KR101579989B1 - 난류 방식의 연속적 생성물 추출을 사용하여 마이크로반응기 및 밀리반응기에서 나이트레이트 에스터를 형성하는 방법 - Google Patents

난류 방식의 연속적 생성물 추출을 사용하여 마이크로반응기 및 밀리반응기에서 나이트레이트 에스터를 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

2상 용매 시스템에서 하기 화학식 II의 화합물을 연속적으로 제조하는 방법으로서,
하기 화학식 I의 화합물을 제 1 용매의 존재하에 질산과 접촉시킴을 포함하고,
화학식 II의 화합물을 제 2 용매로 연속적으로 추출시키고,
상기 반응을 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기에 의해 동일한 조건하에 제공된 전력 손실의 1.3배 이상의 전력 손실을 제공하는 혼합 마이크로반응기에서 수행하는, 방법:
화학식 II
HO-R1-ONO2
화학식 I
HO-R1-OH
상기 식에서,
R1은 탄소원자수 3 내지 6의 직쇄 알킬 라디칼이다.

Description

난류 방식의 연속적 생성물 추출을 사용하여 마이크로반응기 및 밀리반응기에서 나이트레이트 에스터를 형성하는 방법{FORMATION OF NITRATE ESTERS IN MICROREACTORS AND MILLIREACTORS USING A CONTINUOUS PRODUCT EXTRACTION IN A TURBULENT FLOW REGIME}
일가 및 다가 알콜과 나이트로화제(nitrating agent), 예컨대 질산 또는 나이트로화 산의 반응에 의해 상응하는 나이트레이트 에스터, 예컨대 글리세린으로부터 글리세릴 트라이나이트레이트가 생성된다(문헌[Winnacker, Kuchler, "Chemische Technologie", volume 7, 1986, pages 359-402] 참조). 그러나, 나이트레이트 에스터의 제조 및 취급은, 특히 이러한 생성물의 대다수가 폭발성 물질로 신고되어 있기 때문에, 안전성의 견지에서 문제가 있고 제조자에 대해 중대한 요구가 있다. 글리콜의 나이트로화를 취급하는데 있어서 문제는 모노나이트레이트(즉, 부분적으로 나이트로화된) 및 다이나이트레이트, 및 글리콜 출발 물질 자체의 둘다가 강산화제인 질산에 의해 산화될 수 있다는 것이다. 이러한 산화는 CO2, H2O 및 N2를 방출하고 기하급수적으로 증대되어 잠재적으로 위험한 폭발을 초래할 수 있다. WO 2005/077883은 마이크로반응기에서 액체 나이트레이트 에스터를 제조하는 방법을 기재하고 있다.
특별한 도전은 개별적 하이드록시기, 예를 들어 글리콜 및 그의 상동체의 선택적 반응에 의해 모노-에스터화된 화합물을 형성하는 것이다. 따라서, WO 2005/077883의 균질 반응 조건하에 실질적으로 배타적으로 다중 에스터화된 생성물이 수득된다.
추출 원리를 이용하여 폴리올로부터 비교적 소량의 나이트레이트 에스터를 선택적으로 제조하는 실험실 공정이 문헌[Michael W. Barnes et al., Synthesis 1977, 484-485]에 기재되어 있다.
또한, WO 2004/04328은 부탄다이올의 모노나이트로화용 회분식 반응 공정을 기재하고 있다. 이 반응은 -5 내지 2 ℃의 온도에서 다이클로로메탄중에서 수행된다. 나이트로화 반응은 다이나이트레이트 및 미반응 부탄다이올로부터 후분리된 모노나이트로화된 생성물 및 물로 켄칭(quenching)된다.
로사구티(Rosaguti) 등의 문헌[Chem. Eng. Technol. 2005, 28(3), 353-361]은 원형 단면을 갖는 S자형(serpentine) 채널을 갖는 열 교환기에서 유체의 유동 특성을 기재하고 있다. 딘 와동(Dean vortex) 현상이 기재되어 있다. 이는 채널중 굴곡부(bend)에 의해 생성되고 유체의 난류에 기여하여 채널 벽으로의 열 전달을 증가시킨다. 따라서, 열 교환기에서 유체로부터의 개선된 열 전달이 제공된다. 또한, 상기 로사구티 등의 문헌은 딘 와동 형성이 시스템에 압력 강하 페널티(pressure drop penalty)를 부과함을 교시하고 있다. 소정의 길이 및 수압(hydraulic) 직경의 파이프를 통한 소정의 유동의 압력 강하는 파이프가 소정의 유동 조건하에 딘 와동을 유도할 수 있는 굴곡부를 함유하는 경우에 일어난다.
마이크로반응기는 ㎛ 내지 ㎜ 규모의 하나 이상의 특징적인 치수를 갖는 반응기이다. 마이크로반응기는 예를 들어 문헌[V. Hessel and H. Lowe, "Mikroverfahrenstechnik: Komponenten, Anlagen-konzeption, Anwenderakzeptanz", Chem. Ing. Techn. 74, 2002, pages 17-30, 185-207 and 381-400] 및 [S. Lobbecke et al., "The Potential of Microreactors for the Synthesis of Energetic Materials", 31st Int. Annu. Conf. ICT; Energetic Materials-Analysis, Diagnostics and Testing, 33, 27-30 June 2000, Karlsruhe, Germany]에 기재되어 있다. 마이크로반응기 및 마이크로반응기에서의 공정을 논의하고 있는 문헌에서, 층류(laminar flow)의 이점이 특히 강조되어 있다. 이는 반응을 성공적으로 수행하기 위한 결정적 인자로서 강조되어 있다. 1000보다 현저히 작은 레이놀드수(Reynold number)가 선행 기술에서 매우 요망되었다.
마이크로반응기, 마이크로혼합기 및 마이크로-열-교환기가 예를 들어 독일(즉, 아이엠엠(IMM), 마인즈(Mainz), 및 포르슝첸트룸 칼스루헤(Forschungszentrum Karlsruhe)) 및 미국(즉, 엠아이티(MIT) 및 듀퐁(DuPont))에서 개발되어 왔다.
연속식 반응기, 특히 마이크로반응기에서 다상 시스템의 사용과 관련된 문제는 2개 상의 혼합이다. 전형적으로, 반응기를 통한 유체의 이동은 테일러 유동(Taylor flow) 또는 슬러그 유동(slug flow)에 의해 일어난다. 이는 동일한 속도에서 반응기를 통해 유동하는 각 상의 교호 불연속 영역(alternating discrete regions)을 야기하여 소정의 물질 전달(mass transfer)을 허용한다.
본 발명의 목적은 글리콜의 모노나이트레이트 에스터의 선택적 제조를 위한 효율적 공정을 개발하는 것이다.
놀랍게도, 본 발명자들은 모노나이트레이트 에스터를 선택적으로 형성하는 글리콜과 질산의 반응을 제 1 용매중 반응으로부터 제 2 용매로 모노나이트로화된 생성물을 추출하는 2상 용매 시스템을 사용하여 연속식 공정으로 효율적으로 안전하게 수행할 수 있음을 밝혀내었다. 이 반응 조건은 혼합 마이크로반응기에서 생성된 난류를 사용하여 비혼화성 용매의 충분한 분산액을 보장하고 제 1 용매로부터 제 2 용매로 모노나이트로화된 생성물의 물질 전달을 개선시킬 수 있다. 이 반응은 반응으로부터 효율적인 열 전달을 보장하기 위하여 마이크로반응기 규모로 수행된다. 본 발명의 공정에 의해, 열을 효율적으로 전달하여 잠재적으로 위험한 부반응을 제어함과 동시에 특히 높은 수율 및 처리량이 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 2상 용매 시스템에서 하기 화학식 II의 화합물을 연속적으로 제조하는 방법으로서,
하기 화학식 I의 화합물을 제 1 용매의 존재하에 질산과 접촉시킴을 포함하고,
화학식 II의 화합물을 제 2 용매로 연속적으로 추출시키고,
상기 반응을 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기에 의해 동일한 조건하에 제공된 전력 손실의 1.3배 이상의 전력 손실을 제공하는 혼합 마이크로반응기에서 수행하는, 방법을 제공한다:
[화학식 II]
HO-R1-ONO2
[화학식 I]
HO-R1-OH
상기 식에서,
R1은 탄소원자수 3 내지 6의 직쇄 알킬 라디칼이다.
도 1은 전형적인 지그재그 배열의 채널을 갖는 혼합 마이크로반응기를 도시한다.
도 2는 나선형 배열의 채널을 갖는 혼합 마이크로반응기를 도시한다.
도 3은 반복 심장형 모티프를 갖는 혼합 마이크로반응기를 도시한다. 이러한 마이크로반응기는 코닝 게엠베하(Corning GmbH)에 의해 제조된다.
도 4는 본 발명의 공정을 위하여 설치된 장치의 예를 도시한다. MR1은 혼합 마이크로반응기이고, MR2 및 MR3은 마이크로반응기이다. 이러한 전형적인 반응기 설치에서 HNO3 및 다이클로로메탄이 T-혼합기에서 혼합되고 1,4-부탄다이올이 첨가되고 반응이 혼합 마이크로반응기에서 수행되고 물이 첨가되어 제 2 반응기에서 반응을 켄칭하고 NaOH가 첨가되어 제 3 마이크로반응기에서 반응 혼합물을 중화한다.
본원에 사용된 마이크로반응기는 마이크로반응기 또는 미니반응기를 의미한다. 이들은 각각 반응 채널 구조의 치수 및 구성에 있어서 통상적인 크기의 반응기와 다를 뿐이다. 마이크로반응기는 ㎛ 내지 ㎜ 단위의 특징적인 치수(채널 폭 및 깊이, 또는 플레이트 폭)를 갖는 축소된 반응기이다. 특징적인 치수는 마이크로반응기를 통한 반응 혼합물의 유동에 수직인 치수이다. 특징적인 치수는 예를 들어 0.01 내지 10 ㎜, 전형적으로 0.5 내지 6 ㎜, 예를 들면 3.5 내지 5 ㎜이다.
바람직하게는, 마이크로반응기는 수압 직경 20 ㎜ 이하의 채널을 갖는 반응기로서 정의된다. 수압 직경 Dh는 4A/U로서 정의되고, 이때 A는 반응기 채널의 단면적이고, U는 상기 단면의 둘레이다. 보다 바람직하게는, 수압 직경은 0.01 내지 10 ㎜, 보다 바람직하게는 0.5 내지 6 ㎜, 보다 바람직하게는 3.5 내지 5 ㎜, 또는 1, 2, 3 또는 4 ㎜이다.
둥근 관의 경우, 수압 직경 Dh는 관의 직경과 동일하다. 직사각형 형상의 단면을 갖는 직사각형 도관의 경우, 수압 직경은 4LW/2(L+W)와 동일하고, 이때 L은 직사각형의 최장 측면의 길이이고, W는 직사각형의 폭이다. 정사각형 도관의 특정 경우, 수압 직경 Dh는 L과 동일하다. 환형의 경우, 수압 직경은 Dh = (4×0.25π(Do 2-Di 2)/π(Do-Di) = Do-Di이고, 이때 Do는 환형의 외부 직경이고, Di는 내부 직경이다. 그러나, 일반식 4A/U(이때, A는 반응기 채널의 단면적이고, U는 상기 단면의 둘레이다)가 반응기 채널의 임의의 형상에 대한 수압 직경을 계산할 수 있게 하는 점에 주목해야 한다. 수압 직경은 마이크로반응기의 길이를 따라 달라질 수 있다.
혼합 마이크로반응기는 이를 통과하는 유체(예를 들어 2상 용매 시스템)에 혼합 에너지를 제공하는 상기 정의된 바와 같은 마이크로반응기이다.
전력 손실 또는 △W[JS-1]는 마이크로반응기를 통과하는 유체에 의해 손실된 전력의 양(단위 시간당 에너지)이다. 이는 하기 수학식 1로 표시될 수 있다:
[수학식 1]
△W = △PF
상기 식에서,
△P[Nm-2]는 혼합 마이크로반응기의 입구와 출구 사이의 압력 차이이고, 이는 혼합 마이크로반응기의 입구 및 출구 각각에서 압력 게이지에 의해 측정되고;
F는 혼합 마이크로반응기를 통해 유동하는 유체의 유속[m3s-1]이다.
본원에 기재된 바와 같이 전력 손실은 2개 성분, 즉 직선 채널 전력 손실(△WS) 및 혼합 에너지(△WM)로 이루어진다.
직선 채널 전력 손실(△WS)은 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기를 통해 유동하는 유체의 전력 손실이다. 이러한 시스템에서, △W = △WS이다. 즉, △WM이 없다.
혼합 에너지(△WM)는 혼합 마이크로반응기를 통과하는 유체의 혼합을 초래하는 와동 및 소용돌이 유동을 생성함으로써 기인된 전력 손실의 부분이다. 이는 전력 손실과 직선 채널 전력 손실 사이의 차이로 정의될 수 있다(즉, △WM = △W -△WS). 이는 혼합 마이크로반응기의 내부 기하구조(geometry)에 의해 야기된다. 소정의 시스템에서, 혼합 에너지는 다음에 의해 계산될 수 있다:
i) 혼합 마이크로반응기의 입구와 출구 사이의 압력 차이(△W)를 측정함;
ii) 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기의 입구와 출구 사이의 압력 차이(△WS)를 측정함; 및
iii) △W로부터 △WS를 빼서 △WM을 얻음.
원칙적으로, 혼합 마이크로반응기의 내부 기하구조는 △W ≥ 1.3△WS의 임의의 형태를 제공할 수 있다. 바람직하게는 △W ≥ 1.5△WS이다. 보다 바람직하게는 △W ≥ 2△WS, 예를 들어 △W ≥ 3△WS이다.
즉, 바람직하게는 혼합 마이크로반응기는 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기에 의해 동일한 조건하에 제공된 전력 손실의 1.5배 이상, 보다 바람직하게는 2배 이상, 보다 더 바람직하게는 3배 이상의 전력 손실을 제공한다.
바람직한 내부 기하구조는 파형, 예를 들어 S자형, 나선형 또는 지그재그형이다. 혼합 마이크로반응기의 외부 형상은 혼합 마이크로반응기의 내부 형상을 따르거나 또는 상이한 기하구조일 수 있다. 가장 간단한 형태에서, 혼합 마이크로반응기는, 예를 들어 벤딩(bending) 또는 핀칭(pinching)에 의해, 변형된 관이다.
본원에 사용된 파형은 정사각형, 사다리꼴, 사인곡선형 및 둥근형을 비롯한 임의의 파형을 포함한다. 파형은 2개 또는 3개 치수로 작동할 수 있다. 파형은 불규칙적이거나 규칙적일 수 있다. S자형은 둥근형 또는 사인곡선형 파형의 2개 치수로 진동하는 관을 의미한다. 이 형태는 정사각형, 사다리꼴, 사인곡선형 및 둥근형을 비롯한 임의의 파형을 추적할 수 있다. 나선형은 나선 형상을 적어도 대략 추적하는 채널을 의미한다. 지그재그는 직선 구역 및 굴곡부를 교대로 조합한 바람직한 유형의 파형이다. 지그재그는 전형적으로 2개 치수로 일어나고 동일한 길이의 직선 구역 및 동일한 각의 굴곡부를 교대로 포함한다.
혼합 마이크로반응기의 단면 형상은 반응기의 길이를 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 진동할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 혼합 마이크로반응기의 일례는 일정 간격으로 핀칭되어 핀칭 지점에서 타원을 형성하는 원형 단면 관이다. 유사하게, 수압 직경은 반응기의 길이를 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 진동할 수 있다.
동일한 조건하의 유동은 반응기 그 자체를 제외하고 2상 용매 시스템에 작용하는 모든 조건이 동일함을 의미한다. 이러한 조건은 온도, 유입 압력, 유속 및 시약의 농도를 포함한다.
혼합 마이크로반응기의 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기는 본질적으로 고정된 직경의 원형 관이다.
혼합 마이크로반응기의 길이는 혼합 마이크로반응기의 내부 공간에 의해 한정되는 물질의 중심을 통한 경로를 따름으로써 입구로부터 출구까지의 거리로 취해진다. 채널의 길이는 원하는 체류 시간에 따라 달라지고, 예를 들어 0.01 내지 1000 초, 바람직하게는 0.5 내지 200 초, 보다 바람직하게는 1 내지 100 초, 보다 바람직하게는 10 내지 80 초로 달라질 수 있다.
평균 수압 직경은 혼합 마이크로반응기의 수압 직경의 평균 값으로 정의된다. 실제로, 이는 혼합 마이크로반응기의 길이를 따라 1 cm, 바람직하게는 1 ㎜ 간격으로 표본추출된 수압 직경을 계산함으로써 근사치를 얻을 수 있다.
본 발명의 공정에 사용되는 혼합 마이크로반응기는 공급 스트림을 수용하기 위한 입구 및 생성물 스트림을 배출하기 위한 출구를 포함한다. 반응물을 혼합 마이크로반응기에서 서로 접촉시켜 채널과 같이 좁은 한정된 공간에서 화학 반응이 일어나게 할 수 있다. 마이크로반응기의 치수는 열 전달 및/또는 물질 전달을 위한 특징적인 시간이 매우 적도록 선택된다. 따라서, 높은 속도의 반응 및 열 전달은 제어된 방식으로 취급될 수 있다. 열은 반응물 또는 생성물과 접촉되지 않는 열 전달 유체로 또는 이러한 유체로부터 전달된다.
다수의 혼합 마이크로반응기가 병렬로 조합되어 마이크로구조 반응기를 형성할 수 있다. 유입되는 반응물은 다기관(manifold) 시스템 또는 다른 분포 시스템으로 개별 마이크로반응기에 분포된다. 각각의 마이크로구조 반응기는 혼합 대역을 포함하여 유입되는 반응물 및/또는 반응 매질을 혼합할 수 있다. 각각의 마이크로구조 반응기는 체류 대역을 함유하여 반응 매질이 충분한 전환을 수득하도록 할 수 있다. 마이크로구조 반응기는 넘버링업 개념으로 다수의 병렬 서브유닛(체류 대역을 갖는 혼합 대역)으로부터 구축되거나 이를 함유하여 충분한 제조능을 얻을 수 있다. 예로서 멀티 채널 모노리쓰 반응기가 있다.
본 발명의 공정은 바람직하게는 멀티 채널 마이크로구조 반응기, 예를 들어 모노리쓰 반응기, HEX 반응기, 또는 인쇄된 회로 열 교환기 반응기에서 수행된다.
마이크로반응기는 높은 물질 전달능 및 높은 열 전달능을 반응에 제공한다. 공정을 마이크로반응기에서 수행함으로써 안전성 문제가 감소하고 위험한 상태의 존재가 최소화된다. 폭발 위험이 배제되거나 적어도 폭발 위험이 현저히 감소한다. 사실상, 마이크로반응기를 사용하는 하나의 이점은 사용될 보다 가혹한 조건, 예를 들어 고온 및 고농도의 시약을 허용한다는 것이다. 이는 반응 수율을 증가시키고 예를 들어 공지된 더 효율적인 로듐 착체 촉매보다 덜 효율적인 촉매의 사용이 더 경제적이게 한다.
화학식 I의 화합물은 바람직하게는 1,3-프로판다이올 또는 1,4-부탄다이올이다.
화학식 I의 화합물과 질산의 반응은 제 1 용매중에서 일어난다. 제 1 용매는 전형적으로 친수성이고 바람직하게는 물이다.
제 2 용매는 전형적으로 소수성이다. 적당한 제 2 용매는 화학식 II의 화합물(목적 생성물 모노나이트레이트 에스터)이 높은 용해도를 갖고 반응 조건하에 비활성인 유기 용매(예를 들어 소수성 추출 상)이다. 바람직한 제 2 용매는 할로겐화된 탄화수소, 예컨대 다이클로로메탄 및 테트라클로로에탄이다.
사용된 유기 용매중의 목적 생성물의 높은 용해도의 결과로서, 생성물은 강산 나이트로화 조건 및 산화 조건으로부터 회수될 수 있다. 따라서, 제 1 용매중에서 일어날 수 있는 원하지 않는 다이나이트레이트 및 산화 생성물의 형성이 현저히 억제되거나 방지된다.
200 초과의 레이놀드수가 혼합 마이크로반응기에서 달성된다. 바람직하게는 레이놀드수는 400 내지 2000, 보다 바람직하게는 500 내지 1500, 보다 더 바람직하게는 600 내지 1000이다.
상기 조건하에, 특히 미세하고 안정한 반응 혼합물의 유탁액이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 바람직하지 않은 2차 반응, 예컨대 출발 물질 및 생성물의 산화가 억제될 수 있다.
산화와 같은 2차 반응은 많은 에너지를 방출할 수 있기 때문에 글리콜의 나이트로화에 문제를 나타낸다. 혼합 마이크로반응기에서, 이는 혼합 마이크로반응기의 매우 높은 표면적/부피 비로 인해 효과적으로 제거 또는 제어될 수 있다. 따라서, 혼합 마이크로반응기에 의해 제공된 효율적인 열 전달은 폭발을 야기할 수 있는 이탈 부반응의 위험을 감소시킨다.
자가촉매 방식으로 자발적으로 분해하는 경향이 종종 있는 2상 용매 시스템 혼합물의 산성 상은 특히 위험한 것으로 밝혀졌다. 질산은 강력한 산화제이고 글리콜, 및 모노나이트레이트 및 다이나이트레이트 생성물을 산화하여 폭발을 초래할 수 있다. 회분식 공적으로 제어될 수 없는 이러한 위험을 감소시키기 위하여, 2상 반응 혼합물은 바람직하게는 혼합 마이크로반응기 또는 후속 마이크로반응기에서 중화된다. 7 이상의 pH를 갖는 중화된 반응 상은 이제 단순히 형성된 나이트레이트 에스터의 잠재적인 열 분해를 함유한다. 바람직하게는 본 발명의 공정은 pH를 7 이상으로 조정함으로써 2상 용매 시스템을 중화하는 후속 단계를 추가로 포함한다. 이러한 후속 중화 단계는 후속 마이크로반응기에서 수행될 수 있다.
혼합 마이크로반응기의 작은 작업 부피는 최소로 취급되어야 할 위험한 물질의 양을 감소시킨다. 따라서, 폭발이 일어나는 경우 본 공정은 회분식 공정보다 더 안전하다.
혼합 마이크로반응기의 사용에 의해 2종 용매를 효과적으로 혼합하는 것은 추가로 폭발 가능성을 감소시키는 작용을 하는데, 이는 모노나이트레이트 에스터가 제 2 용매로 효과적으로 전달되고 질산으로부터 접촉을 피하기 때문이다. 따라서, 제 1 용매중 산화가능한 물질의 농도가 감소한다.
본 발명의 공정에서 수득될 수 있는 짧은 체류 및 반응 시간, 및 체류 시간의 제어의 결과로서, 반응은 회분식 공정으로 달성될 수 없는 온도에서 수행될 수 있다. 온도의 증가는 회분식 공정에 비해 반응 속도가 더 빠르고 따라서 시약의 처리량이 더 많게 한다. 0 내지 90 ℃의 온도가 달성될 수 있다. 바람직한 온도는 10 내지 60 ℃, 보다 바람직하게는 30 내지 50 ℃, 특히 바람직하게는 약 40 ℃이다.
전형적으로 혼합 마이크로반응기의 입구에서 압력은 1 내지 50 바, 바람직하게는 2 내지 30 바, 보다 바람직하게는 5 내지 20 바이다.
바람직한 양태에서, 본 발명은 하기 화학식 I의 화합물을 마이크로반응기에서 2상 난류하에 용매의 존재하에 질산과 반응시켜 상응하는 모노나이트레이트 에스터를 형성하고, 반응 생성물을 연속적으로 추출하고, 2상 반응 혼합물을 마이크로반응기 또는 제 2 마이크로반응기에서 직접 중화하는, 모노나이트레이트 에스터의 연속적 제조방법을 제공한다:
화학식 I
HO-R1-OH
상기 식에서,
R1은 탄소원자수 3 내지 6의 직쇄 알킬 라디칼이다.
전형적으로, 직선 마이크로반응기에 비해 증가한 난류의 이점은 유속의 증가이다. 전형적으로, 유속은 0.1ms-1 이상, 바람직하게는 0.2ms-1 이상, 보다 바람직하게는 0.3ms-1 이상, 예를 들어 0.5 내지 5ms-1 이상이다.
딘 와동의 현상은 2종 용매의 높은 혼합을 수행하는 혼합 마이크로반응기에서 사용된다. 이는 테일러 유동 또는 슬러그 유동으로 인한 조악한 혼합 문제를 극복한다. 높은 혼합은 다이나이트로에스터로 추가로 나이트로화되기 전에 제 2 용매로 화학식 II의 화합물의 추출을 증가시킨다. 이는 높은 선택성으로 생성물의 높은 수율을 제공한다. 이 현상은 본원에 기재된 바와 같이 장치에서 압력 강하에 의해 측정될 수 있다.
제 1 용매(예를 들어 산성 친수성 반응 상)로부터 제 2 용매(예를 들어 소수성 추출 상)로 목적 나이트레이트 에스터 생성물의 효율적인 추출을 달성하기 위하여 65 내지 90 %, 바람직하게는 75 내지 90 %, 특히 바람직하게는 80 내지 85 %의 농도를 갖는 질산 용액을 사용한다.
전형적으로, 질산을 사용하기 전에 안정화한다. 안정화란 예를 들어 임의의 형태의 질소 산화물 및 아질산염을 안정화제, 예를 들어 유레아와 반응시킴으로써 제거한다는 것을 의미한다.
전형적으로, 반응 전에 유레아를, 질산이 무색이 될 때까지, 질산에 첨가한다. 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%, 특히 바람직하게는 1 중량%의 유레아를 첨가한다.
친수성 소수성 상 사이에 효과적인 물질 전달을 달성하기 위하여 매우 미세한 유탁액의 제조 및 안정화가 중요하다. 미세한 유탁액은 1000 초과, 바람직하게는 2000 초과, 특히 바람직하게는 약 2500의 레이놀드수를 갖는 난류를 사용함으로써 가장 용이하게 달성될 수 있다.
선택적으로 수득된 나이트레이트 에스터의 소수성 추출 상으로의 추출의 결과로서, 에스터가 친수성 상의 산성 에스터화 조건으로부터 회수되어 높은 선택성 및 높은 수율로 수득될 수 있다.
마이크로반응기에서 반응 상으로부터 추출 상으로의 목적 생성물의 추출 제거의 이러한 원리는 또한 다른 반응, 예를 들어 아실화에 의한 알콜의 선택적 보호에 적용될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예로 예시되나 이로써 한정되지 않는다.
실시예 1
코닝으로부터의 유리 마이크로반응기에서 반응을 수행할 수 있기 위하여, 마이크로반응기는 하기 조작을 허용하거나 하기 조작을 위한 모듈을 갖는다:
- 다이올 및 다이클로로메탄으로부터 유탁액의 제조.
- 다이올/다이클로로메탄 유탁액 및 질산의 혼합.
- 충분한 체류 시간을 보장하는 체류 모듈.
- 물을 사용하여 반응을 효과적으로 중단하고 반응 혼합물을 10 ℃ 미만으로 냉각하는 모듈.
-염기를 사용하여 7 초과의 pH로 2상 반응 혼합물을 맞추는 3개의 추가의 혼합 모듈.
- 충분한 에너지를 제거할 수 있기 위하여 염기의 개별 첨가 사이에 가능한 추가의 열 교환기 모듈. 온도는 부산물 형성을 억제하기 위하여 중화 동안 25 ℃ 이하, 보다 양호하게는 10 ℃ 미만으로 유지되어야 한다.
1,4-부탄다이올의 모노나이트로에스터화를 수행하였다. 다이클로로메탄을 용매로서 사용하고 유레아로 안정화된 85 % 농도의 질산을 나이트로화제로서 사용하였다.
비교를 위하여, 중화 후 유기 상중의 1,4-부탄다이올 모노나이트레이트 및 1,4-부탄다이올 다이나이트레이트의 중량%를 기체 크로마토그래피로 결정한다. 결과 및 조건을 하기 표 1에 요약한다.
[표 1]
Figure 112010045306979-pct00001
실시예 2 내지 6
1,4-부탄다이올(BD)의 모노나이트로에스터화를, 선형이거나 나선형 또는 지그재그형으로 벤딩된 모세관 반응기에서 수행하였다. 다이클로로메탄(DCM)을 용매로서 사용하고 유레아로 안정화된 85 % 농도의 질산을 나이트로화제로서 사용하였다. HNO3/BD의 몰비는 15이었다. DCM/HNO3의 부피비는 1이었다. NaOH/HNO3의 몰비 0.9로 20 % NaOH를 사용하였다. 중화 후 유기 상중의 1,4-부탄다이올 모노나이트레이트 및 1,4-부탄다이올 다이나이트레이트의 중량%를 기체 크로마토그래피로 결정한다. 결과 및 조건을 하기 표 2에 요약한다.
시약의 혼합, 특정 시간 동안 특정 온도에서 반응 혼합물의 체류, 혼합물의 희석 및 중화를 상이한 형상 및 T-편으로 벤딩된 원형 단면 모세관의 배열(도 1 및 2)에서 실현하고 결과를 비교하였다.
하기 표에서, 실험 162에 대해 0.82 바의 압력 강하가 기록되었고 실험 127에 대해 1.14 바의 압력 강하가 기록되었다.
[표 2]
Figure 112010045306979-pct00002
상기 표 2에서, 사용된 약어는 다음과 같다:
- L: 선형 모세관 채널
- Z: 지그재그형 모세관 채널
- S: 나선형 모세관 채널 (4 ㎜의 나선 직경)
- conv. BD: 출발 부탄다이올의 %로서, 부탄다이올의 전환율
- 선택성 MN: 출발 부탄다이올의 %로서, 형성된 모노나이트레이트
- 선택성 DN: 출발 부탄다이올의 %로서, 형성된 다이나이트레이트

Claims (11)

  1. 2상 용매 시스템에서 하기 화학식 II의 화합물을 연속적으로 제조하는 방법으로서,
    하기 화학식 I의 화합물을 제 1 용매의 존재하에 질산과 접촉시키는 단계를 포함하고,
    화학식 II의 화합물을 제 2 용매로 연속적으로 추출시키고,
    상기 접촉 단계를, 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기에 의해 동일한 조건하에 제공된 전력 손실의 1.3배 이상의 전력 손실을 제공하는 혼합 마이크로반응기에서 수행하는, 방법:
    화학식 II
    HO-R1-ONO2
    화학식 I
    HO-R1-OH
    상기 식에서,
    R1은 탄소원자수 3 내지 6의 직쇄 알킬 라디칼이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    혼합 마이크로반응기가 혼합 마이크로반응기의 평균 수압 직경과 동일한 내부 직경 및 혼합 마이크로반응기의 길이와 동일한 길이를 갖는 원형 단면 직선 채널 마이크로반응기에 의해 동일한 조건하에 제공된 전력 손실의 2배 이상의 전력 손실을 제공하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    2상 용매 시스템의 유속이 0.1ms-1 이상인 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    혼합 마이크로반응기의 내부 기하구조가 지그재그 형태를 갖는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    혼합 마이크로반응기의 내부 기하구조가 반복 심장형 모티프를 포함하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    혼합 마이크로반응기에서 400 내지 2000의 레이놀드수(Reynold number)를 달성하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 용매가 할로겐화된 유기 용매인 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    30 내지 60 ℃의 온도에서 수행되는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    화학식 I의 화합물이 1,4-부탄다이올인 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    pH를 7 이상으로 조정함으로써 2상 용매 시스템을 중화하는 후속 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    하나 초과의 혼합 마이크로반응기를 병렬로 포함하는 방법.
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