KR101355256B1 - 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조 - Google Patents

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Abstract

반응 혼합물로부터 반응수를 제거하면서 승온 및 승압에서 테레프탈산과 2-에틸헥산올을 에스테르화반응시켜 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조{PRODUCTION OF DI-(2-ETHYLHEXYL) TEREPHTHALATE}
본 발명은 테레프탈산(TPA)으로부터 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 반응 혼합물로부터 반응수를 제거하면서 승온 및 승압에서 TPA와 2-에틸헥산올(EH)을 에스테르화반응시켜 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
다이옥틸 테레프탈레이트 또는 DOTP로도 알려져 있는 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트는 폴리비닐 클로라이드와 같은 다양한 중합 물질에서 가소제로서 사용된다. DOTP는 다이메틸 테레프탈레이트(DMT)와 EH의 티타네이트-촉매된 에스테르교환반응에 의해 제조될 수 있다. DMT의 에스테르교환반응에서 사용된 것과 유사한 조건 하의 TPA와 EH의 직접적인 에스테르화반응은 반응 속도가 느리고 거품생성과 함께 산발적인 문제를 일으킨다. 미국 특허출원 공개 제 2002028963 A1 호는 물이 알콜과 함께 공비 증류에 의해서 제거되는 에스테르화 공정을 개시한다. 일본 특허 공개 제 60004151 A 호(일본 특허 제 03004052 B 호)는 승압 및 승온 하에서의 TPA와 EH의 반응을 개시한다. 일본 특허 공개 제 2001031794 A 호는 하나 이상의 C9-C18 1가 알콜 및 2-에틸헥산올을 테레프탈산과 반응시키는 것에 의한 테레프탈산 에스테르의 제조를 개시한다. 이 반응 동안 형성된 물은 제거되고 알콜은 분리되어 시스템으로 재순환한다. 마지막으로, 미국 특허 제 5,532,495 호는 반응 혼합물로부터 물과 알콜 반응물의 일부를 제거하는 것을 포함하는 다단계 에스테르화 공정을 개시한다.
본 발명의 요약
본 발명자들은 승압 및 승온에서 TPA와 2-에틸헥산올(EH)을 에스테르화반응시키고, 이때, 에스테르화 공정 동안 반응수와 EH의 일부를 제거하는, 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조방법을 개발하였다. 따라서 본 발명은 TPA와 EH를 티타늄 촉매의 존재하에 반응 대역 내에서 접촉시키는 것을 포함하며, 이때, 전체 압력은 100 내지 400 kPa(1 내지 4 바 게이지(bar gauge)), 온도는 180 내지 270℃, EH:TPA 몰비는 2:1 내지 2.5:1로 유지되며, 반응 대역 내의 TPA/EH 반응 혼합물을 통해 불활성 기체를 통과시킴으로써 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트가 제조되는 동안 반응 대역으로부터 물과 EH의 혼합물을 제거하는, 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 신규한 제조방법은 바람직한 다이에스테르 생성물을 우수한 반응 속도 및 TPA 반응물의 높은 전환율로 관측가능한 거품생성 문제없이 제공한다.
본 발명의 에스테르화 공정은 EH:TPA 몰비를 2:1 내지 2.5:1로 유지하면서 압력 용기를 포함하는 반응 대역 내에서 수행된다. 상기 반응 대역 내의 압력 및 온도는 100 내지 400 kPa(1 내지 4 바 게이지(barg)) 및 180 내지 270℃로 유지된다. 바람직한 압력 및 온도 범위는 200 내지 350 kPa(2 내지 3.5 barg) 및 180 내지 260℃이다.
본 발명의 중요한 특징은 에스테르화 공정 동안 EH와 함께 반응수를 제거한다는 점이다. EH:TPA의 몰비가 2:1 내지 2.5:1로 유지되려면 공정 동안 반응 용기로 EH를 첨가하는 것이 필요하다. 반응 대역으로부터 제거된 EH/물 혼합물 또는 공비혼합물은 EH-풍부 유기상 및 수성상으로 분리될 수 있고, EH-풍부 유기상은 반응 대역으로 복귀할 수 있다. 달리, EH:TPA 몰비는 새로운 EH를 첨가함으로써 2:1 내지 2.5:1로 유지될 수 있다.
반응 대역으로부터 반응수의 제거는 반응 대역 내의 TPA/EH 반응 혼합물을 통해 불활성 기체를 통과시킴으로써 보조된다. 질소는 가장 저렴하므로 선호되는 불활성 기체이다. 불활성 기체는 일반적으로 통상적인 도관 또는 기체 분사장치를 통해서 TPA/EH 반응 혼합물의 표면 아래로 공급된다. 불활성 기체는 간헐적 또는 불연속적으로 공급될 수 있으나, 에스테르화 반응이 시작될 때는 연속적으로 공급되는 것이 바람직하다. TPA/EH 반응 혼합물을 통과하는 기체의 양은 상당히 다양할 수 있으나, 일반적으로 2 내지 5 기체 부피/반응 혼합물의 부피/시간의 범위이다.
티타늄 촉매는 상기 반응 혼합물에서 가용성인, 즉 EH와 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트 생성물에서 가용성인 임의의 티타늄 화합물일 수 있다. 적합한 티타늄 화합물의 예는 화학식 Ti(OR)4(여기에서, R은 탄소수 1 내지 8개의 알킬기임)를 갖는 티타늄 테트라알콕사이드를 포함한다. 티타늄 화합물의 촉매적 유효량은 일반적으로 반응 혼합물 중 50 내지 200 중량ppm의 티타늄[Ti] 농도를 제공하는 양이다. 본 발명의 공정은 배치식, 반-연속식 또는 연속식으로 수행될 수 있다. 배치식에서는, 교반된 압력 용기에 TPA, EH 및 촉매를 가하고, 가열 및 가압하고, 반응 혼합물에 불활성 기체를 통과시키면서 에스테르화를 수행한다. EH/물 혼합물을 제거하고 EH를 공정의 진행동안 반응 용기로 공급한다. 공정의 마지막에 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트 생성물을 상기 용기로부터 회수하고 통상적인 절차에 따라 정제한다. 연속적 작업은 연속적으로 또는 간헐적으로 TPA, EH 및 촉매를 공급하고, 예정된 온도, 압력 및 액체 수준에서 유지되는 압력 용기로부터 연속적 또는 간헐적으로 EH, 물 및 생성물-함유 반응 혼합물을 제거하는 것을 포함한다. 생성물-함유 반응 혼합물은 하나 이상의 2차 반응 용기로 공급될 수 있고, 여기에서 TPA 및/또는 TPA 반-에스테르의 다이에스테르 생성물로의 전환이 완료된다.
가장 간단한 실시양태에서, 반응 용기는 EH 반응물 복귀를 위한 하나의 입구 및 분획 컬럼 위치의 휘발성 물질을 제거하기 위한 조절 밸브를 구비할 수 있다. 상기 반응기에 테레프탈산, 과량의 2-에틸헥산올 및 촉매량의 티타늄 촉매, 예를 들면 티타늄 테트라아이소프로폭사이드(TIPT)를 가한다. 이 혼합물을 가열 및 교반하면 압력 및 TPA의 DOTP로의 에스테르화가 증가하고 EH와 물을 포함하는 휘발성 물질이 방출된다. 상기 휘발 성분은 주로 반응수와 미반응 EH로 구성된다. 이러한 성분들은 불활성 기체 퍼지의 도움으로 반응기 밖으로 쓸려 나갈 수 있고, 이어서 응축되고, 물로부터 2-에틸헥산올이 분리되어, 펌프를 통해 오토클레이브로 복귀될 수 있다. 이 반응의 산물은 전형적으로 재순환을 위한 미반응 TPA를 여과함으로써 정제된다. 상기 조 생성물(여과물)을 2.5중량%의 수성 NaOH로 중화하고, 물로 세척하고 여과한다. 과량의 2-에틸헥산올을 감압 하에서 제거하고, 이어서 잔류물을 증기로 스트리핑한다. 스트리핑된 생성물을 활성 탄소로 1시간 동안 처리하고 여과기를 통해 여과하여 최종 생성물을 얻는다.
한 바람직한 실시양태에서, 상기 공정은 TPA를 스크류(screw) 공급기를 통해 적당한 반응 용기에 가하고, 펌프-공급 혼합물로서 EH/촉매를 환류 응축기/디캔터(decantor) 조합이 장착된 교반되고 가압된 반응 용기에 가함으로써 연속식으로 수행되어 반응수가 제거되고 미반응 EH가 반응기로 복귀될 수 있다. 반응기의 유출물은 일련의 하나 이상의 연마 반응기를 통과할 수 있고, 이때 물이 제거되며 DOTP로의 전환이 계속된다. 이 반응의 산물은, 배치식 예로 기재된 것과 호환성이 있는 단계들에 의해 추가로 가공 및 정제될 수 있다.
본 발명의 방법은 하기 실시예에 의해 더 상세히 설명되며, 달리 언급하지 않는 한 주어진 모든 백분율은 중량기준이다.
500 ml 오토클레이브에 137.9 g(0.83 몰)의 TPA, 250 g(1.92 몰)의 EH 및 125 ppm(0.048 g)의 TIPT 촉매를 가하였다. 오토클레이브는 교반기, TPA/EH 촉매 혼합물의 표면 아래로 EH 및 질소를 공급하기 위한 도관, 압력 완화 도관, 및 물과 EH를 제거하기 위한 조절 밸브(역압 조절기)가 장착된 도관을 구비하였다. 상기 오토클레이브를 봉인하고 약 180℃로 가열하여 오토클레이브 내에 100 kPa(1 barg)의 압력을 발생시켰다. 반응이 진행됨에 따라, 물과 EH의 혼합물이 제거되고 EH를 펌핑에 의해 오토클레이브로 되돌렸다. 질소를 재순환된 EH와 함께 공급하여 물의 제거를 용이하게 하였다. 총 반응 시간은 최대 온도 260℃, 최대 오토클레이브 압력 약 300 kPa(3 barg)에서 10.5시간이었다. 미반응 TPA(14 g)를 여과에 의해 회수하였다. 이어서 조 생성물을 2.5% 수성 NaOH로 중화하고, 물로 세척하고 여과하였다. 과량의 EH를 감압 하에서 제거하고 이어서 잔류물을 스팀으로 스트리핑하였다. 스트리핑된 생성물을 활성 탄소로 90℃에서 1시간 동안 처리하고 여과기를 통해 여과하여 생성물 136.6 g을 수득하였다(약 80% 전환). 분석(기체 크로마토그래피, 면적 백분율): 0.04% EH; 0.07% 다이-(2-에틸헥실)프탈레이트; 0.13% 메틸(2-에틸헥실)테레프탈레이트; 0.02% 미확인 물질; 99.42% DOTP. 색상(PCS): 20.
대기압에서 비교 실험을 수행하였다. 탑정 교반기, 온도계, 가열 맨틀(mantle) 및 증기 디캔터를 장치한 2 L의 둥근 바닥 플라스크에 350 g(2.107 몰)의 TPA, 687 g(5.28 몰)의 EH 및 0.208 g(200 ppm)의 TIPT를 가하였다. 가열하자, 약 180℃에서 반응이 시작되었다. 온도를 6시간 동안 서서히 189℃까지 올렸다. 10시간의 반응 후 202℃의 온도에 도달하였다. 약 14시간의 반응 시간이 완료될 때까지 온도를 205℃로 유지하였다. 온도는 15시간 후 210℃가 되었고, 18시간 후 222℃가 되어 최종 온도는 230℃이었으며 이것은 2시간 동안 유지되었다. 따라서 물 방출이 서서히 늦어져서 반응이 중단되는 지점에 도달하기까지 요구되는 반응시간은 21.5시간이었다. 75.8 g의 이론치중에서 총 73.5 g의 물-함유 증류물을 수거하였다. 조 생성물에서 휘발성 물질을 제거하여 총 125.3 g을 수득하였다. 잔류물은 733.7 g로 칭량되었으며 잔류물의 수율은 88.9%이었다. 분석(기체 크로마토그래피, 면적 백분율): 0.04% EH; 0.04% 다이-(2-에틸헥실)프탈레이트; 0.36% DOTP 이성질체; 99.39% DOTP. 색상(PCS):40.
본 발명을 바람직한 실시양태를 참조하여 자세히 기술하였으나, 본 발명의 진의 및 범주 내에서 다양화 및 변형이 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (5)

  1. 테레프탈산(TPA)과 2-에틸헥산올(EH)을 티타늄 촉매의 존재 하에 반응 대역 내에서 접촉시키는 것을 포함하며, 이때, 전체 압력은 100 내지 400 kPa(1 내지 4 바 게이지(barg))로 유지되고, 온도는 180 내지 270℃로 유지되고, EH:TPA의 몰비는 2:1 내지 2.5:1로 유지되며, 불활성 기체가 반응 대역 내의 TPA/EH 반응 혼합물을 2 내지 5 기체 부피/반응 혼합물의 부피/시간의 속도로 통과함으로써 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트가 제조되는 동안 반응 대역으로부터 물과 EH의 혼합물을 제거하는, 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    티타늄 촉매가 화학식 Ti(OR)4(여기에서, R은 탄소수 1 내지 8개의 알킬기임)를 갖는 티타늄 테트라알콕사이드인 제조방법.
  4. 테레프탈산(TPA)과 2-에틸헥산올(EH)을 티타늄 테트라알콕사이드 촉매의 존재 하에 반응 대역 내에서 접촉시키는 것을 포함하며, 이때, 전체 압력은 200 내지 350 kPa(2 내지 3.5 바 게이지(barg))로 유지되고, 온도는 180 내지 260℃로 유지되고, EH:TPA의 몰비는 2:1 내지 2.5:1로 유지되며, 불활성 기체가 반응 대역 내의 TPA/EH 반응 혼합물을 통해 2 내지 5 기체 부피/반응 혼합물의 부피/시간의 속도로 통과함으로써 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트가 제조되는 동안 반응 대역으로부터 물과 EH의 혼합물을 제거하는, 다이-(2-에틸헥실)테레프탈레이트의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    티타늄 테트라알콕사이드 촉매가 화학식 Ti(OR)4(여기에서, R은 탄소수 1 내지 8개의 알킬기임)를 가지며, 반응 혼합물 중 상기 촉매의 농도가 50 내지 200 중량ppm의 티타늄[Ti] 농도를 제공하는 양인, 제조방법.
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