KR100553246B1 - 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 감열기록지용 백색안료의 현색제로 유용한 방향족 에테르 유도체를 고체상 합성법으로 제조하는 방법에 관한 것으로서, 반응물의 당량과 온도, 용매 조건에 의존해 제조되던 디페닐 술폰화합물의 기존 제법을 사용하지 않고 새로운 방법인 고분자를 이용한 고체상 합성법을 도입함으로써고순도, 고수율의 결과로 디페닐 술폰화합물을 제조할 수 있으며, 반응의 핵심 불순물인 미반응물과 디에테르 유도체 등을 획기적으로 줄임과 동시에 수율의 대폭향상을 가져올 수 있으며, 또한 반응에 사용되는 보조제인 고분자의 경우 최종 반응 후 여과와 간단한 재처리에 의해 회수 사용할 수 있으므로 보다 경제적인 방법으로 디페닐 술폰화합물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

상기 식에서, R은 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.

Description

방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법{Solid Phase Synthesis of Aromatic Ether Derivative}

도 1은 일반적인 고체상 합성법의 개략적인 공정도이다.

본 발명은 감열기록지용의 백색안료의 현색제로 유용한 다음 화학식 1로 표시되는 디페닐 술폰 화합물을 고체상 합성법을 통해 제조하는 방법에 관한 것이다.

화학식 1

상기 식에서, R은 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.

상기 화학식 1로 표시되는 디페닐 술폰 화합물을 제조하는 방법으로서, 일본 특허 공개 소60-56949, 소60-13852, 소58-82788 등에 기존의 합성법이 기술되어 있다. 이를 개괄적으로 나타내면 다음 반응식 1과 같은 바, 극성 반응 용매를 이용해 디히드록시디페닐 술폰을 할로겐화 알킬과 같은 물질과 염기의 존재하에 반응시킴을 그 특징으로 한다.

(화학반응식 1)

상기 반응식에서, R은 상기에서 정의한 바와 같다.

그러나, 상기 공지의 기술들의 경우 모두 반응의 선택성이 매우 떨어지며 이러한 결과로 상당량의 디에테르 유도체가 반응의 부산물로 생성된다는 문제점이 있다. 특히 상기 공지된 기술들의 경우 다음 화학식 3으로 표시되는 디에테르유도체(III)의 생성을 줄이기 위해서는 미반응물의 잔량이 증가하는 문제가 생겨 결론적으로는 또 다른 부산물인 다음 화학식 2로 표시되는 화합물(II)이 생성이 되는 문제가 있다.

한편, 이러한 단점을 해결하기 위해 한국 특허 공개 제2002-0005619호에 의하면 반응식 2에 나타낸 바와 같이 요오드화 알킬을 사용하여 상기의 단점을 어느 정도는 해결하였다. 하지만 이 공정 역시 반응 수율이 70∼80%로 그리 높지 않고, 이 또한 미반응물(II)의 함량이 20%, 디에테르유도체(III)가 2-5%정도로 그리 만족할 만한 결과를 보여주지는 못했다.

(화학반응식 2)

상기 식에서, R은 상기에서 정의한 바와 같다.

이와는 별도로, 위의 공지 기술 모두 선택적 모노알킬레이션을 위해 1)할로겐화 알킬의 당량 조절, 2)할로겐화 알킬의 투입 속도 조절, 3)반응 온도 조절, 4)반응 시간 조절, 5)반응 용매의 변화 등의 기술을 이용해 해결을 하려 하였고 이들의 적절한 조합을 통해 최적의 기술들을 개발하고자 하였다. 하지만 이러한 반응 조건을 조절하는 기술들은 모두 부산물의 생성을 완전히 해결해주지 못했고 결국 이러한 문제점을 해결하기 위한 전혀 새로운 방법의 공정 연구가 필요한 실정이다.

이러한 공정상의 문제를 확인한 본 발명자들은 전혀 새로운 공정 도입을 통해 기존의 문제점을 해결하는 연구에 착수하였으며 다년간의 연구결과, 단백질이나 탄수화물의 합성에 쓰이는 합성 기술인 고체상 합성법(Solid Phase Synthesis)을 응용한 결과 기존공정의 문제점이었던 낮은 수율과 과량의 부산물 문제를 모두 해결할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 기술과는 전혀 다른 방법을 도입함으로써 기존공정의 가장 큰 문제점인 낮은 수율과 반응 종료시 남게되는 미반응물(II), 주요 반응 부산물인 디에테르 유도체(III) 생성의 문제점을 해결하여 부산물의 최소화와 수율의 상승을 가져오는 화학식 1로 표시되는 디페닐 술폰화합물의 신규 상업적 제조 공정의 개발을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방향족 에테르 유도체의 합성법은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물과 다음 화학식 4로 표시되는 카르복시산 유도체가 포함된 블록형 고분자를 유기용매와 물의 혼합액 상에 분산시키고 분자축합제를 첨가하여 반응시킨 다음 여과하여 다음 화학식 5로 표시되는 고분자-단분자체를 얻는 단계; 유기용매와 탄산칼륨을 화학식 5로 표시되는 고분자-단분자체에 넣고 다음 화학식 6으로 표시되는 할로겐화 알킬 화합물과 반응시켜 다음 화학식 7로 표시되는 알킬화 고분자-단분자체를 얻는 단계; 및 화학식 7로 표시되는 알킬화 고분자-단분자체에 강염기 수용액을 첨가하여 고분자-단분자체를 절단하여 다음 화학식 1로 표시되는 방향족 에테르 유도체를 제조하는 단계로 이루어지며, 여기서 화 학식 4로 표시되는 카르복시산 유도체가 포함된 블록형 고분자는 회수되는 것을 그 특징으로 한다.

화학식 1

상기 식에서, R은 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.

화학식 4

상기 식에서, x + y는 5000 - 40000 이며, 아크릴산의 함량비가 5∼20중량%이다.

화학식 5

상기 식에서, x와 y는 상기에서 정의한 바와 같다.

화학식 6

R-Br

상기 식에서, R은 상기에서 정의한 바와 같다.

화학식 7

상기 식에서, x와 y는 상기에서 정의한 바와 같다.

본 발명은 감열기록지용 백색안료의 현색제로 유용한 화학식 1로 표시되는 디페닐 술폰 화합물의 고체상 합성법에 의한 신규 제조법에 관한 것이다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 고체상 합성법의 반응메카니즘은 다음 반응식 3과 같다.

(화학반응식 3)

상기 반응식에서, R은 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.

본 발명에서 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도입한 기술은 고체상 합성법이다. 고체상 합성법이란, 근래에 단백질, 다탄당 등의 합성에 아주 유용히 응용되는 기술로 그 원리를 설명하면 아래와 같고 간략히 도 1에 그 공정을 도식화하였다.

일반적으로 유기용매와 물에 모두 녹지 않는 성질을 가지는 고분자의 일부 사슬에 반응성기가 도입되어 있는 고분자(예: 스타이렌-클로로 스타이렌의 블록형 고분자)를 사용하여 단분자들을 그 고분자에 붙인 다음 원하는 일련의 화학 반응 공정을 모두 거친 다음 최종적으로 합성이 완료된 단분자들을 고분자에서 떼어내어 원하는 물질을 합성하는 기술이다. 이와같은 고체상 합성법의 가장 유용한 점은 바로 공정이 단순하다는 것이다. 일련의 반응 공정들이 반응과 여과 두 공정에 의해 서 모두 해결이 되기 때문이다.

이러한 원리를 이용해 본 발명은 상기 반응식 1에 나타낸 바와 같은 일련의 과정을 거쳐 화학식 1로 표시되는 목적화합물을 고순도, 고수율로 합성한다.

반응과정을 좀더 상세히 살피면, 먼저 상기 화학식 2로 표시되는 디페닐술폰유도체와 상기 화학식 4로 표시되는 카르복시산 유도체가 포함된 에틸렌-아크릴릭 산의 블록형 고분자를 유기용매와 물의 혼합액상에 분산시킨 다음 분자축합제로서 묽은 황산을 적정량 넣어준다. 반응액의 온도를 승온하여 5시간 동안 고온에서 교반한 다음 다시 반응액을 냉각하여 여과한다.

여과한 고체 수득물(화학식 5로 표시되는 고분자-단분자체를 건조한 다음 미리 준비한 아세톤과 탄산칼륨 수용액에 넣어준 다음 화학식 6으로 표시되는 할로겐화 알킬화합물을 넣어준다. 반응액을 2시간 동안 고온에서 교반한 다음 반응액을 다시 여과하여 할로겐화 고분자-단분자체, 즉 고분자-알콕시히드록시디페닐 술폰 유도체를 합성한다.

이를 다시 강염기 용액에 넣어준 다음 상온에서 5시간 동안 교반하여 반응액을 여과한다. 여액의 산도를 중성화 시킨 다음 뜨거운 톨루엔을 이용해 층분리 한다. 톨루엔층을 0℃로 냉각, 방치한 다음 여과하여 원하는 화학식 1로 표시되는 방향족 에테르 유도체를 제조할 수 있다. 여과된 고분자는 산성화시킨 다음 여과, 건조하여 재사용할 수 있다.

상기 반응에서, 상기 화학식 2로 표시되는 고분자로는 에틸렌과 아크릴릭 산이 일정 비율로 섞여있는 블록형 고분자를 사용하는 것이 바람직하며 그 비율은 무 방하나 아크릴릭 산의 포함 무게비율이 20 내지 50%인 것이 적당하다. 보다 높은 비율의 고분자를 이용하면 고온에서 녹는 성질을 띠어 반응에 나쁜 영향을 주며 보다 낮은 비율의 고분자를 이용하며 반응물 대비 많은 양의 고분자가 반응에 들어가야되는 단점이 있다.

고분자-단분자체를 만들기 위해 사용되는 묽은 황산의 양은 반응액의 산도(pH)가 1∼4 되는 정도이면 적당하며 보다 바람직하기로는 pH 2∼3 정도 되도록 하는 양이다. 반응액의 산도가 이보다 낮을 경우는 반응이 진행이 되지 않으며 보다 낮을 경우는 반응액에 착색 등의 나쁜 영향을 준다. 그리고, 고분자-단분자체를 만들기 위한 반응액의 온도는 20∼100℃가 적당하며, 보다 바람직 하기로는 50∼90℃가 적당하다. 이보다 높은 온도에서 반응을 진행할 경우 고체 고분자가 용해될 가능성이 있으며 이보다 낮은 온도에서 반응을 진행할 경우 반응이 종결되지 않는 단점이 있으며, 결과적으로 수율 저하를 초래한다.

다음, 할로겐화 알킬을 도입시키기 위한 반응에서 사용되는 탄산칼륨의 적정량은 반응에 사용된 화학식 2로 표시되는 디페닐술폰유도체의 몰당량 대비 0.9∼2.0당량이 적절하며, 보다 적절하기로는 1.0∼1.2당량인 것이다. 상기 당량보다 적은 당량으로 사용할 경우 미반응물이 생겨 반응의 수율을 떨어뜨리며 순도가 낮아지는 단점이 있으며 보다 많은 당량을 사용할 경우 과당량에 의한 부반응이 생길 수 있다. 화학식 6으로 표시되는 할로겐화 알킬의 당량은 탄산칼륨과 같은 몰당량을 사용하면 되며 당량 범위를 벗어날 경우의 단점은 탄산칼륨 때와 동일하다.

할로겐화 고분자-단분자체를 절단하기 위한 적절한 강염기는 KOH, NaOH, LiOH 등의 10 내지 30% 수용액이며 이러한 강염기 용액의 적정량은 반응액의 산도(pH)가 10∼14 정도가 되도록 하는 양이 바람직하며, 보다 바람직하기로는 산도가 12∼13 정도가 되도록 하는 양이다. 산도가 보다 높아질 경우는 고분자가 반응액에 용해되는 부작용이 생기며, 보다 낮은 산도가 될 경우에는 고분자-단분자체 절단이 완전하게 이루어지지 못해 생성물의 수율을 떨어뜨리는 결과를 가져 온다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 비교예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 이용되는 시약들은 미국의 알드리치사, 일본의 TCI, 미국의 시그마사에서 판매하는 시약들을 구입하여 사용하였으며 용매 및 기타 시약들은 별도의 정제과정을 거치지 않았다.

본 발명에 사용되는 정제수는 증류수를 의미한다.

실시예 1: 4-아이소프로폭시-4'-히드록시디페닐 술폰의 제조

4,4'-디히드록시페닐 술폰 17g과 에틸렌-아크릴릭 산 블록형 고분자(분자량 20000, 5wt% 아크릴산, 미국 알드리치사 제품) 100g을 물 500ml에 잘 풀어 주었다. 반응액에 1%묽은 황산 수용액을 적정량 넣어주어 반응액의 산도(pH)를 2정도가 되게 유지하였다. 반응액을 격렬하게 교반하며 반응액의 온도를 80℃로 유지하며 5시간 이상 동안 교반하였다. 5시간이 지나 반응액의 pH가 전혀 변화가 없는 지점을 반응의 종결점으로 한다. 반응액을 다시 상온으로 냉각시킨 다음 고체물질을 여과하고 물로 씻어준다. 건조한 고체를 다시 반응기에 넣고 아세톤 100ml와 물 200ml(탄산칼륨 10g 용해)를 넣어준 다음 아이소프로필브로마이드 10g을 반응액에 넣고 60℃에서 2시간 동안 교반한 다음 반응액을 다시 냉각하였다. 고체물을 다시 여과하고 적정량의 정제수와 디에틸에테르로 고체를 세정하여 감압 건조하였다. 건조된 생성물의 IR Spectrum을 측정하여 3400cm^-1 근처의 넓은 피크가 없어졌음을 확인한다.(정상적 반응 종결의 확인 )

이 고체를 다시 물 300ml에 넣고 교반하며 30% KOH를 이용해 반응액의 산도(pH)를 13으로 조절한 다음 상온에서 5시간 동안 교반하여 이를 다시 여과하였다. 이때, 여과된 고체는 고분자이며 이는 일련의 과정을 거쳐 재사용가능하다. 수용액의 산도를 10% HCl을 이용해 pH 7∼8로 맞춘 다음 따뜻한 톨루엔 500ml을 반응액에 넣은 다음 5분간 교반한 후 톨루엔층을 분리해냈다. 톨루엔을 감압 농축하여 50∼100ml까지 농축한 다음 반응액의 온도를 0℃ 이하로 낮추어 2시간 이상 교반한 후 생성된 결정을 여과하여 차가운 톨루엔으로 세정한 다음 건조하여 4-아이소프로폭시-4`-히드록시디페닐 술폰 18.5g을 얻었다.

수율 : 93%

순도 (HPLC) : 99.7%

녹는점 : 129-131℃

불순물(4,4'-디히드록시페닐 술폰) 함량 : 없음.

불순물(화학식 3으로 표시되는 디에테르 유도체) 함량 : 0.08%

실시예 2: 4-아이소프로폭시-4'-히드록시디페닐 술폰의 제조

4,4`-디히드록시페닐 술폰 17g과 에틸렌-아크릴릭 산 블록형 고분자(분자량 20000, 15wt% 아크릴산, 미국 알드리치사 제품) 1000g을 물 5000ml에 잘 풀어 주었다. 반응액에 1%묽은 황산 수용액을 적정량 넣어주어 반응액의 산도(pH)를 2정도가 되게 유지하였다. 반응액을 격렬하게 교반하며 반응액의 온도를 80℃로 유지하며 5시간 동안 교반하였다. 5시간이 지나 반응액의 pH가 전혀 변화가 없는 지점을 반응의 종결점으로 한다. 반응액을 다시 상온으로 냉각시킨 다음 고체물질을 여과하고 물로 씻어준다. 건조한 고체를 다시 반응기에 넣고 아세톤 500ml와 물 1000ml(탄산칼륨 100g 용해)를 넣어준 다음 아이소프로필브로마이드 100g을 반응액에 넣고 60℃에서 2시간 동안 교반한 다음 반응액을 다시 냉각하였다. 고체물을 다시 여과하고 적정량의 정제수와 디에틸에테르로 고체를 세정하여 감압 건조하였다. 건조된 생성물의 IR Spectrum을 측정하여 3400cm^-1 근처의 넓은 피크가 없어졌음을 확인한다.(정상적 반응 종결의 확인 )

이 고체를 다시 물 3000ml에 넣고 교반하며 20% NaOH를 이용해 반응액의 산도(pH)를 13으로 조절한 다음 상온에서 5시간 동안 교반하여 이를 다시 여과하였다. 이때, 여과된 고체는 고분자이며 이는 일련의 과정을 거쳐 재사용가능하다. 수용액의 산도를 10% HCl을 이용해 pH 7∼8로 맞춘 다음 따뜻한 톨루엔 2500ml을 반 응액에 넣은 다음 5분간 교반한 후 톨루엔층을 분리해냈다. 톨루엔을 감압 농축하여 500∼1000ml까지 농축한 다음 반응액의 온도를 0℃ 이하로 낮추어 2시간 이상 교반한 후 생성된 결정을 여과하여 차가운 톨루엔으로 세정한 다음 건조하여 4-아이소프로폭시-4`-히드록시디페닐 술폰 180g을 얻었다.

수율 : 91%

순도 (HPLC) : 99.8%

녹는점 : 129-131℃

불순물(4,4'-디히드록시페닐 술폰) 함량 : 없음.

불순물(화학식 3으로 표시되는 디에테르 유도체) 함량 : 0.06%

비교예 1: 4-아이소프로폭시-4`-히드록시디페닐 술폰의 제조(대한민국 특허공개 제2002-0005619호 참조)

96% 순도의 NaOH 26.0g 및 물 49.4g을 바닥에서 액체를 취할 수 있는 1000ml 4-목 플라스크에 넣고, 상온에서 용해시켰다. 생성된 용액에 디히드록시디페닐 술폰 60g을 가하고 100℃에서 30분 동안 교반하여 용해시켰다. 내부 온도를 70℃ 되도록 냉각시켰다. 요오드화 이소프로필 43.7g을 10시간에 걸쳐 적가하고, 내부 온도 70℃에서 10시간 동안 반응시켰다. 반응이 완결된 후 반응액을 70℃의 온수 110g으로 희석하고 톨루엔 350ml을 가하였다. 묽은 황산으로 생성된 용액의 pH를 8.0∼9.0으로 조절하였다. 톨루엔층을 분리하고 온수 100g으로 세척한 다음 분리하고 냉각시켜 결정을 얻었다. 결정을 여과하고 톨루엔으로 세척하고 건조하여 4-아 이소프로폭시-4`-히드록시디페닐 술폰 49g을 수득하였다.

수율 : 70%

순도 (HPLC) : 99.2%

불순물 (4,4`-디히드록시페닐 술폰) 함량 : 0.4%

불순물(화학식 3으로 표시되는 디에테르 유도체) 함량 : 0.3%

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 반응물의 당량과 온도, 용매 조건에 의존해 제조되던 디페닐 술폰화합물의 기존 제법을 사용하지 않고 새로운 방법인 고분자를 이용한 고체상 합성법을 도입한 경우 고순도, 고수율의 결과로 디페닐 술폰화합물을 제조할 수 있으며, 반응의 핵심 불순물인 화학식 2로 표시되는 화합물이나 화학식 3으로 표시되는 화합물을 획기적으로 줄임과 동시에 수율의 대폭향상을 가져올 수 있으며, 또한 반응에 사용되는 보조제인 고분자의 경우 최종 반응 후 여과와 간단한 재처리에 의해 회수 사용할 수 있으므로 보다 경제적인 방법으로 디페닐 술폰화합물을 제조할 수 있다.

Claims (5)

1. (정정)다음 화학식 2로 표시되는 화합물과 다음 화학식 4로 표시되는 카르복시산 유도체가 포함된 블록형 고분자를 유기용매와 물의 혼합액 상에 분산시키고 묽은 황산을 첨가하여 반응시킨 다음 여과하여 다음 화학식 5로 표시되는 고분자-단분자체를 얻는 제 1 단계;

   유기용매와 탄산칼륨을 화학식 5로 표시되는 고분자-단분자체에 넣고 화학식 6으로 표시되는 할로겐화 알킬 화합물과 반응시켜 다음 화학식 7로 표시되는 알킬화 고분자-단분자체를 얻는 제 2 단계; 및

   화학식 7로 표시되는 알킬화 고분자-단분자체에 강염기 수용액으로서 수산화 칼륨, 수산화 나트륨 또는 수산화 리튬의 10~30% 수용액을 첨가하여 고분자-단분자체를 절단하여 다음 화학식 1로 표시되는 방향족 에테르 유도체를 제조하는 제 3 단계로 이루어지며, 여기서 화학식 4로 표시되는 카르복시산 유도체가 포함된 블록형 고분자는 회수되는 것임을 특징으로 하는 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법.

   화학식 1

   

   상기 식에서, R은 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.

   화학식 2

   

   화학식 4

   

   상기 식에서, x + y는 5000 - 40000 이며, 아크릴산의 함량이 5 내지 20중량%인 것을 만족한다.

   화학식 5

   

   상기 식에서, x와 y는 상기에서 정의한 바와 같다.

   화학식 6

   R-Br

   상기 식에서, R은 상기에서 정의한 바와 같다.

   화학식 7

   

   상기 식에서, x와 y는 상기에서 정의한 바와 같다.
2. 제 1 항에 있어서, 탄산칼륨을 화학식 2로 표시되는 화합물 당량 대비 0.9∼2.0당량 되도록 사용하는 것을 특징으로 하는 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법.
3. 제 1 항에 있어서, 화학식 6으로 표시되는 할로겐화 알킬 화합물을 화학식 2로 표시되는 화합물 당량 대비 0.9∼2.0당량 되도록 사용하는 것을 특징으로 하는 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법.
4. 제 1 항에 있어서, 제 1 단계에서 묽은 황산을 반응액의 산도가 1∼4 되도록 하는 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법.
5. (정정)제 1 항에 있어서, 제 3 단계에서 강염기 수용액은 반응액의 산도가 10∼14 되도록 하는 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방향족 에테르 유도체의 고체상 합성법.

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