KR100649959B1

KR100649959B1 - 나프토피란계 광변색 염료의 제조방법

Info

Publication number: KR100649959B1
Application number: KR1020050080214A
Authority: KR
Inventors: 김문환; 안연범
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2006-11-27

Abstract

본 발명은 나프토피란계 화합물의 신규 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 중간 생성물인 치환된 카복시아미노나프톨을 기존의 방법보다 간단하고 온화한 반응 조건으로, 고순도, 고수율로 제조할 수 있으며, 이 치환된 카복시아미노나프톨을 프로파길 알코올과 반응시켜 나프토피란계 화합물을 높은 수율로 보다 효율적으로 제조하여 광변색성 염료로서 유용하게 사용할 수 있다.

Description

나프토피란계 광변색 염료의 제조방법 {PROCESS FOR PREPARING PHOTOCHROMIC NAPHTOPYRAN DYES}

본 발명은 나프토피란계 광변색성 염료의 신규한 제조방법에 관한 것이다.

광변색성 나프토피란계 화합물은 자외선과 같은 특정한 파장의 빛 에너지에 반응하여, 특정파장의 빛을 흡수하면, 가역적인 색변화를 나타내며, 자외선이 조사되지 않으면 원래의 색으로 복원되거나 무색상태로 변하는 물질로서, 안과용 렌즈, 콘텍트 렌즈, 햇빛 차단안경, 필터 사진기, 사진용구의 광학장치, 광학 및 관측 장치 등에 사용된다.

일반적으로 하기 화학식 1로 나타내어지는 나프토피란계 화합물은 하기 화학식 2의 치환된 나프톨 유도체와 하기 화학식 3의 프로파길 알코올 피란환 고리화 반응시켜 얻을 수 있다(문헌[L. Merlini "Advances in Heterocyclic Chemistry", vol 18, page 159/9 (1975)]; [R. Guglielmetti "Photochromism : Molecules and Systems" Studies in Organic Chemistry 40, chp. 8, Eds. H, Durr et al.(1990)]; 미국 특허 제 5,066,818호; 및 제 4,990,287호; 국제특허 공개 WO 92/09593 및 WO 95/05382; 문헌[S, Gronowitz et al, Acta, Pharm, Suec 15, 337(1978)]; [R, F Frank et al, J, Chem, Soc, Chem, Commun, 761(1984)] 및 [Organic Reactions 6. 1(1951)]참조).

상기 식에서,

R은 알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노, 시클로알콕시, 시클릭 아미노 등이고,

R¹은 아미노, 디알킬아미노, 시클릭 아미노, 모르폴리노 등이며,

R²와 R³는 수소, 저급알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노, 시클릭 알킬아미노, 모르 폴리노 등을 나타낸다.

일반적으로, 상기 나프토피란계 화합물의 제조 방법에 있어서, 화학식 2의 치환된 나프톨 유도체는 하기 반응식 1과 같이 제조되고 있다(문헌[Organic Reactions, vol Ⅵ, chapter 1, page 1-73, John Wiley & Sons. Inc NewYork] 및 국제특허 공개 WO 98/14443 참조).

상기 반응식 1에서와 같이, R 그룹이 아민으로 치환된 카복시아미노나프톨(2)을 제조하기 위해서는 치환된 카복시나프톨로부터 4단계에 걸쳐 반응시켜야 한다. 즉, 아미노 카복시 나프톨의 알코올을 아세틸기로 변환시킨 후, 이를 아실할라이드와 반응시키고, 이를 아민과 반응시켜 아마이드 화합물로 만들고, 이어서 이 화합물의 에스터를 산 존재하에서 가수분해 반응시키는 단계로 복잡한 공정에 의해 수행되어진다. 이 반응에서는 싸이오닐클로라이드(SOCl₂)를 사용함에 있어서 지독한 냄새와 부산물 처리하는데 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

한편, 또 다른 방법으로, PPG 인더스트리스(industries)사에서 개발된 방법(미국 특허 제 6,106,744 호(2000)참조)에 의하면 치환된 나프톨 유도체를 파라 위치가 치환된 톨루엔과 말레익 언하이드라이드와 디-t-부틸-퍼옥사이드를 개시제로 사용하여 반응시킨 후, 이를 염기 존재하에 반응시키고 산성화시키면 디엑시드 형태의 물질이 얻어지고, 여기에 강황산을 사용하여 고리화 반응시켜 테트랄론 유도체를 제조한 다음, 산소와 염기 존재하에 산화 반응시켜 만드는 방법이 보고되어 있다.

이에, 본 발명자들은 나프토피란계 화합물을 간단한 방법으로 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 개발하기 위해 계속 연구를 진행한 결과, 중간 생성물인 치환된 카복시아미노나프톨을 치환된 카복시 나프톨로부터 기존의 방법보다 온화한 반응 조건으로 간단하게 제조함으로써 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 나프토피란계 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 중간 생성물인 치환된 카복시아미노나프톨을 기존의 방법보다 간단하면서도 고순도, 고수율로 제조할 수 있는 신규한 방법을 제공하고, 이렇게 제조된 중간 생성물을 프로파길 알코올과 피란환 고리 반응시킴으로써 그린 칼라의 나프토피란계 광변색성 염료를 높은 수율로 보다 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

1) 아미노 나프톨산을 알킬- 또는 벤질-클로로포르메이트와 반응시켜 하기 화학식 4의 화합물을 제조하는 단계,

2) 화학식 4의 화합물을 R¹기 함유 아민과 치환 반응시켜 하기 화학식 2의 화합물을 제조하는 단계 및

3) 화학식 2의 화합물을 하기 화학식 3의 치환된 프로파길 알코올과 반응시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 1의 나프토피란계 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.

화학식 1

화학식 2

화학식 3

상기 식에서,

R은 알콕시, 시클로알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노 또는 시클릭 아미노 등이며,

R'는 메틸, 에틸, 이소부틸 또는 벤질 등이고,

R¹은 모르폴리노, 디알킬아미노, 시클릭 아미노 등이며,

R²와 R³는 수소, 저급알콕시, 시클로알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노, 시클릭 아미노, 또는 모르폴리노 등을 나타낸다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 화학식 1 화합물 제조에 중간체로 사용되는 화학식 2의 치환된 카복시아미노나프톨을 간단한 방법으로 제조하는데 그 특징이 있으며, 화학식 2의 제조 공정은 반응식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기 식에서,

R, R' 및 R¹은 앞에서 정의한 바와 같다.

즉, 1) 아미노 나프톨산을 염기의 존재하에 알킬- 또는 벤질-클로로포르메이트와 반응시켜 활성화 에스터 형태로 제조한 후, 이를 2) 아민으로 치환 반응시켜 아미노 형태의 치환된 카복시아미노나프톨을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 단계 1)에 있어서, 염기로는 탄산칼륨, 탄산칼슘나트륨, 수소화나트륨, 소듐메톡사이드, 소듐에톡사이드, 부톡시칼륨, 메톡시화칼륨으로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상의 무기염기 또는 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민 및 DBU(1,8-디아자바이시클로[5.4.0]-7-운데센)로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상의 유기 염기, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 염기의 사용량은 2.0∼2.4 당량이 바람직하며, 알킬- 또는 벤질-클로로포르메이트의 사용량은 2∼2.4 당량이 바람직하다.

또한, 상기 단계 2)에 있어서, 사용 가능한 아민으로는 모르폴린, 디알킬아민, 시클릭 아민 등을 사용할 수 있으며, 사용량은 2.0∼2.4 당량을 사용하는 것이 효과적이다.

본 발명의 단계 1) 또는 2)의 반응은 용매 존재하에 수행될 수 있으며, 사용가능한 반응 용매로는 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 아세트나이트릴, 알코올, 디메틸포름아미드, 디메틸에테르, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 용매가 있으며, 바람직하게는 테트라하이드로퓨란, 아세톤, 아세트나이트릴, 디베틸포름아미드, 디메틸에테르, 에틸아세테이트 또는 클로로포름 등이 좋다.

상기 단계 1) 또는 2)의 반응 온도는 0℃ 내지 50℃이며, 바람직하게는 0℃ 내지 실온이 좋다.

한편, 화학식 3의 프로파길 알코올은 일반적으로 알려진 방법(예를 들면, 미국 특허 제 5,274,132호 참조)으로 하기 반응식 3과 같이 하여 제조할 수 있다.

상기 식에서, R²와 R³는 앞에서 정의한 바와 같다.

본 발명의 치환된 나프토피란계 화합물(1)은 상기 반응식 2 및 3에서 얻어진 치환된 카복시아미노나프톨(2)와 치환된 프로파길알코올(3)을 하기 반응식 4와 같이 피란환 고리 반응시켜 제조할 수 있다.

상기 식에 있어서,

R, R¹, R²및 R³는 앞에서 정의한 바와 같다.

상기 반응은 산 촉매 존재하에 수행될 수 있으며, 상기 산촉매는 산성의 알루미나 (Brockmann I), 아세트산, 트리플루오르아세트산, 실리카, 파라톨루엔설폰산, 클레이, 톤실(산성백토) 또는 산 레진 등을 촉매량으로 사용할 수 있으며, 이때 반응 용매로서 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸렌 클로라이드, 클로로포름 또는 사염화탄소 등을 사용할 수 있다.

본 발명은 나프토피란계 화합물을 제조하는 신규한 방법으로서, 치환된 카복시아미노나프톨을 치환된 프로파길 알코올과 피란환 고리 반응시켜 치환된 나프토피란계 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 중간 생성물인 치환된 카복시아미노나프톨을 기존의 방법보다 간단하고 온화한 반응 조건으로, 고순도, 고수율로 제조할 수 있어, 광변색성 염료에 유용한 나프토피란계 화합물을 높은 수율로 보다 효율적으로 제조할 수 있다.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

제조예 1 : 3-카복시-7-디메틸아미노-1-나프톨

N,N-디메틸아미노 벤즈알데히드 110g(0.74 mole)과 디에틸 석시네이트 155g(0.89 mole)을 무수에탄올 500mL에 녹였다. 생성 용액에, 무수에탄올 500mL에 소듐 20g(0.89 mole)을 녹인 용액을 N₂ 기체 통과하에 40∼50℃에서 천천히 적가한 다음, 80∼90℃ 온도에서 4시간 동안 환류시켰다. 반응 완료 후, 에탄올을 감압 증류 제거하고 에틸아세테이트로 추출한 후, 2M HCl로 중화(pH=5.5)시킨 다음, 에틸 아세테이트로 재추출하였다. 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조시킨 후, 여과하여 감압 농축하여 원하는 물질 165g(수율 80.6%)을 얻었으며, 이 중, 100g을 아세틱언하이드라이드 700mL에 넣고 무수 소듐 아세테이트 30.2g을 넣고 3시간 동안 환류시켰다. 반응완결 후 실온으로 온도를 낮춘 다음, 물 3L를 넣어 1.5시간 동안 천천히 교반시켰다. 엷은 브라운 색깔의 고체를 여과한 후 건조하여 조(crude)물질을 125g 얻었다. 여기에 소듐하이드록사이드 68g을 물 1L와 에탄올 200mL에 넣은 용액을 가한 후, 80∼90℃에서 2시간 반응시켰다. 반응 완료 후, 에탄올을 감압증류로 제거하고 2M HCl로 중성화(pH=5.5)시킨 후, 물과 에틸아세테이트로 추출하였다. 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조한 후, 감압 농축하여 상기 목적 물질 70g(85%수율)을 얻었다(문헌[Organic Reaction vol Ⅵ. 1-73 page, John wiley & Sons. Inc. New York.] 및 USP 5,458,814참조).

제조예 2 : 4, 4-디메톡시페닐-프로파길 알코올(화학식 3의 화합물)의 제조

18w% 소듐 아세틸라이드/자일렌 121.1.mL를 아세틸렌 가스를 포화시킨 무수 테트라하이드로퓨란 1L에 넣어준 다음, 생성 혼합물에 4,4-디메톡시 벤조페논 100g을 가한 후 상온에서 16시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후, 물과 에틸아세테이트로 추출한 후 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조시킨 후 감압 농축하였다. 잔사를 에틸아세테이트 소량과 헥산으로 재결정하여 흰색 고체의 목적 물질 99g(수율: 90.9%)을 얻었다(미국 특허 제 5,274,132 호 참조).

제조예 3: 페닐-(4-피페리디닐)페닐-프로파길알코올(화학식 3의 화합물)의 제조

페닐(4-(피페리딘-1-일)페닐)메타논 3.1g을 반응 용기에 넣고 마개를 막아 내부를 진공상태로 만든 다음, 아세틸렌 가스로 포화된 무수 테트라하이드로퓨란 용액 30mL을 실린지로 반응 용기에 넣었다. 반응 용기에, 자일렌에 녹인 18% 소듐아세틸라이드 3.4mL를 실린지로 넣고 24시간 교반한 다음, 물을 붓고 에틸아세테이트로 추출하였다. 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조하여 농축한 다음, 농축한 고체를 헥산으로 재결정하여 2.8g(81.36%)의 목적 화합물을 얻었다.

실시예 1: 3-모르폴리닐카보닐-7-디메틸아미노-1-나프톨(화학식 2의 화합물)의 제조

제조예 1의 3-카복시-7-디메틸아미노-1-나프톨 10g(38.6 mmol)을 디클로로메탄 100mL에 넣고 0℃에서 교반하면서 트리에틸아민 12.8mL을 넣은 다음, 에틸클로 로포르메이트 8.08mL을 가하였다. 1시간 정도 교반한 후, 반응이 완결되면 50mL의 물을 가하여 유기층을 분리하고, 분리된 유기층을 무수황산 마그네슘으로 건조시킨 후, 조생성물에 모르폴린 7.4mL을 가한 다음, 상온에서 2시간 반응시킨 후, 환류 반응을 2시간 시켰다. 반응이 완결된 후 물과 소듐바이카보네이트 용액으로 유기층을 씻어주고, 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조시킨 후 감압 증류하여 목적 화합물 11.8g(수율 75%)을 얻었다.

¹H NMR(CDCl₃, ppm): δ 8.9(s, 1H), 7.60(d, 1H), 7.20(s, 1H), 7.12(s,1H), 7.06(d, 1H), 7.01(s, 1H), 3.65(s, 8H), 3.01(s, 6H)

실시예 2: 3-피페리디노카보닐-7-디메틸아미노-1-나프톨(화학식 2의 화합물)의 제조

제조예 1의 3-카복시-7-디메틸아미노-1-나프톨 10g(38.6mmol)을 디클로로메탄 100mL에 넣고 0℃에서 교반하면서 트리에틸아민 13.3mL를 넣은 후, 에틸클로로포메이트 9.07mL를 천천히 적가하였다. 반응이 끝나면 얼음물을 넣고 디클로로메탄으로 추출한 후, 유기층을 무수 황산마그네슘으로 건조하여 진갈색의 고체 화합물을 얻었다.

상기에서 얻은 조화합물에 디클로로메탄 50mL를 넣고 교반한 다음, 피페리딘 8.01mL를 적가한 후 환류시켰다. 반응완료 후, 물을 넣고 디클로로메탄으로 추출한 다음, 실리카겔 컬럼 크로마토그래피(헥산/에틸아세테이트= 1/1)로 분리 정제하여 11.6g(수율 74%)의 3-피페리디노 카보닐-7-디메틸 아미노-1-나프톨을 얻었다.

TLC : 헥산:EA=1:1(Rf=0.3)

¹H NMR(CDCl₃, ppm): δ 7.63(d, 1H), 7.21(s, 1H), 7.18(d, 1H), 7.15(d, 1H), 7.08(s, 1H), 3.72(br, 4H), 3.04(s, 6H) 1.67(br, 6H)

실시예 3: 2,2-비스(4-메톡시페닐)-5-모르폴리닐카보닐-9-디메틸아미노-2H-나프토[1,2-b]피란(화학식 1의 화합물)의 제조

100mL 플라스크에 실시예 1의 3-모르폴리노카보닐-7-디메틸아미노-1-나프톨 1g(3.33 mole)과 제조예 2의 4,4-디메톡시페닐-프로파길 알코올 0.9g(3.33 mole) 및 알루미늄 옥사이드 4g을 넣고 톨루엔 50mL를 넣어 딘스탁 장치를 연결한 후 환류시켰다. 2시간 뒤에 파라톨루엔설폰산 0.06g(0.1eq)을 넣고 다시 3시간 더 환류시킨다. 반응물이 뜨거울 때 여과하고 톨루엔으로 씻어준 다음, 농축하여 실리카겔 컬럼 크로마토그래피(헥산/ 에틸아세테이트/ 톨루엔= 1/1/2)로 분리 정제하여 목적화합물 0.48g(수율 30%)을 얻었다.

TLC : 헥산: EA=1:1(Rf=0.5)

¹H NMR(CDCl₃, ppm): δ 7.58(d, 1H), 7.44(d, 2H), 7.18(m, 4H), 7.00(d, 2H), 6.81(d, 2H), 6.58(d, 2H), 5.96(d, 1H) 3.78(s, 6H), 3.68(br, 3H), 2.83(s, 6H)

실시예 4: 2,2-비스(4-메톡시페닐)-5-피페리디닐카보닐-9-디메틸아미노-2H-나프토[1,2-b]피란(화학식 1의 화합물)의 제조

실시예 2의 3-피페리디노카보닐-7-디메틸아미노-1-나프톨 1g(3.35 mol)과 제조예 2의 4,4-디메톡시페닐-프로파길 알코올 0.9g(3.35 mol), 및 알루미늄옥사이드 3.4g을 넣고 실시예 3과 같은 실험방법으로 원하는 목적화합물 0.43g(수율 22%)을 얻었다.

TLC : 헥산: EA=1:1(Rf=0.5)

¹H NMR(CDCl₃, ppm): δ 7.59(d, 1H), 7.45(d, 2H), 7.17(m, 4H), 7.00(d, 2H), 6.80(d, 3H), 6.59(s, 1H), 6.53(d, 1H) 5.97(d, 1H), 3.84(s, 6H), 3.50(br, 4H), 2.81(s, 6H), 1.64(br, 6H)

실시예 5: 2-페닐-2-(4-피페리디닐)페닐-5-모르폴리노카보닐-9-디메틸아미노-2H-나프토[1,2-b]피란(화학식 1의 화합물)의 제조

실시예 1의 3-모르폴리노카보닐-7-디메틸아미노-1-나프톨 1g(3.35 mol)과 제조예 2의 4,4-디메톡시페닐-프로파길 알코올 0.9g(3.35 mol) 및 알루미늄옥사이드 3.4g을 넣고 실시예 3과 같은 방법으로 제조하여 목적화합물 0.42g(수율 20.8%)을 얻었다.

TLC : 헥산: EA=1:1(Rf=0.5)

본 발명의 나프토피란계 화합물의 제조 방법에 따르면, 중간 생성물인 치환된 카복시아미노나프톨을 기존의 방법보다 간단하고 온화한 반응 조건으로, 고순도, 고수율로 제조할 수 있으며, 이를 프로파길 알코올과 반응시켜 나프토피란계 화합물을 간단한 공정으로 높은 수율로 제조할 수 있다.

Claims

3) 화학식 2의 화합물을 하기 화학식 3의 치환된 프로파길 알코올과 반응시키는 단계

를 포함하는 나프토피란계 화합물의 제조 방법:

화학식 1

화학식 2

화학식 3

화학식 4

상기 식에서,

R은 알콕시, 시클로알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노 또는 시클릭 아미노이며,

R'는 메틸, 에틸, 이소부틸 또는 벤질이고,

R¹은 모르폴리노, 디알킬아미노 또는 시클릭 아미노이며,

R²와 R³는 수소, 저급알콕시, 시클로알콕시, 알킬아미노, 디알킬아미노, 시클릭아미노, 또는 모르폴리노를 나타낸다.

제1항에 있어서, 단계 1)에서 알킬- 또는 벤질-클로로포르메이트를 2.0∼2.4 당량 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 1)에서 탄산칼륨, 탄산칼슘나트륨, 수소화나트륨, 소듐메톡사이드, 소듐에톡사이드, 부톡시칼륨, 메톡시화칼륨으로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상의 무기염기 또는 트리에틸아민, 디이소프로필에틸아민 및 DBU(1,8-디아자바이시클로[5.4.0]-7-운데센)로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상의 유기 염기, 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 2)에서 아민이 모르폴린, 디알킬아민, 시클릭 아민인 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 1) 또는 2)의 반응을 0℃ 내지 50℃에서 수행함을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 1) 또는 2)에서 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 아세트나이트릴, 알코올, 디메틸포름아미드, 디메틸에테르, 에틸아세테이트, 클로로포름 및 물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 3)에서 산성의 알루미나, 아세트산, 트리플루오르아세트산, 실리카, 파라톨루엔설폰산, 클레이, 산성백토 및 산 레진 중에서 선택된 산촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항에 있어서, 단계 3)에서 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메틸렌 클로라이드, 클로로포름 또는 사염화탄소를 용매로서 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.