KR101323631B1 - A method to dehydrate polyols - Google Patents

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정성화
나쯔물 아베딘 칸
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한국화학연구원
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    • B01J31/08Ion-exchange resins

Abstract

본 발명은 솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨같은 폴리올의 탈수 방법에 관한 것으로, 특히 감압 혹은 가압 공정 없이 미이크로파를 열원으로 이용하여 탈수 반응을 효과적으로 추진할 수 있는 탈수 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a dehydration method of polyols such as sorbitol, mannitol, xyitol, and arabinitol, and more particularly, to a dehydration process that can effectively promote the dehydration reaction using microwave as a heat source without decompression or pressurization.

Description

폴리올의 탈수 방법{A method to dehydrate polyols}Description of the Related Art A method for dehydration polyols

본 발명은 폴리올의 탈수 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈수 반응에서 반응기를 저압 혹은 고압으로 유지하지 않아도 용이하게 탈수 반응이 진행되어 소기의 목적물을 얻는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a method for dehydrating a polyol, and more particularly, to a technique for easily dehydrating the reaction proceeds without maintaining the reactor at low or high pressure in the dehydration reaction to obtain the desired object.

폴리올은 솔비톨(sorbitol), 만니톨(mannitol), 자일리톨(xylitol), 아라비니톨(arabinitol) 및 이들의 혼합물로 정의될 수 있는데 주로 육탄당 및 오탄당의 폴리올로 정의 될 수 있고 이들의 혼합물도 가능하다. The polyol may be defined as sorbitol, mannitol, xylitol, arabinitol, and mixtures thereof, and may be defined primarily as a polyol of hexanediol and pentanediol, and mixtures thereof are also possible .

폴리올들은 재생 가능한 바이오매스로부터 얻어지며 탈수 반응으로 이소소바이드 등의 유용한 화학 중간체가 얻어질 수 있다. 이러한 탈수 반응은 다양한 촉매 존재 하에서 진행될 수 있으며 상업적으로도 매우 중요한 반응이다. 촉매는 황산 같은 액체산은 물론이고 헤테로폴리산, 양이온교환수지, 제올라이트, 금속-유기 골격물질(metal-organic frameworks), 산성 클레이, sulfated zirconia, 알루미노포스페이트와 메조 세공물질 같은 분자체 등이 사용될 수 있다. 반응 중에는 부산물로 물이 얻어지고 이를 제거하지 않으면 평형 반응인 탈수 반응의 특성 상 반응의 전환율을 높이기 힘들다. Polyols are obtained from renewable biomass, and dehydration reactions can provide useful chemical intermediates such as isobarbide. This dehydration reaction can proceed in the presence of various catalysts and is a very important reaction commercially. The catalyst may be a liquid acid such as sulfuric acid, as well as heteropoly acids, cation exchange resins, zeolites, metal-organic frameworks, acidic clays, sulfated zirconia, molecular sieves such as aluminophosphate and mesoporous materials. During the reaction, if water is obtained as a by-product and not removed, it is difficult to increase the conversion of the reaction due to the nature of the dehydration reaction, which is an equilibrium reaction.

따라서 많은 경우에는 반응기의 압력을 낮추어 형성된 물을 제거하고 (USP 7728156, 7649099, 7615652) 이를 통해 평형반응의 전환율을 높인다. 수소를 고압으로 반응물과 반대방향(counter-current)으로 주입하여 물을 제거하고 색깔 있는 물질의 생성을 억제하기도 하였다(USP 제7772412). 질소를 이용하여 65-85 bar의 높은 압력에서 제올라이트 촉매로 탈수 반응을 진행하기도 하였다(USP 2008/0249323A1). Therefore, in many cases, the pressure of the reactor is lowered to remove the water formed (USP 7728156, 7649099, 7615652), thereby increasing the conversion rate of the equilibrium reaction. Hydrogen was injected at high pressure counter-current to the reactants to remove water and inhibit the production of colored material (USP No. 772412). Nitrogen was also used to dehydrate the zeolite catalyst at a high pressure of 65-85 bar (USP 2008 / 0249323A1).

그러나 반응기를 진공 혹은 고압으로 유지하는 것은 반응기 구성 측면에서도 비경제적일 뿐만 아니라 운전 비용도 매우 높다. However, maintaining the reactor at vacuum or high pressure is not only economical in terms of reactor configuration, but also has high operating costs.

유기 반응 및 무기 반응에서 마이크로파를 적용하여 반응 속도를 증가시킨 결과는 다수 알려져 있다(A. de la Hoz, A. Diaz-Ortiz and A. Moreno, Chem. Soc. Rev., 2005, 34, 164??178; G. A. Tompsett, W. C. Conner, K. S. Yngvesson, Chem. Phys. Chem., 2006, 7, 296-319.) The results of increasing the reaction rate by applying microwaves in organic and inorganic reactions are known (A. de la Hoz, A. Diaz-Ortiz and A. Moreno, Chem. Soc. Rev., 2005, 34, 164? 178; GA Tompsett, WC Conner, KS Yngvesson, Chem. Phys. Chem., 2006, 7, 296-319.)

솔비톨 같은 폴리올의 탈수로 얻어지는 이소소바이드 같은 생성물은 폴리에틸렌테레프탈레이트 같은 고분자를 제조할 때 첨가제로 사용되는 등 고분자용 코폴리머(copolymer) 및 의약용(뇌수종, 배뇨촉진 및 녹내장치료 등)으로 사용되는 유용한 화합물이다. 특히 솔비톨 같은 폴리올은 자연에서 재생 가능한 바이오매스로부터 유도된 물질이므로 기술의 개발 필요성과 중요성은 매우 크다고 판단된다.Products such as isobarbide obtained by dehydration of a polyol such as sorbitol are used as an additive in the production of polymers such as polyethylene terephthalate, and are used as a copolymer for polymers and for medicines (such as hydrocephalus, urination and glaucoma treatment) It is a useful compound. Especially, polyol such as sorbitol is a material derived from biomass that can be regenerated in nature. Therefore, it is considered that the necessity and importance of technology development is very high.

여러 방면에서 유용한 이소소바이드 같은 생성물을 고압이나 감압하지 않으며 또한 부생성물인 물을 제거하는 과정이 없어 보다 간편한 폴리올의 탈수 반응에 대한 공정이 요구된다.Products such as isosorbide, which are useful in many respects, do not have high pressure or reduced pressure, and there is no process for removing byproduct water, which requires a simple process for dehydration of polyols.

본 발명은 진공 처리 혹은 가압 처리 없이 폴리올을 용이하게 탈수하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for easily dehydrating polyols without vacuum or pressurization.

보다 상세하게 본 발명은 다양한 용도로 사용 가능한, 탈수된 폴리올의 간단한 제조방법을 제공한다. More specifically, the present invention provides a simple process for preparing dehydrated polyols that can be used for a variety of applications.

본 발명은 가압이나 감압없이 마이크로파를 열원으로 하여 무용매하에서 다양한 산촉매를 적용하여 여러 폴리올의 탈수 반응을 선택적이고 효과적으로 수행할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method capable of selectively and effectively performing dehydration reaction of various polyols by applying various acid catalysts under a solvent using microwave as a heat source without pressure or reduced pressure.

본 발명은 재생 가능한 폴리올의 탈수 방법에 관한 것으로서, 탈수 반응에 마이크로파를 적용함으로써 낮은 압력에서 물을 제거하거나 수소, 질소 등의 고압 처리 없이도 효과적으로 탈수 반응을 진행하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a dehydration method of a renewable polyol, characterized in that the dehydration reaction is effectively carried out by removing the water at a low pressure or applying a high pressure such as hydrogen or nitrogen by applying microwave to the dehydration reaction.

또한 본 발명은 폴리올의 탈수 반응에 마이크로파를 열원으로 적용하여 놀랍게도 폴리올의 탈수 전환율을 높이고 소기의 탈수된 물질을 보다 높은 수율로 얻을 수 있는 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a method for surprisingly increasing the dehydration conversion of the polyol and obtain the desired dehydrated material in a higher yield by applying the microwave as a heat source in the dehydration reaction of the polyol.

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 폴리올의 탈수방법 및 이를 이용한 이소소바이드 같은 무수(anhydrous) 당(sugars) 혹은 당알코올(sugar alcohols)을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for dehydrating a polyol comprising the following steps and a method for producing anhydrous sugars or sugar alcohols such as isosorbide using the same.

보다 상세하게 본 발명은 솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨중에서 선택된 하나 또는 둘이상의 혼합물인 폴리올의 탈수 반응에 있어서, More specifically, the present invention relates to a dehydration reaction of a polyol, which is one or a mixture of two or more selected from sorbitol, mannitol, ziitol, and arabinitol,

1) 무용매하에서, 솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨중에서 선택된 하나 또는 둘이상의 혼합물인 폴리올과 촉매를 혼합하는 단계;1) mixing a catalyst with a polyol, which is one or more mixtures selected from sorbitol, mannitol, ziitol, and arabinitol, in the absence of solvent;

2) 상기 단계의 혼합물을 마이크로파를 열원으로 가열하여 반응시키는 단계;  2) reacting the mixture of the above step by heating the microwave with a heat source;

3) 상기 단계의 반응물을 냉각하는 단계; 3) cooling the reactants of the step;

4) 상기 냉각된 반응물을 분리 및 건조하여 생성물을 얻는 단계; 및 4) separating and drying the cooled reactant to obtain a product; And

5) 상기 단계의 생성물을 분리 및 건조하는 단계를 포함한다. 5) separating and drying the product of said step.

본 발명에 따른 탈수 방법에 의해 적용되는 폴리올은 오탄당 혹은 육탄당의 폴리올이며 구체적으로는 솔비톨(sorbitol), 만니톨(mannitol), 자이리톨(xylitol), 아라비니톨(arabinitol) 및 이들의 혼합물로 정의될 수 있다. 그러나 어떠한 폴리올도 적용 가능하다.The polyol applied by the dehydration method according to the present invention is a polyol of pentose or hexose sugar and specifically, may be defined as sorbitol, mannitol, xylitol, arabinitol and mixtures thereof. have. However, any polyol is applicable.

또한 본 발명의 목표물은 어떠한 탈수 생성물도 가능하나 폴리올 분자 당 하나의 물 분자 혹은 두 개의 물 분자가 빠진 물질이 주요 대상 생성물이다. 예를 들자면 솔비톨의 탈수로는 각각 하나 혹은 두 개의 물 분자가 제거된 소르비탄(sorbitan) 및 이소소바이드(isosorbide)가 대표적인 생성물이 될 수 있다.In addition, the target of the present invention is a material that can be any dehydration product, but one water molecule or two water molecules per polyol molecule is the main target product. For example, sorbitol dehydration may be sorbitan and isosorbide in which one or two water molecules are removed, respectively.

다음으로 탈수 반응의 촉매에 대하여 설명한다.Next, the catalyst of a dehydration reaction is demonstrated.

탈수 반응은 산촉매 존재 하에서 용이하게 진행되며 특히 액체산에 비해 고체산이 분리 및 환경 측면에서 유용하다. 즉, 본 발명에는 황산 같은 액체산은 물론이고 헤테로폴리산, 양이온교환수지, 제올라이트, 다공성 금속-유기 골격 물질(metal-organic frameworks), 산성 클레이, 설포네이트 지르코니아(sulfated zirconia), 알루미노포스페이트와 메조 세공물질 같은 분자체 등이 사용될 수 있으나 양이온 교환수지는 저렴하고 높은 촉매 농도를 가져 바람직하며 metal-organic frameworks와 제올라이트 같은 다공성 물질은 작은 세공을 가지므로 탈수 반응 후 2차의 부반응을 방지할 수 있어서 특히 유용하다. 제올라이트, 분자체, 이온교환수지, 금속-유기 골격 물질(metal-organic frameworks) 및 메조 세공 물질은 산성을 갖기 위해 프로톤(H+) 형으로 전환 혹은 도입하는 것이 필요하다.The dehydration reaction proceeds easily in the presence of an acid catalyst, in particular solid acids being useful in terms of separation and environment compared to liquid acids. That is, the present invention includes not only liquid acids such as sulfuric acid but also heteropoly acids, cation exchange resins, zeolites, porous metal-organic frameworks, acidic clays, sulfonated zirconia, aluminophosphates and mesoporous materials. The same molecular sieve may be used, but cation exchange resins are preferred because they are inexpensive and have a high catalyst concentration. Since porous materials such as metal-organic frameworks and zeolites have small pores, they are particularly useful because they prevent secondary side reactions after dehydration. Do. Zeolites, molecular sieves, ion exchange resins, metal-organic frameworks and mesoporous materials need to be converted or introduced into the proton (H + ) form to have acidity.

본 발명에서의 다공성 금속-유기 골격 물질은 중심금속 이온이 유기리간드와 결합하여 형성된 다공성 유무기 고분자 화합물로 정의될 수 있으며, 골격 구조 내에 유기물과 무기물을 모두 포함하고 분자크기 또는 나노크기의 세공구조를 갖는 결정성 화합물을 의미한다.The porous metal-organic framework material in the present invention may be defined as a porous organic-inorganic polymer compound formed by combining a central metal ion with an organic ligand, and include both organic and inorganic materials in a skeleton structure and have a molecular or nano-sized pore structure. It means a crystalline compound having a.

또한 본 발명에서의 이온교환수지는 설폰산기를 함유한 유기 고분자로 이루어진, 이온 교환 능력이 있는 물질을 말하며 주로 Amberlyst-15, Amberlyst-35 및 Nafion 수지를 말하나 이에 국한되지는 않는다. In addition, the ion exchange resin in the present invention refers to a material having ion exchange ability, consisting of an organic polymer containing a sulfonic acid group, and mainly refers to Amberlyst-15, Amberlyst-35 and Nafion resin, but is not limited thereto.

또한 본 발명에서의 제올라이트는 Si, Al, O으로 골격이 구성되며 중성 전하를 위해 Na+, H+ 등의 양이온이 추가로 존재하는 물질을 말한다. 어떠한 제올라이트도 산성을 가지면 본 발명에 적용될 수 있으며 H-ZSM-5(MH-MFI), H-Y (H-FAU), H-mordenite(H-MOR), H-beta(H-BEA), H-MCM-22(H-MWW) 등이 유용하게 적용될 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. In addition, the zeolite in the present invention refers to a substance composed of Si, Al, O skeleton and additionally cations such as Na + , H + for the neutral charge. Any zeolite can be applied to the present invention if it has an acid and is H-ZSM-5 (MH-MFI), HY (H-FAU), H-mordenite (H-MOR), H-beta (H-BEA), H- MCM-22 (H-MWW) may be usefully applied, but is not limited thereto.

본 발명에서의 촉매는 상기 기술한 액체산, 헤테로폴리산, 양이온교환수지, 제올라이트, 금속-유기 골격물질, 산성 클레이, 설포네이트 지르코니아 및 알루미노포스페이트가 가능하다.The catalyst in the present invention may be the above-described liquid acid, heteropoly acid, cation exchange resin, zeolite, metal-organic framework, acid clay, sulfonate zirconia and aluminophosphate.

상기 가능한 여러 촉매중 양이온 교환수지가 촉매일 경우는 거대 세공을 가지며 이온 교환 능력이 큰 Amberlyst-15 또는 Amberlyst-35가 바람직하며, 촉매가 금속-유기 골격물질일 경우는 안정성이 우수하고 큰 다공성을 갖는 MIL-101, MIL-53 및 MIL-100이 바람직하다. 또한 제올라이트 촉매에서는 H-ZSM-5 (MH-MFI), H-Y(H-FAU), H-mordenite(H-MOR), H-beta(H-BEA), H-MCM-22(H-MWW)가 특히 유용한데 그 이유는 이들 제올라이트는 높은 산 세기 및 뛰어난 안정성을 갖기 때문이다.Among the various catalysts possible, Amberlyst-15 or Amberlyst-35 having macropores and large ion exchange capacity is preferable when the catalyst is a catalyst, and when the catalyst is a metal-organic framework, it has excellent stability and large porosity. MIL-101, MIL-53 and MIL-100 are preferred. In addition, the zeolite catalyst is H-ZSM-5 (MH-MFI), HY (H-FAU), H-mordenite (H-MOR), H-beta (H-BEA), H-MCM-22 (H-MWW) Is particularly useful because these zeolites have high acid strength and excellent stability.

본 발명은 고온에서 진행되며 반응의 열원으로 마이크로파 가열을 이용하며 마이크로파는 주파수가 1 ~ 30 GHz 범위인 전자기파 중 어떠한 전자기파도 해당되나, 공업적으로 많이 사용되고 있는 주파수 2.45 GHz의 마이크로파를 이용하는 것이 간편하고 효율적이다. 마이크로파는 연속적 혹은 간헐적으로 조사 가능하며 원하는 반응 온도를 설정하여 조사하는 시간 및 강도를 조절하는 것이 유용하다.The present invention proceeds at a high temperature and uses microwave heating as a heat source of the reaction, the microwave is any electromagnetic wave of the frequency range of 1 ~ 30 GHz, but it is easy to use a microwave of 2.45 GHz frequency that is widely used industrially Efficient Microwaves can be irradiated continuously or intermittently and it is useful to set the desired reaction temperature to control the irradiation time and intensity.

탈수 반응 온도는 실제적으로 제한되지는 않으나 실온보다 높고 폴리올의 비점 보다는 낮은 온도가 바람직하다. 반응 온도는 실온 이상의 어느 온도라도 가능하나 빠르게 반응이 진행되는 100 oC 이상의 온도가 적합하며 바람직하게는 120-220 oC가 더욱 적당하며 150-200 oC의 온도가 가장 적당하다. 반응 온도가 너무 낮으면 반응 속도가 너무 느려 비현실적이며 너무 높으면 부반응이 발생하여 반응 효율이 낮아진다.The dehydration reaction temperature is not practically limited, but a temperature higher than room temperature and lower than the boiling point of the polyol is preferred. The reaction temperature may be any temperature above room temperature, but a temperature of 100 ° C. or more at which the reaction proceeds rapidly is preferable, preferably 120-220 ° C. is more suitable, and a temperature of 150-200 ° C. is most suitable. If the reaction temperature is too low, the reaction rate is too slow to be unrealistic, if too high a side reaction occurs to lower the reaction efficiency.

탈수 반응은 어느 압력에서나 진행될 수 있으나 상압 혹은 자동압력(autogeneous pressure)이 가장 적당하다. 저압으로 유지 시 부산물인 물의 제거로 반응 속도 및 효율이 향상되나 비용이 많이 들고 고압으로 유지 시에는 또 다른 기체가 필요하며 역시 운전비용이 증가되는 단점이 있다. 또한 수소를 흘려주면 물의 제거로 반응 속도를 증가할 수 있는 것은 물론이고 색깔을 유도하는 불순물의 생성을 억제할 수 있어 유용하며 또한 본 발명에서 적용하여 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.Dehydration can proceed at any pressure, but atmospheric or autogeneous pressure is most appropriate. The reaction rate and efficiency are improved by removing water as a by-product when it is maintained at a low pressure, but it is costly and requires another gas when it is maintained at a high pressure, which also increases operating costs. In addition, the flow of hydrogen can increase the reaction rate by removing the water, as well as to suppress the generation of impurities that induce color, which is useful and can further increase the efficiency by applying in the present invention.

탈수 반응은 용매 없이도 수행 가능하며 용매가 존재하면 반응물의 혼합 및 온도 제어가 쉬워진다. 용매는 어떠한 유 무기 용매라도 가능하나 에탄올, 메탄올, 에틸에테르, 클로로포름 같이 폴리올을 일부라도 녹일 수 있는, 특히 구하기 쉬운 저렴한 가격이면 어떠한 용매라도 가능하다. The dehydration reaction can be carried out without a solvent, and the presence of a solvent facilitates mixing and temperature control of the reactants. The solvent may be any inorganic solvent, but may be any solvent that can dissolve any part of the polyol, such as ethanol, methanol, ethyl ether, and chloroform, especially at a low price that is easy to obtain.

탈수 반응은 회분식은 물론이고 연속식으로도 수행 가능하다. 회분식 탈수 반응기는 시간당 생산량이 낮아 소량의 폴리올을 탈수하는데 적합하며 연속식 반응기는 투자비가 많이 들어가나 대량의 탈수에 적합하다. 탈수 반응 시간은 회분식의 경우 1분 내지 100시간 정도가 적합하며 너무 탈수 반응 시간이 길면 불순물이 혼입되기 쉽고 에너지 효율이 낮다. 너무 탈수 반응 시간이 짧으면 탈수 효율이 낮다. 탈수 반응 시간은 1분 내지 24시간이 더욱 적합하다. 연속식 탈수 반응기의 체류시간은 1분 내지 1시간 정도가 적합하다. 너무 체류시간이 길면 생산성이 낮고 부반응이 일어나기 쉬우며 체류시간이 너무 짧으면 탈수 반응 전환율이 낮다. 체류시간은 1분 내지 20분이 더욱 적당하다. 회분식 반응 중에는 반응물을 교반할 수도 있으며 교반 속도는 100-1000 rpm이 적당하나 교반 과정 없이도 수행 가능하다. The dehydration reaction can be carried out continuously as well as batchwise. The batch type dehydration reactor is suitable for dehydration of a small amount of polyol because the production rate is low per hour. The dehydration reaction time is suitably about 1 minute to 100 hours in the case of the batch type, and if the dehydration reaction time is too long, impurities are easily incorporated and energy efficiency is low. If the dehydration reaction time is too short, the dehydration efficiency is low. The dehydration reaction time is more preferably from 1 minute to 24 hours. The residence time of the continuous dehydration reactor is suitably about 1 minute to 1 hour. If the residence time is too long, the productivity is low and the side reaction is likely to occur. If the residence time is too short, the conversion rate of the dehydration reaction is low. A residence time of 1 to 20 minutes is more suitable. During the batch reaction, the reactants may be stirred, and the stirring speed may be 100-1000 rpm, but it may be carried out without stirring.

본 발명에 따른 폴리올의 탈수방법은 마이크로파를 열원으로 사용하여 진공 혹은 고압 처리 없이도 효과적으로 탈수 반응을 진행시킬 수 있으며 이러한 탈수 방법은 간단하면서도 경제적인 탈수 방법이다. The dehydration method of the polyol according to the present invention can effectively proceed the dehydration reaction without using vacuum or high pressure by using microwave as a heat source, and this dehydration method is a simple and economical dehydration method.

보다 상세하게 본 발명은 솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨과 같은 폴리올의 탈수 반응에 마이크로파를 열원으로 사용하면 간편하면서도 효과적으로 탈수 반응이 진행되며 또한 탈수 전환율도 높고 생성물의 선택성도 높일 수 있는 장점이 있다.In more detail, the present invention provides a simple and effective dehydration reaction in the dehydration reaction of polyols such as sorbitol, mannitol, ziitol, and arabinitol as a heat source, and also has a high dehydration conversion rate and high product selectivity. have.

또한 본 발명인 폴리올의 탈수방법에 따라 탈수된 폴리올은 고분자 합성의 첨가제 및 의료용 화합물 등으로 활용될 수 있다.In addition, the polyol dehydrated according to the dehydration method of the polyol of the present invention may be utilized as additives for medical synthesis and medical compounds.

이하, 아래의 비제한적 실시예에서 본 발명을 보다 자세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention is described in more detail in the following non-limiting examples.

[실시예 1]Example 1

솔비톨 15.0 g과 이온교환 수지 촉매 (Amberlyst-15) 0.3 g을 테프론 반응기에 담은 후 잘 막고 마이크로파 오븐(MARS-5, CEM사)를 이용하여 150 oC에서 1시간 가열하여 탈수 반응을 진행시켰다. 반응 후 냉각하여 반응기를 열고 고온에서 필터하여 고체 촉매를 분리하였고 얻어진 생성물은 110 oC에서 건조하여 물을 제거하였다. RI detector와 Asahipak NH2P-50 4E(No. N712004) 컬럼을 장착한 영린의 Acme 9000 HPLC로 생성물의 조성을 분석하였다. 반응 조건 및 결과는 표 1에 요약하였다.15.0 g of sorbitol and 0.3 g of an ion exchange resin catalyst (Amberlyst-15) were placed in a Teflon reactor, blocked well, and dehydrated by heating at 150 ° C. for 1 hour using a microwave oven (MARS-5, CEM). After the reaction, the reaction mixture was cooled to open a reactor, filtered at a high temperature to separate a solid catalyst, and the obtained product was dried at 110 ° C. to remove water. RI detector and Asahipak NH2P-50 4E (No. N712004) columns. The reaction conditions and results are summarized in Table 1.

진공 및 고압 처리 없이 마이크로파를 열원으로 사용하여 1시간의 짧은 반응 시간으로 탈수 반응이 진행되어 탈수 전환율이 100%이며 이소소바이드의 생성수율도 40%를 보였다. The dehydration reaction proceeded with a short reaction time of 1 hour using microwave as a heat source without vacuum and high pressure treatment, resulting in 100% dehydration conversion and 40% yield of isosorbide.

[실시예 2][Example 2]

가열시간을 2시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응을 진행하였다. 그 결과는 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the heating time was 2 hours. The results are summarized in Table 1.

진공 및 고압 처리 없이도 탈수 반응의 탈수 전환율은 100%를 보였으며 이소소바이드의 수율 또한 60%로 높은 비율로 얻을 수 있었다.The dehydration conversion of the dehydration reaction was 100% without vacuum and high pressure treatment, and the yield of isosorbide was 60%.

[실시예 3][Example 3]

가열시간을 4시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응을 진행하였다. 그 결과는 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the heating time was 4 hours. The results are summarized in Table 1.

진공 및 수소나 질소에 의한 고압 처리 없이도 마이크로파를 열원으로 이용하여 용이하게 탈수반응이 진행되어 탈수 전환율은 100%, 이소소바이드의 수율은 70%에 이르렀다.Dehydration reaction proceeded easily using microwave as a heat source without vacuum and high pressure treatment with hydrogen or nitrogen. The dehydration conversion rate reached 100% and the yield of isosorbide reached 70%.

[실시예 4] Example 4

130 oC에서 4시간 가열한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방버으로 탈수 반응을 진행하였으며 그 결과를 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that it was heated for 4 hours at 130 ° C. The results are summarized in Table 1.

탈수 반응의 전환율은 100%, 이소소바이드의 수율은 35%로 얻어졌다.The conversion rate of the dehydration reaction was 100%, and the yield of isosorbide was obtained at 35%.

[실시예 5] [Example 5]

MIL-101(Cr)-AS을 합성하였다(Crystal Growth Design, 10, 1860, 2010). 유리 시험관에 0.3 g의 합성한 MIL-101(Cr)-AS을 넣고 20mL의 DMF를 가하여 현탁액으로 만들었다. 70 oC로 가열 후 초음파 발생기 (VC×750, Sonic & materials)를 이용하여 시험관 속의 현탁액에 초음파를 60분간 조사하였다. 냉각 후 고체를 필터하여 회수하였고 100 oC에서 5시간 건조하여 정제된 MIL-101(Cr) 0.25g을 얻었다. 2회 정제하여 모은 MIL-101(Cr) 0.3 g을 0.8 기압의 진공하에서 150 ℃에서 건조 후 냉각하고 시스테아민 0.096 g (1.25 mmol)을 에탄올 30 mL에 첨가한 후 80 oC에서 8시간 동안 가열 환류 시켰다. 그 후 필터링하고 건조 후 MIL-101(Cr) (MIL-101(Cr)-SH라고 함) 0.3 g을 얻었다. 이와 같은 방법으로 합성한 MIL-101(Cr)-SH 0.4 g을 H2O2 20 mL(15 %)로 45 oC에서 2시간동안 산화시켰다. 산화 종료 15분을 남기고 최종적으로 0.2 M 황산 10 mL를 첨가하여 산성화를 완결하였고 필터, 건조 후 최종적으로 얻어진 기능화된 물질(MIL-101(Cr)-SO3H라고 명명) 약 0.4 g을 얻었다. MIL-101 (Cr) -AS was synthesized (Crystal Growth Design, 10, 1860, 2010). 0.3 g of the synthesized MIL-101 (Cr) -AS was added to a glass test tube, and 20 mL of DMF was added to make a suspension. After heating to 70 ° C., ultrasonic waves were irradiated to the suspension in the test tube for 60 minutes using an ultrasonic generator (VC × 750, Sonic & materials). After cooling, the solid was collected by filtration and dried at 100 ° C. for 5 hours to obtain 0.25 g of purified MIL-101 (Cr). 0.3 g of MIL-101 (Cr), which was collected and purified twice, was dried at 150 ° C. under a vacuum of 0.8 atm, cooled, and 0.096 g (1.25 mmol) of cysteamine was added to 30 mL of ethanol for 8 hours at 80 ° C. Heated to reflux. Then filtered and after drying 0.3 g of MIL-101 (Cr) (called MIL-101 (Cr) -SH) was obtained. 0.4 g of MIL-101 (Cr) -SH synthesized in this manner was oxidized with 20 mL (15%) of H 2 O 2 at 45 ° C. for 2 hours. After 15 minutes of oxidation, 10 mL of 0.2 M sulfuric acid was finally added to complete acidification, and about 0.4 g of the final functionalized material (named MIL-101 (Cr) -SO 3 H) obtained after drying was obtained.

솔비톨 10 g과 얻어진 MIL-101(Cr)-SO3H 0.2 g을 테프론 반응기에 넣어 잘 막은 다음 마이크로파 오븐(MARS-5, CEM사)를 이용하여 180 oC에서 3시간 가열하여 탈수 반응을 진행시켰다. 반응 후 냉각하여 반응기를 열고 고온에서 필터하여 고체 촉매를 분리하였고 얻어진 생성물은 110 oC에서 건조하여 물을 제거하였다. RI detector와 Asahipak NH2P-50 4E(No. N712004) 컬럼을 장착한 영린의 Acme 9000 HPLC로 생성물의 조성을 분석하였다. 반응 조건 및 결과는 표 1에 요약하였다.10 g of sorbitol and 0.2 g of MIL-101 (Cr) -SO 3 H were added to a Teflon reactor and well sealed, followed by heating at 180 o C for 3 hours using a microwave oven (MARS-5, CEM) to proceed with dehydration. I was. After the reaction, the reaction mixture was cooled to open a reactor, filtered at a high temperature to separate a solid catalyst, and the obtained product was dried at 110 ° C. to remove water. RI detector and Asahipak NH2P-50 4E (No. N712004) columns. The reaction conditions and results are summarized in Table 1.

탈수 전환율은 100%, 이소소바이드는 49.6%의 수율로 얻어졌다.The dehydration conversion was 100% and isosorbide was obtained at a yield of 49.6%.

[비교예 1] Comparative Example 1

열원으로 전기가열방식을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응을 진행하였으며 그 결과를 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was conducted in the same manner as in Example 1 except that the electric heating method was used as the heat source, and the results are summarized in Table 1.

탈수 전환율은 80%이며 이소소바이드는 10%의 수율로만 얻어졌다.The dehydration conversion was 80% and isosorbide was obtained only in 10% yield.

마이크로파 조사없이 전기가열로 탈수 반응을 진행하면 탈수 반응이 만족할 수준으로 진행되지 않음은 물론 이소소바이드의 수율 또한 낮았다.
When the dehydration reaction was conducted by electric heating without microwave irradiation, the dehydration reaction did not proceed to a satisfactory level, and the yield of isosorbide was also low.

[비교예 2]Comparative Example 2

열원으로 전기가열방식을 사용하여 5시간 동안 가열한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응을 진행하였으며 그 결과를 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was conducted in the same manner as in Example 1 except that the heating was performed for 5 hours using the electric heating method. The results are summarized in Table 1.

탈수 전환율은 가열시간이 길어짐에 따라 탈수 전환율은 100%로 높으나 탈수된 화합물인 이소소바이드의 수율은 30%로 낮았다. 이와 같이 마이크로파 조사없이 전기가열로 탈수 반응을 진행하면 5시간의 긴 가열 시간에도 탈수 반응이 만족할 수준으로 진행되지 않음을 보였다.
As the dehydration conversion rate increased, the dehydration conversion rate was high as 100%, but the yield of dehydrated compound isosorbide was low as 30%. As described above, when the dehydration reaction was carried out by electric heating without microwave irradiation, the dehydration reaction did not proceed to a satisfactory level even with a long heating time of 5 hours.

[비교예 3] [Comparative Example 3]

열원으로 전기가열방식을 사용하여 130 ℃에서 6시간 동안 가열한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응을 진행하였으며 그 결과를 표 1에 정리하였다. The dehydration reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the heating was performed at 130 ° C. for 6 hours using an electric heating method. The results are summarized in Table 1 below.

긴 가열 시간에도 탈수 전환율은 60%로 낮았으며 이소소바이드의 수율도 매우 낮은 10%에 불과하였다.Even with long heating times, the dehydration conversion was as low as 60% and the yield of isosorbide was very low at only 10%.

즉, 마이크로파 조사없이 전기가열로 탈수 반응을 진행하면 130 oC에서 6시간의 긴 가열 시간에도 탈수 반응이 만족할 수준으로 진행되지 않았음 알 수 있다.
In other words, if the dehydration reaction proceeds by electric heating without microwave irradiation, it can be seen that the dehydration reaction did not proceed to a satisfactory level even at a long heating time of 6 hours at 130 ° C.

폴리올의 탈수 반응 조건 및 결과Dehydration Conditions and Results of Polyols 실시예

비교예
번호
Example
And
Comparative Example
number
반응
온도
(oC)
reaction
Temperature
( o C)
반응
시간
(h)
reaction
time
(h)
촉매
(g)
catalyst
(g)
가열 방법Heating method 폴리올
(g)
Polyol
(g)
전환율
(%)
Conversion Rate
(%)
이소소바이드 수율 (%)Isoboride yield (%)
실시예 1Example 1 150150 1One Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
마이크로파microwave 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 4040
실시예 2Example 2 150150 22 Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
마이크로파microwave 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 6060
실시예 3Example 3 150150 44 Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
마이크로파microwave 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 7070
실시예 4Example 4 130130 44 Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
마이크로파microwave 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 3535
실시예 5Example 5 180180 33 MIL-101(Cr)-SO3H
(0.2)
MIL-101 (Cr) -SO3H
(0.2)
마이크로파microwave 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 49.649.6
비교예 1Comparative Example 1 150150 1One Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
전기가열Electric heating 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
8080 1010
비교예 2Comparative Example 2 150150 55 Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
전기가열Electric heating 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
100100 3030
비교예 3Comparative Example 3 130130 66 Amberlyst-15
(0.3)
Amberlyst-15
(0.3)
전기가열Electric heating 솔비톨
(15)
Sorbitol
(15)
6060 1010

실시예와 비교예의 결과로부터 본 발명에 따라 마이크로파를 열원으로 하는 폴리올의 탈수 방법은, 반응 부산물인 물의 제거 혹은 고압 처리 공정이 없이도 빠르고 용이하게 폴리올을 탈수하여 탈수 전환율이 높고 탈수된 생성물중 이소소바이드를 선택적으로 높은 수율로 얻을 수 있다. 반면, 비교예의 결과로부터 마이크로파 조사 없는 진행되는 탈수 반응은 긴 가열시간으로도 탈수 전환율이 낮고 이소소바이드의 수율도 낮은 것으로 보아 반응 활성이 매우 낮음을 알 수 있다. According to the present invention from the results of Examples and Comparative Examples, a method for dehydrating a polyol using a microwave as a heat source is obtained by dehydrating a polyol quickly and easily without the removal of water as a reaction by-product or a high-pressure treatment process. The id can optionally be obtained in high yield. On the other hand, from the results of the comparative example, the dehydration reaction proceeded without microwave irradiation is low in the dehydration conversion rate and low isosorbide even with a long heating time, it can be seen that the reaction activity is very low.

솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨같은 폴리올은 바이오매스로부터 유도되고 탈수된 생성물은 코모노머(comonomer) 및 의료용으로 중요하므로 이들의 간단하고 용이하며 성공적인 탈수 반응은 매우 중요하다. Polyols such as sorbitol, mannitol, xylitol and arabinitol are derived from biomass and dehydrated products are important for comonomers and medicines, so their simple, easy and successful dehydration reaction is very important.

Claims (4)

1) 무용매하에서, 솔비톨, 만니톨, 자이리톨 및 아라비니톨중에서 선택된 하나 또는 둘이상의 혼합물인 폴리올과 촉매인 양이온교환수지를 혼합하는 단계;
2) 상기 단계의 혼합물을 마이크로파를 열원으로 150 내지 220 ℃로 가열하여 반응시키는 단계;
3) 상기 단계의 반응물을 냉각하는 단계;
4) 상기 냉각된 반응물을 분리 및 건조하여 생성물을 얻는 단계; 및
5) 상기 단계의 생성물을 분리 및 건조하는 단계를 포함하는 폴리올의 탈수방법.
1) mixing a solvent-free, polyol, which is one or more mixtures selected from sorbitol, mannitol, ziitol, and arabinitol, with a cationic exchange resin as a catalyst;
2) reacting the mixture of the above step by heating the microwave to a heat source at 150 to 220 ℃;
3) cooling the reactants of the step;
4) separating and drying the cooled reactant to obtain a product; And
5) Dehydration method of a polyol comprising the step of separating and drying the product of the step.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 양이온 교환수지는 술폰산기를 가지는 것인 폴리올의 탈수방법.
The method of claim 1,
The cation exchange resin is a polyol dehydration method having a sulfonic acid group.
제 1항에 있어서,
상기 반응은 회분식 반응기일 경우 1분 내지 100시간동안 수행되며, 연속식 반응기일 경우는 1분 내지 1시간동안 수행되는 것인 폴리올의 탈수방법.
The method of claim 1,
The reaction is carried out for 1 minute to 100 hours in the case of a batch reactor, the dehydration method of the polyol is carried out for 1 minute to 1 hour in the case of a continuous reactor.
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