KR100580984B1 - 시클릭 락탐 및 시클릭 아민의 병산 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 불균질 촉매의 존재하에 기상에서 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴을 물과 동시에 반응시킴으로써 시클릭 락탐 및 시클릭 아민을 동시에 제조하는 방법에 관한 것이다.
지방족 알파,오메가-디아민, 지방족 알파,오메가-아미노니트릴, 시클릭 락탐, 시클릭 아민, 불균질 촉매, 탈수소화 성분, 재순환

Description

시클릭 락탐 및 시클릭 아민의 병산 방법{Method for Simultaneously Producing a Cyclic Lactam and a Cyclic Amine}
본 발명은 불균질 촉매의 존재하에 기상에서 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴을 물과 공반응시킴으로써 시클릭 락탐 및 시클릭 아민을 병산하는 방법에 관한 것이다.
지방족 알파,오메가-디니트릴을 부분 수소화함으로써 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴을 포함하는 혼합물을 제조하는, 예를 들어 아디포니트릴을 부분 수소화하여 헥사메틸렌디아민 및 6-아미노카프로니트릴을 포함하는 혼합물을 제조하는 것은 일반적으로 알려져있다. 디아민 및 아미노니트릴을 회수하기 위한 그러한 혼합물의 마무리처리는 상당한 기술 자원의 발전을 통해서만 가능하다.
카프롤락탐과 같은 시클릭 락탐은 나일론과 같은 산업적으로 중요한 플라스틱의 제조를 위한 공지된 출발 물질이다. 아제판과 같은 시클릭 아민은 제약, 농약, 비철 금속의 부식 억제제, 경화 촉진제를 제조하기 위한 중간체로서 그리고 직물 보조제와 사이징제, 정전기 억제제 및 마감제의 구성성분, 및 또한 수지의 가교제로서 널리 사용된다.
GB 1 358 862호(1974년)는 150-400℃에서 액상 중의 고상 수소화 촉매 상에서 구체적으로 5원- 및 보다 많은 원소의 아자시클로알칸 또는 디아민 및 물로부터 락탐을 제조하는 것을 개시하고 있다.
1/10/9의 중량비(약 1/47/45의 몰 비율)의 피페리딘/H2O/NH3은 300℃에서 Ra-Ni, Pt/C 및 Ru/Al2O3 상에서 2-3 시간에 걸쳐 약 50%의 수율로 피페리돈으로 전환되는 것으로 보고되어 있다. 대조적으로, 마찬가지로 1/10/9의 중량비의 아제판("헥사메틸렌이민", HMI)/H2O/NH3은 270℃에서 Ra-Ni 상에서 5 시간에 걸쳐 이론치의 단지 17.6%의 카프롤락탐으로 전환된다.
사용된 디아민이 헥사메틸렌디아민("HMD")일 경우, 카프롤락탐의 수율은 심지어 아제판으로부터의 수율보다 낮은 10.7%이므로 산업적으로 요구되는 수준에 매우 못 미치며, 아제판은 아무래도 이 반응에서 형성되지 않는것 같다.
HMD로부터의 아제판과 같은, 시클릭 락탐의 병산 없이 디아민으로부터 아자시클로알칸을 제조하는 방법은 일반적인 지식이다.
예를 들어, CA-A 920 606호는 HMD/H2 = 1:2-70, 150-250℃ 및 1-20 bar에서 H2 존재하에 코발트 및 니켈 촉매(Ra형 및 또한 SiO2, Al2O3와 같은 지지체 상에 담지됨) 상에서 HMD가 아제판으로 전환하는 것을 기재하고 있다.
약 90% 이하의 아제판 선택도는 불완전 전환(44% 이하)으로 얻어진다. 형성된 부산물은 대부분 비스헥사메틸렌트리아민 및 폴리아민이다.
US-A 3,830,800호에 따르면, 디옥산과 같은 용매 중 RuO2/C 상의 HMD는 마찬가지로 저전환(<50%)에서만 91%의 우수한 아제판 선택도를 제공한다.
DE-A 24 14 930호는 200℃에서 고비점 용매 중에서 Al2O3 또는 SiO2와 같은 지지체의 존재 또는 부재하에, 활성 성분으로서 Ni, Co, Fe, Mn, Ag, Cu 및 Pd로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 상에서, 반응 혼합물로부터 생성된 아제판(대기압에서 끓는점 139℃)을 동시에 연속 증류 제거하면서 HMD를 축합하는 것을 기재하고 있다. 94% 이하의 수율이 보고되어 있다.
DE-A 25 32 871호는 80-150℃에서 불활성 용매 중에서 Al2O3 또는 SiO2와 같은 지지체의 존재 또는 부재하의 Ni 또는 Co 상에서 HMD를 연속적으로 축합하는 것에 관한 것이며, 이 때 반응 혼합물로부터의 아제판을 H2O와의 공비 증류에 의해 연속 제거함으로써 올리고- 및 폴리아민의 형성을 막는다.
US-A 3,903,079호는 고정층 또는 유동층 반응기내 기상에서 Cu, Pd, Mn, Ni 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 양이온 0.3-7%가 담지된 제올라이트 상에서 250-400℃에서 HMD/NH3 = 1:15-30(1:>2)를 사용함으로써 HMD를 축합하여 약 75%의 수율의 아제판을 얻는 것을 개시하고 있다.
US-A 470,900호는 NH3을 사용하지 않고 지지체상의 Ni, Co, Fe 또는 구리 촉매상에서 100-250℃에서, HMD에서 아제판으로의 축합을 포함하여, 디아민에서 아자시클로알칸으로의 기상 축합을 기재하고 있다. 1:20의 HMD/H2 비율, 150℃ 및 Cu/ 규조토 상에서 0.1의 공간 속도로 95%의 아제판 수율을 얻은 반면, 1:20의 HMD/H2 비율, 150℃ 및 Ni/규조토 상에서 0.2의 공간 속도로 90%의 아제판 수율을 얻었다.
EP-A 372 492호는 기상에서 Pd/Al2O3 상에서 수증기 및 수소의 존재하에 160-260℃에서 20:80 내지 99:1의 HMD 대 물의 중량비로 HMD로부터 아제판을 제조하는 것을 개시하고 있다. 92%의 아제판 수율을 얻었다.
아제판과 같은 시클릭 아민을 카프롤락탐과 같은 시클릭 락탐으로 전환하는 방법은 마찬가지로 공지되어 있다.
문헌(Chem. Ber. 109(1976년) 3707-27 페이지)에 따르면, 피롤리딘은 Pt 촉매하에서 산소와 반응하여 60% 수율로 피롤리돈을 얻을 수 있으나, 다른 시클릭 아민의 경우 같은 반응으로 완전히 이상한 생성물 혼합물이 수득된다.
US-A 3,634,346호는 시클릭 아민을 금속 이온 촉매하에 과산화수소로 산화시켜 상응하는 시클릭 락탐으로 전환하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법으로 얻을 수 있는 최상의 수율(피롤리딘으로부터의 2-피롤리돈 15.5%)은 산업 공정에 완전히 만족스럽지가 않다.
US-A-3,336,299호 및 문헌(Synth. Commun. 18(1988년) 1331-37 페이지)에 기재된 Hg(II) 화합물을 사용하여 시클릭 아민을 상응하는 시클릭 락탐으로 산화시키는 방법은 수율면에서 완전히 만족스럽지가 않고 마무리처리 및 수은 반응 잔류물을 폐기하는 측면에서도 문제이다.
이는 또한 문헌(Tetrahedron Lett. 29(1988년) 6913-16 페이지)에 기재된 요 도소벤젠을 이용한 산화에도 적용된다.
6-아미노카프로니트릴과 같은 지방족 알파,오메가-아미노니트릴로부터 카프롤락탐과 같은 시클릭 락탐을 제조하는 방법은 마찬가지로 공지되어 있다.
US-A 2,357,484호는 불균질 촉매 존재하에 200 내지 350℃에서 6-아미노카프로니트릴을 카프롤락탐으로 전환하는 것을 기재하고 있다. 얻어진 공간-시간 수율은 시간 당 촉매 ml 당 0.02 내지 0.03g의 생성물이다.
EP-A 150 295호 및 US-A 4,628,085호는 촉매 존재하에 200 내지 400℃에서 아미노니트릴을 시클릭 락탐으로 전환하는 것을 개시하고 있다. 출발 혼합물은 단지 4% 이하의 아미노니트릴을 함유한다.
WO-A 96/22974호는 US-A 4,628,085호에서 이산화규소의 경우에 매우 짧은 수명인 것으로 기재되어 있는 촉매 상에서 200 내지 450℃에서 6-아미노카프로니트릴을 카프롤락탐으로 전환하는 것을 기재하고 있다.
DE-A 19 632 006호는 불균질 촉매 존재하에 220 내지 380℃에서 6-아미노카프로니트릴을 카프롤락탐으로 전환하는 것을 기재하고 있다. 촉매 적재량은 시간 당 촉매 ml 당 0.1 내지 1g의 반응물이다.
본 발명의 목적은 기술적으로 간단하고 경제적인 방식으로 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴을 시클릭 아민 및 시클릭 락탐으로 함께 전환하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 이 목적이 처음에 정의된 방법에 의해 달성된다는 것을 드디어 발견하였다.
본 발명의 방법에 사용되는 출발 물질은 바람직하게는 하기 화학식 I의 지방족 알파,오메가-디아민, 즉 1,4-디아미노부탄, 1,5-디아미노펜탄, 1,6-디아미노헥산("헥사메틸렌디아민", "HMD") 및 1,7-디아미노헵탄이며, 가장 바람직하게는 1,6-디아미노헥산, 또는 그러한 디아민 I의 혼합물이다.
H 2 N-(CH 2 ) n -NH 2
식 중, n은 4, 5, 6, 또는 7이다.
디아민은 C1-C6-알킬기, 시클로펜틸, 시클로헥실 또는 시클로헵틸기와 같은 시클로알킬기, 또는 할로겐과 같은 치환체를 탄소상에 1개 이상 포함할 수 있다. 바람직하게는 디아민은 치환되지 않는다.
그러한 디아민 및 그의 제조법은 일반 지식이다.
본 발명의 방법에 유용한 지방족 알파,오메가-아미노니트릴은 주로 하기 화학식 II의 지방족 알파,오메가-아미노니트릴, 즉 4-아미노부티로니트릴, 5-아미노발레로니트릴, 6-아미노카프로니트릴("ACN") 및 7-아미노오에난토니트릴이며, 가장 바람직하게는 6-아미노카프로니트릴, 또는 그러한 아미노니트릴 II의 혼합물이다.
H 2 N-(CH 2 ) m -CN
식 중, m은 3, 4, 5 또는 6이다.
아미노니트릴은 C1-C6-알킬기, 시클로펜틸, 시클로헥실 또는 시클로헵틸기와 같은 시클로알킬기, 또는 할로겐과 같은 치환체를 탄소상에 1개 이상 포함할 수 있다. 바람직하게는 아미노니트릴은 치환되지 않는다.
그러한 아미노니트릴 및 그의 제조법은 일반 지식이며 상업적으로 이용가능한다.
디아민 I 및 아미노니트릴 II로 이루어지는 바람직한 혼합물은 n = m+1인 혼합물이다. 유리한 혼합물은 5 : 95 내지 90 : 10, 바람직하게는 10 : 90 내지 80 : 20, 특히 30 : 70 내지 60 : 40의 아미노니트릴 II 대 디아민 I의 몰 비율을 갖는다.
본 발명에 따르면, 이 반응은 불균질 촉매 또는 그러한 촉매의 혼합물의 존재하에 수행된다.
사용되는 불균질 촉매는 바람직하게는
(a) 탈수소화 성분 III 및
(b) 산성 및(또는) 양성의 성분 IV
을 포함함을 특징으로 한다.
적합한 탈수소화 성분 III은 Cu, Ag, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Os 및 Re로 이루어진 군, 바람직하게는 Cu, Ag, Ni, Co, Pd, Pt, Rh 및 Ru로 이루어진 군, 특히 Cu, Co 및 Ru로 이루어진 군, 또는 그의 혼합물로부터 선택된 금속이다.
성분 IV는 유리하게는 금속 Mg, Al, B, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, Cr, Ge, Zn, Sn, Bi, Th, U, 또는 La 및 Ce와 같은 란탄계열 원소의 산화물, 수화 산화물, 규산염, 인산염, 헤테로폴리산 또는 산성 제올라이트, 바람직하게는 SiO2, 감마-Al2O3, Nb-, Ta-, Zr-산화물 및 또한 La, Nb, Zr, Al 및 B의 인산염, 또는 그의 혼합물로부터 선택될 수 있으며, 이 경우에 이 화합물의 산도는 필요시, 유기산 또는 바람직하게는 무기산, 예를 들어 인산, 황산 또는 할로수소산으로 도핑하여 강화될 수 있다.
탈수소화 성분 III은 예를 들어 라니 니켈 또는 라니 코발트의 비지지 촉매의 형태 또는 바람직하게는 지지 촉매로서 사용될 수 있다. 유용한 지지체 물질은 C, 스테아타이트(steatite) 또는 알파-Al2O3와 같은 불활성 물질, 바람직하게는 화합물 IV와 같은 산성 및(또는) 양성의 성분, 특히 SiO2, 감마-Al2O3, Nb-, Ta-, Zr-산화물 및 또한 La, Nb, Zr, Al 및 B의 인산염, 또는 그의 혼합물이다.
화합물 IV에 대한 탈수소화 성분 III의 혼합비는 당업자에 의해 몇몇 간단한 예비 실험에 의해 생성물 비율 또는 촉매 활성과 같은 바람직한 반응 변수에 따라 쉽사리 측정가능하다. 성분 III 대 성분 IV의 적합한 중량비는 일반적으로 0.1:99.9 내지 50:50, 바람직하게는 0.5:99.5 내지 15:85이다.
물은 본 발명의 방법에서, 유리하게는 디아민 I 및 아미노니트릴 II의 총합계에 대해 1을 넘는 몰 비율, 바람직하게는 3:1 내지 25:1, 특히 5:1 내지 20:1의 물 대 디아민 I 및 아미노니트릴 II의 총합계의 몰 비율로 사용된다.
이 반응 혼합물에 질소, 아르곤, CO 또는 메탄과 같은 불활성 기체를, 바람직하게는 5:1 내지 100:1의 불활성 기체 대 디아민 I 및 아미노니트릴 II의 총합계 의 몰 비율로 유리하게 첨가할 수 있으며, 이 경우에 디아민 I 및 아미노니트릴 II의 총합계에 대한 물의 몰 비율이 높을수록, 사용될 수 있는 디아민 I 및 아미노니트릴 II의 총합계에 대한 불활성 기체의 몰 비율은 낮아지는 것이 유리하다.
반응 혼합물에 첨가할 수 있는 불활성 기체가 경험상 불균질 촉매의 활동(onstream) 시간을 연장시키는 효과를 가진 수소인 것이 비슷하게 유리하게는 가능하며, 이 때 수소 대 디아민 I의 몰 비율은 바람직하게는 0.01:1 내지 10:1, 특히 0.01:1 내지 5:1이다. 이에 덧붙여, 특히 Ni, Pt 또는 Pd와 같은 매우 수소화-활성 성분 II의 경우에 디아민 I에 대한 수소의 몰 비율을 증가시킴으로써, 시클릭 락탐에 대한 시클릭 아민의 생성물 비율을 시클릭 아민에 유리하게 바꿀 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
본 발명의 방법은 유리하게는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기와 같은 목적에 적합한 통상의 반응기 내에서 200 내지 600℃, 바람직하게는 240 내지 350℃ 및 0.1 내지 2 bar, 바람직하게는 0.75 내지 1.5 bar, 특히 0.9 내지 1.1 bar의 압력에서 수행될 수 있다.
생성물 혼합물의 마무리처리는 예를 들어, 추출 및(또는) 바람직하게는 증류의 통상적인 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 방법은 시클릭 락탐, 바람직하게는 하기의 화학식 Va 또는 Vb의 시클릭 락탐, 또는 그러한 락탐과 시클릭 아민, 바람직하게는 하기 화학식 VIa 또는 VIb의 시클릭 아민 또는 그러한 아민의 혼합물과의 혼합물을 동시에 제공한다.
Figure 112001005916129-pct00001
Figure 112006017106140-pct00005
Figure 112001005916129-pct00003
Figure 112001005916129-pct00004
식 중, 화학식 Va 및 VIa의 n은 4 내지 7의 정수이며,
화학식 Vb 및 VIb의 m은 3 내지 6의 정수이다.
특히 바람직한 락탐 Va는 n이 4, 5, 6 또는 7, 특히 6인 락탐이고, 락탐 Vb는 m이 3, 4, 5 또는 6인 락탐이며, 이는 아졸란-2-온("2-피롤리돈", "감마-부티롤락탐"), 아직산-2-온("피페리딘-2-온", "발레롤락탐"), 아제판-2-온("카프롤락탐") 및 아자시클로옥탄-2-온, 가장 바람직하게는 카프롤락탐, 또는 그러한 락탐 Va 및 Vb의 혼합물이다.
특히 바람직한 아민 VIa은 n이 4, 5, 6 또는 7, 특히 6인 아민이고, 아민 VIb는 m이 3, 4, 5 또는 6인 아민이며, 이는 아졸란("피롤리딘"), 아직산("피페리딘"), 아제판("헥사메틸렌이민", "HMI") 및 아자시클로옥탄, 가장 바람직하게는 아제판, 또는 그러한 아민 VIa 및 VIb의 혼합물이다.
n = m+1인 바람직한 출발 화합물 사용시, 락탐 Va 및 Vb은 유리하게는 동일하며, 아민 VIa 및 VIb도 동일하다.
본 발명의 방법에서 수득되는 아민 VI은 앞서 언급된 산업적 적용에 유용할 뿐만 아니라, 바람직하게는 본 발명의 공정에 재순환함으로써, 특히 상응하는 지방족 알파,오메가-디아민 I 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴과의 혼합물로 상응하는 락탐 V로 전환될 수 있다.
전환은 본 발명의 방법에 관하여 언급된 반응 및 공정 조건하에서 언급된 불균질 촉매 존재하에 유리하게 수행될 수 있다.
1.9:1의 몰 비율의 HMD 및 ACN의 혼합물 50 중량%를 포함하는 수용액을 증발시키고 시간 당 촉매 ℓ 당 100g의 적재량(시간당 1 ℓ 당 HMD 및 ACN의 총합 50g에 상응함)에서 수소 10 ℓ/h(100 ℓ/ℓ 촉매/h)와 함께 Cu/Al2O3(길이 0.5 내지 1.5 cm의 3mm 압출물, 반응기 내경 29 mm) 100 mℓ를 통해 275℃에서 아래로 통과시켰다.
차가운 트랩에서 응축된 유출물을 GC로 분석하여 HMD 91.2% 및 ACN 93.9%의 전환으로부터, 출발 물질의 총합을 기준하여 28.1%의 선택도에 상응하는 아제판 및 64.7%의 선택도에 상응하는 카프롤락탐을 함유하는 것을 발견하였다.

Claims (10)

  1. 불균질 촉매의 존재하에 기상에서 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴의 총합에 대한 물의 몰 비율 3 내지 25, 지방족 알파,오메가-아미노니트릴 대 지방족 알파,오메가-디아민의 몰 비율 5:95 내지 90:10 및
    (a) Cu, Ag, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Os 및 Re, 및 그의 혼합물로부터 선택된 금속인 탈수소화 성분 및
    (b) 금속 Mg, Al, B, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Fe, Cr, Ge, Zn, Sn, Bi, Th, U, 및 란탄계열 원소의 산화물, 수화 산화물, 규산염, 인산염, 헤테로폴리산 및 산성 제올라이트, 및 그의 혼합물로부터 선택된 산성 및(또는) 양성의 성분
    을 포함함을 특징으로 하는 불균질 촉매를 사용하여 하기 화학식 I의 지방족 알파,오메가-디아민 및 하기 화학식 II의 지방족 알파,오메가-아미노니트릴을 물과 공반응시킴으로써 시클릭 락탐 및 시클릭 아민을 병산하는 방법.
    [화학식 I]
    H2N-(CH2)n-NH2
    식 중, n은 4, 5, 6, 또는 7이다.
    [화학식 II]
    H2N-(CH2)m-CN
    식 중, m은 3, 4, 5 또는 6이다.
  2. 제 1항에 있어서, 헥사메틸렌디아민 및 6-아미노카프로니트릴이 각각 지방족 알파,오메가-디아민 및 지방족 알파,오메가-아미노니트릴로 사용되어, 시클릭 아민으로서의 아제판 및 시클릭 락탐으로서의 카프롤락탐을 얻는 방법.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 온도가 200 내지 600℃인 방법.
  4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 불균질 촉매의 탈수소화 성분이 Cu, Ag, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Os 및 Re로 이루어진 군으로부터 선택된 금속인 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 불균질 촉매의 탈수소화 성분이 Cu, Co 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택된 금속인 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020017003497A 1998-09-18 1999-09-10 시클릭 락탐 및 시클릭 아민의 병산 방법 KR100580984B1 (ko)

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DE19842905A DE19842905A1 (de) 1998-09-18 1998-09-18 Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung eines cyclischen Lactams und eines cyclischen Amins

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