KR100716079B1

KR100716079B1 - 다염기 산의 에스테르의 제조 방법

Info

Publication number: KR100716079B1
Application number: KR1020037006422A
Authority: KR
Inventors: 발터 디스텔도르프; 귄테르 골피에르; 베른트 모르스바흐; 쿠르트 쉬비르텐
Original assignee: 바스프 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2007-05-08
Also published as: PL204384B1; KR20030048469A; CN1225455C; ATE424381T1; US7385075B2; US20040030175A1; WO2002038531A1; EP1334081A1; CN1474802A; JP2004513160A; EP1334081B1; AU2002218298A1; DE50114747D1; CA2428575A1; ES2320197T3; PL362286A1; DE10056179A1; CA2428575C

Abstract

본 발명은 다염기 C₄-C₁₀ 카르복실산 중에서 선택된 산 성분과, 알킬쇄에 1 내지 3 개의 산소 원자가 개입되어 있을 수 있는 C₃-C₁₂-알칸올 또는 -알칸디올 중에서 선택된 알콜 성분의 에스테르의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 a) 산 성분 또는 그의 무수물과 알콜 성분을 주성분으로 하는 혼합물을 반응 대역에서 에스테르화 촉매의 존재하에 비점으로 가열하는 단계, b) 알콜과 물을 포함하는 증기를 정류시켜 알콜이 풍부한 분획과 물이 풍부한 분획으로 분리하는 단계, 및 c) 알콜이 풍부한 분획을 반응 대역으로 복귀시키면서, 물이 풍부한 분획을 공정에서 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 수행이 간단하고, 본질적으로 정량적인 전환을 빠르게 조절할 수 있다.

알콜이 풍부한 분획, 물이 풍부한 분획, 에스테르화 촉매, 비점, 정류, 평형, 정량적인 전환

Description

다염기 산의 에스테르의 제조 방법 {Method for producing esters of multibasic acids}

본 발명은 다염기 C₄-C₁₀ 카르복실산 중에서 선택된 산 성분과, 알킬쇄에 1 내지 3 개의 산소 원자가 개입되어 있을 수 있는 C₃-C₁₂ 알칸올 또는 C₃-C ₁₂ 알칸디올 중에서 선택된 알콜 성분의 에스테르의 제조 방법에 관한 것이다.

언급한 유형의 에스테르는 셀룰로스 아세테이트, 폴레우레탄, PVC, 폴리아크릴레이트 등과 같은 플라스틱에서 가소제로서 널리 사용되고 있다. 이들은 산 성분 또는 이들의 무수물을 에스테르화 촉매의 존재하에 알콜 성분과 반응시켜 제조할 수 있다. 반응은 평형 반응이다. 평형은 반응의 부산물로 생성되는 물을 계속하여 제거함으로써, 생성물 쪽, 즉 에스테르 쪽으로 이동할 수 있다. 사용한 알콜이 물과 혼화되지 않는 영역을 가지는 경우, 반응수와 알콜의 혼합물을 반응 혼합물로부터 연속적으로 증류해 낼 수 있고, 상 분리 후 유기상을 에스테르화시켜 회수하면서, 수성상을 반응계로부터 제거한다. 물은 항상 알콜에 어느 정도 용해되기 때문에, 물은 유기상에서도 회수되고, 평형의 이동은 종종 정량적으로 전환되므로 매우 서서히 진행된다.

에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르를 사용하는 경우, 예를 들어 물과 혼화되지 않는 영역이 43 ℃ 내지 133 ℃에서만 존재하고 (문헌 [G. Schneider and G. Wilke, Zeitschr. f. Phys. Chemie, NF, 20, 219 (1959)] 참조), 그러므로 이 경우에는 상 분리제가 불행하게도 혼합시 2 개의 한계점 사이의 온도에서 보유되어야만 한다. 게다가, 알콜 상은 복귀시 여전히 39.7 중량％의 물을 포함한다.

본 발명의 목적은 처음에 언급한 에스테르를 간단하면서, 본질적으로 정량적인 전환을 단시간내에 진행시키면서 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 이러한 목적이

a) 산 성분 또는 그의 무수물과 알콜 성분을 주성분으로 하는 혼합물을 반응 대역에서 에스테르화 촉매의 존재하에 비점으로 가열하는 단계,

b) 알콜과 물을 포함하는 증기를 정류시켜 알콜이 풍부한 분획과 물이 풍부한 분획으로 분리하는 단계, 및

c) 알콜이 풍부한 분획을 반응 대역으로 복귀시키고, 물이 풍부한 분획을 공정에서 제거하는 단계로 달성된다는 것을 드디어 밝혀냈다.

산 성분은 다염기성이며, 특히 2 염기성의 탄소수 4 내지 10의 카르복실산이며, 방향족 또는 지방족일 수 있다. 사용할 수 있는 산 성분의 예로는 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 수베르산, 아젤라산, 세바크산, 헥사히드로 프탈산, 헥사히드로 이소프탈산 또는 헥산히드로 테레프탈산, 및 프탈산, 이소프탈산 및 테레프탈산을 들 수 있다. 이들 중에서, 아디프산 및 프탈산이 특히 바람직하다. 산 성분은 그대로 또는 무수물의 형태, 예를 들어 분자내 또는 분자간 무수물의 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어, 프탈산은 통상적으로 공업적으로 입수가능한 화 합물인 프탈산 무수물의 형태로 사용된다.

알콜 성분은 탄소수 3 내지 12, 바람직하게는 탄소수 3 내지 8의 분지쇄 또는 직쇄 알칸올 또는 알칸디올이며, 알칸올 또는 알칸디올의 알킬쇄에는 에테르 결합 중에 1 내지 3 개, 특히 1 또는 2개의 산소 원자가 개입될 수 있다. 1 개 보다 많은 산소 원자가 존재하는 경우, 2개 이상의 탄소 원자가 산소 원자들을 서로 분리하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 서로 다른 알칸올끼리의 혼합물 또는 서로 다른 알칸디올끼리의 혼합물 또는 알칸올과 알칸디올의 혼합물을 사용할 수 있다. 사용할 수 있는 알칸올의 예는 n-프로판올, i-프로판올, n-부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 이소옥탄올, 2-에틸헥산올이고, 또한 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 및 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르이다. 사용할 수 있는 알칸디올의 예는 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜 및 1,6-헥산디올이다. 물론, n-부탄올, 2-에틸헥산올, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 및 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르가 특히 바람직하다.

본 발명에 따라 수득한 알칸디올의 에스테르는 일반적으로 약 1,800 내지 13,000의 중량 평균 분자량을 갖는 중합체 화합물이다. 이러한 중합체 에스테르를 제조하는 경우, 알칸디올은 일반적으로 쇄-종결제로서 사용되는 알칸올과 혼합물로 사용된다.

알콜 성분은 산 성분에 대해 몰 과량으로, 예를 들어 화학양론적 필요량을 기준으로 하여 500％ 이하 과량, 바람직하게는 200％ 이하, 특히 100％ 이하, 특히 바람직하게는 20 내지 60％ 과량으로 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법은 임의의 외부 비말동반제없이 수행한다.

사용할 수 있는 에스테르화 촉매는 에스테르화 반응에 통상적으로 사용되는 종래의 촉매이다. 이들은 황산, 인산과 같은 무기산; 메탄술폰산, p-톨루엔술폰산과 같은 유기 술폰산; 테트라알콕시티탄 화합물 (예를 들어, 테트라부톡시티탄) 및 산화주석(IV)과 같은 티탄, 주석(IV) 또는 지르코늄 화합물과 같은 루이스산을 포함한다.

유효량의 에스테르화 촉매를 사용하며, 유효량은 산 성분 (또는 무수물)과 알콜 성분의 총량을 기준으로 하여 통상적으로는 0.05 내지 5 중량％, 바람직하게는 0.1 내지 1 중량％이다.

산 성분 또는 그의 무수물, 알콜 성분 및 에스테르화 촉매의 혼합물은 비점으로 가열한다. 이 목적을 위해 요구되는 압력 및 온도 조건은 사용되는 알콜 성분에 크게 의존한다. 주어질 수 있는 일반적인 안내 지침은 140 내지 220 ℃와 0.3 내지 2 bar의 압력이다. 반응시키는 동안 온도를 올리거나, 압력을 낮추는 것이 때때로 유리하다.

통상적으로 사용되는 가열가능한 반응기 중 어느 것 (예를 들어, 교반 탱크 반응기)이나 본 발명의 방법에 적합하다.

알콜과 물을 포함하는 증기를 정류에 의해 분리하기 위해 컬럼으로 복귀시키고, 컬럼의 하단에서 배출되는 생성물 (즉, 바닥 생성물)을 알콜이 풍부한 분획으로서 반응 대역으로 복귀시키고, 증류물을 물이 풍부한 분획으로서 공정에서 제거 하는 방법이 유리하다.

컬럼은 팩킹된 컬럼 또는 단컬럼과 같이 숙련가들에게 공지된 통상적인 컬럼일 수 있다. 팩킹된 컬럼은 유리재, 세라믹재 또는 금속재 (예를 들어, 라시히링(Raschig ring), 새들, 비드, 스파이럴, 기타 링 등)일 수 있다. 컬럼의 적합한 이론단수는 예를 들어 8 내지 12이다. 컬럼의 하단은 반응 대역의 증기 공간과 연결되어 기체를 통과시킨다. 컬럼의 상단에서 나오는 정류된 모든 증기가 응축되는 방법이 유리하다. 응축물 중 일부 또는 모두를 증류물로서 제거한다. 증류물로서 제거하지 못한 일부를 런백(runback)으로서 컬럼에 복귀시킨다. 특히 유리한 런백 (R/D) 비율은 1:2 내지 1:10으로 본 발명에서 밝혀냈다. 응축물이 2 상을 형성하는 경우, 유기상을 완전히 재순환시키고, 수성상을 적어도 일부 제거하는 것이 유용하다.

본 발명의 목적상, 용어 "알콜이 풍부한" 분획 및 "물이 풍부한" 분획은 각각의 분획이 반응 대역으로부터 회수한 증기의 조성에 비해 알콜이 풍부하거나 또는 물이 풍부하다는 것을 의미한다. 알콜이 풍부한 분획의 알콜 함량은 바람직하게는 80 중량％ 이상, 특히 95 중량％ 이상이다. 사실상 순수한 알콜이 특히 바람직하다.

일단 목적하는 전환을 달성하면, 반응을 회분식으로 조작하는 경우 일반적으로 중단시키고, 과량의 알콜 성분을 증류해낸다. 목적하는 에스테르를 예를 들어 잔류물로부터 촉매 또는 가수분해 생성물을 제거하기 위한 추출 후 증류하는 등의 통상적인 방법을 사용하여 잔류물에서 단리할 수 있다. 별법으로서, 본 발명의 방 법은 연속적으로 수행할 수 있으며, 이 목적상 주요 반응 대역 및 반응후 대역의 배치 또는 계단식 반응 대역을 사용하는 방법이 유리하다. 여기서, 1 개 이상의 반응 대역 및 바람직하게는 주요 반응 대역으로부터 증기가 기술한 바와 같이 분리되며, 각 반응기의 증기는 그 자체로 정류되거나, 또는 함께 합쳐져서 정류된다. 알콜이 풍부한 분획의 런백은 각 반응 대역에서 발생하거나, 또는 이 분획은 각각의 반응 대역 중에서 필요에 따라 분리된다.

물이 풍부한 분획에 존재하는 알콜 성분을 이용하기 위해 물이 풍부한 분획을 후처리하는 방법이 유리하다. 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르를 사용하는 경우에서처럼, 물이 풍부한 분획의 조성은 알콜 성분이 물과 혼화되어 있지 않은 영역내에 있다는 사실을 종종 이용할 수 있다. 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르의 경우, 43 ℃ 내지 133 ℃에서만 비혼화성 영역이 생긴다. 그러므로, 적합한 방법은 물이 풍부한 분획의 온도를 언급한 범위내, 바람직하게는 약 60 내지 90 ℃, 특히 70 내지 80 ℃로 유지하는 것이며, 이 경우 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르의 함량이 약 60.3％인 유기상과, 물의 함량이 약 90.4 중량％인 수성상으로 된다. 유기상 및(또는) 수성상은 목적하는 경우 통상적인 방법으로 추가로 정제할 수 있다.

이제, 하기 실시예를 들어 본 발명을 더욱 예시하고자 한다.

실시예 1:

프탈산 무수물 444 g (3 mol) 및 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 1063.8 g (9 mol)를 컬럼 헤드 및 응축기가 있는 길이 60 cm의 팩킹된 컬럼과 런백 분리기가 상부에 장착된 2 ℓ3구 플라스크에서 테트라부톡시티탄 (혼합물을 기준으로 하여 0.8 중량％)과 함께 상당 수준의 런백이 런백 분리기에서 수행될 때까지 비점으로 가열하였다. 이후, 정류된 증기로부터 응축물의 일부를 99 ℃의 온도에서 제거하였다. 120 분 후, 합계 75 ml의 응축물을 제거했으며, 플라스크 내용물 중의 산 함량을 측정하여 판명한 산가는 0.056 mg KOH/g이었다.

비교예 1:

팩킹한 컬럼 대신에, 물 분리기를 플라스크에 장착하고, 물 분리기의 상 분리기가 자켓을 씌운 용기인 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복했다. 자동온도조절장치로 88 ℃를 유지시켰다. 상층을 연속적으로 플라스크에 런백하였다. 300 분 후, 플라스크 내용물의 산가는 9.6이었고, 540 분 후에는 0.12이었다.

실시예 2:

아디프산 451 g (3.1 mol) 및 n-헥산-1-올 792 g (7.75 mol)을 교반기가 있고 상부에 50 cm 컬럼과 컬럼 헤드가 장착된 2 ℓ3구 플라스크에 넣었다. 메탄술폰산 0.5％를 촉매로서 첨가하고, 혼합물을 비점으로 가열하였다. 응축물을 유기상 및 수성상으로 분리하였다. 컬럼 헤드를 조작하는 방식은 모든 유기상을 런백으로 사용하는 동시에, 수성상을 런백으로 사용하면서 컬럼 헤드에서 제거하는 것이었다. 컬럼 헤드 온도는 95 ℃ 내지 100 ℃였다. 110 분 후, 플라스크 내용물의 산가는 0.35이었다.

비교예 2:

컬럼을 물 분리기로 대체한 것을 제외하고는 실시예 2를 반복했다. 모든 유 기상을 런백으로 사용하면서, 수성상을 제거했다. 240 분 후, 플라스크 내용물의 산가는 0.7이었다.

Claims

a) 산 성분 또는 그의 무수물과 알콜 성분을 주성분으로 하는 혼합물을 반응 대역에서 에스테르화 촉매의 존재하에 비점으로 가열하는 단계,

b) 알콜과 물을 포함하는 증기를 정류시켜 알콜이 풍부한 분획과 물이 풍부한 분획으로 분리하는 단계,

c) 알콜이 풍부한 분획을 반응 대역으로 복귀시키고, 물이 풍부한 분획을 공정에서 제거하는 단계에 의해, 다염기 C₄-C₁₀ 카르복실산 중에서 선택된 산 성분과, n-헥산올-1,2-에틸헥산올 및 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 중에서 선택된 알콜 성분의 에스테르를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 알콜과 물을 포함하는 증기를 분리하기 위해 컬럼에 통과시키고, 컬럼의 하단에서 배출되는 생성물을 알콜이 풍부한 분획으로서 반응 대역으로 복귀시키고, 증류물을 물이 풍부한 분획으로서 공정으로부터 제거하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 산 성분이 프탈산과 아디프산 중에서 선택된 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 에스테르교환 촉매가 무기산, 유기 술폰산 및 루이스산 중에서 선택된 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 알콜 성분이 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르이고, 산 성분의 무수물이 프탈산 무수물인 방법.
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