KR101088458B1 - 이치환 우레아의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향족 모노니트로화합물, 방향족 1급 아민, 일산화탄소, 촉매인 니켈 착화합물 및 수분 흡착제의 존재 하에서 반응시켜서 하기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아를 제조방법에 관한 것으로 보다 구체적으로, 상기 니켈 화합물은 일반식 NiX₂(L-L)로 표시되는 니켈착화합물이며, 여기서 X는 할로겐, NO₃, OCOCH₃, OCOCF₃이고, L-L은 바이덴테이트 리간드로서 일반식 Ph₂P(CH₂)nPPh₂로 표시되며 여기서 Ph는 페닐이고 n은 2 내지 5의 정수인 화합물이며 수분 흡착제로서는 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 황산마그네슘을 사용하는 것을 특징으로 하는 N,N´-이치환 우레아의 제조방법을 제공하는 것이다.
[ 화학식 1 ]

[상기 화학식 1에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]

Description

이치환 우레아의 제조방법{A process for the preparation of N,N'-disubstituted ureas}

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 N,N´-이치환 우레아를 제조하는 방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 방향족 모노니트로 화합물, 방향족 1급 아민 및 일산화탄소를 촉매인 니켈 착화합물과 수분 흡착제의 존재하에 반응한 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법에 관한 것이다.

[화학식 1]

N,N´-이치환 우레아는 농약 및 의약품의 원료로 사용되는 유용한 물질로서, 이들을 편리하고도 경제적으로 제조하고자 하는 연구가 꾸준히 계속 되어져 왔다.

예컨대, 일본 특허 공고 소 53-41123호 및 일본 특허 공개 소 58-144363 호는 고온, 고압하에서 아민을 일산화탄소 및 산소와 반응시켜서 N,N´-이치환 우레아를 제조하는 방법을 개시하였다. 그러나, 이 방법은 기상 반응물이 일산화탄소와 산소로 두 가지여서 연속 반응시 두 기체의 분압 조절이 어렵고 산소를 사용하므로 폭발 위험성이 따르는 단점이 있었다.

또한 일본 특허 공개 소 62-59253 호는 아민을 일산화탄소 및 니트로화합물과 반응시켜 N,N´-이치환 우레아를 제조하는 방법을 개시하였는데, 이 방법에서 로듐(Rh) 및 류테늄(Ru)등의 값비싼 촉매를 사용해야 하며 원하는 수율과 선택도를 얻기 위해서는 160 이상의 고온 및 충분한 반응 시간이 요구되며 생성되는 N,N´-이치환 우레아의 성상이 깨끗하지 못하고 촉매가 반응 온도 부근에서 열에 불안정하여 촉매의 비활성화를 가져오는 단점이 있었다.

상기 단점을 해결하기 위해서, 미합중국 특허 제 5,091,571 호에서는 방향족 모노니트로화합물과 방향족 1급 아민 및 일산화탄소, 그리고 리간드로서 주개원자(donor atom)를 가지고 있는 모노덴테이트(monodentate)로 구성된 주촉매인 팔라듐 화합물과 조촉매인 할로겐원소를 함유하는 암모니움염 또는 포스포니움염 존재하에서 반응시켜 N,N´-이치환 우레아를 합성하는 방법을 제시하였다. 그러나, 이 방법은 고가의 팔라듐화합물을 촉매로 사용하며 조촉매를 사용해야 하는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 간편하고 경제적인 N,N´-이치환 우레아의 제조방법을 제공하고자 한다. 보다 상세하게는 N,N´-이치환 우레아를 제조함에 있어 니켈 화합물 촉매, 바이덴테이트 리간드, 수분 흡착제를 사용하여 이치환 우레아를 높은 수율로 합성할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

이에 본 발명자들은 상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 니켈 착화합물을 촉매로 사용하여 상기 화학식 1 로 표시되는 N,N´-이치환 우레아를 제조함에 있어 리간드로 주개원자(donor atom)를 두개 지니고 있는 바이덴테이트(bidentate) 리간드를 사용하고 반응 중 생성되는 수분을 제거하기 위한 흡착제를 사용함으로서 이치환 우레아의 수율이 극대화되고 반응 시간이 획기적으로 단축되어 경제성을 향상시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 방향족 모노니트로 화합물, 방향족 1급 아민, 일산화탄소, 촉매인 니켈 착화합물 및 수분 흡착제의 존재하에 반응하여 제조한 N,N´-이치환 우레아를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 방향족 모노니트로 화합물, 방향족 1급 아민, 일산화탄소, 촉매인 니켈 화합물 및 수분 흡착제의 존재하에 반응하여 하기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법을 제공한다.

[화학식 1]

[상기 화학식 1에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]

상기 방향족모노니트로 화합물은 하기 화학식 2로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.

[화학식 2]

Ar-NO₂

[상기 화학식 2에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]

본 발명에 따른 방향족 모노니트로화합물로는 니트로벤젠, 니트로나프탈렌류, 니트로안트라센류, 니트로비페닐류 등이 있고, 보다 구체적인 화합물로는 니트로벤젠, o-클로로니트로벤젠, m-클로로니트로벤젠, p-클로로니트로벤젠, 1-브로모-4-니트로벤젠, 2-클로로-6-니트로톨루엔, 4-클로로-3-니트로톨루엔, 1,4-디클로로-2-니트로벤젠, 3,4-디클로로-1-니트로벤젠, 1,2,4-트리클로로-5-니트로벤젠으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 따른 방향족 1급 아민으로는 아닐린류, 아미노나프탈렌류, 아미노안트라센류, 아미노비페닐류등이 있고, 보다 구체적인 화합물로는 아닐린, o-클로로아닐린, m-클로로아닐린, p-클로로아닐린, α-또는 β- 나프탈아민, 2-메틸-1-아미노나프탈렌, 아미노톨루엔으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 방향족 1급 아민은 본 발명의 반응에서 반응물뿐만 아니라 촉매성분을 용해시켜 주는 용매로도 사용될 수 있으므로 보통 방향족 모노니트로 화합물에 대하여 과량, 바람직하게는 2몰 배 이상으로 사용한다. 이러한, 방향족 1급 아민을 과량 사용함으로서 촉매의 비활성화를 방지하고, 촉매회수가 용이한 효과가 있다.

본 발명에 따른 주 촉매인 니켈 화합물은 2가 상태의 니켈 원소를 함유한 것으로서, 일반식 NiX₂(L-L)로 표시되는 니켈 착화합물이다. 여기서 X는 할로겐, NO₃, OCOCH₃, OCOCF₃ 등을 나타내며, L-L은 바이덴테이트 리간드를 나타낸다. 본 발명의 바이덴테이트 리간드는 일반식 Ph₂P(CH₂)nPPh₂로 표시되며, 여기서 Ph는 페닐이고, n은 2 내지 5의 정수이다.

상기 NiX₂(L-L)인 니켈 착화합물은 합성 후에 반응기에 투입하여도 좋고 전구체인 NiX₂와 바이덴테이트 리간드인 (L-L)을 따로 투입하여도 좋은데 후자의 경우에는 다음 반응식에 의하여 NiX₂(L-L)가 in-situ로 반응기 내에서 합성된다.

NiX₂ + (L-L) -----> NiX₂(L-L)

상기 니켈 촉매 전구체의 양은 반응시에 완전히 용해되어 액상으로 존재하도록 각 성분의 용해도, 반응온도 ,용매의 종류 및 사용량 등을 반응 조건에 따라 조절해 주는 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 니켈 촉매 전구체는 방향족 모노니트로화합물에 대하여 1/10 내지 1/3000 몰배의 함량으로 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 바이덴테이트 리간드로는 1,2-비스(디페닐포스피노)에탄, 1,3-비스(디페닐포스피노)프로판, 1,4-비스(디페닐포스피노)부탄, 1,5-비스(디페닐포스피노)헵탄으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 바이덴테이트 리간드는 니켈 촉매 전구체인 NiX₂ 사용 몰 수에 대하여 1 내지 100배의 양을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1 내지 10배의 양이 좋다. 상기의 범위 함량을 사용하는 경우, 반응 시간이 대폭 단축됨은 물론 DPU의 선택도도 매우 높았다. 특히 바이덴테이트 리간드를 사용함으로서 모노덴테이트 리간드의 경우와 달리 조촉매인 할로겐원소를 함유하는 암모니움염 또는 포스포니움염을 사용하지 않고도 반응이 매우 빠르게 진행되는 효과가 나타난다.

이러한 바이덴테이트 리간드를 포함하는 NiX₂(L-L)형태의 니켈 착화합물 촉매는 촉매의 활성을 증진시킬 뿐만 아니라 촉매의 비활성화를 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따른 수분 흡착제로는 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 황산마그네슘으로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 수분 흡착제는 반응기에 직접 투입하여도 좋으나 바람직하게는 반응기의 상부에 흡수제가 장착된 컬럼을 설치하여 수분을 제거하는 것이 좋다. 또한, 상기 수분 흡착제는 방향족 모노니트로화합물에 대하여 무게비로 0.1 내지 100배의 양을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 상기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아를 합성하는 반응은 다음 반응식(1) 및 반응식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

ArNO₂ + ArNH₂ + 3CO ---> ArNHCONHAr + 2CO₂ (1)

ArNO₂ + 5ArNH₂ + 3CO ---> 3ArNHCONHAr + 2H₂O (2)

[상기 반응식 1과 반응식 2에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]

반응식(2)에서 보는 바와 같이 반응 중 수분이 발생하게 되는데 상기 수분 흡착제를 첨가함으로서 반응이 오른쪽으로 더 빠르게 진행되어 반응 시간이 획기적으로 단축됨은 물론 경제성을 향상시킬 수 있고 또한, 이치환 우레아의 수율이 극대화되는 효과가 있다.

본 발명에 따른 용매는 필요에 따라 사용하여도 좋고 사용하지 않아도 무방한데, 사용 가능한 용매로는 상기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아의 용해도가 크지 않은 비극성 용매가 적합하며 보다 구체적으로는 벤젠, 톨루엔, 자일렌 또는 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 용매는 방향족 모노니트로화합물에 대하여 무게비로 1 내지 100배의 양을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 반응은 상온 내지 200 ^oC의 범위 내에서, 바람직하게는 60내지 180 ^oC의 범위 내에서 진행시킨다. 반응 온도가 너무 낮으면 반응 속도가 느려 미반응 모노니트로 화합물의 양이 많아지게 되고, 반응 온도가 너무 높으면 촉매의 비활성화가 일어나 촉매의 활성이 떨어지거나 촉매가 분해된다.

반응 압력은 1기압 이상이면 가능하나, 바람직하게는 5 내지 100기압, 보다 바람직하게는 5 내지 80기압에서 반응시키는 것이 적합하다. 5기압 이하의 압력에서는 반응이 빨리 진행되지 않고, 100기압 이상의 압력에서는 장치비가 비싸지므로 경제성이 문제가 된다. 반응 시간은 5분 내지 30시간으로 하는 것이 좋으며, 사용되는 반응물의 종류, 반응압력, 온도 촉매의 종류 및 사용량에 따라 달라진다.

반응이 완결되면 상기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아는 용해도가 낮아 고체로 석출되고, 촉매 및 리간드는 미반응물 및 용매와 함께 액상에 존재하게 되므로 고체를 필터나 원심 분리기로 분리해 낸 후 세척해주면 촉매 및 리간드를 거의 완벽하게 회수할 수 있다. 생산된 N,N´-이치환 우레아를 높은 순도로 정제하고 촉매 및 리간드의 회수율을 높이기 위해서는, 여과로 얻어진 고체성분을 세척한 후 감압이나 가압, 원심분리기 등을 이용하여 여과해 줄 필요가 있다.

본 발명은 값이 싼 니켈 촉매를 사용하여 이치환 우레아를 높은 수율로 합성 할 수 있는 방법을 제공한다. 일반적으로 니켈 화합물은 일산화탄소를 반응물로 사용하는 카르보닐화 반응에서 활성이 매우 낮은 것으로 알려져 있으나 본 발명에서처럼 포스핀화합물을 바이덴테이트 리간드로 사용하고 수분 흡착제를 사용하여 반응 중 발생하는 수분을 제거하면 반응의 활성이 급격히 증가한다. 또한 대부분의 경우 이치환 우레아를 합성하기 위해서는 주촉매 및 리간드와 함께 조촉매를 사용하는 것이 필수적이나 본 발명에서 개발된 방법은 조촉매의 사용이 필요하므로 경제성이 매우 높은 장점이 있다.

본 발명은 이치환 우레아 제조 이외의 다른 카르보닐화 반응에도 응용이 가능하므로 산업적으로 매우 유용하다.

본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들이 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예에 기재된 반응은 모두 300 ml 오토클레이브에서 배치로 수행한 것이다. 반응물의 가열은 반응기의 외부에 장치한 가열기(heater)로 하였으며, 반응이 끝난 후, 반응기 내부에 장치된 냉각 코일을 따라 흐르는 냉각수에 의해 냉각시켰다. 생성물은 t-부틸벤젠을 내부표준물질로 사용하여 가스크로마토그래피와 고속 액체크로마토그래피로 분석하였다.

<실시예 1 내지 4>

300ml 용량의 오토클레이브에 건조된 제올라이트 2g(제조사 : Sigma-Aldrich)을 장착한 후 아닐린 27.9g(300 밀리몰), 니켈 아세테이트(Ni(CH₃COO)₂) 0.135g (0.601밀리몰), 표 1 에 나타낸 종류 및 양의 리간드, t-부틸벤젠(가스 크로마토그래피 분석을 위한 내부 표준 물질) 및 자일렌 60g을 투입하였다. 10기압의 일산화탄소로 기상 부분을 3회 치환한 후, 상온에서 이산화탄소로 40기압이 되게 하였다. 반응기를 교반 시키면서 온도를 올려 120 ^oC가 되게 하였다. 고압 정량 펌프에 의해 니트로벤젠 5.15g (50 밀리 몰)을 투입하여 표1에 나타낸 바와 같은 시간동안 반응시킨 후, 샘플링 밸브를 통하여 샘플을 취하여 가스 크로마토그래피로 분석하였다. 반응이 끝난 후 고상의 반응기를 상온까지 냉각시킨 뒤 가스를 배출시켰다. 반응물을 감압여과 한 후 고상의 생성물을 아닐린(18.6g, 200밀리 몰)과 자일렌(50g)으로 세척하고 건조하였다. 가스 크로마토그래피 분석결과 니트로벤젠은 검출되지 않았다. 반응 결과를 표 1에 나타내었다.

< 비교예1 >

제올라이트를 사용하지 않고 1시간 반응시킨 것을 제외하고는 실시 예1에서와 동일한 조건에서 반응시켰다. 그 결과 니트로벤젠의 전환율은 90%, N,N'-디페닐우레아의 수율은 87%였다.

<비교예2>

제올라이트를 사용하지 않고 1시간 반응시킨 것을 제외하고는 실시 예2에서와 동일한 조건에서 반응시켰다. 그 결과 니트로벤젠의 전환율은 85%, N,N'-디페닐우레아의 수율은 82%였다.

<비교예 3>

제올라이트를 사용하지 않고 2시간 반응시킨 것을 제외하고는 실시 예3에서와 동일한 조건에서 반응시켰다. 그 결과 니트로벤젠의 전환율은 80%, N,N'-디페닐우레아의 수율은 75%였다.

<비교예4>

제올라이트를 사용하지 않고 리간드로 트리페닐 포스핀(PPh₃) 3.48 밀리몰과 NEt₄Cl 1.8g을 사용하여 4시간 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 조건에서 반응시켰다. 그 결과 니트로벤젠의 전환율은 10% 였고 N,N'-디페닐 우레아의 수율은 5%였다.

<비교예5>

제올라이트를 사용한 것을 제외하고는 비교예 4에서와 동일한 조건에서 반응시켰다. 그 결과 니트로벤젠의 전환율은 20% 였고 N,N'-디페닐 우레아의 수율은 18%였다.

표 1. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 결과

상기 표 1의 결과에서도 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 실시예 4 와 비교예 1 내지 비교예 3에서 수분 흡착제인 제올라이트가 첨가된 N,N´-디페닐 우레아의 수율이 100%로 향상되고 반응시간이 20분 이하로 단축되어 경제성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 실시예 1과 비교예 5에서 바이덴테이트 리간드를 포함하는 니켈착화합물을 첨가한 N,N´-디페닐 우레아의 반응시간이 단축됨을 확인할 수 있었다. 이는 모노덴테이트 리간드보다 바이덴테이트 리간드가 조촉매를 사용하지 않고도 촉매의 성능과 활성을 획기적으로 증가시킴을 확인한 결과이다. 비교예 4와 5에서 보는 바와 같이 모노덴테이트 리간드를 사용한 경우에도 수분 흡착제를 사용하면 DPU의 수율이 증가하나 바이덴테이트 리간드를 사용한 경우에는 미치지 못함을 알 수 있었다. 특히, 바이덴테이트 리간드를 함유하는 니켈 착화합물과 수분 흡착제를 사용함으로서 수율이 향상되고, 부반응이 진행되지 않으며, 반응속도가 빨라지는 효과를 얻을 수 있었다.

Claims (5)

1. 하기 화학식 2의 방향족 모노니트로 화합물, 방향족 1급 아민, 일산화탄소, 촉매인 니켈 착화합물 및 수분 흡착제의 존재하에 반응하는 하기 화학식 1의 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법.
   [화학식 1]
   

   

   
   [상기 화학식 1에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]
   [화학식 2]
   Ar - NO ₂
   [상기 화학식 2에서 Ar은 비치환 방향족기; 할로겐, 탄소수 1 내지 4인 알킬, 탄소수 1 내지 4인 알콕시에서 선택되는 1종 이상의 치환기로 치환된 방향족기를 나타낸다.]
2. 제 1항에 있어서,
   상기 니켈 화합물은 일반식 NiX₂(L-L)로 표시되며, 여기서 X는 할로겐, NO₃, OCOCH₃ 및 OCOCF에서 선택되고; L-L은 바이덴테이트 리간드로서 일반식 Ph₂P(CH₂)nPPh₂ 로 표시되며, 여기서 Ph는 페닐이고 n은 2 내지 5의 정수인 화합물을 사용하는 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 바이덴테이트리간드는 니켈 촉매 전구체 NiX₂ 사용 몰수의 1 내지 100배의 양으로 사용하는 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 수분 흡착제는 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 황산마그네슘에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응은 비극성 용매 존재하에서 실행하는 N,N´-이치환 우레아의 제조 방법.