KR100710546B1

KR100710546B1 - 고수율로 ＤＬ-α-토코페롤을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR100710546B1
Application number: KR1019990028298A
Authority: KR
Inventors: 김정수; 정희영; 이시준
Original assignee: 에스케이 주식회사
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2007-04-24
Also published as: KR20010009754A

Abstract

본 발명은 Zn-Al 불균일계 촉매를 사용하여 반응물인 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체와 TMHQ의 축합반응을 통해 DL-α-토코페롤을 고수율로 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 Zn-Al 불균일계 촉매를 사용하여 반응물인 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체를 트리메틸하이드로퀴논의 축합반응을 통해 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법에 있어서, Zn(Ⅱ) 이온이 코팅된 실리카-알루미나 합성촉매계를 반응촉매로 사용하고, n-헵탄을 반응용매로 사용하여 80∼120℃에서 2∼7시간 반응시키는 DL-α-토코페롤의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 DL-α-토코페롤을 고수율 및 고순도로 제조할 수 있다.

토코페롤, 촉합반응, 실리카-알루미나, 코팅, n-헵탄

Description

고수율로 ＤＬ-α-토코페롤을 제조하는 방법{Method for preparing DL-alpha-Tocopherol with high yield}

본 발명은 Zn-Al 불균일계 촉매를 사용하여 반응물인 아이소-파이톨(iso-phytol) 또는 파이톨 유도체와 TMHQ(trimethylhydroquinone)의 축합반응(condensation)을 통해 DL-α-토코페롤을 고수율로 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 Zn(Ⅱ) 이온이 실리카-알루미나에 코팅 (coating)된 실리카-알루미나계를 사용하여 적절한 무극성 용매 존재하에서 하기 반응식 1과 같이 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체와 TMHQ의 축합 반응을 통해 상업적으로 유용한 DL-α-토코페롤을 고수율 및 고순도로 제조하는 방법에 관한 것이다.

Zn(Ⅱ)이온을 금속촉매(루이스산 촉매)로 사용하여 DL-α-토코페롤을 효율적으로 합성하기 위한 시도들이 지난 몇 십년간 많이 이루어져 왔다. 이와 관련된 선행 특허로써 미국특허 제4,217,285호가 있다. 상기 특허에서는 ZnCl₂와 실리카-알루미나(또는 실리카-겔)을 산, 특히 염산 존재하에서 용매로써 톨루엔 또는 n-헥산을 사용하여 DL-α-토코페롤을 합성하였다. 그 결과로, DL-α-토코페롤을 수율 99%이상, 순도 95∼96%의 수준으로 제조하였다. 또한, 바스프(BASF)사의 미국특허 제4,634,781호 및 제4,639,533호에서는 아이소-파이톨를 트리데실아민과 같은 아민류와 먼저 반응시킨뒤, 이 반응물을 ZnCl₂와 염화수소 존재하에서 TMHQ와 반응시켜 DL-α-토코페롤을 제조하는 다소 복잡하고 비효율적인 개시하고 있는데, 이때 생성되는 DL-α-토코페롤의 수율은 약 95∼98%이고, 순도는 94∼95%였다.

그러나, 상기 특허들에서 DL-α-토코페롤의 순도는 전체적으로 95% 수준으로 비교적 낮아 고순도의 DL-α-토코페롤을 필요로 하는 경우에는 그 요구수준을 만족시킬 수 없고, 바스프 특허의 경우 DL-α-토코페롤의 수율면에서도 그리 만족스럽 지 못한 결과를 나타냈다. 용매로서 톨루엔이나 핵산을 사용하는 경우 아이소-파이톨이 촉매에 의해 분해되어 전체 수율이 감소하게 되는데, 이는 톨루엔을 사용할 경우에는 아이소-파이톨이 톨루엔과 일부 반응하고, 핵산을 사용하는 경우에는 아이소-파이톨이 반응에 참여하지 않지만 핵산의 끊는점(약 69℃)이 낮아서 반응시간이 길어지기 때문에 촉매에 의한 분해가 많아지기 때문이다. 아울러, 상기 용매들을 사용시에는 토코페롤 주변에 유사구조를 갖는 부반응물이 많아지게 되어 토코페롤의 순도를 저하시킨다. 이는 산이나 염기를 조촉매로 사용할때 좀더 심해지는데 촉매로서 ZnCl₂만 사용하고 Al계 촉매인 AlCl₃나 SiO₂-Al₂O ₃를 함께 사용하지 않는 경우에도 역시 톨루엔 주변에 유사구조를 갖는 부반응물들이 많아지게 된다. 또한, 상기 방법들은 염산과 같은 산이나 염기를 촉매와 함께 사용하기 때문에, 정제과정에서 폐수문제를 야기시키는 단점을 갖고 있다.

이에 본 발명에서는 촉매의 공정 편의성을 증가시키기 위해서 ZnCl₂을 실리카-알루미나에 소성처리하여 코팅(Coating)시킨 새로운 합성촉매가 우수한 촉매효과를 나타내어 DL-α-토코페롤을 고수율 및 고순도로 간편하게 제조할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 좀 더 간편하면서도 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 향후 DL-α-토코페롤의 상업생산을 위한 연속공정에 의 적용에 커다란 편의성을 제공할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 Zn(Ⅱ) 이온과 Al(Ⅲ)이온의 혼합 촉매계를 보다 효율적으로 개발, 발전시켜 부산물의 발생이 거의 없고, 반응에 소모되는 고가의 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체의 사용량을 최소화시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 Zn(Ⅱ) 이온이 코팅된 실리카-알루미나 합성촉매계를 반응촉매로 사용하고, n-헵탄을 반응용매로 사용하여 80∼120℃에서 2∼7시간 동안 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체를 트리메틸하이드로퀴논과 축합반응시키는 것으로 이루어진다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, DL-α-토코페롤은 Zn(Ⅱ) 이온이 코팅된 실리카-알루미나 불균일계 촉매를 사용하여 적절한 무극성 용매 존재하에서 파이톨과 TMHQ의 축합 반응을 통해 제조된다.

본 발명자들은 ZnCl₂와 실리카-알루미나를 사용하기 이전에, ZnCl₂와 AlCl₃의 혼합 촉매계를 사용하여 여러 가지 실험을 해 본 결과, Zn(Ⅱ)이온이 DL-α-토코페롤의 합성반응에서 주요한 촉매 역할을 하고, Al(Ⅲ) 이온은 보조촉매 역할을 하면서 부반응을 줄이고, 반응산물(product)의 순도를 증가시키는 역할을 한다는 것을 파악하였다. 전체적으로는 Zn-Al 혼합촉매계가 DL-α-토코페롤의 합성에서 훌륭한 역할을 수행할 수 있음을 인식하였다.

이에 본 발명자들은 Zn(Ⅱ) 이온계를 보다 효율적으로 개발, 발전시켜 부산물의 발생이 거의 없고, 반응에 소모되는 아이소 파이톨 또는 파이톨 유도체의 양을 최소화시킬 수 있는 방법을 개발할 수 있었다. Zn-Al계가 DL-α-토코페롤 합성의 이상적인 환경을 제공할 수 있음을 인식하고, 이를 효과적으로 활용할 수 있는 촉매계를 집중적으로 연구, 개발한 결과, Zn(Ⅱ) 이온을 실리카-알루미나에 코팅(coating)한, 즉 Zn(Ⅱ) 이온이 코팅된 실리카-알루미나계가 DL-α-토코페롤의 합성에 효율적인 환경을 제공함을 확인하였다. 본 발명에 사용된 아이소 파이톨 또는 파이톨 유도체는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시된다.

여기서, X는 수산화기(hydroxy group), 할로겐 원자 또는 아세톡시기이다.

여기서, Y는 수산화기, 할로겐 원자 또는 아세톡시기이다.

한편, 기존의 혼합 촉매계의 경우, 각 촉매들을 독립적으로 써야 하는 불편이 있고, 촉매의 취급이 또한 용이하지 않기 때문에, 본 발명에서는 상업생산에 주로 사용되고 있는 연속반응에 촉매를 적용하기 위해서, Zn(Ⅱ)이온을 실리카-알루 미나에 코팅시킨 새로운 형태의 촉매계를 개발하였다. 상기 촉매는 Zn(Ⅱ)이온이 실리카-알루미나 지지체에 지지된(supported) 형태로써, 한 촉매내에 Zn와 Al자리 (site)를 동시에 갖춘 합성 촉매계이다. 이 촉매는 ZnCl₂와 실리카-알루미나를 약 400℃에서 약 2시간동안 소성처리하여 합성시키는데, 이중 ZnCl₂를 실리카-알루미나 대한 무게비로 50%를 사용하여 합성한 촉매의 성분 분석결과를 보면 하기 표 1과 같다.

성분	Si	Al	Zn	Cl
무게비(%)	21.6	12.6	17.9	12.7

상기 표 1에서 보면, ZnCl₂가 성공적으로 실리카-알루미나에 담지, 코팅되었음을 알 수 있다. 상기 촉매를 사용하여 DL-α-토코페롤 합성반응을 실험해 본 결과, ZnCl₂와 실리카-알루미나를 따로 혼합하여 사용한 혼합촉매의 경우와 비교해 동등한 수준 이상의 만족할 만한 성과를 얻었다. 그리하여, 새롭게 만든 Zn(Ⅱ) 이온이 코팅된 실리카-알루미나 합성촉매의 경우도 DL-α-토코페롤 합성에 이상적인 촉매 환경을 제공할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 합성촉매의 경우는, 그 촉매량적인 측면에서 TMHQ 100중량부에 대하여 20∼450중량부 범위에서 사용될 때 바람직한 결과를 보였고, 특히 100∼200중량부 범위내에서 우수한 결과를 나타냈다. 합성촉매를 제조할 때 사용되는 ZnCl₂와 실리카-알루미나의 양은 실리카-알루미나 100중량부에 대하여 ZnCl₂의 양이 5∼250중량부 범위일때 바람직한 결과를 보였고, 이중 특히 20∼80중량부 범위일때 가장 바람직한 결과를 나타냈다. 이는 촉매량적인 측면에서 TMHQ에 대해 합성촉매의 양이 일정범위로 사용될 때, 토코페롤 합성반응에서 우수한 결과를 나타내기 때문이다. 즉, ZnCl₂와 SiO₂-Al₂O₃의 상호량에 있어서 ZnCl ₂와 SiO₂-Al₂O₃ 사이에 적절한 비율이 유지될 때 토코페롤 합성반응에서 우수한 결과를 나타내기 때문이다.

또한, 용매적인 측면에서 보면, 톨루엔, 벤젠, 자일렌 등의 무극성 방향족 용매계통과 n-헵탄, n-헥산, n-옥탄 등의 무극성 지방족 포화탄화수소용매 계통에서 우수한 결과를 나타내었다. 이들 가운데에서도 특히 톨루엔, n-헵탄 등에서 우수한 결과를 보였고, 이중, n-헵탄에서 가장 바람직한 결과를 나타내었다.

반응온도는 80∼120℃ 정도범위가 가장 좋은 조건이었고, 반응시간은 약 2∼7시간 정도에서 분포를 보였다. 지금까지 얻어진 결과들을 정리하면, 하기 표 2와 같다.

반응 조건 DL-α-토코페롤

사용촉매	반응용매	반응온도(℃)	반응시간(시간)	수율(%)	순도(%)
ZnCl₂/실리카-알루미나	톨루엔	110	3	93.6	99.4
ZnCl₂-코팅된 실리카-알루미나	n-헵탄	99	4	99.4	99.1
ZnCl₂-코팅된 실리카-알루미나	톨루엔	110	3	93.3	99.1

반응의 모든 분석은 기체상 크로마토그래피(HP-5890 series)를 사용하여 행하였고, 사용 컬럼으로는 HP-1 컬럼(column)을 사용하였다.

상기 표 2는 TMHQ와 아이소-파이톨을 각각 1당량씩 사용하여 두개의 용매에서 각기 반응시킨 후, 얻은 결과를 촉매계에 따라 정리한 것이다. 상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, ZnCl₂와 코팅된 Si-Al 합성촉매는 각 용매별로 볼 때, ZnCl₂와 Si-Al 혼합촉매와 동등한 수준의 반응결과를 나타낸다. 톨루엔의 경우에 93∼94%의 수율이 말해주듯이 TMHQ가 6%정도 미반응 상태로 남아 있었고, 반응에 참여하지 못한 아이소-파이톨이 6%정도는 촉매에 의해 분해된 것으로 확인되었다. 헵탄을 사용할 경우에는 수율이 99%로 반응이 종료된 후에도 TMHQ가 1% 미만이 남아 있었고, 따라서 아이소-파이톨도 99% 이상이 반응에 참여하고, 1% 미만이 분해된 것으로 확인되었다. 이는 아이소-파이톨이 헵탄에서 더 안정한 것을 의미하는데 결과적으로 토코페롤 합성에 있어서 용매로서 헵탄을 사용할 경우에 일정량의 TMHQ를 반응시키기 위한 아이소-파이톨의 사용량을 최소화하여 토코페롤의 제조원가를 낮출 수 있는 것으로 확인되었다.

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

비교예 1

100ml 둥근바닥 플라스크에 딘-스탁 장치(Dean-Stark)와 응축기를 부착하고, 여기에 질소를 통과시켜 플라스크 내부를 세척한 뒤, TMHQ 3g과 ZnCl₂1g을 플라스크에 가하고 톨루엔을 50ml 가해서 교반시킨다. 여기에 실리카-알루미나 2g을 첨가하고 나서 질소를 통과시키면서 적하 깔때기(dropping funnel)를 설치한다. 아 이소-파이톨 6g을 톨루엔 10ml에 묽힌 용액을 적하 깔때기에 넣고나서, 질소분위기하에서 플라스크를 가열하여 환류시킨다. 환류하에서 아이소-파이톨의 톨루엔 용액을 반응 플라스크안에 약 2시간에 걸쳐 서서히 첨가한다. 첨가가 끝난 후, 1시간 더 환류시킨 후 기체상 크로마토그래피를 통해 반응을 확인하였다. 확인결과, TMHQ 전환율이 93%이상, 생성된 DL-α-토코페롤의 순도는 99%이상으로 나타났다.

제조예

Zn(Ⅱ)이온-코팅(coating) 실리카-알루미나 합성촉매 제조법

ZnCl₂15g을 H₂0 15g과 35% HCl 수용액 3g의 혼합용액에 녹인 후, 여기에 실리카-알루미나 30g을 첨가하여 담지시킨다. 담지 후, 촉매를 꺼내 150℃에서 건조시키고 난 후, 약 400℃에서 약 2시간 동안 소성시켜 Zn(Ⅱ)이온-코팅 실리카-알루미나 합성촉매를 얻었다.

실시예 1

비교예 1과 동일한 반응조건에서 TMHQ 3g과 제조예의 방법으로 제조된 촉매 4g을 넣고, 용매로 n-헵탄 50ml를 가한 후, 질소 분위기하에서 환류시키면서 n-헵탄용매에 용해된 아이소-파이톨 6g을 서서히 첨가한다. 첨가가 끝난 후, 2시간을 더 환류시킨 후에 기체상 크로마토그래피를 통해 반응을 확인하였다. 확인결과, TMHQ의 전환율은 99%이상, 그리고 생성된 DL-α-토코페롤의 순도는 99%이상이었다.

본 발명에 따른 Zn(Ⅱ)이온이 코팅된 실리카-알루미나 합성촉매계는 기존의 DL-α-토코페롤 제조방법들과 비교해서 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체와 TMHQ의 축합 반응시 부반응을 획기적으로 줄임으로써 DL-α-토코페롤을 고순도 및 고수율로 얻을 수 있었다. 아울러, 본 발명의 촉매계는 ZnCl₂/실리카-알루미나계와 비교해 볼 때, 촉매의 취급 및 연속 반응에 적용 용이성을 크게 향상시키는 결과를 가져왔다. 따라서, 향후 DL-α-토코페롤의 상업 생산에 적용할 때 연속공정에 촉매의 적용을 용이하게 할 수 있고, 아울러 상업적으로 중요한 DL-α-토코페롤을 고순도 및 고수율로 생산할 수 있는 등의 개선된 효과를 기대할 수 있다.

Claims

ZnCl₂를 실리카-알루미나에 담지시키고 약 400℃에서 2시간 동안 소성 처리하여 Zn(Ⅱ) 이온을 코팅시킨 실리카-알루미나 합성촉매계를 반응촉매로 사용하고, n-헵탄을 반응용매로 사용하여 80∼120℃에서 2∼7시간 동안 아이소-파이톨 또는 파이톨 유도체를 트리메틸하이드로퀴논과 축합반응시키는 것을 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 ZnCl₂의 사용량은 실리카-알루미나 100중량부에 대하여 5∼250중량부임 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 ZnCl₂의 사용량은 실리카-알루미나 100중량부에 대하여 20∼80중량부임을 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 아이소파이톨 또는 파이톨 유도체는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시됨을 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.

화학식 1

여기서, X는 수산화기, 할로겐 원자 또는 아세톡시기이다.

화학식 2

여기서, Y는 수산화기, 할로겐 원자 또는 아세톡시기이다.
제1항에 있어서, 상기 촉매의 사용량은 트리메틸하이드로퀴논 100중량부에 대하여 20∼450중량부임을 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 촉매의 사용량은 트리메틸하이드로퀴논 100중량부에 대하여 100∼200중량부임을 특징으로 하는 고수율로 DL-α-토코페롤을 제조하는 방법.