KR101233806B1

KR101233806B1 - 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법

Info

Publication number: KR101233806B1
Application number: KR1020100081839A
Authority: KR
Inventors: 문상진; 이종철; 소원욱; 신원석; 이상규; 김광제; 박동순
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2013-02-18
Also published as: KR20120021961A

Abstract

본 발명은 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트(3)를 탈수소화 커플링 반응에 의해 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 합성하고, 이를 가수분해한 후 산성화시켜 목적화합물인2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 회수하는 공정으로 이루어지며, 종래 고가의 루테늄계 촉매로 인한 탈수소화 커플링 반응을 수행하는 대신, Pd-C 촉매 조건하에서 최적의 반응조건으로 수행되어 종래 공정의 강산화제 및 황산 사용에 따른 후처리 문제를 배제하는 친환경적 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제조방법에 따라, 공정을 단순화시키는 동시에 고수율의 화합물을 제조할 수 있어 대량 생산에 유리한 경제적인 제조방법으로 활용할 수 있다. 나아가, 본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 고수율과 고순도의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산을 리간드로 함유한 염료감응 태양전지용 염료를 제공할 수 있다.

Description

2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법{IMPROVED METHOD FOR MANUFACTURING 2,2'-BIPYRIDINE-4,4'-DICARBOXYLIC ACID}

본 발명은 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트 출발물질을 탈수소화 커플링 반응에 의해 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르를 합성한 후, 이를 가수분해한 후 산성화시켜 목적화합물인 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산을 제조하는 것으로서, 종래 제조공정의 강산화제 및 황산 사용에 따른 후처리 문제를 배제하여 수행되는 친환경적 제조방법에 관한 것이다.

4,4'-이중치환-2,2'-비피리딘(4,4'-disubstituted-2,2'-bipyridine) 유도체들은 의약 및 농약 분야뿐만 아니라, 다양한 분야에서 중요한 출발물질 또는 중간체로서 사용되고 있다.

특히, 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid)은 염료 감응 태양전지에 사용되고 있는 대표적 염료인 시스-디(티오시아나토)-N,N'-비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산)루테늄(Ⅱ) (N3 염료)와 (시스-디(티오시아나토)-N,N'-비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산) 루테늄(Ⅱ)(테트라부틸 암모늄 하이드록사이드) (N719 염료) 등에 포함되어 있는 중요한 리간드이다.

이러한 리간드로서의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 종래 제조방법은 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 피리딜 할라이드(30)를 출발물질로 하여 전이금속을 촉매화한 크로스 커플링 반응을 통해 2,2'-비피리딘(20) 화합물을 제조한 후, CrO₃(Synthetic Communication, 1995, 4093) 또는 KMnO₄ (Org. Process Research & Development 2000, 4, 505-508, J. of Heterocyclic Chemistry 1990, 163) 등과 같은 강산화제를 이용하여 4-위치의 메틸기를 카르복실산의 작용기로 산화시켜 목적하는 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1) 화합물을 제조하는 방법이 일반적이다.

반면, 4-피콜린(picoline, 40)를 출발물질로 사용한 경우, 반응촉매로서 라니-니켈(Raney-nickel) (J. Am. Chem. Soc., 1961, 1347), Pd-C (J. Am. Chem. Soc., 1977, 4947, J. Am. Chem. Soc., 1980, 5543, J of Molecular Cat. A : Chemical 2000, 137 & 2008, 141), 디루테늄 착화합물 (J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 11006)등을 사용한 호모-커플링 반응에 의한 제조방법이 공지되어 있다.

그러나 종래 제조방법은 특히, 중간체 화합물(20)에서 목적화합물(1)로의 산화 과정에서 과량의 강산화제 CrO₃, KMnO₄ 사용으로 인하여 환경적인 문제와 CrO₃의 산화 반응시에 과량으로 사용되는 황산(H₂SO₄)의 후처리 문제 등이 수반된다. 이러한 문제점은 공업적으로 대량 생산 공정 시에 제약이 될 수 있으며 수율 측면에서도 한계가 있다는 지적을 받고 있다.

이에, 본 발명자들은 종래의 문제점을 해소하고자 노력한 결과, 종래 제조공정에 사용되는 과량의 CrO₃, KMnO₄ 등의 강산화제 및 황산 사용에 따른 후처리 문제를 해소한 친환경적이고, 공정을 단순화하여 대량 생산에 유리한 경제적인 제조방법을 제공함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 개선된 제조방법으로부터 얻어진 고수율 및 순수한 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산을 리간드로 함유한 염료감응 태양전지용 염료를 제공하는 것이다.

본 발명은 하기 반응식 1에 의해 수행되는 바와 같이, Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트(3)를 탈수소화 커플링 반응에 의해 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 합성하는 제1공정 및

상기 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물을 가수분해한 후 산성화시켜 목적화합물 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 회수하는 제2공정으로 이루어진 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제1공정에서, Pd-C 촉매는 에틸 이소니코티네이트(3) 대비 10 내지 20중량% 사용되어 상기 Pd-C 촉매 사용함량 1g 당, 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)의 생성물이 1 내지 1.5 g 합성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 제1공정은 Pd-C 촉매 첨가 후, 150℃ 내지 190℃에서 24시간내지 36시간 동안 수행되는 것이다.

또한, 상기 제1공정이 Pd-C 촉매 첨가 후, 30 내지 80 W 의 마이크로파가 10분 내지 60분 동안 조사되는 것으로 수행될 수 있다.

본 발명의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법에 따라, 종래 공정상 문제점인 강산화제 및 강산 사용을 배제하여 수행함으로써, 친환경적인 제조방법을 제공할 수 있다.

이에, 본 발명의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 개선된 제조방법은 종래 고가의 루테늄계 촉매로 인한 탈수소화 커플링 반응을 수행하는 대신, Pd-C 촉매 조건하에서 최적의 반응조건으로 수행됨으로써, 공정을 단순화시키는 동시에 고수율의 화합물을 제조할 수 있어 대량 생산에 유리한 경제적인 제조방법이다.

나아가, 본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 고수율과 고순도의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산을 리간드로 함유한 염료감응 태양전지용 염료를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 하기 반응식 1에 의해 수행되는 바와 같이,

Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트(3)를 탈수소화 커플링 반응에 의해2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 합성하는 공정 및

상기 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물을 가수분해한 후 산성화시켜 목적화합물 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 회수하는 공정으로 이루어진 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법을 제공한다.

반응식 1

상기 본 발명에 따른 제조방법을 공정별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제조방법에서 제1공정은 Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트(ethyl isonicotinate, 3)를 탈수소화 커플링(dehydrogenative coupling) 반응에 의해2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 합성하는 공정으로서, 종래 보고되지 않은 Pd-C 촉매에 의해 형성된 화합물은 반응 이후 비교적 간단한 과정에 의해 화합물(2)을 분리후 염기에 의한 가수분해를 통하여 목적화합물을 결정으로 회수할 수 있다.

상기 에틸 이소니코티네이트의 탈수소화 커플링(dehydrogenative coupling)에 의한 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)의 합성공정은 유일하게 공지(J. Am. Chem. Soc., 2007, 11006) 된 방법이 있으나, 상기 공지방법에서는 고가의 루테늄 착화합물(diruthenium complex)을 촉매로 사용하여 수행한 반면, 본 발명의 제1공정은 Pd-C 촉매조건 하에서 상기 공지방법 대비 상대적으로 고수율로 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물을 합성할 수 있다.

더욱 상세하게는 상기 사용된 Pd-C 촉매 1g 당 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물 1∼1.5g을 확보할 수 있다.

이때, 본 발명의 제1공정에서 사용되는 Pd-C 촉매는 출발물질 대비, 10 내지 20 중량% 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 10중량% 미만이면 생성된 화합물의 수율이 낮아 효율대비 바람직하지 않고, 20중량%를 초과하면 반응용액의 점도가 증가함에 따라 부반응 및 반응의 효율성에 대비하여 비경제적이다.

이에, 본 발명의 제1공정은 Pd-C 촉매를 사용함으로써, 고가의 촉매사용을 배제하면서도 높은 회수율로 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물을 제공함으로써, 공업적 대량생산에 적용 가능하다.

제1공정의 커플링 반응시 반응온도는 Pd-C 촉매 첨가 후, 150℃ 내지 190℃에서 수행한다. 이때, 반응시간은 24시간내지36시간 정도 수행한다.

또한, 본 발명의 에틸 이소니코티네이트(3)의 Pd-C촉매에 의한 탈수소화 커플링 반응은 30 내지 80W 의 마이크로파가 10분 내지 60분 동안 수행하여 반응시간을 단축할 수 있다.

상기 방법에 의한 커플링 반응이후 생성물을 셀라이트 패드(celite pad)를 통해 여과시킨다. 이때, 셀라이트 패드에 일부 걸러진 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)는 메틸렌 클로라이드로 세척하여 완전히 녹여 여액에 포함시킨다. 이후, 여액을 완전히 증류하여 미반응의 에틸 이소니코티네이트(ethyl isonicotinate)를 회수하고 남겨진 결정을 에틸아세테이트로 재결정하여 순수한 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 회수한다.

또한, 상기 단계에서 재결정하지 않고 생성된 결정을 냉각한 에틸아세테이트 또는 메탄올로 씻어준 후 건조시킨 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 1몰 기준으로 염기 3 내지 10몰 범위로 함유된 혼합용매에서 반응시킨다. 이때, 염기는 K₂CO₃, NaOH, KOH 등을 사용할 수 있으며, 혼합용매 조성으로는 메탄올, 물, 테트라하이드로퓨란을 혼합 사용할 수 있다.

이후, 상기 반응 용액을 1N-HCl을 이용하여 pH 5∼6 정도 조정하면서 결정을 석출시킨다. 상기 석출된 결정을 여과하여 건조하면, 원하는 목적화합물 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 회수할 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법은 반응공정이 기존의 알려진 반응조건의 강산화제 및 강산 후처리 공정을 배제하고, 온화한 조건에서 목적화합물 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 제조함으로써, 친환경적이고 반응 전 공정이 간단하며 수율 향상 효과가 크다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산 제조

공정1: 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)의 합성

에틸 이소니코티네이트(ethyl isonicotinate, 1.00mol, 3) 151㎖와 10중량%의 Pd/C 15g을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 170℃로 가열하여 36시간 반응시켰다. 반응 이후, 반응용액을 실온으로 식히고, 셀라이트(celite pad)를 이용하여 10 중량% Pd/C를 여과하여 제거하였다. 이후, 메틸렌클로라이드, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 순으로 세척한 후 여액을 증류하였다. 증류 후 남은 결정을 에틸 아세테이트를 이용하여 재결정하였다. ¹H-NMR (300MHz, CHCl₃-d) δ 8.95 (2H, s), 8.87 (2H, d, J = 5.7 Hz), 7.91 (2H, d, J = 5.7 Hz), 4.46 (4H, q, J = 6.0 Hz), 1.46 (6H, t, J = 6.0 Hz)

이때, 회수율은 사용된 촉매 1g 당 목적화합물 1∼1.5g을 얻을 수 있었으며, 반응공정에 따라 재결정하지 않고 생성된 결정을 씻어준 상태에서 건조시켜 바로 다음 단계인 가수분해 공정을 수행할 수 있다.

공정 2: 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)의 회수

2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 1.5g(5.0 mmol)과 NaOH 0.50g (12.5 mmol)을 THF 10㎖, MeOH 5㎖, H₂O 5㎖의 혼합 용매에 넣고 12시간 동안 환류시켰다. 출발물질이 소진되었음을 확인한 후 ¹N-HCl 로 pH= 5∼6 정도 조정하고, 생성된 결정을 물, 메탄올, 에틸 아세테이트, 메틸렌클로라이드 순으로 세척 후 건조하여 흰색 결정의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산 화합물(1) 1.2g (92%)을 얻었다. ¹H-NMR (300MHz, DMSO-d6) δ 8.92 (2H, d, J = 4.9 Hz), 8.85 (2H, s), 7.91 (2H, d, J = 4.9 Hz).

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 종래 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법에서 강산화제 및 황산 사용의 후처리 공정의 배제하면서 온화하고 친환경적 조건하에서 수행되는 개선된 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법을 제공하였다.

본 발명의 제조방법은 Pd-C 촉매 조건하에서 수행됨으로써, 종래 고가의 루테늄계 촉매를 사용하면서도 낮은 수율의 커플링 반응을 개선하였다.

이에, 본 발명의 제조방법은 상대적인 수율 향상을 구현하고, 공정상 강산화제 및 강산 사용을 배제함으로써, 친환경적인 제조방법이며, 공업적 대량생산이 적용 가능하다.

나아가, 본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 고수율과 고순도의 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산은 그를 함유한 염료감응 태양전지용 염료로서 유용하게 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

Pd-C 촉매 조건하에서 에틸 이소니코티네이트(3)를 탈수소화 커플링 반응에 의해 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2)를 합성하되, 상기 Pd-C 촉매 첨가 후, 30 내지 80W의 마이크로파를 10분 내지 60 분 동안 조사하는 제1공정 및
상기 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복시산 다이에틸 에스테르(2) 화합물을 가수분해한 후 산성화시켜 목적화합물 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산(1)을 회수하는 제2공정으로 이루어진 하기 반응식 1에 따른 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법.
반응식 1
제1항에 있어서, 상기 Pd-C 촉매가 에틸 이소니코티네이트(3) 대비 10 내지 20중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 상기 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1공정이 Pd-C 촉매 첨가 후, 150℃ 내지 190℃에서 24시간 내지 36시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 2,2'-비피리딘-4,4'-디카르복시산의 제조방법.
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