KR100813173B1 - 티오메틸페놀 유도체의 제조방법 - Google Patents

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김진억
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Abstract

본 발명은 티오메틸페놀 유도체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 헤테로 고리형 아민의 염기(base)와 산(acid)이 동시에 존재하는 조건하에서, 페놀 유도체, 메르캅탄 유도체 및 파라포름알데히드를 반응한 다음, 일정량의 산을 사용하여 정제하여 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 방법으로 종래에 비해 매우 낮은 변색 특성을 갖는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법에 관한 것이다.
티오메틸페놀 유도체, 산 정제, 변색

Description

티오메틸페놀 유도체의 제조방법{A method for preparing thiomethylphenols}
본 발명은 티오메틸페놀 유도체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 헤테로 고리형 아민의 염기(base)와 산(acid)이 동시에 존재하는 조건하에서, 페놀 유도체, 메르캅탄 유도체 및 파라포름알데히드를 반응한 다음, 일정량의 산을 사용하여 정제하여 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 방법으로 종래에 비해 매우 낮은 변색 특성을 갖는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법에 관한 것이다.
티오메틸페놀은 플라스틱, 엘라스트로머, 미네랄오일, 합성오일에 중요한 산화방지제로 널리 사용되고 있다.
티오메틸페놀 유도체를 제조하는 방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 2-(디메칠아미노메칠)-4-메칠페놀을 티오아세트산 S-에틸에스터와 반응시켜 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 것이 미국특허 제4,091,037호에 기술되어 있다. Zn(OAc)2 존재하에 페놀, 파라포름알데히드, 메르캅탄 유도체와 반응시켜 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 것이 미국특허 제4,304,940호에 기술되어 있다. 또한, 모노-, 디, 또는 트리메틸아민 또는 모노- 또는 디에틸아민과 같은 염기와 N,N-디메틸포름아미드 같은 용매 존재하에 155 ℃에서 2시간동안 포름알데히드 및 메르캅탄 유도체와 반응에 의해 티오메틸페놀 유도체의 황색 액체를 제조하는 것이 한국특허공고 제1995-9748호와 미국특허 제4,874,885호에 기술되어 있다.
이외에도 모노, 디, 또는 트리메틸아민이나 모노 또는 디에틸아민과 같은 염기 존재하에 용매없이 130 ℃에서 3.5시간동안 포름알데히드 및 메르캅탄 유도체와 반응한 후 반응생성물을 90 ℃에서 7시간동안 환원제로 처리하여 티오메틸페놀 유도체를 제조, 정제하는 것이 한국특허공개 제2001-0000988호와 미국특허 제6,365,781호에 기술되어 있다. 이때, 염기는 단지 모노-, 또는 디메틸아민, 또는 모노- 또는 디에틸아민에 제한되어 사용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 제조방법은 반응온도가 높고 반응시간이 긴 제조방법상의 문제도 있지만, 반응공정 및 정제공정에서 염기의 산화에 의해 변색이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명자들은 종래 티오메틸페놀 유도체의 변색으로 인한 상품성 저하 등의 문제를 개선하고자 연구 노력하였다. 그 결과, 염기 존재하에서 페놀 유도체, 메르캅탄 유도체 및 파라포름알데히드로부터 제조된 티오메틸페놀 유도체에, 일정량의 산을 첨가하여 정제과정을 수행하면, 상기 반응과정에서 생성된 중간체인 아미노메탄올을 분해하거나 중화작용으로 제거함으로써 변색특성이 완화되어 무색 을 특성을 갖는 티오메틸페놀 유도체를 얻을 수 있다는 사실을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 산을 이용한 정제과정으로 변색현상이 개선된 티오메틸페놀 유도체의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
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본 발명은 탄소수 4 ~ 10의 헤테로 고리형 아민의 염기(base)와 산(acid)이 동시에 존재하는 조건하에서, 다음 화학식 2로 표시되는 페놀 유도체, R2SH로 표시되는 메르캅탄 유도체, 및 파라포름알데히드를 반응시켜 다음 화학식 1로 표시되는 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 단계와, 상기에서 제조된 반응생성물에 염기 1 당량을 기준으로 산(acid)을 1 ~ 50 당량 범위로 세척하는 정제 단계를 포함하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법에 그 특징이 있다.
Figure 112007073730540-pat00001
Figure 112006071707349-pat00002
상기 화학식 1 및 2에서, R1 는 수소원자, 또는 C1 ∼ C16의 직쇄 또는 분쇄 알킬기, 방향족을 포함하는 알킬기, R2는 C1 ∼ C16의 직쇄 또는 분쇄 알킬기, 방향족을 포함하는 알킬기를 나타내고, X은 H, -(CH2)n-, -CMe2-, -Y-를 나타내고, 이때, Y는 벤젠, 비페닐, 톨루엔, 나프탈렌의 방향족 화합물 또는 1개 이상의 알킬기로 치환된 방향족 화합물을 나타내고, n은 0 또는 1 ∼ 8의 정수이고, m은 0 또는 1을 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래의 염기하에서 페놀 유도체, 메르캅탄 유도체, 및 파라포름알데히드를 반응시켜 제조된 상기 화학식 1의 티오메틸페놀 유도체가 반응과정에서 형성된 중간체인 아미노메탄올에 의해 변색되는 문제를 개선하고자 상기 반응으로 얻어진 생성물에 일정량의 산을 사용한 정제과정으로 상기 아미노메탄올을 분해하거나 중화작용을 통해 제거하여 무색의 티오메틸페놀 유도체를 얻는 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 티오메틸페놀 유도체의 제조는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 특별히 한정하지는 않는 바, 염기(base)하에서, 다음 화학식 2로 표시되는 페놀 유도체, R2SH로 표시되는 메르캅탄 유도체, 및 파라포름알데히드를 반응시켜 제조한다.
먼저, 반응의 원료로 사용되는 상기 화학식 1로 표시되는 페놀 유도체, 메르 캅탄 유도체 및 파라포름알데히드는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으며, 구체적으로, 페놀 유도체는 o-크레졸, p-크레졸, 4-부틸페놀 및 비스페놀 등이 사용될 수 있고, 메르캅탄 유도체는 옥탄메르캅탄, 데칸메르캅탄, 도데칸메르캅탄, 벤질메르캅탄 및 티오페놀 등이 사용될 수 있다.
상기 반응원료는 다음 화학식 1로 표시되는 티오메틸페놀 유도체를 형성할 수 있는 당량비로 사용하는 바, 구체적으로 페놀 유도체 1 당량에 대하여 파라포름알데히드 2 ∼ 3 당량범위, 바람직하기로는 2 ∼ 2.5 당량범위와 메르캅탄 유도체는 2 ∼ 3 당량범위, 바람직하기로는 2 ∼ 2.5 당량범위로 사용한다. 상기 파라포름알데히드의 사용량이 2 당량 미만이면 미반응으로 인해 모노티오메틸페놀과 디티오메틸페놀의 혼합물이 생성되고 3 당량을 초과하는 경우에는 정제시간이 길어지는 문제가 발생하고, 메르캅탄 유도체의 사용량이 2 당량 미만이면 미반응으로 인해 모노티오메틸페놀과 디티오메틸페놀의 혼합물이 생성되고 3 당량을 초과하는 경우에는 부산물이 많아지고 정제시간이 길어지는 문제가 발생한다.
상기 염기는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 지방족 또는 방향족 2차 아민염기, 구체적으로 탄소수 1 내지 6의 디알킬아민, 디벤질아민, 탄소수 1 내지 6의 벤질알킬아민, 디알콜아민, 헤테로싸이클릭아민, 이미다졸 등이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 피페리딘, 피롤리딘, 피페라진, 벤질메틸아민, 디벤질아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 및 이미다졸 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 이러한 염기는 페놀 유도체 1 당량에 대하여 0.05 ∼ 0.5 당 량 범위, 바람직하기로는 0.1 ∼ 0.3 범위로 사용하는 바, 상기 사용량이 0.05 당량 미만이면 반응시간이 길어지고 0.5 당량을 초과하는 경우에는 반응시간이 짧아지나 부산물이 많아지는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
추가로, 반응온도 및 시간 등의 반응조건을 종래보다 온화하게 하기 위하여 반응 시에 상기 염기와 동시에 산을 사용할 수 있다. 또한, 상기 반응은 반응용매를 사용하거나 전혀 사용하지 않는 무 용매 어느 조건에서도 수행이 가능하다. 이러한 반응에 사용되는 산은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으며, 이는 하기의 정제공정에서 사용되는 산의 종류와 동일하다. 상기 산은 염기 1 당량에 대하여 0.01 ∼ 0.9 당량 범위, 바람직하기로는 0.4 ∼ 0.8 당량 범위로 사용하는 바, 사용량이 0.05 당량 미만이면 산의 효과가 전혀 없고 0.9 당량을 초과하는 경우에는 염기의 역할을 전혀 할 수 없는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
본원발명과 같이 헤테로 고리형 아민의 염기와 산이 동시에 사용하면, 반응물인 염기와 파라포름알데히드로부터 1차로 생성된 중간체인 아미노메탄올이 산에 의해 반응성이 큰 이민으로 전환되어 페놀과 반응성을 극대화시키게 되며, 염기의 산화를 방지한다. 또한, 본원발명의 헤테로 고리형 아민은 인용발명에서 사용된 직쇄형 2차 아민에 비해 두 분자간의 반응을 위한 공간 방해를 최소화시켜 반응속도를 보다 향상시키는 효과 발현이 가능하다.
또한, 상기 반응은 용매를 사용하거나 용매없이 수행할 수 있는 바, 용매를 사용하는 경우 반응용매로는 물 및 알코올 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 알코올은 구체적으로 탄소수 1 ∼ 6의 저급알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 반응용매는 반응 수행에 적합한 범위로 상기 염기 1 당량에 대하여 염기 1 당량에 대하여 0.5 ∼ 50 당량 범위, 바람직하기로는 1 ∼ 20 당량 범위로 사용하는 바, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 반응수행 및 반응속도에 문제가 있어 반응성이 떨어지므로 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
상기 티오메틸페놀 유도체의 제조 시 반응조건은 통상적으로 염기의 종류에 따라 120 ∼ 150 ℃에서 3 ∼ 6 시간동안 수행되나, 상기 산과 염기가 동시에 사용되는 경우에는 산의 효과에 의해 보다 온화한 조건인 90 ∼ 150 ℃, 바람직하기로는 90 ∼ 120 ℃에서 0.5 ∼ 2.5 시간, 바람직하기로는 1 ∼ 2 시간동안의 범위내에서도 반응의 수행이 가능하다.
상기 반응온도가 50 ℃ 미만이면 반응이 원활하게 수행되지 못하여 미반응이 일어나고, 150 ℃를 초과하는 경우에도 반응이 잘 진행되고 변색도 발생하지 않으나, 경제성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 반응시간이 1 시간 미만이면 반응을 위한 충분한 시간이 없어 미 반응이 일어나고 2 시간을 초과하는 경우에도 변색은 발생하지 않으나, 효율성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같이 제조된 티오메틸페놀 유도체를 정제하는 것으로서, 반응과정에서 생성된 중간체인 아미노메탄올이 유기층에 잔류되어 있어, 정제과정에서 상기 중간체인 아미노메탄올이 산화되어 변색이 되기가 용이하므로 이를 개선하기 위하여 정제하는 것인데, 이때 정제공정은 일정량의 산을 첨가하여 아미노메탄올을 분해하거나 제거하여 티오메틸페놀 유도체를 정제하는 방법에 기술구성상의 특징이 있다.
상기 정제 공정 시 첨가하는 산은 유기산 및 무기산 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 유기산은 카르복실산, 황산, 인산 중에서 선택된 작용기를 갖는 지방족 및 방향족 유기산을 단독으로 사용하거나, 또는 알킬기(alkyl), 알케닐기(alkenyl), 아릴기(aryl), 하이드록시기, 티올기, 아민기, 에테르기, 에스터기, 아미드기, 케톤기, 알데히드기, 에테르기, 카르복실기, 설폰기, 인산기 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 기능기와 카르복실산, 황산, 인산 중에서 선택된 작용기를 동시에 갖는 지방족 및 방향족 유기산을 사용할 수 있다.
상기 무기산은 인산 또는 헤테로 산을 사용할 수 있으며, 상기 헤테로산은 두 개 이상의 산소 산으로 구성된 복합 무기산으로 구체적으로 클레이(clay), 양이온교환수지를 사용할 수 있다. 상기에서 언급된 산은 반응 시와 동일한 종류를 사용할 수 있는 바, 바람직하기로는 정제공정에서는 무기산, 반응 시에는 유기산을 사용하는 것이 좋다.
상기 정제 시 사용되는 산은 염기 1 당량에 대하여 1 ∼ 50 당량 범위, 바람직하기로는 3 ∼ 10 당량 범위로 사용하는 바, 사용량이 1 당량 미만이면 변색 가능성이 있으나 50 당량을 초과하는 경우에도 변색이 발생하지 않는다. 만일 용매를 사용하는 경우에는 반응에서 사용된 용매와 동일한 것을 사용할 수 있다. 이때, 용매는 산 1 당량에 대하여 0.1 ∼ 10 당량 범위로 사용하는 것이 좋다.
상기 산에 의해 정제된 티오메틸페놀 유도체 원액의 황색지수(YI)는 1 ∼ 15 범위, 바람직하기로는 1 ∼ 8 범위를 유지한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1 : 2,4-비스(n-옥틸티오메틸)-6-메틸페놀의 제조
o-크레졸 (6.8 g), 파라포름알데히드 (4 g), n-옥탄티올 (18.5 g), 피페리딘 (0.2 당량) 혼합액, 용매로 물 (2 당량)에 아세트산 (0.2 당량)을 첨가한 후, 적절한 반응온도에서 1 시간 반응시켜 반응생성물을 얻었다. 반응생성물로부터 분리된 유기층을 감압농축하여 농축된 액체의 티오메틸페놀 유도체를 얻었다.
제조예 2 ∼ 6 : 2,4-비스(n-옥틸티오메틸)-6-메틸페놀의 제조
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 염기의 종류, 산의 종류 및 반응조건을 달리하여 액체의 티오메틸페놀 유도체를 얻었다.
Figure 112007073730540-pat00005
실시예 1 ∼ 3
상기 제조예 2에서 얻어진 반응생성물로부터 분리된 유기층을 다음 표 2에 나타낸 바와 같이 다양한 산으로 세척을 수행한 후 1 시간동안 감압하여 농축된 무색 액체의 티오메틸페놀 유도체를 얻었다. 이때, 농축된 생성물 원액의 투과도는 UV-vis 스펙트로메타의 425 nm에서 측정하였고 변색은 농축된 생성물 원액의 황색지수(yellowness index: YI)을 측정함으로써 결정하였다.
비교예
상기 제조예 2에서 얻어진 반응생성물로부터 분리된 유기층을 산 처리 없이 감압 농축하여 노란색 액체의 티오메틸페놀 유도체를 얻었다.
Figure 112007073730540-pat00006

상기 표 2에서 나타낸 바와 같이 실시예 1 ∼ 3은 산 처리한 후 감압농축한 결과 무색 액체의 반응생성물을 얻은 반면에 비교예는 정제과정을 수행하지 않고 감압 농축한 결과 연노란색 액체의 반응생성물을 얻었다. 정제과정을 수행하지 않은 경우에는 색을 나타내므로 투과도가 현저히 낮으며 황색지수 범위로 높다는 것을 확인할 수 있었다.
삭제
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 염기하에서 제조된 티오메틸페놀 유도체를 산을 이용한 정제과정을 수행하여 반응 및 정제과정에서 상기 염기에 의한 산화를 방지시켜 변색성이 저하되므로 다양한 분야에서 무색의 티오메틸페놀 유도체의 적용이 기대된다.

Claims (9)

  1. 탄소수 4 ~ 10의 헤테로 고리형 아민의 염기(base)와 산(acid)이 동시에 존재하는 조건하에서, 다음 화학식 2로 표시되는 페놀 유도체, R2SH로 표시되는 메르캅탄 유도체, 및 파라포름알데히드를 반응시켜 다음 화학식 1로 표시되는 티오메틸페놀 유도체를 제조하는 단계와,
    상기에서 제조된 반응생성물에 염기 1 당량을 기준으로 산(acid)을 1 ~ 50 당량 범위로 세척하는 정제 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
    [화학식 2]
    Figure 112007073730540-pat00003
    [화학식 1]
    Figure 112007073730540-pat00004
    상기 화학식 1 및 2에서, R1 는 수소원자, 또는 C1 ∼ C16의 직쇄 또는 분쇄 알킬기, 방향족을 포함하는 알킬기, R2는 C1 ∼ C16의 직쇄 또는 분쇄 알킬기, 방향족을 포함하는 알킬기를 나타내고, X은 H, -(CH2)n-, -CMe2-, -Y-를 나타내고, 이때, Y는 벤젠, 비페닐, 톨루엔, 나프탈렌의 방향족 화합물 또는 1개 이상의 알킬기로 치환된 방향족 화합물을 나타내고, n은 0 또는 1 ∼ 8의 정수이고, m은 0 또는 1을 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 단계는 염기(base) 1 당량에 대하여 산(acid)을 0.01 ~ 0.9 당량 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 단계는 염기 1 당량에 대하여 용매를 0.5 ~50 당량 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 염기는 피페리딘, 피롤리딘, 피페라진 및 이미다졸 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 산은 유기산 및 무기산 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유기산은 카르복실산, 황산 및 인산 중에서 선택된 작용기를 갖는 지방족 및 방향족 유기산 또는 알킬기(alkyl), 알케닐기(alkenyl), 아릴기(aryl), 하이드록시기, 티올기, 아민기, 에테르기, 에스터기, 아미드기, 케톤기, 알데히드기, 에테르기, 카르복실기, 설폰기 및 인산기 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 기능기와 카르복실산, 황산 및 인산 중에서 선택된 작용기를 동시에 갖는 지방족 및 방향족 유기산인 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 무기산은 인산 또는 헤테로 산인 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 정제 단계의 산(acid)은 용매에 용해하여 사용하거나 용매없이 사용하는 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 정제된 티오메틸페놀 유도체는 황색지수(YI)가 1 ~ 15 범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 티오메틸페놀 유도체의 제조방법.
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