KR100612957B1 - Method for the preparation of alkylene carbonate using the catalytic system comprising of metal halide and alicyclic ammonium halide - Google Patents

Method for the preparation of alkylene carbonate using the catalytic system comprising of metal halide and alicyclic ammonium halide Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 이용한 알킬렌카보네이트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조함에 있어 반응촉매로서 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 피롤리딘, 피페리딘 및 모포린 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염으로 구성되는 촉매계를 사용하여 기존의 제조방법에 비교하여 보다 낮은 압력과 온도 조건에서 빠른 시간 내에 높은 수율로 알킬렌카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an alkylene carbonate using a catalyst system composed of a metal salt and an alicyclic amine salt, and more particularly, zinc (A) as a reaction catalyst in preparing an alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide with carbon dioxide. Zn), a catalyst system consisting of a salt of a metal selected from iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb) and indium (In), and a salt of an alicyclic amine selected from pyrrolidine, piperidine and morpholine The present invention relates to a method for producing alkylene carbonate in a high yield within a short time at a lower pressure and temperature conditions compared to the conventional production method using.

알킬렌카보네이트, 알킬렌옥사이드, 이산화탄소, 금속염, 지방족환형 아민염 Alkylene carbonate, alkylene oxide, carbon dioxide, metal salt, alicyclic amine salt

Description

금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 이용한 알킬렌카보네이트의 제조방법{Method for the preparation of alkylene carbonate using the catalytic system comprising of metal halide and alicyclic ammonium halide}Method for the preparation of alkylene carbonate using the catalytic system comprising of metal halide and alicyclic ammonium halide}

본 발명은 금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 이용한 알킬렌카보네이트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조함에 있어 반응촉매로서 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 피롤리딘, 피페리딘 및 모포린 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염으로 구성되는 촉매계를 사용하여 기존의 제조방법에 비교하여 보다 낮은 압력과 온도 조건에서 빠른 시간 내에 높은 수율로 알킬렌카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an alkylene carbonate using a catalyst system composed of a metal salt and an alicyclic amine salt, and more particularly, zinc (A) as a reaction catalyst in preparing an alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide with carbon dioxide. Zn), a catalyst system consisting of a salt of a metal selected from iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb) and indium (In), and a salt of an alicyclic amine selected from pyrrolidine, piperidine and morpholine The present invention relates to a method for producing alkylene carbonate in a high yield within a short time at a lower pressure and temperature conditions compared to the conventional production method using.

알킬렌카보네이트는 폴리카보네이트의 원료, 제약공정의 중간체, 염료(dyestuff) 합성 과정의 옥시알킬화 시약(oxyalkylation agent), 공정설비 보호제, 섬유 생산 공정의 용매 등의 용도뿐 아니라, 최근에는 이차전지의 고분자 전해질의 용매 등 그 사용 범위가 날로 확대되고 있다. 또한 최근에 개발된 에 틸렌글리콜을 생산하는 새로운 공정은 에틸렌옥사이드를 직접 물과 반응시키지 않고 에틸렌카보네이트를 거쳐 합성하는 공정으로 개선되고 있어 에틸렌카보네이트 합성에 대한 관심이 더욱 증대되고 있다.Alkylene carbonates are not only used as raw materials for polycarbonates, intermediates in pharmaceutical processes, oxyalkylation agents for dyestuff synthesis processes, process equipment protection agents, solvents for fiber production processes, etc. The range of use, such as the solvent of an electrolyte, is expanding day by day. In addition, recently developed new process for producing ethylene glycol has been improved to the process of synthesizing ethylene oxide via ethylene carbonate without directly reacting with water, and the interest in ethylene carbonate synthesis is increasing.

일반적으로 알킬렌카보네이트는 다음 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 촉매의 존재 하에서 반응시켜 제조하고 있다. In general, alkylene carbonate is prepared by reacting alkylene oxide and carbon dioxide in the presence of a catalyst, as shown in Scheme 1 below.

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상기 반응식 1에서, Ra 및 Rb는 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, C1∼4 인 알킬기 및 페닐기 중에서 선택된 것이다.In Reaction Scheme 1, R a and R b are the same as or different from each other and are selected from a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and a phenyl group.

상기 반응에 있어서, 산업적으로 유용한 반응속도를 얻기 위해서는 높은 온도와 높은 압력 조건이 필요하나, 높은 온도와 높은 압력 조건하에서는 원료물질인 알킬렌옥사이드가 분해 또는 중합하는 경향이 있는 문제점이 있다. 따라서, 상기 반응조건을 보다 완화하기 위한 다양한 종류의 물질이 촉매로서 개발되었다.In the above reaction, in order to obtain an industrially useful reaction rate, high temperature and high pressure conditions are required, but under high temperature and high pressure conditions, a raw material alkylene oxide tends to decompose or polymerize. Therefore, various kinds of materials have been developed as catalysts to further mitigate the reaction conditions.

이러한 촉매로서, 무기염, 포스포늄 할라이드 및 암모늄 할라이드 계통의 화합물을 촉매로 사용하는 방법이 있다[일본특허공개 평9-67365호, 일본특허공개 소59-13776호, 일본특허공개 평9-235252호 및 미국특허 제2,773,070호 등]. 상기 일본특허공개 평9-67365호에서는 요오드화칼륨(KI)을 촉매로 사용하는 방법을 개시하고 있으며, 일본특허공개 소59-13776호에서는 트리부틸메틸포스포늄 아이오 다이드와 같은 테트라알킬포스포늄 할라이드를 촉매로 사용하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 일본특허공개 평9-235252호에서는 고분자 말단에 4급 포스포늄 할라이드가 결합된 폴리스티렌 공중합체를 촉매로 이용하는 방법을 개시하고 있다. 상기한 공지 기술에서는 반응온도 100 ∼ 170 ℃에서 1 ∼ 5시간동안 반응시켰을 때 수율이 50 ∼ 95 %가 얻어진다고 기재하고 있으나, 높은 수율을 얻기 위해서는 높은 온도와 긴 반응시간을 필요로 하고, 원료물질인 이산화탄소와 알킬렌옥사이드의 수분함량을 수백 ppm 이하로 조절해야 하는 문제점을 가지고 있다.As such a catalyst, there is a method of using an inorganic salt, a phosphonium halide and an ammonium halide-based compound as a catalyst [Japanese Patent Laid-Open No. 9-67365, Japanese Patent Laid-Open No. 59-13776, Japanese Patent Laid-Open No. 9-235252 And US Pat. No. 2,773,070 and the like. Japanese Patent Laid-Open No. 9-67365 discloses a method of using potassium iodide (KI) as a catalyst, and Japanese Patent Laid-Open No. 59-13776 discloses a tetraalkylphosphonium halide such as tributylmethylphosphonium iodide. Discloses a method of using as a catalyst. In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 9-235252 discloses a method of using a polystyrene copolymer having a quaternary phosphonium halide bonded to a polymer terminal as a catalyst. The above-mentioned known technique states that a yield of 50 to 95% is obtained when reacting at a reaction temperature of 100 to 170 ° C. for 1 to 5 hours, but a high temperature and a long reaction time are required to obtain a high yield. There is a problem in that the moisture content of carbon dioxide and alkylene oxide, which is a substance, has to be adjusted to several hundred ppm or less.

또한, 이온교환수지를 이용하는 방법으로 일본특허공개 평7-206846호에서는 이온교환수지에 수산화세슘(CsOH), 수산화루비듐(RbOH) 및 암모늄 할라이드를 치환시킨 촉매를 사용하는 방법을 개시하고 있으며, 미국특허 제4,233,221호에는 DOWEX와 암버라이트(Amberlite)계열의 이온교환수지를 사용하는 방법을 제시하고 있으나, 상기와 같은 방법들은 수율과 생산성이 많이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. In addition, Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 7-206846 discloses a method using a catalyst in which an ion exchange resin is substituted with cesium hydroxide (CsOH), rubidium hydroxide (RbOH), and an ammonium halide. Patent No. 4,233,221 discloses a method of using an ion exchange resin of DOWEX and Amberlite series, but the above methods have a problem in that yield and productivity are poor.

또한, 상기에 언급된 촉매 외에 미국특허 제5,283,356호에서는 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 등을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanin)을 촉매로 사용하는 방법을 개시하고 있고, 일본특허공개 평7-206547호에서는 헤테로폴리산(heteropoly acid)의 수소이온 대신 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs) 이온을 치환시킨 촉매계를 사용하는 방법을 개시하고 있다. 상기 두 가지 방법의 경우는 모두 고가의 촉매를 필요로 하며 반응 온도가 120 ∼ 180 ℃로 높을 뿐 아니라 수율도 30 ∼ 90 %로 낮은 편이다. Further, in addition to the catalysts mentioned above, U.S. Patent No. 5,283,356 describes cobalt (Co), chromium (Cr), iron (Fe), manganese (Mn), nickel (Ni), titanium (Ti), vanadium (V) and zirconium. A method of using phthalocyanin including (Zr) as a catalyst is disclosed, and Japanese Patent Laid-Open No. Hei 7-206547 discloses rubidium (Rb) or cesium (Cs) ions instead of hydrogen ions of heteropoly acid. A method of using a catalyst system in which is substituted is disclosed. Both of these methods require expensive catalysts, and the reaction temperature is not only high at 120 to 180 ° C but also low at 30 to 90%.

이상에서 설명한 바와 같이 알킬렌카보네이트의 공지 제조방법은 공업적으로 제조하기 위해서는 높은 온도가 필요하고, 원료의 수분제거 등 반응조건이 까다로울 뿐만 아니라 선택성과 수율이 낮고, 반응 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.As described above, the known production method of alkylene carbonate requires a high temperature in order to industrially produce, not only the reaction conditions such as moisture removal of raw materials are difficult, but also the selectivity and yield are low, and the reaction time is long. .

한편, 본 발명자 역시 원료의 수분 제거공정이 필요치 않으며 보다 온화한 온도 및 압력 조건하에서 짧은 시간 내에 높은 수율로서 알킬렌카보네이트의 공업적 대량 생산이 가능하도록 하는 새로운 반응촉매를 개발하고자 연구하였다. 그 결과 이미다졸륨 할라이드와 아연 할라이드가 2 : 1 몰비로 착결합하여 형성된 이미다졸륨 아연 할라이드 착화합물을 제조하였고, 이 착화합물을 알킬렌옥사이드와 이산화탄소로부터 알킬렌카보네이트를 합성하는 반응에 촉매로 사용하는 기술을 특허출원한 바도 있다[한국특허 출원 제2002-86949호].On the other hand, the present inventors have also studied to develop a new reaction catalyst which does not require the water removal process of the raw material and enables the industrial mass production of alkylene carbonate with high yield in a short time under milder temperature and pressure conditions. As a result, an imidazolium zinc halide complex compound formed by complexing imidazolium halide and zinc halide in a 2: 1 molar ratio was prepared, and this complex compound was used as a catalyst for the synthesis of alkylene carbonate from alkylene oxide and carbon dioxide. The technology has also been applied for a patent [Korean Patent Application No. 2002-86949].

본 발명은 상기한 한국특허 출원 제02-86949호의 발명 이후에도 계속된 연구 결과로 얻어진 것으로, 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 피롤리딘, 피페리딘 및 모포린 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염이 일정 함량비를 이루고 있는 염혼합물을 알킬렌카보네이트 제조과정에 반응촉매로 사용하는 경우, 기존 방법에 비해 온화한 반응조건에서 짧은 시간 내에 높은 수율로서 알킬렌카보네이트를 제조할 수 있음을 알게됨으로써 본 발명을 완성하였다.The present invention has been obtained as a result of continued research after the invention of the above-mentioned Korean Patent Application No. 02-86949, and a metal selected from zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb) and indium (In). When a salt mixture in which a salt of and a salt of an alicyclic amine selected from pyrrolidine, piperidine and morpholine has a predetermined content ratio is used as a reaction catalyst in the process of preparing an alkylene carbonate, a milder reaction than the conventional method The present invention has been completed by knowing that alkylene carbonate can be produced in high yield in a short time under conditions.

따라서, 본 발명은 특정 금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 이용한 알킬렌카보네이트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing alkylene carbonate using a catalyst system composed of a specific metal salt and an alicyclic amine salt.

본 발명은 촉매 하에서 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조하는 방법에 있어서,The present invention provides a method for producing alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide and carbon dioxide under a catalyst,

상기 촉매로는 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 피롤리딘, 피페리딘 및 모포린 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염으로 구성되는 촉매계를 사용하는 것을 그 특징으로 한다.The catalyst includes a salt of a metal selected from zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb), and indium (In), and an alicyclic amine selected from pyrrolidine, piperidine, and morpholine. It is characterized by using a catalyst system composed of a salt of.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.

본 발명은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조하는 반응에 적용되는 신규 촉매계에 관한 것이다. 본 발명의 촉매계는 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 피롤리딘, 피페리딘 및 모포린 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염으로 구성된다. 알킬렌옥사이드와 이산화탄소의 반응에 본 발명의 촉매계를 적용하게 되면, 원료물질의 수분 제거공정을 별도로 수행할 필요가 없으며, 온화한 반응조건(60 ∼ 150 ℃ 및 10 ∼ 100 atm 조건)하에서도 빠른 시간 내에 우수한 수율로 알킬렌카보네이트를 제조할 수 있다.The present invention relates to a novel catalyst system applied to a reaction for producing alkylene carbonate by reacting alkylene oxide with carbon dioxide. The catalyst system of the present invention is a salt of a metal selected from zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb) and indium (In), and an aliphatic cyclic type selected from pyrrolidine, piperidine, and morpholine. It consists of a salt of an amine. When the catalyst system of the present invention is applied to the reaction of alkylene oxide and carbon dioxide, there is no need to perform the water removal process of the raw materials separately, and a fast time even under mild reaction conditions (60 to 150 ℃ and 10 to 100 atm conditions) Alkylene carbonates can be prepared in excellent yields.

특히, 본 발명에 따르면 소량의 금속촉매의 존재 하에 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 합성할 수 있다는 장점이 있다. 알킬렌카보네이트를 정제하는 과정에서 필수적인 진공증류를 수행하는 동안 반응물에 남아있는 금속촉매가 아래 반응식 2와 같이 알킬렌카보네이트를 분해한다. 그 러므로 알킬렌옥사이드와 이산화탄소로부터 알킬렌카보네이트를 제조할 때 가능한한 적은량의 금속촉매를 사용하는 것이 반응 후 생성물인 알킬렌카보네이트를 분리, 정제하는데 중요하다. 본 연구자들은 이와 같은 이유로 촉매 성능은 그대로 유지하면서 금속촉매의 량이 적은 촉매시스템에 대한 연구를 수행하던 중 금속염에 대한 지방족환형 아민염으로 이루어진 촉매계가 매우 효과적인 촉매성능을 보여주고 동시에 지방족환형 아민염 몰비가 증가함에 따라 알킬렌카보네이트의 수율이 현저히 증가된다는 것을 발견하였다. 즉, 동일한 성능의 촉매계에서 본 발명으로 이루어진 촉매를 사용하는 경우 존재하는 금속염의 상대적 몰비를 크게 감소시킬 수 있고 결과적으로 생성물인 알킬렌카보네이트의 정제과정에서 알킬렌카보네이트가 분해되는 반응을 크게 억제할 수 있다. In particular, the present invention has the advantage that the alkylene carbonate can be synthesized by reacting the alkylene oxide and carbon dioxide in the presence of a small amount of the metal catalyst. During the vacuum distillation process necessary during the purification of the alkylene carbonate, the metal catalyst remaining in the reactant decomposes the alkylene carbonate as shown in Scheme 2 below. Therefore, when preparing alkylene carbonate from alkylene oxide and carbon dioxide, it is important to use as little metal catalyst as possible to separate and purify the alkylene carbonate as a product after the reaction. For this reason, the present study shows that the catalyst system composed of aliphatic amine salts to metal salts has a very effective catalytic performance, while at the same time conducting a study on a catalyst system with a small amount of metal catalyst while maintaining the catalyst performance. It was found that the yield of alkylene carbonate increased significantly with increasing. That is, when using the catalyst of the present invention in the catalyst system of the same performance, it is possible to greatly reduce the relative molar ratio of the metal salt present, and consequently to greatly suppress the reaction of the decomposition of alkylene carbonate during the purification of the product alkylene carbonate. Can be.

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금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되는 본 발명의 촉매계 내에서 이루어질 수 있는 반응의 구체적인 일례를 다음 반응식 3에 나타내었다.Specific examples of the reaction that can be made in the catalyst system of the present invention consisting of a metal salt and an alicyclic amine salt are shown in the following Scheme 3.

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상기 반응식 3에서, R1 및 R2는 서로 같거나 다른 것으로 C1∼18 인 사슬형 또는 가지형 알킬기, C6∼12인 아릴기 및 C7∼12인 아르알킬기 중에서 선택되고; X- 는 할로겐 음이온을 나타내고; M은 Zn, Fe, Mn, Pb, In 중에서 선택된 금속원자이고; z와 m은 각각 1 ∼ 3 사이의 정수이다.In Scheme 3, R 1 And R 2 is the same or different and is selected from a C 1-18 chain or branched alkyl group, C 6-12 aryl group and C 7-12 aralkyl group; X represents a halogen anion; M is a metal atom selected from Zn, Fe, Mn, Pb, In; z and m are integers 1-3, respectively.

상기 반응식 3에 의하면, 본 발명의 촉매계는 일종의 '지방족환형 아민 금속염 촉매'로서 이온성 액체의 루이스 염기(Lewis base)의 특성과 루이스 산의 특성을 동시에 가지고 있음으로써 알킬렌옥사이드와 이산화탄소의 반응에서 높은 촉매활성을 나타내는 것으로 판단된다.According to Scheme 3, the catalyst system of the present invention is a kind of 'aliphatic amine metal salt catalyst', which has the characteristics of Lewis base and Lewis acid of an ionic liquid at the same time in the reaction of alkylene oxide and carbon dioxide. It is judged to exhibit high catalytic activity.

본 발명의 촉매계를 사용하여 알킬렌카보네이트를 제조하는 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method for preparing alkylene carbonate using the catalyst system of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 제조방법에서 원료물질로 사용되는 알킬렌옥사이드와 이산화탄소는 고순도 물질로서 사용될 수도 있지만, 질소, 수소, 일산화탄소, 낮은 농도의 탄화수소 및 물 등이 포함되어 있더라도 본 반응에는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 공업적으로 생산되는 이산화탄소와 알킬렌옥사이드를 추가적인 정제과정 없이 그대로 사용할 수도 있다.Alkylene oxide and carbon dioxide used as raw materials in the production method according to the present invention may be used as a high-purity material, even if it contains nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, low concentration of hydrocarbons and water, etc. does not significantly affect the reaction. Therefore, industrially produced carbon dioxide and alkylene oxide may be used as it is without further purification.

본 발명의 제조방법에 적용되는 촉매는 금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 사용한다. 이때, [지방족환형 아민염]/[금속염]의 몰비는 1 ∼ 10의 범위로 사용하며, 상기 몰비가 1 미만이면 반응의 속도가 너무 느려 지고, 몰비가 10을 초과하는 경우 더 이상의 반응속도가 증가하지 않아 경제적인 실익이 없다. 본 발명의 촉매계를 구성하는데 사용되어지는 금속염과 지방족환형 아민염은 금속 양이온과 지방족환형 암모늄 양이온을 제공할 수 있는 전구체 물질로서, 질산염, 아세트산염, 할로겐화물 등 촉매 제조분야에서 일반적으로 사용되는 염화합물이 적용될 수 있으나, 촉매 활성면에서 바람직하기로는 할로겐화물 형태의 염화합물을 전구체 물질로 사용하는 것이며, 특히 바람직하기로는 염화물 형태의 염화합물을 전구체 물질로 사용하는 것이다. 지방족환형 아민염은 질소원자를 포함하고 있는 지방족 헤테로고리 화합물이며, 구체적으로는 다음 화학식 1a로 표시되는 피롤리디늄 할라이드, 다음 화학식 1b로 표시되는 피페리디늄 할라이드, 다음 화학식 1c로 표시되는 모포리늄 할라이드 등이 포함될 수 있다.The catalyst applied to the production method of the present invention uses a catalyst system composed of a metal salt and an alicyclic amine salt. At this time, the molar ratio of [aliphatic cyclic amine salt] / [metal salt] is used in the range of 1 to 10. When the molar ratio is less than 1, the reaction rate is too slow, and when the molar ratio exceeds 10, further reaction rate is increased. There is no economic benefit because it does not increase. Metal salts and alicyclic amine salts used to construct the catalyst system of the present invention are precursor materials capable of providing metal cations and alicyclic ammonium cations, and are generally used in the field of catalyst production such as nitrates, acetates, and halides. The compound may be applied, but in terms of catalytic activity, it is preferable to use a salt compound in the form of a halide as a precursor material, and particularly preferably use a salt compound in the form of a chloride as a precursor material. The aliphatic cyclic amine salt is an aliphatic heterocyclic compound containing a nitrogen atom, specifically, a pyrrolidinium halide represented by the following Chemical Formula 1a, a piperidinium halide represented by the following Chemical Formula 1b, and a morpholinium represented by the following Chemical Formula 1c. Halides and the like.

Figure 112004024328658-pat00004
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상기에서, R1 및 R2는 서로 같거나 다른 것으로 C1∼18인 사슬형 또는 가지형 알킬기, C6∼12인 아릴기 및 C7∼12인 아르알킬기 중에서 선택되고; X-는 할로겐 음이온을 나타낸다.In the above, R 1 And R 2 is the same or different and is selected from a C 1-18 chain or branched alkyl group, C 6-12 aryl group and C 7-12 aralkyl group; X represents a halogen anion.

또한, 본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어 [알킬렌옥사이드]/[금속염]의 몰비는 100 ∼ 20,000 범위로 사용하는 것이 바람직한 바, 상기 몰비가 100 미만인 경우 반응속도가 너무 빨라 부산물의 생성이 많아지고 또 생산성이 크게 저하되는 문제가 있으며, 상기 몰비가 20,000을 초과하는 경우에는 반응속도가 현저히 느려져 더 이상 생산성 향상이 되지 않는다. In addition, the molar ratio of [alkylene oxide] / [metal salt] is preferably used in the range of 100 to 20,000 in carrying out the preparation method of the present invention. When the molar ratio is less than 100, the reaction rate is too fast to generate a lot of by-products. In addition, there is a problem that the productivity is greatly reduced, and when the molar ratio exceeds 20,000, the reaction rate is remarkably slowed so that the productivity is no longer improved.

상기 촉매계를 사용하는 본 발명에 따른 알킬렌카보네이트의 제조반응은 반응온도 60 ∼ 150 ℃ 및 반응압력 10 ∼ 100 atm 조건하에서도 우수한 수율로 알킬렌카보네이트를 제조할 수 있다. 상기 반응온도를 60 ℃ 미만으로 낮은 유지하게 되면 반응속도가 크게 느려 바람직하지 못하고, 반응온도를 150 ℃를 초과하여 고온을 유지하게 되면 반응속도는 증대되나 원료물질로 사용되는 알킬렌옥사이드가 분해하거나 자체 고분자화 반응(self-polymerization)을 일으켜 반응 선택성이 크게 낮아지는 문제점이 있다. 반응압력은 반응속도 및 수율에 큰 영향을 끼치지 않으나 통상 10 ∼ 100 atm에서 진행하는 것이 좋다. 상기 반응압력이 10 atm 미만이면 반응안전성에 문제가 있으며, 100 atm을 초과하는 경우에는 반응속도의 증진효과는 미미한 반면 장비 유지 및 설치에 소요되는 경제적인 비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있다.In the production reaction of the alkylene carbonate according to the present invention using the catalyst system, the alkylene carbonate may be produced in excellent yield even under the reaction temperature of 60 to 150 ° C. and the reaction pressure of 10 to 100 atm. If the reaction temperature is kept lower than 60 ℃ is not preferable because the reaction rate is significantly slow, maintaining the high temperature above 150 ℃ reaction rate is increased but the alkylene oxide used as a raw material is decomposed or There is a problem that the reaction selectivity is greatly lowered by causing self-polymerization reaction. The reaction pressure does not significantly affect the reaction rate and yield, but it is generally preferred to proceed at 10 to 100 atm. If the reaction pressure is less than 10 atm, there is a problem in the safety of the reaction, in the case of exceeding 100 atm, the effect of increasing the reaction speed is insignificant, but there is a problem in that the economic cost of maintaining and installing the equipment is excessively required.

상기한 알킬렌카보네이트의 제조반응은 주로 용매가 없는 상태에서 진행되나, 반응중 급격한 발열을 방지하기 위하여 용매를 사용할 수 있다. 용매로는 원료물질로 사용되는 알킬렌옥사이드로부터 생성되는 알킬렌카보네이트를 사용하는 것이 바람직한데 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 에틸렌옥사이드로부터 에틸렌카보네이트를 합성하는 경우 에틸렌카보네이트를 용매로 사용하고, 프로필렌옥사이드로부터 프로필렌카보네이트를 합성하는 경우 프로필렌카보네이트를 용매로 사용하는 것이 더욱 바람직하지만, 에틸렌카보네이트 합성 시 프로필렌 카보네이트를 용매로 사용하는 것도 무관하다. The reaction of preparing the alkylene carbonate is mainly performed in the absence of a solvent, but a solvent may be used to prevent rapid exotherm during the reaction. The solvent is preferably an alkylene carbonate produced from the alkylene oxide used as a raw material, but is not necessarily limited thereto. For example, when synthesizing ethylene carbonate from ethylene oxide, ethylene carbonate is used as a solvent, and when propylene carbonate is synthesized from propylene oxide, propylene carbonate is more preferably used as a solvent. It is irrelevant to use.

또한, 공정은 교반기가 설치된 반응기를 이용한 회분식 공정과 버블 칼럼(bubble column)을 이용한 연속공정이 모두 이용될 수 있다.In addition, the process may be both a batch process using a reactor equipped with a stirrer and a continuous process using a bubble column (bubble column).

이하 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 Example 1

200 ㎖ 고압반응기에 반응물인 에틸렌옥사이드(33.0 g, 750 mmol), ZnBr2(0.075 mmol), 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드(0.30 mmol)을 넣은 후 10 atm의 이산화탄소를 채웠다. 온도를 100 ℃로 올린 후 다시 이산화탄소를 넣어 30 atm이 되도록 하였으며, 반응이 진행되는 동안 소모되는 양만큼의 이산화탄소를 계속 공급하여 반응기의 압력을 30 atm으로 유지시켰다. 100 ℃에서 1 시간동안 반응시킨 후 반응기를 실온에서 냉각하고 질소를 이용하여 휘발성분을 제거하였으며 고체생성물은 분리 한 후 다음 가스-액체 크로마토그래피로 분석하였다. 그 결과 60.7%의 수율로 에틸렌카보네이트가 생성되었고, 이때 TOF(h-1)는 6,070 이었다. Ethylene oxide (33.0 g, 750 mmol), ZnBr 2 (0.075 mmol), 1,1-dimethylpyrrolidinium chloride (0.30 mmol), which were reactants, were charged to a 200 mL high-pressure reactor, and 10 atm of carbon dioxide was charged. The temperature was raised to 100 ° C. and carbon dioxide was added again to 30 atm, and the reactor was continuously supplied with the amount of carbon dioxide consumed during the reaction to maintain the reactor pressure at 30 atm. After reacting at 100 ° C. for 1 hour, the reactor was cooled to room temperature, volatiles were removed using nitrogen, and the solid product was separated and then analyzed by gas-liquid chromatography. As a result, ethylene carbonate was produced with a yield of 60.7%, and TOF (h −1 ) was 6,070.

수율과 TOF(h-1)값은 다음 수학식 1과 2를 사용하여 산출하였다.Yield and TOF (h -1 ) values were calculated using the following equations ( 1 ) and (2).

Figure 112004024328658-pat00005
Figure 112004024328658-pat00005

Figure 112004024328658-pat00006
Figure 112004024328658-pat00006

실시예 2 ∼ 8Examples 2 to 8

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 금속염화물과 지방족환형 아민염의 종류를 변화시키며 실험한 결과를 표 1에 나타내었다. 이때, [지방족환형 아민염]/[금속염화물]의 몰비는 4/1로 유지하였다.Table 1 shows the results of experiments varying the types of metal chlorides and alicyclic amine salts under the same conditions as in Example 1. At this time, the molar ratio of [aliphatic cyclic amine salt] / [metal chloride] was maintained at 4/1.

실시예Example 금속염Metal salt 지방족환형 아민염Alicyclic amine salt 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 22 ZnCl2 ZnCl 2 1-프로필-1-부틸피롤리디늄 브로마이드1-propyl-1-butylpyrrolidinium bromide 61.561.5 6,1506,150 33 ZnI2 ZnI 2 1-에틸-1-페닐피페리디늄 클로라이드1-ethyl-1-phenylpiperidinium chloride 55.655.6 5,5605,560 44 FeCl3 FeCl 3 1-에틸-1-헥실피페리디늄 브로마이드1-ethyl-1-hexylpiperidinium bromide 39.139.1 3,9103,910 55 MnCl3 MnCl 3 1-에틸-1-부틸피페리디늄 아이오다이드1-ethyl-1-butylpiperidinium iodide 31.031.0 3,1003,100 66 PbCl2 PbCl 2 1-프로필-1-벤질모포리늄 브로마이드1-propyl-1-benzylmorpholinium bromide 30.330.3 3,0303,030 77 PbBr2 PbBr 2 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드1,1-dimethylpyrrolidinium chloride 32.732.7 3,2703,270 88 InCl3 InCl 3 1,1-디메틸피롤리디늄 브로마이드1,1-dimethylpyrrolidinium bromide 38.238.2 3,8203,820

실시예 9 ∼ 17 Examples 9-17

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 원료 에틸렌옥사이드의 양을 33.60 g(764 mmol)으로 고정하고, 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드/ZnBr2의 몰비를 변화시키면서 실험한 결과를 다음 표 2에 나타내었다.Fixing the amount of the raw material ethylene oxide under the same conditions as in Example 1 with 33.60 g (764 mmol), and indicate the result of 1,1-dimethyl-pyrrolidin experiment while changing the mole ratio of pyridinium hydrochloride / ZnBr 2 in Table 2 It was.

실시예Example 지방족환형아민염/금속염 (몰비)Aliphatic cyclic amine salt / metal salt (molar ratio) 에틸렌옥사이드/금속염 (몰비)Ethylene Oxide / Metal Salt (Molar Ratio) 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 1010 1One 10,00010,000 11.711.7 1,1701,170 1111 22 10,00010,000 31.931.9 3,1953,195 1212 55 10,00010,000 84.584.5 8,4508,450 1313 1010 10,00010,000 96.796.7 9,6709,670 1414 44 20,00020,000 16.716.7 1,6701,670 1515 44 1,0001,000 99.799.7 997997 1616 44 100100 99.599.5 9999

실시예 17 ∼ 20 Examples 17-20

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 수행하되, 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드와 ZnBr2의 몰비가 4:1인 촉매로 사용하고, [에틸렌옥사이드]/[금속염화물]의 몰비를 10,000으로 고정하였다. 다만, 반응온도를 변화시키면서 실험한 결과를 다음 표 3에 나타내었다.Performed under the same conditions as in Example 1, but used as a catalyst in which the molar ratio of 1,1-dimethylpyrrolidinium chloride and ZnBr 2 is 4: 1, and fixed the molar ratio of [ethylene oxide] / [metal chloride] to 10,000 It was. However, the results of the experiment while changing the reaction temperature are shown in Table 3 below.

실시예Example 반응 온도(℃)Reaction temperature (℃) 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 1717 8080 29.629.6 2,9602,960 1818 100100 58.958.9 5,8905,890 1919 120120 80.380.3 8,0308,030 2020 150150 97.197.1 9,7109,710

실시예 21 ∼ 24Examples 21-24

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 수행하되, 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이 드와 ZnBr2의 몰비가 4:1인 촉매로 사용하고, [에틸렌옥사이드]/[금속염화물]의 몰비를 10,000으로 고정하였다. 다만, CO2의 압력을 변화시키면서 반응실험을 행한 결과를 다음 표 4에 나타내었다.Performed under the same conditions as in Example 1, but used as a catalyst in which the molar ratio of 1,1-dimethylpyrrolidinium chloride and ZnBr 2 is 4: 1, the molar ratio of [ethylene oxide] / [metal chloride] is 10,000 Fixed with. However, the results of the reaction experiment while changing the pressure of CO 2 are shown in Table 4 below.

실시예Example 반응압력(atm)Reaction pressure (atm) 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 2121 100100 59.059.0 5,9005,900 2222 7070 53.353.3 5,3305,330 2323 5050 52.252.2 5,2205,220 2424 1010 53.753.7 5,3705,370

실시예 25 ∼ 27Examples 25-27

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드와 ZnBr2의 몰비가 4:1인 촉매로 사용하고, [알킬렌옥사이드]/[금속염화물]의 몰비를 4,000으로 고정하였다. 다만, 알킬렌옥사이드의 종류를 변화시키면서 반응실험을 행한 결과를 다음 표 5에 나타내었다.Under the same conditions as in Example 1, the molar ratio of 1,1-dimethylpyrrolidinium chloride and ZnBr 2 was 4: 1, and the molar ratio of [alkylene oxide] / [metal chloride] was fixed at 4,000. However, the results of the reaction experiment while changing the type of alkylene oxide are shown in Table 5 below.

실시예Example 알킬렌옥사이드Alkylene oxide 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 2525 프로필렌옥사이드Propylene oxide 86.386.3 3,4523,452 2626 2,3-에폭시부탄2,3-epoxybutane 55.055.0 2,3282,328 2727 스티렌옥사이드Styrene oxide 67.267.2 2,7722,772

실시예 28 ∼ 29: 용매 변화에 따른 알킬렌카보네이트 제조 효과Examples 28-29: Effect of preparing alkylene carbonate according to the change of solvent

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드와 ZnBr2의 몰비가 4:1인 촉매로 사용하고, [알킬렌옥사이드]/[금속염화물]의 몰비를 5,000 으로 고정한 상태에서 에틸렌옥사이드와 CO2를 3시간 반응시켰다. 이때, 용매로서 원료 에틸렌옥사이드에 대해 중량비로 100 %의 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트를 각각 사용하여, 실험한 결과를 다음 표 6에 나타내었다.Under the same conditions as in Example 1, a molar ratio of 1,1-dimethylpyrrolidinium chloride and ZnBr 2 was used as a 4: 1 catalyst, and the molar ratio of [alkylene oxide] / [metal chloride] was fixed at 5,000. Ethylene oxide and CO 2 were reacted for 3 hours. In this case, 100% of ethylene carbonate or propylene carbonate was used as the solvent by weight ratio with respect to the raw material ethylene oxide, and the results of the experiment are shown in Table 6 below.

실시예Example 용매menstruum 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) 2828 에틸렌카보네이트Ethylene carbonate 91.791.7 1,5281,528 2020 프로필렌카보네이트Propylene carbonate 90.390.3 1,5051,505

비교예 1: KI/ZnBrComparative Example 1: KI / ZnBr 22 를 사용한 에틸렌옥사이드의 제조 Ethylene Oxide Production

기존에 알킬렌카보네이트 제조 시에 사용하던 촉매로서 KI/ZnBr2를 1 : 1 몰비로 사용하여 상기 실시예에 따라 제조된 촉매와의 활성도를 비교하였다.The activity of the catalyst prepared according to the above example was compared using KI / ZnBr 2 in a 1: 1 molar ratio as a catalyst used in the preparation of alkylene carbonate.

[에틸렌옥사이드]/[Zn]의 몰비를 5,000과 3,000으로 하고, 반응온도 및 압력 등 기타 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 설정하여 에틸렌옥사이드와 CO2의 반응을 진행시켰다. 반응 결과, [에틸렌옥사이드]/[Zn]의 몰비가 5,000인 경우에는 반응이 거의 진행되지 않았으며, [에틸렌옥사이드]/[Zn]의 몰비가 3,000으로 조정한 경우는 TOF(h-1)값은 796 이었다.The molar ratio of [ethylene oxide] / [Zn] was set to 5,000 and 3,000, and other conditions such as reaction temperature and pressure were set in the same manner as in Example 1 to proceed with the reaction of ethylene oxide and CO 2 . As a result, when the molar ratio of [ethylene oxide] / [Zn] was 5,000, the reaction hardly proceeded, and when the molar ratio of [ethylene oxide] / [Zn] was adjusted to 3,000, the TOF (h- 1 ) value was obtained. Was 796.

비교예 2: 금속염 혹은 지방족환형 아민염을 단독으로 사용한 에틸렌옥사이드의 제조Comparative Example 2: Preparation of Ethylene Oxide Using Metal Salt or Alicyclic Cycloamine

상기 실시예 1과 동일한 조건에서 [에틸렌옥사이드]/[촉매]의 몰비를 1,000 으로 하고, 촉매로는 금속염 혹은 지방족환형 아민염을 단독으로 사용하여 에틸렌옥사이드와 CO2의 반응을 진행시킨 결과를 다음 표 7에 나타내었다. Under the same conditions as in Example 1, the molar ratio of [ethylene oxide] / [catalyst] is 1,000, and a metal salt or an alicyclic amine salt is used alone as a catalyst. The results of the reaction of ethylene oxide and CO 2 are shown in Table 7 below.

촉매catalyst 수율(%)yield(%) TOF(h-1)TOF (h -1 ) ZnCl2 ZnCl 2 3.03.0 3030 FeBr3 FeBr 3 0.50.5 55 MnCl2 MnCl 2 1.21.2 1212 InCl2 InCl 2 0.80.8 88 1,1-디메틸피롤리디늄 클로라이드1,1-dimethylpyrrolidinium chloride 0.50.5 55 1-프로필-1-부틸피롤리디늄 브로마이드1-propyl-1-butylpyrrolidinium bromide 2.52.5 2525 1-에틸-1-부틸피페리디늄 아이오다이드1-ethyl-1-butylpiperidinium iodide 3.43.4 3434 1-프로필-1-벤질모포리늄 브로마이드1-propyl-1-benzylmorpholinium bromide 1.61.6 1616

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 금속염과 지방족환형 아민염으로 구성되어 있는 촉매계를 사용하면 알킬렌옥사이드와 이산화탄소로부터 낮은 온도와 낮은 압력 조건하에서 짧은 시간에 높은 수율로 알킬렌카보네이트를 합성할 수 있음을 알 수 있다. As described above, by using the catalyst system composed of a metal salt and an alicyclic amine salt according to the present invention, it is possible to synthesize alkylene carbonate from alkylene oxide and carbon dioxide in high yield in a short time under low temperature and low pressure conditions. It can be seen.

Claims (9)

촉매 하에서 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매로는 In the method for producing an alkylene carbonate by reacting alkylene oxide and carbon dioxide under a catalyst, the catalyst as 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb) 및 인듐(In) 중에서 선택된 금속의 염과, 다음 화학식 1a로 표시되는 피롤리디늄 할라이드, 다음 화학식 1b로 표시되는 피페리디늄 할라이드, 및 다음 화학식 1c로 표시되는 모포리늄 할라이드 중에서 선택된 지방족환형 아민의 염으로 구성되는 촉매계를 사용하는 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법 :A salt of a metal selected from zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), lead (Pb), and indium (In), pyrrolidinium halides represented by the following formula (1a), and piperididies represented by the following formula (1b) Method for producing an alkylene carbonate, characterized by using a catalyst system consisting of a salt of an aliphatic amine selected from nium halides and morpholinium halides represented by the following formula (1c):
Figure 112006032524185-pat00011
Figure 112006032524185-pat00011
Figure 112006032524185-pat00012
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Figure 112006032524185-pat00013
Figure 112006032524185-pat00013
상기 화학식 1a, 1b 및 1c에서, R1 및 R2는 서로 같거나 다른 것으로 C1∼18인 사슬형 또는 가지형 알킬기, C6∼12인 아릴기 및 C7∼12인 아르알킬기 중에서 선택되고; X-는 할로겐 음이온을 나타낸다.In Formula 1a, 1b and 1c, R 1 And R 2 is the same or different and is selected from a C 1-18 chain or branched alkyl group, C 6-12 aryl group and C 7-12 aralkyl group; X represents a halogen anion.
제 1 항에 있어서, 상기 [지방족환형 아민염]/[금속염]의 몰비가 1 ∼ 10 인 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method for producing alkylene carbonate according to claim 1, wherein the molar ratio of [aliphatic cyclic amine salt] / [metal salt] is 1 to 10. 제 1 항에 있어서, 상기 [알킬렌옥사이드]/[금속염]의 몰비가 100 ∼ 20,000 인 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method for producing alkylene carbonate according to claim 1, wherein the molar ratio of [alkylene oxide] / [metal salt] is 100 to 20,000. 제 1 항에 있어서, 상기 반응은 60 ∼ 150 ℃의 온도 및 10 ∼ 100 atm의 압력 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction is carried out at a temperature of 60 to 150 ℃ and pressure conditions of 10 to 100 atm. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 반응은 용매 존재 하에서 또는 무용매조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method of claim 1 or 4, wherein the reaction is performed in the presence of a solvent or in a solvent-free condition. 제 5 항에 있어서, 상기 용매가 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트인 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method of claim 5, wherein the solvent is ethylene carbonate or propylene carbonate. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 금속염은 금속 할라이드인 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법.The method for producing alkylene carbonate according to claim 1, 2 or 3, wherein the metal salt is a metal halide. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 알킬렌카보네이트가 다음 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 알킬렌카보네이트의 제조방법 :The method of claim 1, wherein the alkylene carbonate is represented by the following formula (2):
Figure 112004024328658-pat00010
Figure 112004024328658-pat00010
상기 화학식 2에서, Ra과 Rb는 서로 같거나 다른 것으로 수소원자, C1∼4 인 알킬기 및 페닐기 중에서 선택된 것이다.In Formula 2, R a and R b are the same as or different from each other and are selected from a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and a phenyl group.
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