KR100715882B1 - 2,3-디할로프로판올의 제조방법 - Google Patents

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모곤봅알.
이토래리엔.
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다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 발명은 2,3-디할로프로판알과 수소화제를, 2,3-디할로프로판올이 형성되도록 하는 조건하에서, 제1 전이금속으로서 이리듐 금속과, 루테늄 이온, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 망간 또는 바나듐으로부터 선택된 제2 전이금속 1종 이상을 포함하는 혼합 전이금속 촉매의 존재하에 반응시키는 단계를 포함하는, 2,3-디할로프로판올의 제조방법에 관한 것이다. 2,3-디할로프로판올은 에피할로하이드린의 제조방법에 특히 유용하다.
2,3-디할로프로판말, 2,3-디할로프로판올, 수소화제, 산 제거제, 에피클로로하이드린.

Description

2,3-디할로프로판올의 제조방법{Process for making 2,3-dihalopropanols}
본 발명은 이리듐 금속과, 루테늄, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 망간 또는 바나듐을 포함하는 제2 전이금속의 혼합 금속 촉매를 이용하여 2,3-디할로프로판올을 제조하는 방법에 관한 것이다.
혼합 전이금속 촉매는 이미 제조된 바 있다. 예를 들어, 문헌에는 일산화탄소의 수소화 반응 및 n-부탄의 가수소분해용 이리듐/루테늄 혼합 금속 불균질 촉매의 제조방법이 보고되어 있으며{참조: Hamada, et al., Appl. Catal., 1986, 27, 265-73; 및 Sekiyu Gakkaishi 1998, 41, 66-70}, 문헌에는 일산화탄소의 수소화 반응용 이리듐/철 혼합 금속 불균질 촉매의 제조방법이 보고되어 있고{참조: Van Gruijthuijsen, et al., J. Catal., 1997, 170, 331-345}, 문헌에는 일산화탄소의 수소화 반응용 이리듐/몰리브덴 혼합 금속 불균질 촉매의 제조방법이 보고되어 있다{참조: Kuwahara, et al., Chemistry Letters, 1985, 205-206}.
영국 특허원 제2175896A호에는 철 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소(A) 및 로듐, 팔라듐 및 이리듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소(B)를 포함하는 혼합 전이금속 수소화 촉매를 사용하여, 수소와 일산화탄소의 공존하에 지방족 알데하이드를 수소화시킴으로써 우수한 전환율과 높은 선택도로 상응하는 알코올을 형성시키는, 알데하이드로부터의 알코올의 제조방법이 기재되어 있다.
미국 특허 제5,744,655호(Thomas 등 에게 1998년 4월 28일자로 허여됨)에는 전이금속 함유 촉매의 존재하에 2,3-디할로프로판올이 형성되도록 하는 조건하에서 수소화제와 2,3-디할로프로판알을 반응시켜 2,3-디할로프로판올을 제조하는 방법이 기재되어 있다.
"철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 혼합물로부터 선택된 VIIIA족 금속"을 포함하여, 상기 2,3-디할로프로판올의 환원 반응용 촉매 수종이 미국 특허 제5,744,655호 및 미국 특허 제6,008,419호에 기재되어 있다. 선행 기술에서 공지된 촉매는 단일 배치형 반응에서 높은 전환율과 선택도가 제공되도록 선택된다. 지속된 전환율 및 선택도를 갖는 촉매에 대한 어떠한 언급도 없었다.
따라서, 높은 전환율 및 선택도로 지속되는 수소화 반응 활성을 제공하는 전이금속 촉매를 사용하여 2,3-디할로프로판알을 2,3-디할로프로판올로 전환시키기 위한 수소화 방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명의 하나의 양태는 2,3-디할로프로판알의 2,3-디할로프로판올로의 수소화 반응용 촉매로서 유용한 지지체상의, 제1 전이금속으로서 이리듐 금속과, 루테늄, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 망간 또는 바나듐 금속으로부터 선택된 제2 전이금속의 혼합물의 개발에 관한 것이다. 혼합 금속 촉매로서 사용되는 이리듐 금속과 제2 전이금속은 2,3-디할로프로판알을 높은 선택도로 2,3-디할로프로판올로 효율적으로 전환시키며, 또한 수소화 반응에 있어서 놀라운 지속된 활성을 나타낸다. 본 발명의 발명자 이전에 어느 누구도 2,3-디할로프로판알의 2,3-디할로프로판올로의 수소화 반응용 촉매로서 이리듐/제2 전이금속 혼합물을 사용한 바 없다.
본 발명의 또 다른 양태는 2,3-디할로프로판알을, 2,3-디할로프로판올이 형성되도록 하는 조건하에서 상기 이리듐/제2 전이금속 혼합 금속 촉매의 존재하에 수소화제와 반응시키는 단계를 포함하는, 상기 촉매를 사용한 2,3-디할로프로판올의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는
위에서 기재한 바와 같이 2,3-디할로프로판알을 환원시켜 2,3-디할로프로판올을 형성시키는 단계(1) 및
2,3-디할로프로판올을 폐환시켜 에피할로하이드린을 제조하는 단계(2)를 포함하는, 에피할로하이드린의 제조방법에 관한 것이다.
유리하게도, 에피할로하이드린의 이러한 제조방법은 생산되는 에피할로하이드린 1몰당 분자 할로겐을 약 1몰만을 사용한다. 상기 방법은 시판되는 알릴 클로라이드 경로와 비교하여 폐수 스트림중 할로겐화 유기물의 양을 60% 이상 감소시킨다. 상기 방법은 또한 알릴 클로라이드 경로보다 실질적으로 물을 덜 사용한다. 환원제는 수소일 수 있으므로, 전이 수소화 단계에서와 같이 케톤을 알코올로 재순환시킬 필요가 없다.
본 발명의 2,3-디할로프로판알로부터 2,3-디할로프로판올을 제조하는 방법은 일반적으로 알데히드의 알코올로의 환원 반응이다. 환원 반응은 디할로프로판알을 디할로프로판올로 촉매의 존재하에서 수소화시킴으로써 수행된다.
본 발명에서 유용한 촉매는 반응 조건하에서 분자에 결합되어 있는 할로겐에 대해 실질적으로 영향을 주지 않으면서 디할로프로판알 분자상의 실질적으로 모든 알데히드 잔기를 1차 알코올 잔기로 수소화시키는 반응을 촉진하도록 선택된다. 촉매는 디할로프로판올에 대한 지속된 높은 촉매적 활성과 높은 선택성을 제공하기에 유효한 비율의, 이리듐 금속과, 루테늄, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 망간 또는 바나듐을 포함하는 제2 전이금속과의 혼합물이 유리하다.
본 발명의 예시로서, 예를 들면, 이리듐/루테늄 혼합 금속 촉매의 촉매의 이리듐 금속 대 루테늄 금속의 원자 비는 일반적으로 0.02 내지 15, 바람직하게는 0.05 내지 10, 보다 바람직하게는 0.15 내지 8, 가장 바람직하게는 0.3 내지 2.0이다.
이리듐/루테늄 혼합 금속 촉매를 사용한 2,3-디할로프로판올에 대한 선택도는 약 75% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상이다.
또한, 본 발명에서 유용한 촉매는 배치식 반응에서 촉매 1g당 디할로프로판알 2.5g의 1차 충전의 경우 30분에 디할로프로판알을 약 50% 이상 전환시키는 초기 촉매 활성을 가지며, 동일한 촉매를 사용한 2차 측정된 촉매 활성은 촉매 1g당 디할로프로판알 2.5g의 2차 충전의 경우 30분에 디할로프로판알을 약 50% 이상 전환시킨다. 이들은 촉매 1g당 디할로프로판알 2.5g의 1차 충전에 대해 바람직한 초기 촉매 활성이지만, 상기 촉매는 촉매 1g당 디할로프로판알 2.5g 미만의 충전량으로도 반응할 수 있음이 자명하다.
본 발명에서 유용한 촉매는 균질 또는 불균질 형태일 수 있다. 촉매가 불균 질 촉매인 것이 바람직하다.
본 발명에서 유용한 불균질 촉매는, 예를 들면, 기타 당해 분야에 공지된 지지체상에 침착 또는 흡착되어 있는 이리듐 금속과, 실리카, 실릴화 실리카, 탄소, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 마그네시아와 같은 불용성 지지체, 및 제2의 전이금속일 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 지지체는 예를 들면, 문헌에 기재되어 있다[참조: Poncelet et al. editors, Preparation of Catalysts III, New York, 1983; P.N. Rylander, Hydrogenation Methods, Academic Press, London, 1985; P.N. Rylander, Catalytic Hydrogenation Over Platinum Metals, Academic Press, New York,, 1967; P. Rylander, Catalytic Hydrogenation in Organic Syntheses, Academic Press, New York, 1979]. 또한, 본 발명에서 유용한 불균질 촉매는 수지, 예를 들어, 포스핀화 폴리스티렌상에 결합된 리간드에 배위된 이리듐 금속과 제2 전이금속일 수 있다. 지지체상에 충전된 금속의 전체 중량%는 바람직하게는 0.001 내지 50중량%, 보다 바람직하게는 0.01 내지 10중량%, 가장 바람직하게는 0.05 내지 5중량%이다.
본 발명의 반응 혼합물에서 유용한 균질 촉매는 가용성 이리듐과 제2 전이금속 화합물의 혼합물 또는 가용성 이리듐/제2 전이금속 혼합 금속 착화합물을 함유한다. 가용성 금속 화합물의 예로는 이리듐과 제2 전이금속의 할로겐화물, 아세토아세테이트, 아세테이트 및 수산화물이 있다. 본 발명에서 유용한 균질 촉매는, 예를 들면, RuCl3 및 IrCl3 혼합물이 있다.
본 발명에서 유용한 균질 촉매는 또한 배위 리간드를 함유할 수 있다. 적합한 배위 리간드의 예로는 포스핀, 1,5-사이클로옥타디엔(COD), 노르보르나디엔(NBD), 아르신, 스티빈, 일산화탄소, 에테르, 사이클로펜타디에닐(Cp), 방향족 아민, 디메틸 술폭사이드(DMSO)와 같은 술폭사이드 및 이들의 혼합물이 있다. 적합한 포스핀의 예로는 특히, 트리아릴 포스핀, 더욱 특히, 트리페닐 포스핀이 있다. 본 발명에서 유용한 균질 촉매의 특정한 예로는 RuCl3(PPh3)3 및 (COD)Ir(PPh2Me)2 +PF6 _가 있다.
또한, 본 발명의 반응 혼합물에서 유용한 균질 촉매는 가용성 이리듐과 제2 전이금속 화합물의 혼합물 또는 예를 들면, RuCl3 및 IrCl3와 같은 첨가된 배위 리간드와 PPh3와의 착화합물로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 이리듐/제2 전이금속 혼합 금속 촉매는 수소화 반응에서 유리하게 사용되어 2,3-디할로프로판알로부터 2,3-디할로프로판올을 형성시킨다. 2,3-디할로프로판올은 에피할로하이드린의 제조에 있어서 중요한 중간체이다.
본 발명의 2,3-디할로프로판올은 일반적으로 화학식 I로 표시된다:
Figure 112001014408484-pct00001
상기식에서
"X"는 각각 서로 독립적으로 할로겐, 바람직하게는 염소 또는 브롬, 가장 바람직하게는 염소이며;
"R"은 각각 서로 독립적으로 수소 또는 저급 (C1 내지 C6) 하이드로카빌기, 바람직하게는 수소 또는 저급 알킬기, 보다 바람직하게는 수소 또는 메틸기, 가장 바람직하게는 수소이다.
2,3-디클로로프로판올은 상기 부류의 가장 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명의 2,3-디할로프로판알은 일반적으로 다음 화학식 II로 표시된다:
Figure 112001014408484-pct00002
상기식에서
"X"는 각각 서로 독립적으로 할로겐, 바람직하게는 염소 또는 브롬, 가장 바람직하게는 염소이며;
"R"은 각각 서로 독립적으로 수소 또는 저급 (C1 내지 C6) 하이드로카빌기, 바람직하게는 수소 또는 저급 알킬기, 보다 바람직하게는 수소 또는 메틸기, 가장 바람직하게는 수소이다.
본 발명에서 유용한 2,3-디할로프로판알의 적합한 예로는 2,3-디클로로프로판알; 2,3-디브로모프로판알; 2,3-디클로로-2-메틸프로판알, 2,3-디브로모-2-메틸프로판알 및 이의 혼합물이 있다. 본 발명에서 사용되는 2,3-디할로프로판알은 2,3-디클로로프로판올을 형성시키는 치환되지 않은 2,3-디클로로프로판알이 가장 바람직하다. 또한, 치환되지 않은 2,3-디브로모프로판알을 사용하여 2,3-디브로모프로판올을 형성시킬 수 있다.
디할로프로판알은 디할로프로판알을 수소화제와, 본 발명의 촉매의 존재하에서 반응시켜 수소화시킨다. 상기 수소화 반응은 미국 특허 제5,744,655호에 상세하게 기재되어 있다. 본 발명에서 유용한 수소화제의 예는 분자 수소, 알코올, 하이드라진, 포르메이트 또는 이들의 배합물일 수 있다. 본 발명에 있어서 수소화제로서 유용한 알코올의 적합한 예는 메탄올, 에탄올 및 C3 내지 C10 1급 및 2급 알코올과 같은 1급 또는 2급 알코올일 수 있다. 본 발명에서 유용한 기타 2급 알코올의 예가 미국 특허 제2,860,146호에 기재되어 있다. 본 발명에서 사용되는 수소화제는 분자 수소가 바람직하다.
수소화 반응은 제조되는 디할로프로판올 1몰당 수소화제 1몰을 소모한다. 일반적으로, 2,3-디할로프로판알 1몰당 수소화제 약 0.6몰 이상이 반응중 소모될 수 있으며, 바람직하게는 2,3-디할로프로판알 1몰당 분자 수소 약 0.75몰 이상이 반응중 소모될 수 있고, 보다 바람직하게는 2,3-디할로프로판알 1몰당 수소화제 약 0.9몰 이상이 반응중 소모될 수 있으며, 가장 바람직하게는 2,3-디할로프로판알 1몰당 수소화제 약 1몰 이상이 반응중 소모될 수 있다. 반응중 2,3-디할로프로판알 1몰당 수소화제 1몰 미만이 소모될 경우, 2,3-디할로프로판알의 완전한 전환이 이루어지지 않기 때문에 상기 반응은 덜 효율적이다. 그러나, 반응 초기에 수소화제가 모두 이용될 필요는 없다. 수소화제는 반응 진행에 따라 단계식으로 또는 연속적으로 첨가될 수 있다. 이 경우, 일정 시기의 반응 혼합물은 수소화제 보다 화학량론적 과량의 디할로프로판알을 함유할 수 있다. 본 발명의 하나의 양태로서, 반응에 있어서 전환을 완결시키기 위하여 필요한 과량의 수소화제를 사용할 수 있다. 일반적으로, 예를 들어, 10 내지 20% 과량의 수소화제를 사용할 수 있다.
수소화제 공급원의 최대량은 중요하지 않으며 압력, 반응기 효율 및 안전성과 같은 실제적인 고려사항에 좌우된다. 수소화제 공급원이 기체상인 경우, 수소화제의 양은 목적하는 압력을 제공하기에 충분한 압력 이상이 바람직하다. 그러나, 대부분의 경우, 반응기가 바람직하게는 2,3-디할로프로판알 1몰당 약 1,000몰 미만, 보다 바람직하게는 약 100몰 미만의 분자 수소를 함유한다. 분자 수소와 같은, 기체상 수소화제는 기체상 시약과 액체 반응 혼합물의 혼합을 위한 공지의 방법, 예를 들면, 교반시키면서 혼합물을 통하여 기체를 버블링시키거나 압력하에서 수소를 가용화시키는 방법에 따라서 사용하는 것이 바람직하다.
수소화 반응은 임의로, 그러나 바람직하게는 용매의 존재하에서 수행된다. 용매는 양성자성, 비양성자성 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 용매는 반응 조건하에서 모든 시약에 대해 불활성인 것이 바람직하다. 용매는 (1) 용매가 반응 조건하에서 비등하지 않고; (2) 2,3-디할로프로판올을 증류 또는 추출에 의해 용매로부터 회수할 수 있도록 선택될 수 있다. 본 발명에서 유용한 용매의 예로는 물, 카복실산, 페놀계 화합물, 지방족 알코올, 방향족 및 지방족 탄화수소, 탄산염, 에테르, 글라임, 글리콜 에테르, 할로겐화 탄화수소 및 이들의 혼합물이 있다. 본 발명에서 유용한 용매의 특정한 예로는 물, 아세트산, 페놀, 메탄올, 2,3-디클로로프 로판올, 톨루엔, 사이클로헥산, 헥산, 프로필렌 탄산염, 디옥산, 디페닐 에테르, 디글라임, 1,2-디메톡시에탄, 메틸렌 클로라이드, 에틸렌 클로라이드 및 이들의 혼합물이 있다.
용매의 양은 중요하지 않으며 촉매를 용해시킬 수 있는 능력(균질 촉매의 경우) 및 반응기의 효율과 같은, 실제적인 고려사항에 의해 우선적으로 좌우된다.
일반적으로, 본 발명의 반응 혼합물중에 존재할 수 있는 용매의 양은 0 내지 99.99중량%, 바람직하게는 0 내지 95중량%, 보다 바람직하게는 0 내지 90중량%, 가장 바람직하게는 0 내지 80중량%이다.
대부분의 경우, 수소화 반응 혼합물은 2,3-디할로프로판알을 바람직하게는 약 5중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 10중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 20중량% 이상 함유한다. 또한, 수소화 반응은 2,3-디할로프로판알에서 순수하게 수행할 수 있다(약 100중량%의 2,3-디할로프로판알).
반응 혼합물은 종종 소량의 할로겐화수소와 같은 강 무기산을 함유하는데, 이는 특정 부반응을 일으킬 수 있다. 수소화 반응을 산 제거제(acid scavenger)의 존재하에서 수행할 수 있다. 본 발명에서 유용한 산 제거제의 예로는 알칼리 금속 탄산염; 알칼리 금속 중탄산염; 4급 암모늄 또는 포스포늄 카복실레이트, 중탄산염, 탄산염; 알칼리 금속 카복실레이트; 에폭사이드 및 이들의 혼합물이 있다. 산 제거제의 특정한 예로는 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 산화에틸렌, 산화프로필렌, 산화부틸렌, 에피클로로하이드린 및 이들의 혼합물이 있다. 에피클로로하이드린은 산 제거제로서 작용하는 바람직한 에폭사이드이다. 일반적으로, 반응 혼합물중 산 제거제 대 2,3-디할로프로판알의 몰 비는 0.01 대 1, 바람직하게는 0.01 대 0.5, 가장 바람직하게는 0.01 대 0.1이다.
수소화 반응의 온도는 중요하지 않은데, 단 시약과 촉매가 모두 서로 긴밀하게 접촉되어야 한다. 그러나, 저온에서는 더 긴 반응 시간을 필요로 한다. 반응 온도는 바람직하게는 약 -10℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 20℃ 이상, 가장 바람직하게는 약 50℃ 이상이다. 반응 온도는 바람직하게는 약 250℃ 미만, 더욱 바람직하게는 약 150℃ 미만, 가장 바람직하게는 약 120℃ 미만이다. 반응 온도는 바람직하게는 0 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 50 내지 120℃이다.
수소화 반응 압력은 반응을 수행하기에 충분한 수소가 반응 혼합물중에 있는한 중요하지 않다. 압력은 바람직하게는 약 14psia(97㎪, 1대기압) 이상, 보다 바람직하게는 약 50psia(340㎪, 3.4대기압) 이상이다. 압력은 바람직하게는 약 3,000psia(21㎪, 220대기압) 미만이다. 압력이 더 높으면 반응 시간을 더 단축시킬 수 있다.
수소화 반응 생성물은 2,3-디할로프로판알로부터 유도된 구조를 갖는 2,3-디할로프로판올이다. 상기 생성물은 공지된 방법, 예를 들어, 추출 또는 증류에 의해 회수할 수 있다. 상기 생성물은 2% 정도의 낮은 수율로 회수될 수 있지만, 경제적인 목적에 있어서, 본 발명의 생성물은 일반적으로 약 60% 이상의 수율로 (초기량의 2,3-디할로프로판알 기준으로) 회수되며, 바람직하게는 약 80% 이상의 수율로, 보다 바람직하게는 약 90% 이상의 수율, 가장 바람직하게는 약 95% 이상의 수율로 회수된다.
수소화 반응은 에피클로로하이드린의 제조방법에 있어서 특히 유용하다. 본 발명의 반응을 사용하여 일단 2,3-디할로프로판올을 제조한 다음, 2,3-디할로프로판올을 당해 분야에 공지된 방법으로 폐환시켜 에피할로하이드린을 제조한다. 더욱 상세하게는, 하기와 같이 본 발명의 촉진된 수소화 반응 단계를 4-단계 공정으로 사용하여 프로필렌으로부터 에피클로로하이드린을 제조할 수 있다:
단계(1)에서, 프로필렌과 같은 탄소수 3의 탄화수소를 산화시켜 아크롤레인을 형성시킨다. 본 반응의 공정은 이미 당해 분야에 공지되어 있으며 다음 문헌에 기재되어 있다[참조: Watanabe et al.(미국 특허 제4,008,281호(1977년 2월 15일)); Childress et al.(미국 특허 제4,049,577호(1977년 9월 20일)); Childress et al.(미국 특허 제4,129,600호(1978년 12월 12일)); Daumas et al.(미국 특허 제4,166,808호(1979년 9월 4일)); Caillod et al.(미국 특허 제5,225,389호(1993년 7월 6일)); 및 Kobayashi et al.(미국 특허 제5,326,916호(1994년 7월 5일))]. 대부분의 경우, 프로필렌을 기체상으로 산소와, 비스무트-인-몰리브덴과 같은 촉매의 존재하에서 접촉시킨다. 아크롤레인은 또한 알릴 알코올을 산화시켜 제조할 수 있다. 또한, 아크롤레인은 예를 들면, 알드리히 케미칼 캄파니 인코포레이티드(Aldrich Chemical Company, Inc.) 및 피셔 사이언티픽 어크로스 오가닉스(Fisher Scientific Acros Organics)로부터 입수할 수 있다.
단계(2)에서, 아크롤레인을 할로겐화시켜 2,3-디할로프로판알을 제조한다. 본 단계는 미국 특허 제2,860,146호에 기재되어 있다. 바람직하게는, 아크롤레인을 분자 할로겐(이는 바람직하게는 분자 염소 또는 분자 브롬이다), 더욱 바람직하게는 분자 염소와 접촉시킨다. 단계(2)의 반응 온도는 바람직하게는 약 125℃ 미만, 더욱 바람직하게는 약 50℃ 미만이다. 바람직하게는 약 -10℃ 이상, 더욱 바람직하게는 약 0℃ 이상이다. 단계(2)의 반응은 순물질(neat)로 수행할 수 있거나, 반응 조건하에서 모든 시약에 대해 실질적으로 불활성인 유기 용매의 존재하에서 수행할 수 있다. 단계(2)에서 유용한 용매의 적합한 예로는 할로겐화 탄화수소, 예를 들면, 메틸렌 클로라이드, 1,2-디클로로에탄 및 1,2-디클로로프로판; 디옥산; 지방족 탄화수소, 예를 들면, 펜탄, 헥산, 헵탄; 및 이들의 혼합물이 있다.
단계(2)의 반응 혼합물중 물의 농도는 물이 2,3-디할로프로판알 생성물과 반응하여 불순물을 형성할 수 있기 때문에 최소화시키는 것이 바람직하다.
할로겐, 예를 들어, 염소의 부분압은 반응기 열 제거율로 평형화되는 수치가 바람직하다. 예를 들어, 할로겐의 부분압은 0(0㎪) 내지 30psia(207㎪)일 수 있다. 2,3-디할로프로판알의 수율은 약 90% 이상이 바람직하다.
단계(3)은 2,3-디할로프로판알을 2,3-디할로프로판올로 환원시키는 것이다. 본 단계의 바람직한 양태는 본원에 이미 기재되어 있다.
예를 들어, 본 발명 공정의 바람직한 하나의 양태는 2,3-디할로프로판알을 화학량론적 양 이상의 분자 수소와, 이리듐/제2 전이금속 혼합 금속 촉매 및 양성자성 또는 비양성자성 용매 또는 이들의 혼합물(임의로 산 제거제를 추가로 함유함)의 존재하에서 접촉시키는 단계를 포함한다.
단계(4)는 2,3-디할로프로판올을 에피할로하이드린으로 전환시키는 것이다. 본 단계는 에피할로하이드린 제조 분야에 공지되어 있다. 단계(4)의 반응은 통상적으로 디할로프로판올을 예를 들면, 수산화나트륨을 포함한 알칼리 금속 수산화물의 수용액과 같은 강 염기와 접촉시켜 수행한다. 단계(4)의 반응의 예가 미국 특허 제2,860,146호 및 Wernli et al.(호주 특허 제630,238호(1993년 2월 12일))에 기재되어 있다.
본 발명에서 사용하는 방법은 단계(3) 이외에, 단계(1), (2) 및 (4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들은 단계(2) 및 (3), 보다 바람직하게는 단계(2), (3) 및 (4), 가장 바람직하게는 단계(1) 내지 (4)를 포함할 수 있다.
하기 실시예는 설명을 목적으로 하며 본원의 명세서 또는 특허 청구의 범위의 범주를 제한하는 것으로 인식되어서는 안된다. 달리 언급하지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량에 대한 것이다.
실시예 1 내지 3 및 비교 실시예 A 및 B
일반적인 공정:
불균질 촉매는 실리카(Davison 57)를 IrCl3·3H2O와, RuCl3·H2O, (NH4)6Mo7O24·4H2O, MnCl2·4H2O, OsCl3·3H2O 및 FeCl3·6H2O 중 하나의 금속염 수용액으로 함침시키거나, 실리카를 IrCl3·3H2O와, WCl6, MoCl5, VOCl3 및 ReCl3중 하나의 에탄올 수용액으로 함침시켜 제조한다. 혼합 금속 시스템은 동시에 함침시키거나 금속염 중 하나를 함침시킨 다음 (건조시킨 다음) 다른 하나를 함침시켜 제조할 수 있다. 촉매를 공기 건조시킨 다음 동적 H2/N2(5% 수소)하에 200℃에서 미리 환원시킨다. 이어서, 촉매를 보관하고 불활성 대기 글로브 박스에서 조작한다.
300㎖ 들이 파르(Parr) 반응기 용기에 촉매 충전물을 적재하고 반응기 용기를 배기시켜 질소를 3회 플러슁시킨다. 용매/2,3-디클로로프로판올 (DCP) 혼합물을 질소로 스파지(sparge) 탈기시키고 주사기를 사용하여 파르 반응기에 가한다. 상기 반응기를 250/20psig(1.7mPa/138㎪) 질소 및 1000/20psig(6.9mPa/138㎪) 수소로 가압/배기시킨 다음, 1000psig(6.9mPa) 수소하에 위치시키고 65 내지 100℃로 가열한다. 반응기를 15psig(103㎪) 미만으로 배기시킨 후 주사기로 샘플을 회수한다.
샘플을 분할(split) 주입기가 있는 25m HP-5 Ultra 2 모세관 컬럼이 장착되어 있는 휴렛 팩카드(Hewlett Packard) HP-5890 가스 크로마토그래프를 사용하여 가스 크로마토그래피(GC)로 분석한다. 대략 120㎕의 반응 혼합물을 GC 표준물로서 공지량의 클로로벤젠(통상적으로 0.05중량%)을 함유하는 클로로포름 5.0㎖에 용해시킨다. "선택도"는 형성된 2,3-디할로프로판올의 양 대 소모된 2,3-디할로프로판알의 양의 몰 비로서 정의된다.
순수한 루테늄/실리카, 순수한 이리듐/실리카, 및 선택된 루테늄/이리듐/실리카 촉매에 대한 2회의 연속적인 배치 사이클에 걸친 활성 및 선택도의 비교가 하기 표 Ia 및 Ib에 제시되어 있다. 순수한 루테늄 또는 순수한 이리듐 촉매 보다 탁월하게 높은 선택도로 지속적인 수소화 반응 활성을 제공할 수 있는 루테늄/이리듐 촉매의 활성이 증명되었다.
순수한 이리듐 촉매(비교 실시예 B)는 높은 선택도(99% 이상)로 양호한 초기 활성(30분 후 79.3% 전환)을 갖지만, 2차 충전물(수행 번호: 2)에 대한 전환율은 불량하였다(30분 후 7.9% 전환; 활성 손실률 90%).
순수한 루테늄 촉매(비교 실시예 A)는 2회의 사이클(수행 번호: 1 및 2)에 있어서 활성의 20%를 손실하면서 안정한 성능을 나타내지만, 루테늄 촉매의 활성이 낮았다(각각 30분 후 24.7% 및 19.7% 전환).
본 발명의 촉매중 이리듐과 루테늄 금속의 혼합물(실시예 1, 2 및 3)은 모든 경우에 있어서 2,3-디할로프로판올에 대해 매우 양호한 선택도(90% 이상)를 제공한다. 또한, 본 발명의 촉매는 모든 경우에 있어서 순수한 루테늄에 대해 관찰되는 활성 보다 더 양호한 활성(47% 대 24.7% 및 19.7%)을 나타내며; 본 발명의 촉매의 경우 사이클(수행 번호: 1 및 수행 번호: 2) 간에 활성 손실률이 순수한 이리듐 촉매 보다 탁월하였다(32%, 33%, 13%로 90% 보다 모두 작다).
또한, 본 발명의 촉매의 활성 손실은 실시예 3에서는 순수한 루테늄 촉매의 것에 필적하며 탁월하였다(13%; 20% 보다 작다).
또한, 표 Ia 및 Ib는 다른 이리듐/전이금속 혼합된 금속 촉매에 대한 2회의 연속적인 배치 사이클에 있어서 활성 및 선택도를 비교하였다. 모든 이리듐/전이금속 혼합 금속 촉매에 대한 생성물 선택도가 높게 유지된 반면, 초기 활성(수행 번호:1, 30분 후 전환율)이 모든 경우에 있어서 순수한 루테늄 촉매보다 높았다(69%, 80%, 34%, 95%, 83%, 41% 및 79%로 24.7% 보다 모두 더 크다). Ir/Mn 촉매(94%)를 제외하고, 수행 번호 1 내지 수행 번호 2로부터 활성 손실률은 순수한 이리듐 촉매가 나타내는 것 보다 더 작다(78%, 15%, 70%, 69%, 63% 및 81%로 활성 손실률 90% 보다 모두 작다).
표 II는 상이한 촉매 지지체 물질상의 2% 이리듐/0.5% 루테늄 혼합 금속 촉매에 대한 2회의 연속적인 배치 사이클에 대한 활성 및 선택도를 비교한 것이다. 이들 실시예는 촉매 지지체가 초기 활성, 선택도 및 다수의 배치 사이클에 있어서의 촉매 활성 손실률에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다.
실시예a 수행 번호 촉매 조성 DCPb(g)/촉매(g) 온도 (℃) 시간 (분) 전환율 (%) 활성 손실률 (Δ%) 선택도 (%)
실시예 1 1 2.0%Ru/0.5%Ir/실리카 2.52 85 30 68.9 32 92.3
2 2.0%Ru/0.5%Ir/실리카 2.51 84 30 47.2 90.8
실시예 2 1 1.5%Ru/1.0%Ir/실리카 2.50 86 30 85.6 33 97.8
2 1.5%Ru/1.0%Ir/실리카 2.49 84 30 57.2 94.2
실시예 3 1 0.5%Ru/2.0%Ir/실리카 2.50 84 30 100 13 98.6
2 0.5%Ru/2.0%Ir/실리카 2.50 85 30 87.4 98.2
비교 실시예 A 1 2.5%Ru/실리카 2.49 85 30 24.7 20 90.9
2 2.5%Ru/실리카 2.50 85 30 19.7 90.6
비교 실시예 B 1 2.5%Ir/실리카 2.48 85 30 79.3 90 >99
2 2.5%Ir/실리카 2.50 86 30 7.9 >99
실시예 4 1 2.0%Ir/0.5%Fe/실리카 3.88 85 30 69 78 94
2 2.0%Ir/0.5%Fe/실리카 3.57 85 30 15 89
a반응은 약 1000psig H2하의 사이클로헥산 중의 600㎖ 들이 하스톨로이 C 파르(Hastalloy C Parr) 반응기내에서 수행한다.
bDCP = 디클로로프로판알
실시예a 수행 번호 촉매 조성 DCPb(g)/촉매(g) 온도 (℃) 시간 (분) 전환율 (%) 활성 손실률 (Δ%) 선택도 (%)
실시예 5 1 2.0%Ir/0.5%Mo/실리카 4.36 85 30 80 15 98
2 2.0%Ir/0.5%Mo/실리카 4.10 85 60 68 98
실시예 6 1 2.0%Ir/0.5%W/실리카 4.00 85 30 34 70 96
2 2.0%Ir/0.5%W/실리카 4.00 85 60 10 85
실시예 7 1 2.0%Ir/0.5%Re/실리카 3.93 85 30 95 69 97
2 2.0%Ir/0.5%Re/실리카 4.01 85 30 29 90
실시예 8 1 2.0%Ir/0.5%V/실리카 4.11 85 30 83 63 97
2 2.0%Ir/0.5%V/실리카 4.19 85 30 31 91
실시예 9 1 2.0%Ir/0.5%Mn 4.10 85 30 41.31 93.8 99
2 2.0%Ir/0.5%Mn 4.10 85 30 2.57 >99
실시예 10 1 2.0%Ir/0.5%Os 4.10 85 30 78.67 80.6 >99
2 2.0%Ir/0.5%Os 4.10 85 30 15.23 >99
a반응은 약 1000psig H2하의 사이클로헥산 중의 600㎖ 들이 하스톨로이 파르 반응기내에서 수행한다.
실시예a 지지체 수행 번호 DCP(g)/ 촉매(g) 시간 (분) 온도 (℃) 전환율 (%) 선택도 (%)
11 알루미나b 1 4.13 15 83 57.5 92.4
알루미나b 2 4.13 15 86 40.0 21.8
12 실리카- 마그네시아c 1 4.13 15 83 18.6 93.7
실리카- 마그네시아c 2 4.13 15 85 4.4 95.7
13 티탄화 실리카d 1 4.13 15 84 70 98.5
티탄화 실리카d 2 4.13 15 87 25.1 100
14 실리카e 1 4.07 15 86 77.4 98.9
실리카e 2 4.07 15 87 54.4 98.2
15 실릴화 실리카f 1 4.07 15 87 98.0 100
실릴화 실리카f 2 4.07 16 85 56.1 100
a반응은 약 1000psig H2하의 사이클로헥산 중의 600㎖ 들이 하스톨로이 파르 반응기내에서 수행한다. 금속 적재량은 모든 경우에 있어서 2% 이리듐/0.5% 루테늄이다.
b엔겔하드(Engelhard) 3952E 알루미나.
c그레이스-디비젼(Grace-Divison) SMR 55-10384.
d티타늄(0.6%) 개질된 다비슨(Davison) 57 실리카.
eIST 아이솔루트(Isolute) SI 실리카.
fIST 아이솔루트(Isolute) C2(EC) 실리카.

Claims (29)

  1. 2,3-디할로프로판알을, 2,3-디할로프로판올이 형성되도록 하는 조건하에 혼합 전이금속 촉매의 존재하에서 수소화제와 반응시키는 단계를 포함하는, 2,3-디할로프로판올의 제조방법에 있어서,
    혼합 전이금속 촉매가 제1 전이금속으로서의 이리듐 금속과, 루테늄, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 오스뮴 및 바나듐으로부터 선택된 1종 이상의 제2 전이금속을 포함하고, 이리듐 금속 대 제2 전이금속의 원자 비가 0.02 내지 15인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 전이금속이 루테늄인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 이리듐 금속 대 루테늄 금속의 원자 비가 0.15 내지 8인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 이리듐 금속 대 루테늄 금속의 원자 비가 0.3 내지 2인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 촉매가 불균질 촉매인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 촉매가 균질 촉매인 방법.
  7. 제5항에 있어서, 촉매가, 지지 물질 위에 부착된 이리듐과 제2 전이금속을 함유하는 불균질 촉매인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 지지 물질이 실리카, 실릴화 실리카, 탄소, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 마그네시아 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 지지 물질이 실릴화 실리카인 방법.
  10. 제5항에 있어서, 촉매가 제1족 또는 전이금속 프로모터 이온을 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 프로모터 이온이 Li, Na, K, Cs, Fe, Mo, W, V, Mn, Os, Pt, Pd, Rh 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 프로모터 이온이 K인 방법.
  13. 제6항에 있어서, 촉매가 배위 리간드를 추가로 함유하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 수소화제가 수소인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 분자 수소 대 디할로프로판알의 소모량이 0.75:1 이상인 방법.
  16. 제14항에 있어서, 14psia 이상의 수소 부분압으로 수행되는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 2,3-디할로프로판알이 2,3-디클로로프로판알, 2,3-디브로모프로판알, 2,3-디클로로-2-메틸프로판알, 2,3-디브로모-2-메틸프로판알 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 2,3-디할로프로판알이 치환되지 않은 2,3-디클로로프로판알이고 형성된 2,3-디할로프로판올이 2,3-디클로로프로판올인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 2,3-디할로프로판알이 치환되지 않은 2,3-디브로모프로판알이고 형성된 2,3-디할로프로판올이 2,3-디브로모프로판올인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 0 내지 200℃의 온도에서 수행되는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 반응 혼합물이 용매를 추가로 함유하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 용매가 물, 카복실산, 페놀계 화합물, 지방족 알코올, 지 방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 탄산염, 에테르, 글라임, 글리콜 에테르, 할로겐화 탄화수소 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 반응 혼합물이 산 제거제(acid scavenger)를 추가로 함유하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 산 제거제가 알칼리 금속 탄산염; 알칼리 금속 중탄산염; 알칼리 금속 카복실레이트, 암모늄 및 포스포늄 카복실레이트, 중탄산염, 탄산염; 에폭사이드 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 산 제거제가 에피클로로하이드린인 방법.
  26. 제1항에 있어서, 2,3-디할로프로판알을 혼합 전이금속 촉매 및 용매의 존재하에 화학량론적 양 이상의 분자 수소와 반응시키는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제1항에 기재되어 있는 바와 같이 2,3-디할로프로판알을 환원시켜 2,3-디프로판올을 형성시키는 단계(a) 및
    2,3-디할로프로판올을 염기와 접촉시켜 에피할로하이드린을 형성시키는 단계(b)를 포함하는, 에피할로하이드린의 제조방법.
  28. 아크롤레인을 할로겐화시켜 2,3-디할로프로판알을 제조하는 단계(a),
    제1항에 기재되어 있는 바와 같이 2,3-디할로프로판알을 환원시켜 2,3-디할로프로판올을 형성시키는 단계(b) 및
    2,3-디할로프로판올을 염기와 접촉시켜 에피할로하이드린을 형성시키는 단계(c)를 포함하는, 에피할로하이드린의 제조방법.
  29. 탄소수 3의 탄화수소를 산화제와 반응시켜 아크롤레인을 형성시키는 단계(a),
    아크롤레인을 분자 할로겐과 반응시켜 2,3-디할로프로판알을 형성시키는 단계(b),
    제1항에 기재되어 있는 바와 같이 2,3-디할로프로판알을 환원시켜 2,3-디할로프로판올을 형성시키는 단계(c) 및
    2,3-디할로프로판올을 염기와 접촉시켜 에피할로하이드린을 형성시키는 단계(d)를 포함하는, 에피할로하이드린의 제조방법.
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