KR100530921B1 - 고순도 알콕시실란의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 알콕시실란의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 -40∼0℃의 온도하에서 할로실란 1몰에 대하여 3∼5몰의 알코올을 3∼10몰의 비양자성 용매의 존재하에 0.1∼10시간 동안 적가하면서 인시튜(in-situ)로 반응시켜 알콕시실란을 합성하고, 여기서 단위시간당 1∼3몰의 암모니아 가스를 상기 알코올과 동시에 투입하거나 또는 상기 알코올의 완전 적가 후 1∼3몰의 암모니아 가스를 투입하여 상기 합성반응으로부터의 부산물인 염산과 인시튜로 반응시켜 염화암모늄으로 침전시키고, 이를 여과하여 제거한 후, 여액중의 용매는 증류과정을 통해서 회수하는 고순도 알콕시실란의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 할로실란과 알코올을 저온으로 유지되는 용매하에서 반응시켜 부생되는 부식성과 독성이 강한 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하면서, 알콕시실란을 인시튜(in-situ)로 제조하여 더 이상의 정제 없이 사용할 수 있는 이점이 있다.

Description

고순도 알콕시실란의 제조방법 {Method for preparing alkoxysilane of high purity}

본 발명은 고순도 알콕시실란의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 할로실란과 알코올을 저온으로 유지되는 비양자성 용매하에서 반응시켜 부생되는 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하면서, 순수한 알콕시실란을 인시튜로 얻을 수 있는 고순도 알콕시실란의 제조방법에 관한 것이다.

알콕시실란은 현재 가교제나 결합제의 중간체로 쓰이고 있으며, 알콕시실란의 수소 기능기에 다른 여러 관능기를 도입함으로써 관능성 첨가제를 제조하기 위한 중간체로도 널리 사용되고 있는 물질로서, 이의 제조방법에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

예를 들어, 미국 특허 제5,260,471호에는 촉매하에서 금속실리콘과 과량의 알코올을 기상 반응을 통해서 알콕시실란을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법에 따르면, 트리알콕시실란과 테트라알콕시실란 및 기타 부산물이 동시에 발생하고, 알콕시실란과 알코올의 두 혼합물간에 공비(azeotrope)가 형성되어 증류조작으로는 분리가 어려울 뿐만 아니라, 고순도 제품을 수득하기 위해서 많은 정제 비용과 장치가 필요한 단점이 있다.

한편, 이러한 알콕시실란과 알코올 혼합물의 공비 문제를 해결하기 위하여 제3의 용매를 사용하는 방법이 연구되었다. 예를 들어, 미국 특허 제6,255,514호에는 공비를 가장 효과적으로 제어할 수 있는 비양자성 용매인 도데칸을 사용하여 트리알콕시실란을 추출하는 방법이 소개되어 있으나, 높은 수율 및 순도를 갖는 제품을 수득하기 위해서는 반복적인 추출분리를 통한 정제가 필요한 단점이 있다.

알콕시실란을 제조하기 위한 다른 방법으로서 트리클로로실란에 알코올을 직접 반응시켜 알콕시실란을 수득하는 방법이 미국 특허 제4,039,567호 및 한국 공개특허 제89-503호에 개시되어 있다. 상기 특허들에 따르면, 높은 수율과 고순도의 알콕시실란을 제조할 수 있는 장점이 있지만, 부생되는 부식성과 독성이 강한 염산을 처리해야 하는 문제점이 있으며, 한편 반응중에 발생되는 염산이 적절히 처리되지 않는 경우에는 부반응이 진행되어 제품의 순도와 수율에 많은 영향을 미칠 수 있다. 또한, 알콕시실란 내에 잔존하는 산성염소는 부반응의 원인과 더불어 제품을 분해하는 요소로 작용되기 때문에 10ppm 이하로 제거되어야 한다. 따라서, 상기 방법에 따라 알콕시실란을 제조하기 위해서는 고가의 장비 및 축적된 기술과 경험이 있어야만 안전하게 알콕시실란을 수득할 수 있어 상업적으로 적용하기에는 불리한 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 저온으로 유지되는 비양자성 용매하에서 할로실란과 알코올을 반응시키고, 반응중에 부생되는 염산을 인시튜로 제거하기 위해 암모니아 가스를 사용함으로써 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하면서, 순수한 알콕시실란을 인시튜로 얻을 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 알콕시실란 제조시 부생되는 부식성과 독성이 강한 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하고, 이후의 정제공정 없이 사용할 수 있는 고순도의 알콕시실란을 인시튜로 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고순도의 알콕시실란의 제조방법은 하기 반응식 1에 따라 제조되며, -40∼0℃의 온도하에서 할로실란 1몰에 대하여 3∼5몰의 알코올을 3∼10몰의 비양자성 용매의 존재하에 0.1∼10시간 동안 적가하면서 인시튜(in-situ)로 반응시켜 알콕시실란을 합성하고, 여기서 단위시간당 1∼3몰의 암모니아 가스를 상기 알코올과 동시에 투입하거나 또는 상기 알코올의 완전 적가 후 1∼3몰의 암모니아 가스를 투입하여 상기 합성반응으로부터의 부산물인 염산과 인시튜로 반응시켜 염화암모늄으로 침전시키고, 이를 여과하여 제거한 후, 여액중의 용매는 증류과정을 통해서 회수하는 것으로 구성된다:

상기 식에서, a는 1∼3의 정수이고, m은 1∼3의 정수이며, R은 탄소수가 1∼10인 알킬기이다.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 저온으로 유지되는 비양자성 용매하에서 할로실란과 알코올을 반응시키고, 반응중에 부생되는 염산을 인시튜로 제거하기 위해 암모니아 가스를 사용함으로써 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하면서, 순수한 알콕시실란을 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 알콕시실란의 제조방법은 하기 반응식 1에 따라 수행된다.

반응식 1

상기 식에서, a는 1∼3의 정수이고, m은 1∼3의 정수이며, R은 탄소수가 1∼10인 알킬기이다.

본 발명에 따르면, 알콕시실란 제조시 부생되는 부식성과 독성이 강한 염산을 친환경적이고 효율적으로 처리하기 위해서, 반응중에 인시튜로 염산이 제거되도록 암모니아를 사용한다. 즉, 저온 및 비양자성 용매의 존재하에서 할로실란을 넣고 알코올을 0.1∼10시간 동안 적가하면서 반응시켜 알콕시실란을 합성하고, 상기 합성반응의 부산물로서 생성되는 염산은 반응기내부에서 상기 용매에 용해시켜 반응기 밖으로 염산의 배출을 최소로 억제하면서 반응기내부로 암모니아 가스를 주입하여 상기 염산과 반응시켜 염화암모늄으로 침전시킨 후 이를 입자상으로 여과를 통해 분리 제거한다.

본 발명에서 사용되는 할로실란으로는 트리클로로실란, 디클로로실란 및 모노클로로실란 중 하나가 선택될 수 있고, 바람직하게는 트리클로로실란이 좋다.

또한, 본 발명에 바람직하게 사용되는 알코올로는 메탄올, 에탄몰 및 탄소수가 10 이하인 알코올 등이 있으며, 그 사용량은 상기 할로실란 1몰에 대하여 3∼5몰인 것이 좋고, 상기 사용량이 3몰 미만이면 반응이 완전히 진행되지 않아 미반응된 할로알콕시실란이 존재하고, 5몰을 초과하면 부반응물이 증가하고 과량의 알코올을 제품과 분리하는데 어려움이 있다.

본 발명에서 사용되는 비양자성 용매는 최종 생성물과 분리되기 쉬운 용매로서, 상기 알콕시실란의 끊는점과 비교하여 최소 40℃ 이상 온도 차이가 나는 용매를 선택해야 증류시 쉽게 분리하여 알콕시실란을 수득할 수 있으며, 바람직하게는 펜탄, 옥탄, 데칸, 도데칸 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 이때, 상기 비양자성 용매의 사용량은 상기 할로실란 1몰에 대해서 3∼10몰인 것이 좋고, 상기 사용량이 3몰 미만이면 반응이 완전히 진행되지 않고 염산이 계밖으로 배출되며, 10몰을 초과하면 제품으로부터 용매를 제거하는데 많은 시간과 에너지가 소비된다.

한편, 본 발명의 반응생성물인 알콕시실란의 수율과 순도를 최대화하고, 반응 부산물을 최소화하기 위해서는 상기 반응을 비교적 저온에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 반응온도는 -40∼0℃인 것이 좋다. 이때, 상기 반응온도가 -40℃ 미만이면 반응속도가 낮아지고, 0℃를 초과하면 부산물 생성의 증가와 제품의 순도,수율이 낮아지고, 계밖으로 염산이 배출되는 문제가 있다.

또한, 상기 침전되는 염화암모늄의 입자를 크게 하기 위해서는 반응기 내부의 온도와 교반속도 및 암모니아의 투입량을 적절히 조절할 수 있다. 상기 암모니아의 투입은 상기 알코올의 적가시간을 계산하여 단위시간당 1∼3몰의 암모니아 가스를 알코올과 동시에 투입하거나, 또는 알코올을 완전히 적가한 후에 1∼3몰의 암모니아 가스를 반응기내에 투입하여 용액내 녹아있는 염산을 염화암모늄으로 침전시킨다.

한편, 상기 염화암모늄 침전물의 여과 후 남은 여과액은 20∼100℃의 온도 및 1∼760torr의 압력 조건하에서 증류하여 용매를 분리하여 회수함으로써 인시튜로 97∼98%의 순도 및 82∼90%의 수율로 알콕시실란을 얻을 수 있다. 또한, 상기 회수된 용매는 다음 반응에 원료로 재사용할 수 있다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

5구 반응기, 질소 공급장치, 환류 콘덴서, 적가 깔대기, 온도계, 냉각기 및 기체 투입관 등이 장착된 반응기의 내부를 건조 질소 분위기로 만들었다. 여기에 먼저 n-옥탄 315g(2.76몰)을 반응기에 투입하고, -30∼-20℃의 온도로 반응물의 온도를 유지하면서 트리클로로실란 82g(0.6몰)을 투입한 후 교반하였다. 적가 깔대기를 사용하여 메틸 알코올 60g(1.87몰)을 2시간 동안 적가하면서 동시에 기체 투입관을 사용하여 암모니아 가스를 투입하였다. 이때 암모니아 기체는 240㎖/min으로 흘려보내면서 반응중 발생되는 염산을 염화암모늄으로 침전시키면서 반응을 진행하였다. 반응종료 후 염화암모늄은 여과를 통해 분리 제거하고, 여과액은 20∼100℃의 온도 및 760∼1torr의 압력 조건하에서 증류하여 여액중의 옥탄을 분리 제거하였다. 이로부터 수득된 트리메톡시실란의 순도는 97%이고, 수율은 82%였다.

실시예 2

5구 반응기, 질소 공급장치, 환류 콘덴서, 적가 깔대기, 온도계, 냉각기 및 기체투입관 등이 장착된 반응기의 내부를 건조 질소 분위기로 만들었다. 여기에 먼저 옥탄 315g(2.76몰)을 반응기에 투입하고, -30∼-20℃의 온도로 반응기 온도를 유지한 후, 트리클로로실란 82g(0.6몰)을 투입하고 교반하였다. 적가 깔대기를 사용하여 메틸 알코올 60g(1.87몰)을 30분 동안 적가하였다. 기체투입관을 사용하여 3시간 동안 240㎖/min으로 암모니아를 흘려보내면서 반응 중 발생되는 염산을 염화암모늄으로 침전시키면서 반응을 진행하였다. 반응종료 후 염화암모늄은 여과를 통해 분리 제거하였다. 여과액은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하였다. 이로부터 수득된 트리메톡시실란의 순도는 97%이고, 수율은 90%였다.

전술한 바와 같이, 본 방법은 종래의 방법들에 비해, 첫째 부산물로 발생되는 염산을 암모니아를 사용하여 반응기 외부로의 배출을 최대한 억제하면서 반응기내에서 인시튜로 염화암모늄으로 침전 제거하여 취급시 부식성, 유독성 및 위험성과 유출시 환경문제를 야기시킬 수 있는 염산을 친환경적으로 제거할 수 있는 장점이 있고, 둘째는 저온에서 비양자성 용매를 사용하여 반응중 발열을 억제하여 발열반응의 위험뿐 아니라 부산물의 생성을 줄이고, 반응중 발생되는 염산을 용매속에 용해시켜 염산의 배출을 억제하면서 부반응을 줄일 수 있다. 셋째는 정제된 알콕시실란은 잔존 염화물이 1ppm 이하로 더 이상의 처리가 불필요하다. 따라서, 본 발명에 따르면, 친환경적인 공정을 통해서 고효율로 알콕시실란을 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 하기 반응식 1에 따라 제조되며,

   -40∼0℃의 온도하에서 할로실란 1몰에 대하여 3∼5몰의 알코올을 3∼10몰의 비양자성 용매의 존재하에 0.1∼10시간 동안 적가하면서 인시튜(in-situ)로 반응시켜 알콕시실란을 합성하고, 여기서 단위시간당 1∼3몰의 암모니아 가스를 상기 알코올과 동시에 투입하거나 또는 상기 알코올의 완전 적가 후 1∼3몰의 암모니아 가스를 투입하여 상기 합성반응으로부터의 부산물인 염산과 인시튜로 반응시켜 염화암모늄으로 침전시키고, 이를 여과하여 제거한 후, 여액중의 용매는 증류과정을 통해서 회수하는 것을 특징으로 하는 고순도 알콕시실란의 제조방법:

   반응식 1

   상기 식에서, a는 1∼3의 정수이고, m은 1∼3의 정수이며, R은 탄소수가 1∼10인 알킬기이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 비양자성 용매는 펜탄, 옥탄, 데칸, 도데칸 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 할로실란은 모노클로로실란, 디클로로실란 또는 트리클로로실란인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올 또는 탄소수가 10 이하인 알코올인 것을 특징으로 하는 방법.