하여 생선된 침전물은 여과하여 제거하고, 얻은 유기용액내에 첨가되어 있는 용매 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르는 감압하에서 제거될 수 있다.

소듐 보로하이드라이드와 모포린염의 두 반응물은 상기 용매인 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르 속에서는 녹지 않으나, 생성하고자 하는 모포린 보레인은 상기 용매에 잘 녹는 특성이 있어 용매에에 녹아 있는 생성물을 고체인 부산물과 여과에 의해 먼저 분리한 후 상기 용매는 증류 회수하는 방법을 사용한다.

그리고 나서, 상기 얻어진 유기용액을 다이클로로메탄-헥산으로 재결정하여 80% 이상의 수율로 모포린 보레인을 제조할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시례에 의한 모포린 보레인의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

[실시례 1]

반응식 4a는 모포린염의 반응식이고, 반응식 4b는 모포린 보레인의 반응식이다.

상기 반응식 4에 나타난 바와 같이 반응을 수행할 수 있는 반응기에 모포린(10.0g, 114.8mmol)을 용매인 MeOH(50mL)에 녹인 후 HCl(4.15mL/2eq)을 천천히 가해준 뒤 0℃에서 3시간동안 교반시킨다. 반응이 완결된 것을 확인한 후 CH₂Cl₂를 가하여 고체를 생성시키고, 여과하여 Morpholine·HCl 염(morpholine salt) 11.8g(Yeild-83%)을 얻는다.

SBH(310mg/1eq)를 건조된 DME(20mL)용액에 녹인 뒤 상기 합성된 모포린염(1.0g)을 넣고 천천히 가해준 뒤 4시간 교반한다. 반응 후 생긴 침전물은 여과하여 제거하고, 얻은 유기용액은 감압하에서 용매를 제거한다. 그리고 CH₂Cl₂-Hexane으로 재결정해서 목적물질인 620mg(Yeild-82%)의 모포린 보레인을 얻을 수 있다.

[실시례 2]

반응식 5a는 모포린염의 반응식이고, 반응식 5b는 모포린 보레인의 반응식이다.

상기 반응식 5에 나타난 바와 같이 반응을 수행할 수 있는 반응기에 모포린(10.0g, 114.78mmoL)과 DME(50mL)용액에 메탄술폰산(7.5mL/1eq)을 천천히 가해준 뒤, 상기 실시례 1과 마찬가지로 0℃에서 3시간동안 교반시킨다. 역시 반응이 완결된 것을 확인한 후 생성된 염은 여과하고 CH₂Cl₂-MeOH으로 재결정하여 19.9g(Yeild-95%)의 모포린염을 얻는다.

상기 합성된 모포린염(1.0g)을 건조된 DME(20mL)용액에 녹인 뒤 SBH(210mg/1eq)를 넣고 4시간 동안 교반한다. 반응 후 생긴 침전물은 여과하여 제거할 수 있고, 얻은 유기용액은 감압하에서 용매를 제거한다. 그리고 CH₂Cl₂-Hexane으로 재결정해서 목적물질인 440mg(Yeild-80%)의 모포린 보레인을 얻을 수 있다.

[실시례 3]

반응식 6a는 모포린염의 반응식이고, 반응식 6b는 모포린 보레인의 반응식이다.

상기 반응식 6에 나타난 바와 같이 반응을 수행할 수 있는 반응기에 모포린(10.0g, 114.78mmoL)을 용매인 CH₂Cl₂(60mL)에 녹인 후 MeOH(4.65mL/1eq)을 넣고, CH₂Cl₂(20mL)에 희석된 SOCl₂(5.38mL/0.65eq) 용액에 천천히 가한 후, 상기 실시례 1과 마찬가지로 0℃에서 3시간동안 교반시킨다. 반응이 완결된 것을 확인한 후 생성된 염은 여과시키고 CH₂Cl₂-MeOH으로 재결정하여 13.6g(Yeild-95%)의 모포린염을 얻는다.

SBH(210mg/1eq)를 건조되지 않은 DME(30mL)용액에 녹인 뒤 상기 합성된 모포린염(1.0g)을 넣고 4시간 동안 교반한다. 반응 후 생긴 침전물은 여과하여 제거할 수 있고, 얻은 유기용액은 감압하에서 용매를 제거한다. 그리고 다이클로로메탄-헥산(CH₂Cl₂-Hexane)으로 재결정해서 최종물질인 710mg(Yeild-87%)의 MPB를 얻을 수 있다.

이상에서의 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 형태로 치환 변경이 가능하므로 전술한 일실시례에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 모포린으로부터 모포린염을 합성하고 상기 모포린염으로부터 모포린 보레인의 제조 방법에 관한 것으로, 출발물질과 반응물질 이외의 유기물 및 유기 용매의 사용을 최대한 배제시키면서 여과 과정을 통해 목적물질의 회수가 용이하도록 하며, 다이메틸아민 보레인이나 피리딘 보레인과 같은 일반 보레인류 합성화합물에 비해 상온에서의 냄새의 정도가 덜하고 제조방법이 간소하며 혼합물 추출 시간이 짧아 작업성이 뛰어나고 경제적으로 우수하여 여러 유기물질의 환원제로 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 모포린 보레인(Morpholine Borane)을 제조하는 방법에 있어서,

   출발물질인 모포린을 용매에 녹인 후 무수염산을 천천히 첨가시켜 3시간 동안 0℃ 온도에서 교반시키고, 반응이 완결된 후에는 다이클로로메탄을 가하여 재결정하고 여과하여 모포린염을 제조하는 제1공정;

   상기 제1공정에서 합성된 모포린염을 소듐 보로하이드라이드와 동일한 몰당량으로 혼합하고, 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르 용액에 상기 소듐 보로하이드라이드와 모포린염 화합물을 첨가하고 4시간 동안 교반시키는 제2공정;

   상기 제2공정 후 반응하여 생성된 침전물은 여과하여 제거하고, 얻어진 유기용액속에 첨가되어 있는 상기 용매인 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르를 감압하에서 제거하는 제3공정;

   상기 제3공정에서 얻어진 유기용매를 다이클로로메탄-헥산으로 재결정하여 80% 이상의 수율로 모포린 보레인을 제조하는 제4공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 모포린 보레인의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 모포린염 제조시 사용되는 용매는 다이클로로메탄과 에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르 중 하나를 선택하여 첨가함을 특징으로 하는 모포린 보레인의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 모포린염 제조시 반응물질로 사용되는 무수염산은 염산, 메탄술폰산 또는 싸이오닐클로라이드 중 하나를 선택하여 이루어짐을 특징으로 하는 모포린 보레인의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 무수염산은 무수 염산에 있는 미량의 물의 영향을 최소화하기 위하여 메탄올과 싸이오닐클로라이드를 사용하여 용기 내에서 제조됨을 특징으로 하는 모포린 보레인의 제조방법.