KR101297945B1 - 방향족 요오드화 화합물의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방향족 요오드화 화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제올라이트 촉매를 이용하여 산소 분위기하에서 방향족 화합물의 요오드화 반응을 실시함에 있어서 그 원료 물질로서 방향족 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족의 모노 요오드 화합물을 반응시키는 방향족 요오드화 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
모노 요오드 화합물의 첨가 없이 방향족 화합물만을 원료로 사용하는 방법과 비교하였을 때, 본 발명에 따른 방법은 디요오드 화합물의 생산성과 파라디요오드 화합물의 선택도를 높힘과 동시에 부반응을 억제함으로써 촉매 사용주기를 연장할 수 있는 효과를 나타낸다.

Description

방향족 요오드화 화합물의 제조방법 {Manufacturing Process for iodinated aromatic compounds}
본 발명은 방향족 요오드화 화합물의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제올라이트 촉매를 이용하여 산소 분위기하에서 벤젠, 나프탈렌, 및 비페닐과 같은 방향족 화합물의 요오드화 반응에 있어서, 그 원료 물질로서 (i) 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 (ii) 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을, 요오드와 반응시키는 방향족 요오드화 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
벤젠 또는 나프탈렌과 같은 방향족 화합물에 할로겐(브롬, 염소, 요오드 등) 화합물을 반응시켜 방향족 할로겐화 화합물을 제조하는 기술은 여러 상업적 분야에서 그 가치를 인정받아왔다.
대표적으로 벤젠과 염소를 반응시켜 제조되는 파라디클로로벤젠(p-dichlorobenzene)은 엔지니어링 플라스틱인 PPS(Polyphenylene sulfide)의 원료로 사용된다. 파라디클로로벤젠과 황화나트륨(Sodium sulfide)을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone) 용매하에서 중합반응시켜 PPS를 제조하는 기술은 멕컬럼 공정(Macallum process)이라 알려져 있으며 현재 상업생산되고 있는 대부분의 PPS는 이 공정에 의해 만들어진다. 하지만 맥컬럼 공정에 의하면 고분자량의 중합체를 얻기 어려워 경화(Curing)라고 하는 후공정을 거쳐 고분자량의 중합체를 수득하게 되는데, 이때 얻어진 PPS는 가교 반응 등으로 인해 깨지기 쉬운(Brittle) 단점을 지니게 된다. 또한 중합공정에서 반응 부산물로 염화나트륨(NaCl)과 같은 금속염이 필연적으로 발생하게 되어 상업 공정의 경제성과 고분자 물성에 심각한 문제를 유발하게 된다.
이에 금속염의 생성이 원천적으로 배제되고 선형 고분자량을 수득할 수 있는 방법으로 미국특허 제4,746,758호, 제4,786713호 및 그 관계 특허들에서는 파라디요오드벤젠(p-Diiodobenzene)과 황을 사용하여 직접 용융중합시키는 방법을 제안하고 있다.
또한 미국 특허 제4,778,938호 및 제4,746,758호 등에서는 제올라이트 촉매를 사용하여 산소 분위기 하에서 벤젠과 요오드를 반응시킴으로써, 파라디요오드벤젠을 제조하는 방법을 기술하고 있다. 이들 특허에 의하면 높은 전환율과 상업적으로 선호되는 파라디요오드 화합물의 선택도(Selectivity)가 높을 뿐만 아니라 원료 물질인 벤젠 또는 나프탈렌의 산화반응을 최소화할 수 있다고 한다.
하지만 이러한 요오드화 기술을 상업적으로 보다 유용하게 사용하기 위해서는 디요오드 화합물의 생산성(Productivity)과 파라디요오드 화합물의 선택도를 더욱 향상시키는 것이 바람직하다. 또한 상기 특허에 의하면 원료 물질의 연소(Combustion)에 의해 탄소 퇴적물(Carbon deposite)이 생성되고 이들에 의해 촉매가 활성을 잃게 된다고 언급되어 있다. 더욱이 이렇게 생성된 탄소 퇴적물 또는 다가의 요오드화 고분자 불순물(multi-iodinated high molecular impurities)은 촉매의 활성을 잃게 할 뿐만 아니라 요오드화 생성물(Products)에도 섞여 나오게 되어 이후 정제 공정에서 심각한 문제를 야기한다.
이에 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 벤젠, 나프탈렌과 같은 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을 원료로서 사용하여 요오드화 반응을 실시함으로써 디요오드화 화합물의 생산성과 파라디요오드 화합물의 선택도를 향상시켰으며 촉매의 교체주기를 획기적으로 증대시킬 수 있음을 알게 되었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매의 활성저하(Deactivation)를 최소화하며 방향족 화합물의 디요오드 화합물의 생산성과 파라디요오드 화합물의 선택도를 높힘과 동시에 부반응을 억제할 수 있는 방향족 요오드화 화합물의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방향족 요오드화 화합물의 제조방법은,
제올라이트 촉매를 이용하여 산소 분위기 하에서 방향족 화합물을 요오드화 반응시키는 방법에 있어서, 원료 물질로서 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을 요오드와 반응시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 원하는 원료로서 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을 사용하여 요오드 반응시킴으로써 디요오드 화합물의 생산성과 파라디요오드 화합물의 선택도를 높힘과 동시에 부반응을 억제하여 촉매 사용주기를 연장할 수 있다.
도 1은 비교예 1에 따른 요오드화 반응 장치 및 요오드화 화합물의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 1 내지 3에 따른 요오드화 반응 장치 및 요오드화 화합물의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 실시예 4에 따른 요오드화 반응 장치 및 요오드화 화합물의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시예 6에 따른 방향족의 모노 요오드 화합물과 요오드의 분리 및 재활용을 이용한 요오드화 반응 장비 및 제조공정을 나타낸 개략도이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 제올라이트 촉매를 사용하여 산소분위기하에서 방향족 화합물의 요오드화 반응시키는 방법에 있어서, 원료로서 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을 사용하여 촉매의 활성저하(Deactivation)를 최소화하며 디요오드 화합물의 생산성과 파라디요오드 화합물의 선택도를 높힘과 동시에 부반응을 억제하여 촉매의 수명을 연장할 수 있는 방향족 요오드화 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서는 상기 제조방법으로 얻어진 반응 생성물을 증류에 의해 분리 정제하여 방향족의 모노 요오드 화합물 및 요오드를 재사용하는 것이 가능하였다.
본 발명에서 요오드화 반응을 위한 촉매로서 Na-13X, Y-type, ZSM5, K-13X 등의 다양한 촉매를 사용하여 사용할 수 있는 바, 이중 상업적으로 가장 널리 사용되는 Na-13X 제올라이트 촉매를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
제올라이트 촉매를 사용한 방향족 물질의 요오드화 반응은 200∼400℃의 광범위한 영역에 걸쳐 반응이 일어나는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 반응온도에 따른 방향족 화합물의 요오드화 반응 특성을 살펴본 결과 반응온도가 높을수록 원료 물질(방향족과 요오드)의 전환율은 높아지는 반면 상업적으로 가장 가치를 높게 평가받는 파라디요오드 화합물의 선택도와 디요오드화 방향족 화합물의 생성률이 떨어지는 결과를 얻을 수 있었다. 한편 반응압력 역시 다양한 영역에서 실시할 수 있으며, 반응압력이 높아질수록 요오드화 반응의 효율은 증대됨을 알 수 있었다.
한편 요오드화 반응 중 생성되는 요오드화 수소(Hydroiodic acid)는 다시 요오드 분자(Iodine)로 산화시켜 반응에 참여할 수 있도록 해야 한다. 이에 반응 중 산소의 존재는 필수적이라 할 수 있다. 산소가 존재하지 않거나 그 양이 요오드화 수소에 비해 적을 경우 요오드화 수소가 산화반응 중 발생되는 물과 공비를 형성하여 반응 후 정제 공정에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 강력한 산화작용으로 인해 장비의 부식을 심각하게 야기하게 된다. 따라서 반응에 사용되는 요오드 분자의 몰수만큼 또는 그 이상 몰수의 산소(원자 기준)가 요구됨을 알 수 있다.
원료로 사용되는 방향족 화합물과 요오드의 몰비는 다양하게 사용될 수 있다. 요오드의 양이 높을수록 다가의 요오드화 방향족(multi-iodinated aromatic) 생성비율이 높아지는 반면 요오드의 전환율은 떨어지는 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 요오드의 전환율을 높이기 위하여 요오드 화합물 대비 방향족 화합물의 비율을 높힐 경우 요오드의 전환율은 올릴 수 있으나, 디요오드 화합물의 생산성이 떨어지기 때문에 목적하는 바에 따라 적절히 그 비율을 조절하여 반응을 실시하여야 한다.
벤젠 또는 나프탈렌과 같은 방향족 화합물들은 산소의 존재하에서 고온의 조건이 충족되면 산화반응을 통해 이산화탄소 등과 같은 산화물질로 전환되는데 이는 원료 손실의 요인이 된다. 이때 생성되는 이산화탄소는 완전 산화반응에 의해 생성되는 물질이며 불완전 산화 또는 탄소화 등을 통해 탄소 퇴적물(Carbon deposite)을 형성할 수도 있다. 이렇게 형성된 탄소 퇴적물들은 촉매의 활성을 잃게 하여 촉매의 교체주기를 단축시킨다.
본 발명은 방향족 화합물 및 이의 모노 요오드 화합물, 또는 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물을 원료로 사용함으로써 디요오드화 방향족 화합물의 생산성과 이중 파라디요오드 화합물의 선택도를 높힐 수 있음을 기술하고 있다. 또한 본 발명에서 제시한 방법에 의하면 이산화탄소 및 탄소 퇴적물의 생성을 최소화할 수 있어 촉매 교체 주기를 획기적으로 연장할 수 있고 양질의 요오드화 화합물을 수득할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 방향족 화합물은 벤젠, 나프탈렌, 및 비페닐로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하고, 상기 방향족 화합물의 모노 요오드 화합물은 모노 요오드 벤젠, 모노 요오드 나프탈렌, 및 모노 요오드 비페닐로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 방향족의 모노 요오드 화합물은 제조 또는 구매하여 사용할 수 있지만, 도 4에 나타낸 바와 같이 요오드화 반응 생성물을 증류에 의해 방향족의 모노 요오드 화합물을 분리/정제하여 재사용하는 방법이 보다 효율적이다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 증류탑 1(C10)에서는 벤젠과 물을 제거하고 증류탑 2(C20)에서 탑상부로 모노 요오드 벤젠과 요오드를 분리한 후 반응기(R01)로 재투입함으로써 본 발명의 방법을 효율적으로 구현할 수 있다.
본 발명의 효용성을 입증하기 위해 후술될 비교예 및 실시예에서 사용되는 용어들의 개념에 대하여 설명한다. 먼저 반응조건에서 방향족/요오드(Aromatic/I)의 비율은 사용된 방향족 화합물과 요오드의 몰비를 나타내는 것으로서, 디요오드 화합물을 제조하고자 할 때, 벤젠은 요오드 분자(요오드 원자 2개) 1몰과 반응하여야 한다. 따라서 방향족/요오드의 비율은 하기 수학식 1과 같이 정의한다:
[수학식 1]
방향족/요오드 = (벤젠 몰수 x 2)+(모노 요오드 벤젠 몰수)/요오드 분자의 몰수 x 2
다음으로 반응 생성물 및 반응 공정의 효율성을 알아보기 위한 용어의 개념을 정의한다. 먼저 파라디요오드 벤젠의 생산성(Productibity of p-DIB)은 단위시간당, 촉매의 단위부피당 생산되는 파라디요오드 벤젠의 생성속도로 정의하며 단위는 g/ℓ·hr로 표시한다. 요오드와 벤젠의 전환율(Conversion)은 반응되어 생성물로 전환된 요오드와 벤젠의 양을 투입된 요오드와 벤젠의 양으로 나눈 후 그 비율을 백분율(%)로 표시한 것이다.
요오드화 반응에 의해 생성되는 요오드화 벤젠의 종류는 요오드 원자 1개와 반응한 모노 요오드 벤젠(mono-iodobenzene), 요오드 원자 2개와 반응한 디요오드 벤젠(di-iodobenzene), 요오드 원자 3개와 반응한 트리 요오드 벤젠(tri-iodobenzene)으로 나누어 볼 수 있는데, 이중 디요오드 벤젠(DIB)과 트리요오드 벤젠(TIB)은 각기 세 가지의 이성질체를 가질 수 있다. 즉 디요오드 벤젠으로는 파라(p-), 오르소(o-), 메타(m-) 디요오드 벤젠의 세 가지 이성질체가 요오드화 반응에 의해 생성된다. 여기서 디요오드 벤젠의 생성량 합계(Total DIB, diiodobenzene)란 생성물에 포함된 파라, 오르소, 메타 디요오드 벤젠의 무게 백분율(Weight percentage) 합계를 가리키는 것으로, 이를 하기 수학식 2로 나타내었다.
[수학식 2]
Total DIB = (p + m + o DIB )/( Product ) x 100
한편 선택도(Selectivity)는 생성물에 포함된 세 가지의 디요오드 벤젠 중 파라이성질체의 농도를 무게 백분율로 표시한 것으로, 이를 하기 수학식 3으로 표시하였다.
[수학식 3]
선택도 = (p- DIB )/(p + m + o DIB ) x 100
본 발명에 의하면 상업적으로 가치가 우수한 파라디요오드 화합물을 높은 효율로 제조할 수 있는데, 이는 디요오드 화합물의 생성량 합계와 파라디요오드 화합물의 선택도가 높게 나타날 때 가능한 것이다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
도 1에 도시된 장치를 이용하여 반응기에 모노 요오드 벤젠의 첨가 없이 벤젠(시간당 26.4g)과 요오드(시간당 42.9g)를 투입하여 반응온도 280℃, 상압의 조건(기상 조건)에서 연속공정으로 실시하였으며, 반응조건에 도달하고 24시간이 경과한 후 시료채취와 분석을 실시하였다. 각 실험조건과 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 1
도 2에 도시된 장치를 이용하여 비교예 1과 동일한 조건으로 요오드화 반응을 실시함에 있어서, 벤젠(시간당 6.6g), 모노 요오드 벤젠(시간당 48.4g) 및 요오드(시간당 25.8g)를 투입하였다. 각 실험조건과 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 2
도 2에 도시된 장치를 이용하여 비교예 1과 동일한 조건으로 요오드화 반응을 실시함에 있어서, 벤젠(시간당 16.5g), 모노 요오드 벤젠(시간당 38.5g) 및 요오드(시간당 38.8g)를 투입하였다. 각 실험조건과 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 3
도 2에 도시된 장치를 이용하여 비교예 1과 동일한 조건으로 요오드화 반응을 실시함에 있어서, 벤젠(시간당 27.5g), 모노 요오드 벤젠(시간당 27.5g) 및 요오드(시간당 53.2g)를 투입하였다. 각 실험조건과 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 4
도 3에 도시된 장치를 이용하여 비교예 1과 동일한 조건으로 요오드화 반응을 실시함에 있어서, 벤젠의 첨가 없이 모노 요오드 벤젠(시간당 55g)과 요오드(시간당 17.1g)를 투입하였다. 각 실험조건과 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
투입 조건
벤젠 g/hr 26.4 6.6 16.5 27.5 0
요오드 벤젠 g/hr 0.0 48.4 38.5 27.5 55
요오드 g/hr 42.9 25.8 38.8 53.2 17.1
방향족/요오드 몰비 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
O2 ㎖/분 220.0 100.0 120.0 200.0 80
생성물 조성
벤젠 wt% 9.84 3.63 7.71 9.78 0
요오드 벤젠 wt% 44.31 38.53 44.01 44.25 45
p-DIB wt% 22.99 40.47 33.96 30.78 38.97
m-DIB wt% 9.21 6.76 6.21 6.88 7.84
o-DIB wt% 2.92 1.88 1.98 2.54 2.12
TIB wt% 3.11 5.19 3.49 3.24 5.65
특성
p-DIB의 생산성 g/ℓ·hr 69.97 123.17 103.36 93.68 118.60
I2 전환율 % 91.38 88.41 90.20 90.50 92.44
벤젠 전환율 % 73.96 61.50 67.29 75.11 -
전체 DIB wt% 35.12 49.11 42.15 40.20 48.93
선택성 % 66.00 83.00 80.57 77.00 80.00
CO2 % 2.54 0.78 0.88 1.16 0.05
상기 표 1에서 알 수 있듯이 디요오드 벤젠의 생성량 합계(Total DIB)와 파라디요오드 벤젠의 선택도(Selectivity) 측면에서 벤젠만을 원료로 사용한 비교예 1에 비해 벤젠과 모노 요오드 벤젠을 함께 투입하여 요오드 반응을 시킨 실시예 1 내지 3이 월등히 우수한 결과를 나타내고 있다. 이는 벤젠의 투입 없이 모노 요오드 벤젠만을 원료로 사용한 실시예 4에서도 비슷한 결과를 확인할 수 있었으며, 파라디요오드 벤젠의 생산성(Productivity of p-DIB)도 모노 요오드 벤젠만을 원료로 사용하거나, 또는 벤젠과 모노 요오드 벤젠을 함께 투입하였을 때 높은 수치를 얻을 수 있었고, 이로써 촉매의 단위 부피당 파라이성질체의 생성이 효율적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
비교예 2
비교예 1과 동일한 방법으로 요오드화 반응을 시키며 200시간, 400시간이 경과한 후에 생성물을 분석하였다.
실시예 5
실시예 3과 동일한 방법으로 요오드화 반응을 실시함에 있어서, 반응개시 후 200시간, 400시간이 경과한 후에 생성물을 분석하였다.
I2 전환율(%) 검은색 불순물(g)
200 hr 400 hr 200 hr 400 hr
비교예 2 80 65 1 3
실시예 5 87 82 0.13 0.38
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 비교예 2의 경우는 200시간 후 요오드의 전환율 80%, 400시간 후 요오드 전환율 65%까지 저하되었으며, 시간이 지남에 따라 생성물에서 검출되는 검은색 불순물의 양이 증대되었다. 이에 비해, 실시예 5의 경우는 200시간, 400시간 후 요오드 전환율은 각각 87%, 82%이었고, 비교예 2에 비해 월등히 적은 양의 검은색 불순물이 검출되었다. 이 검은색 불순물은 탄소 퇴적물(Carbon deposite)이 생성물에 섞여 나오는 것으로, 탄소 퇴적물에 의해 촉매의 활성이 저하되는 것으로 생각할 수 있다.
이는 상기 표 1에서 나타내었듯이 비교예 1과 실시예 1 내지 4의 이산화탄소 생성량으로도 확인할 수 있다. 벤젠만을 원료로 투입하였을 때보다 모노 요오드 벤젠을 함께 투입하였을 때 기체 중 포함된 이산화탄소의 농도가 현격히 감소하였다.
실시예 6
실시예 6은 도 4에 도시된 장치에서 실시하였다. 이때, 파라, 메타, 오르소 디요오드 벤젠의 용융온도는 각각 131℃, 36℃, 27℃ 이었다. 따라서 디요오드 벤젠은 모두 상온(25℃)에서 고체로 존재한다고 생각할 수 있지만, 실제로 세 번째 증류탑(CO3) 상부로부터 수득된 디요오드 벤젠은 고체와 액체가 공존하였다. 이에 결정화 및 고액분리를 실시한 결과 순수한 파라이성질체 고체와 파라 13.1%, 메타 71.5%, 오르소 15.4%의 조성으로 구성된 모액으로 분리할 수 있었고 세척공정을 거쳐 99%이상의 순수한 백색 파라디요오드 벤젠을 얻을 수 있었다. 또한 이를 통해 로써 세 가지(파라, 메타, 오르소) 이성질체가 각각의 용융온도보다 낮은 온도에서 공융을 형성하여 액체로 존재할 수 있다는 사실도 확인할 수 있었다.
R01 : 요오드화 반응기(Na-13X 제올라이트 촉매 230㎖ 충진, 전기히터 장착)
C10 : 증류탑 1, 반응 생성물로부터 물과 벤젠을 제거함
C20 : 증류탑 2, 반응 생성물로부터 모노 요오드 벤젠과 요오드를 분리/재활용
C30 : 증류탑 3, 디요오드 벤젠만 탑 상부로 분리, 탑 하부로는 트리요오드 화합물을 포함한 고비점 물질을 제거함
배압 조절기(Back Pressure Regulator) : 반응압력 조절, 가압 반응을 가능하게 함
샘플 처리 시스템(Sample Handling System) : 후공정의 분석기 보호를 위해 기체 중 포함된 증기 제거
GC(Gas Chromatography) : 기체에 포함된 이산화탄소 측정

Claims (1)

  1. a) 제올라이트 촉매를 이용하여 산소 분위기 및 200 내지 400℃의 온도 조건 하에서, p-디요오드화 벤젠을 선택적으로 형성하기 위하여 초기 방향족 반응물로서 (i) 벤젠과 모노요오드화 벤젠, 또는 (ii) 모노요오드화 벤젠을, 요오드와 기상에서 반응시키는 단계;
    b) 증류에 의하여 상기 단계 a)의 반응생성물로부터 물을 분리하거나, 또는 벤젠과 물을 분리하는 단계; 및
    c) 상기 단계 b)를 거친 반응생성물로부터 모노요오드화 벤젠 및 요오드를 증류에 의하여 분리한 다음 상기 단계 a)로 재투입하는 한편, 나머지 반응생성물로부터 디요오드화 벤젠을 분리 회수하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디요오드화 벤젠의 제조방법.
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