KR101329242B1 - 파라-아미노벤조산의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염소가 용해가능한 유기용매 존재하에서, 메틸-4-포밀벤조에이트에 공기를 공급하면서 1 내지 3 당량(eq)의 염소 가스(Cl2)를 투입하는 염소화 반응을 통해 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 합성하는 단계; 상기 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 아미드화 반응을 통해 메틸-4-카바모일벤조에이트를 합성하는 단계; 및 상기 메틸-4-카바모일벤조에이트를 수용액 조건에서 호프만 반응을 진행하는 단계를 포함하는 p-아미노벤조산의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 p-아미노벤조산의 제조방법은 기존에 알려진 공정의 제조단계를 감소시켜 목적화합물을 경제적이고 안정적으로 제조할 수 있다.

Description

파라-아미노벤조산의 제조방법{Method for preparing p-aminobenzoic acid}
본 발명은 p-아미노벤조산(p-aminobenzoic acid: PABA)의 제조방법에 관한 것이다.
p-아미노벤조산은 황색 결정으로서 물, 에탄올, 에테르에 용해되는 성질을 가지고 있으며, 선스크린(Sunscreen) 크림의 UV 흡수제, 방향제 원료, 고분자 첨가물(Ingredient), 직접염료 또는 배트염료의 중간체, 동물 사료용 비타민 B의 보조인자 또는 비타민 Bx, 벤조카인(Benzocaine), 프로카인(Procaine) 등의 국소마취제의 주원료, 제약학적 중간체 등 광범위한 용도로 사용되고 있다. 이와 같은 p-아미노벤조산을 제조하는 통상적인 방법은 하기 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
Figure 112012012103419-pat00001
상기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, p-아미노벤조산을 제조하기 위해서는 먼저, 톨루엔을 니트로화시켜, 오르토(ortho)-니트로톨루엔 및 파라(para)-니트로톨루엔을 합성하고, 이들을 분리한 다음, p-니트로톨루엔을 산화시켜 p-니트로벤조산을 제조하고, p-니트로벤조산의 니트로기를 염산 및 주석 혼합물, 백금, 라니(Raney) 니켈 등의 적절한 수소화 촉매를 이용하여 환원시켜 합성한다. 그러나 이와 같은 방법은 톨루엔의 니트로화 반응에서 오르토(ortho) 및 파라(para) 이성질체가 동시에 생기므로, 이들을 분별 결정 등의 방법으로 분리한 후, 두 가지 용도로 전개해야 하는 단점이 있다. 특히 오르토 이성질체는 상대적으로 쓰임이 적어 부산물로 폐기되는 경우가 많으므로 p-아미노벤조산의 제조비를 상승시키는 원인이 된다. 또한 과산화수소 또는 이산화망간 등 고가의 화합물을 사용하여 p-니트로톨루엔을 산화시켜야 하며, 얻어진 p-니트로벤조산을 백금 촉매, 철 촉매 등 화학적으로 매우 고가의 촉매를 사용하여 환원시켜야 하므로, 전체적으로 목적화합물의 제조비용이 상승하는 단점이 있다.
또한, 한국 등록특허 제10-0540888호에서는 메틸-4-포밀벤조에이트를 염소화시켜, 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 합성하고, 얻어진 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 아미드화시켜 메틸-4-카바모일벤조에이트를 합성한 다음, 얻어진 메틸-4-카바모일벤조에이트를 수용액 조건에서 호프만 반응을 진행하여 p-아미노벤조산을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 여기서, 상기 염소화 공정은 메틸-4-포밀벤조에이트를 용융시켜 액상으로 만든 다음, 1 내지 3 당량(eq)의 염소 가스(Cl2)를 투입하여 10시간 정도 수행하는 것이 바람직하고, 상기 아미드화 공정은 암모니아 수용액에 유기 용매로 용해시킨 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 적가하거나, 유기 용매에 용해시킨 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 암모니아 가스를 투입하여 이루어지는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 방법은 염소화 반응을 통해 얻은 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 분리한 다음, 이를 유기용매에 용해시켜 아미드화 반응을 진행하므로 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 상기 염소화 반응을 고온에서 장시간(약 10시간 정도) 수행함으로써 제조효율이 떨어지는 경향이 있다.
이에 본 발명에서는 메틸-4-포밀벤조에이트를 염소화 반응시킬 때, 염소가 용해가능한 용매 존재하에서, 공기를 공급하면서 염소화 반응을 수행한 결과, 상술한 문제점을 해결할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 하나의 관점은 염소가 용해가능한 용매 존재하에서, 공기를 공급하면서 염소화 반응을 수행하여 p-아미노벤조산을 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 p-아미노벤조산의 제조방법은 염소가 용해가능한 용매 존재하에서, 메틸-4-포밀벤조에이트에 공기를 공급하면서 1 내지 3 당량(eq)의 염소 가스(Cl2)를 투입하는 염소화 반응을 통해 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 합성하는 단계; 상기 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 아미드화 반응을 통해 메틸-4-카바모일벤조에이트를 합성하는 단계; 및 상기 메틸-4-카바모일벤조에이트를 수용액 조건에서 호프만 반응을 진행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 염소가 용해가능한 용매는 메틸렌 클로라이드, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 에틸렌 다이클로라이드, 테트라클로로카본 또는 이들의 혼합물이다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 공기는 200∼300㏄/시간의 속도로 공급된다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 염소화 반응은 25∼40℃의 온도에서 4∼6시간 동안 수행된다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 메틸-4-포밀벤조에이트는 디메틸테레프탈레이트 제조공정의 부산물로서 얻어지며, 불순물을 포함한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 아미드화 반응은 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 암모니아 수용액 또는 암모니아 가스를 공급하여 수행된다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 호프만 반응은 염기성 수용액에 용해된 상기 메틸-4-카바모일벤조에이트에 할로겐화 염기를 첨가하여 수행된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 p-아미노벤조산의 제조방법은 기존에 알려진 공정의 제조단계를 감소시켜 목적화합물의 제조비용을 절감할 수 있다. 또한, 염소화 반응을 상온에서 수행함으로써 매우 안정적인 효과가 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 p-아미노벤조산의 제조에서 출발물질로 사용되는 메틸-4-포밀벤조에이트(Methyl 4-formylbenzoate: MFB)는 통상적으로 폴리에스테르 제조의 원료로서 대량 사용되는 디메틸테레프탈레이트(Dimethylterephthalate: 이하, DMT라 한다.) 제조공정의 주요 부산물이나, 이에 제한받지 않고 다른 공정에서 부산물로 발생되는 MFB도 사용 가능하다. 통상적인 DMT 합성과정은 하기 반응식 2 (여기서, Me는 메틸기를 의미한다.)와 같다.
[반응식 2]
Figure 112012012103419-pat00002
본 발명의 일 실시 에에 따르면, 이와 같은 DMT의 제조과정에서 생성되는 부산물의 성분은 DMT의 제조 공정 조건에 따라 달라질 수 있으나, DMT 제조반응 속도를 충분히 증가시키는 경우 얻어진 부산물을 분석하면, 메틸-4-포밀벤조에이트(MFB) 65∼75중량%, DMT 15∼20중량%, 메틸-p-톨루에이트(Methyl p-toluate: MPT) 0.5∼1중량%를 포함하고 있어, 메틸-4-포밀벤조에이트(MFB)가 주요 부산물로 생성되고 있다. 세계적으로는 이스트만 코닥(Eastman Kodak), 듀퐁(Dupont), SK케미칼 등이 이와 같은 DMT 제조 공정을 채택하고 있는 것으로 알려져 있으며, 발생되는 부산물은 일반적으로 폐기되거나 소각되고 있다.
본 발명은 하기 반응식 3에 나타낸 바와 같이, p-아미노벤조산을 제조하기 위하여 상기 DMT 제조 공정의 주요 부산물인 메틸-4-포밀벤조에이트를 출발물질로 사용할 수 있다.
[반응식 3]
Figure 112012012103419-pat00003
상기 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 p-아미노벤조산을 제조하기 위해서는, 먼저 메틸-4-포밀벤조에이트를 염소화(chlorination)시켜, 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 합성한다. 이와 같은 염소화 반응은 반응물인 메틸-4-포밀벤조에이트를 염소가 용해가능한 유기용매에 용해시켜 액상으로 만든 다음, 1 내지 3 당량(eq)의 염소 가스(Cl2)와 공기를 공급하여 수행할 수 있다. 상기 염소 가스의 사용 당량이 1당량 미만인 경우에는 반응이 완전히 수행되지 않으며, 3당량을 초과하여도 반응 수율이 더 이상 향상되지 않는다.
상기 염소가 용해가능한 유기용매는 메틸렌 클로라이드, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 에틸렌 다이클로라이드, 테트라클로로카본 또는 이들의 혼합물 등이 바람직하나, 염소가 용해가능한 유기용매는 모두 포함할 수 있다. 상기 유기용매의 사용량은 메틸-4-포밀벤조에이트에 대하여 질량비로 2 내지 10배, 바람직하게는 5 내지 8배 사용하고, 상기 유기용매의 사용량이 2배 미만이면 부유물이 발생하고, 10배를 초과해도 반응 상의 개선점이 없는 경향이 있다. 또한, 상기 공기는 200∼300㏄/시간의 속도로 공급되며, 상기 공기의 공급량이 200㏄/시간 미만이면 반응이 시작되지 않고, 300㏄/시간을 초과해도 반응의 시간이 줄어들지 않는 경향이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 염소화 반응은 25∼40℃의 온도, 바람직하게는 약 30℃에서 4∼6시간 동안 수행한다. 이때, 상기 반응온도가 25℃ 미만이면 반응속도가 떨어지고, 40℃를 초과하면 불필요한 에너지가 낭비될 뿐만 아니라, 반응시 부반응이 발생하여 반응수율이 현저하게 떨어지는 단점이 있다. 이와 같이, 본 발명은 상온에서 염소화 반응이 진행됨으로써 경제적일 뿐만 아니라 반응을 안정적으로 수행할 수 있다. 또한, 상기 반응시간이 4시간 미만이면 반응하지 않은 반응물이 남게 되고, 6시간을 초과하면 반응에 불필요한 부산물이 발생하는 경향이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 염소화 반응에 의하여 생성된 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 아미드화시켜 메틸-4-카바모일벤조에이트(methyl-4- carbamoylbenzoate)를 합성한다. 본 발명에서 아미드화 반응은 상기 염소가 용해가능한 유기용매 존재하에서 상기 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 수산화암모늄(NH4OH) 또는 암모니아 가스(NH3)를 공급하여 연속반응을 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 아미드화 반응은 염소화 반응에서 얻은 메틸-4-클로로포밀벤조에이트의 분리 및/또는 정제 과정없이 상기 유기용매에 용해된 상태의 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 암모니아 수용액을 적가하거나, 암모니아 가스를 투입하여 수행할 수 있다. 이때 반응에 의하여 생성된 메틸-4-카바모일벤조에이트는 고체로 형성되어 용매 및 암모니아 수용액과 분리되며 반응물에 포함되어 있던 디메틸테레프탈산, 메틸파라톨루일산 등과 같은 불순물은 유기용매에 용해되어 제거된다.
본 발명에 따르면, 상기 아미드화 반응은 상압에서 수행할 수 있으며, 반응온도는 1 내지 50℃, 바람직하게는 3 내지 30℃이며, 상기 질소원이 암모니아 가스인 경우 가스의 활성을 고려하여 비교적 높은 온도, 예를 들면 25℃에서 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 반응 온도가 1℃ 미만인 경우에는 반응 속도가 느려지는 단점이 있으며, 50℃를 초과하는 경우에는 부반응의 우려가 있다.
상기 아미드화 반응에 있어서, 질소원이 수산화암모늄(NH4OH)인 경우에 그 사용량은 5 내지 20당량, 바람직하게는 7 내지 15당량이고, 상기 질소원이 암모니아 가스(NH3)인 경우에 그 사용량은 1.5 내지 5당량, 바람직하게는 2 내지 3 당량이다. 여기서 상기 수산화암모늄 및 암모니아 가스의 사용량이 각각 5당량 및 1.5당량 미만인 경우에는 반응속도가 느려지며, 수산화암모늄 및 암모니아 가스의 사용량이 각각 20당량 및 5당량을 초과하여도 반응에 특별한 이익이 없다. 이와 같은 아미드화 반응의 생성물은 백색 고체이며, 반응시간은 약 1시간, 반응 수율은 대략 95%이다.
다음으로, 상기 아미드화 반응에서 수득한 메틸-4-카바모일벤조에이트에 대하여 호프만(Hofmann) 반응을 수행함으로서 최종 목적물인 p-아미노벤조산을 얻을 수 있다. 상기 호프만 반응은, 예를 들면, 수용액상에서 메틸-4-카바모일벤조에이트와 1 내지 1.5 당량의 NaOCl, NaOBr 등의 할로겐화 염기 및 3 내지 15당량의 NaOH를 반응시켜 수행할 수 있으며, 염기성 수용액에 용해된 메틸-4-카바모일벤조에이트에 할로겐화 염기를 첨가하여 수행할 수도 있다. 상기 호프만 반응의 온도는 0 내지 80℃, 바람직하게는 3 내지 60℃이며, 반응 압력은 상압이며, 반응시간은 약 2시간이다. 이때 상기 반응물의 사용량이 상기 범위 미만일 경우에는 반응 수율이 감소되며, 상기 범위를 초과하여도 반응 수율이 더 이상 향상되지 않는다. 또한 상기 호프만 반응의 온도가 0℃ 미만인 경우에는 반응 속도가 저하되며, 80℃를 초과하면 부반응의 우려가 있다.
상기 호프만 반응이 완료되면, 필요에 따라 산 수용액, 바람직하게는 5 내지 10%의 염산 수용액으로 p-아미노벤조산을 추출한 후, 염기, 바람직하게는 NaOH를 이용하여 반응액의 pH를 약 4로 중화하여 p-아미노벤조산을 고체로 침전시킨 후, 이를 여과함으로서 최종적으로 순수한 p-아미노벤조산을 수득한다. 이와 같은 호프만 반응의 수율은 대략 90%이다.
이하, 실시 예 및 비교 예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시 예 1
75%의 메틸-4-포밀벤조에이트(메틸-4-포밀벤조에이트 16.4g)를 82g의 메틸렌 클로라이드에 약 30℃에서 용해시킨 다음, 1.5당량의 염소가스와 250㏄/시간의 공기를 약 5시간 동안 버블링하여 투입하여 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 수득하였다. 반응종료는 크로마토그래피로 메틸-4-포밀벤조에이트가 다 소진되는 시점으로 하였다.
그 다음, 상기 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 대하여 10당량의 암모니아를 포함하는 10% 암모니아 가스를 투입하였으며, 이때 반응액의 온도를 20 내지 30℃의 온도범위로 유지하였다. 반응기의 온도를 상온으로 냉각 후, 여과하여 백색 고체 상태의 메틸-4-카바모일벤조에이트를 95%의 수율로 수득하였으며, 순도는 99%였다.
그 다음, 상기 메틸-4-카바모일벤조에이트에 대하여 5당량의 수산화나트륨을 포함하는 1N 수산화나트륨 수용액을 0℃로 냉각한 후, 메틸-4-카바모일벤조에이트 17.9g를 투입하고, 반응액의 온도를 0 내지 10℃로 유지하면서 1.05당량의 NaOCl을 포함하는 10% NaOCl 수용액을 약 30분 동안 적가하고, 약 2시간동안 반응을 진행한 다음, 반응기의 온도를 약 50℃로 승온하고, 1시간동안 방치하였다. NaOH 수용액을 첨가하여 반응액의 pH를 4로 조절하여 고체를 침전시킨 후, 여과하여 최종 생성물인 p-아미노벤조산을 90%의 수율로 수득하였다.
실시 예 2
75%의 메틸-4-포밀벤조에이트의 염소화 단계에서 사용되는 공기의 양을 300㏄/시간로 5시간 투입한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일하게 실시하여 p-아미노벤조산을 수득하였다. 이때 아미드화반응의 수율은 94%이였으며, 순도는 99%였다.
실시 예 3
75%의 메틸-4-포밀벤조에이트의 염소화 단계에서 사용되는 염소의 양을 2당량 투입한 것을 제외하고는 실시 예 1과 동일하게 실시하여 p-아미노벤조산을 수득하였다. 이때 아미드화반응의 수율은 95%이였으며, 순도는 99%였다.
비교 예 1
75%의 메틸-4-포밀벤조에이트 16.4g을 60℃로 가열하여 용융시킨 다음, 1.5당량의 염소가스를 10시간 동안 버블링하여 투입하여 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 90%의 수율로 수득하였다. 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 대하여 10당량의 암모니아를 포함하는 10% 암모니아 수용액에, 60℃의 메틸-4-클로로포밀벤조에이트 19.8g을 80g의 톨루엔에 녹여 2시간 동안 적가하였으며, 이때 반응액의 온도는 5 내지 20℃가 되도록 유지하였다. 반응기의 냉각을 중지하고, 반응액을 상온까지 승온한 다음, 여과하여 백색 고체 상태의 메틸-4-카바모일벤조에이트를 98%의 수율로 수득하였으며 순도는 95%였다.
메틸-4-카바모일벤조에이트에 대하여 5당량의 수산화나트륨을 포함하는 1N 수산화나트륨 수용액을 0℃로 냉각한 후, 메틸-4-카바모일벤조에이트 17.9g를 투입하고, 반응액의 온도를 0 내지 10℃로 유지하면서 1.05당량의 NaOCl을 포함하는 10% NaOCl 수용액을 30분 동안 적가하고, 2시간동안 반응을 진행한 다음, 반응기의 온도를 50℃로 승온하고, 1시간동안 방치하였다. NaOH 수용액을 첨가하여 반응액의 pH를 4로 조절하여 고체를 침전시킨 후, 여과하여 최종 생성물인 p-아미노벤조산을 95%의 수율로 수득하였다.
이와 같이, 상기 실시 예 1 내지 3에서는 상기 비교 예 1과는 다르게 메틸-4-포밀벤조에이트에 염소가스와 공기를 같이 버블링하여 반응시킴으로 반응시간을 단축시킬 수 있었다. 또한, 본 발명에서는 기존의 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 약 60℃의 톨루엔에 녹여서 암모니아수에 적가하는 방식을 염소화 단계에서 용매를 사용하여 반응온도를 낮출 수 있었다. 아울러, 비교 예 1이 경우, 메틸-4-카바모일벤조에이트 생성 시 여과 후 여액에 톨루엔과 물이 섞인 폐수를 얻게 되지만, 본 발명에서는 반응용매를 사용하면서 단일 폐 용매가 나오게 되고, 그 양은 기존에 톨루엔과 물이 섞인 양보다 상대적으로 매우 적은 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 염소가 용해가능한 유기용매 존재하에서, 메틸-4-포밀벤조에이트에 공기를 공급하면서 1 내지 3 당량(eq)의 염소 가스(Cl2)를 투입하는 염소화 반응을 통해 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 합성하는 단계;
    상기 메틸-4-클로로포밀벤조에이트를 아미드화 반응을 통해 메틸-4-카바모일벤조에이트를 합성하는 단계; 및
    상기 메틸-4-카바모일벤조에이트를 수용액 조건에서 호프만 반응을 진행하는 단계를 포함하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 염소가 용해가능한 유기용매는 메틸렌 클로라이드, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 에틸렌 다이클로라이드, 테트라클로로카본 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기는 200∼300㏄/시간의 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 염소화 반응은 25∼40℃의 온도에서 4∼6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메틸-4-포밀벤조에이트는 디메틸테레프탈레이트 제조공정의 부산물로서 얻어지며, 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 아미드화 반응은 메틸-4-클로로포밀벤조에이트에 암모니아 수용액 또는 암모니아 가스를 공급하여 수행되는 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 호프만 반응은 염기성 수용액에 용해된 상기 메틸-4-카바모일벤조에이트에 할로겐화 염기를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 p-아미노벤조산의 제조방법.
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