KR101774148B1 - 나이트록실/NOx 촉매 시스템을 이용한 １차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방향족 1차 알코올(Aromatic primary alcohol)을 나이트릴(Nitrile)로 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소 조건 하에서 나이트록실 및 NOx로 구성된 비금속 촉매 시스템을 이용하여 방향족 1차 알코올을 방향족 알데히드로 산화 전환한 후, 같은 조건 하에서 원-포트(One-pot) 방식으로 암모니아 소스를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴로 산화 전환시킴으로써, 기존의 전이금속 촉매를 대체하여 다양한 기질에 대해 고수율의 나이트릴을 선택적으로 수득할 수 있고 중간생성물의 단리 내지 정제 없이 간편한 방식으로 합성할 수 있으며 그린 케미스트리에도 부응할 수 있는, 나이트록실/NOx 촉매 시스템을 이용한 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법, 및 이에 적용되는 반응 조건들의 최적화에 관한 것이다.

Description

나이트록실/NOx 촉매 시스템을 이용한 １차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법{AEROBIC OXIDATIVE CONVERSION OF PRIMARY ALCOHOLS TO NITRILES USING A NITROXYL/NOx CATALYST SYSTEM}
본 발명은 방향족 1차 알코올(Aromatic primary alcohol)을 나이트릴(Nitrile)로 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소 조건 하에서 나이트록실 및 NOx로 구성된 비금속 촉매 시스템을 이용하여 방향족 1차 알코올을 방향족 알데히드로 산화 전환한 후, 같은 조건 하에서 원-포트(One-pot) 방식으로 암모니아 소스를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴로 산화 전환시킴으로써, 기존의 전이금속 촉매를 대체하여 다양한 기질에 대해 고수율의 나이트릴을 선택적으로 수득할 수 있고 중간생성물의 단리 내지 정제 없이 간편한 방식으로 합성할 수 있으며 그린 케미스트리에도 부응할 수 있는, 나이트록실/NOx 촉매 시스템을 이용한 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법, 및 이에 적용되는 반응 조건들의 최적화에 관한 것이다.
나이트릴(Nitrile)은 유기 합성에 있어 중요한 작용기로서, 다른 작용기(예컨대, 아미드, 아민, 케톤, 카르복실산 및 테트라졸)로의 변환을 위한 다목적 중간체로 사용될 뿐만 아니라, 농약, 염료 및 의약의 생산에서도 중요한 부분을 담당하고 있다.
일반적으로, 나이트릴은 KCN, NaCN 또는 ZnCN과 같은 유독한 시안화물 소스를 이용한 이탈기의 친핵성(Nucleophilic) 치환을 통해 제조된다. 이러한 독성 금속 시안화물의 사용을 피하기 위해, 최근 수십 년간 독성이 적은 시안화 소스를 이용한 다양한 프로토콜들이 개발된 바 있다.
그러나, 보고된 대부분의 프로토콜들은 전이금속을 촉매로 사용한 아릴 할라이드의 크로스 커플링에 의존하고 있는데, 이 경우 할라이드 부산물이 생성되고 제조가 어렵다는 단점이 있다.
그린 케미스트리(Green chemistry)의 관점에서, 암모니아 소스를 이용한 알데히드의 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)은 나이트릴 생성을 위한 매력적인 접근법이 될 수 있는바, 이 경우 알데히드와 암모니아의 축합 시 및 in situ 생성된 이민 중간체(Imine intermediate)의 유산소 산화 도중 물만이 부산물로 생성되기 때문이다.
그러나, 현재까지 암모니아 소스를 이용하여 알데히드를 나이트릴로 유산소 산화적 전환한 구체적인 예는 단지 몇몇 케이스에 머무르고 있다. 반면 (Bu4N)2S2O8, 트리클로로이소시아누르산(TCCA), I2, NBS, NaICl2, 터트-부틸 하이드로퍼옥사이드(TBHP), 고원자가 요오드(Hypervalent iodine), NaIO4, H5OI6 및 클로라민-T/KI와 같은 화학량론적 산화제를 이용한 무산소적(Anaerobic) 방법들은 다수 개발되어 있는 상태이다.
2009년, Mizuno 연구진은 불균일 루테늄 촉매가 알데히드 또는 1차 알코올(Primary alcohol)에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환을 촉진한다고 보고한 바 있다(그림 1A-1). 또한 Tao, Huang, Muldoon 및 Stahl은 Cu/TEMPO 촉매 시스템을 이용한 균일 촉매 시스템으로 동일한 변환을 수행한 바 있다(그림 1A-2). 아울러 최근 Batra는 Fe(NO3)3·9H2O를 촉매로 이용하여 알코올 또는 알데히드로부터 나이트릴을 유산소 산화적으로 합성한 바 있다(그림 1A-3).
[그림 1A] 알데히드 또는 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환(종래기술)
Figure 112016027836445-pat00001
그러나, 이러한 예들은 모두 전이금속에 기반한 촉매 시스템을 이용한 것으로, 현재까지 전이금속을 사용하지 않는 유산소 산화적 전환법은 조사된 바가 없다.
TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) 및 관련 유도체와 같은 안정한 나이트록실 라디칼은 Cu를 촉매로 이용한 알코올의 산화에서 조촉매로 활용되어 왔다.
1984년, Sammelhack 등이 Cu/TEMPO를 촉매로 이용한 알코올 산화를 최초 보고한 이래, 촉매 반응성의 제고 및 기질 범위의 확대를 위해 다양한 Cu/나이트록실 라디칼 촉매 시스템이 개발되고 있다.
2004년, Hu 연구진은 전이금속-free TEMPO 촉매를 이용한 알코올의 유산소 산화법을 최초로 개발하였는바, 그들은 Br2/NaNO2를 이용하여 TEMPO를 통한 유산소 촉매적 턴오버를 달성하였다. 이러한 연구 이후, 터트-부틸 나이트라이트, NH2OH, 및 NH4NO3와 같은 조촉매를 이용한 다양한 TEMPO-촉매 기반의 유산소 알코올 산화법이 제안되고 있다.
또한, 최근에는 2-아자아다만탄-N-oxyl(AZADO), 9-아자바이사이클로[3.3.1]노난-N-oxyl(ABNO) 및 그들의 유도체와 같은 입체적으로 방해가 적은 2고리 나이트록실 라디칼을 사용할 경우, 2차 및 입체적으로 방해된 1차 알코올 산화가 촉진된다는 내용도 보고된 바 있다.
그러나, 알코올로부터 알데히드 또는 케톤을 제조함에 있어 나이트록실/NOx 촉매 시스템에 관한 유의적인 진전이 있었음에도 불구하고, 아직까지 알코올을 출발물질로 하여 나이트록실/NOx를 적용함으로써 나이트릴까지 합성한 예는 전무하다.
한편, 최근에 Bailey 등은 4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxoammonium tetrafluoroborate를 화학량론적 양 사용하여 1차 아민으로부터 나이트릴을 산화적 합성한 바 있다(그림 2).
[그림 2] 옥소암모늄염-중개를 통한 아민의 나이트릴로의 산화
Figure 112016027836445-pat00002

이에, 본 발명자들은 나이트록실/NOx 촉매 시스템이 아민 산화 외에 i) 유산소 알코올 산화에 의한 알데히드 생성의 제1과정, 및 ii) 이어지는 유산소 이민(Imine) 산화를 통한 나이트릴 생성의 제2과정 모두를 촉진할 가능성을 열어 두고 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 도출하였다.
Oishi, T.; Yamaguchi, K.; Mizuno, N. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 121, 6404.
본 발명은 나이트록실/NOx 촉매 시스템을 이용한 1차 알코올 및 알데히드의 유산소 산화적 전환을 통해 나이트릴을 전이금속-free 조건으로 원-포트(One-pot) 합성하는 새로운 방법(그림 1B)과, 이에 필요한 최적의 반응 조건을 제공함을 기술적 과제로 한다.
[그림 1B] 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환(본 발명)
Figure 112016027836445-pat00003
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은
방향족 1차 알코올(Aromatic primary alcohol)을 출발물질로 사용하여 나이트릴(Nitrile)을 제조하는 방법으로서,
방향족 1차 알코올을 유산소 산화(Aerobic oxidation)시켜 방향족 알데히드(Aromatic aldehyde)로 변환하는 제1단계; 및
방향족 알데히드가 생성된 동일한 반응용기에 반응물로서 암모니아 소스(Ammonia source)를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴로 변환하는 제2단계;를 포함하며,
상기 제1단계 및 제2단계는 나이트록실(Nitroxyl) 라디칼 및 질소산화물(NOx)로 구성된 비금속 촉매 시스템을 사용하고, 산소(O2)가 공급되는 조건으로 용매 중에서 수행되며,
상기 제2단계에서 나이트릴은 방향족 알데히드와 암모니아 소스가 축합(Condensation)되어 형성된 이민(Imine) 화합물이 유산소 산화됨으로써 수득되며,
상기 제1단계 및 제2단계는 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법을 제공한다(도 1 참조).
즉, 본 발명은 나이트록실/NOx 시스템을 이용하여 1차 알코올을 알데히드로 유산소 산화적 변환시킨 후, 원-포트(One-pot)로 암모니아 소스를 첨가하여 나이트릴까지 유산소 산화적 변환시키는 새로운 합성법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 원-포트(One-pot) 방식 합성법은 「1차 알코올 → 알데히드」, 「알데히드로부터 생성된 이민 → 나이트릴」과 관련된 2개 산화반응이 성공적으로 이루어져 간편한 방법을 통해 목적물질인 나이트릴을 고수율로 수득할 수 있다.
상기 제1단계는 출발물질(기질)인 방향족 1차 알코올에 소정의 비금속 촉매 시스템, 산소 조건 및 반응용매를 적용하여 방향족 1차 알코올을 상응하는 방향족 알데히드로 변환하는 단계이다. 본 발명에 따른 방법은 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식으로 진행되며, 제1단계에서 적용된 비금속 촉매 시스템, 산소 공급 조건 및 반응용매 등은 후술의 제2단계에서도 그대로 적용된다.
본 단계에 있어서, 출발물질(기질)로 사용되는 상기 방향족 1차 알코올은 하기 구조식으로 표시되는 화합물 그룹 중에서 선택되는 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112016027836445-pat00004
Figure 112016027836445-pat00005

본 발명의 촉매 시스템은 나이트록실 + NOx의 특정 조합으로 구성된 것으로서, 금속 내지 전이금속을 포함하지 않는 비금속 촉매 시스템이다.
상기 나이트록실 라디칼로는 4-AcNH-TEMPO(4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl)를 사용하는 것이 수율 증대의 측면에서 특히 바람직하다.
구체적으로, 본 발명자들은 4-AcNH-TEMPO를 사용한 경우 TEMPO, 또는 AZADO 및 ABNO와 같은 2고리 나이트록실 라디칼을 사용한 경우보다 더욱 높은 수율을 나타냄을 실험을 통해 확인하였다.
상기 나이트록실 라디칼(예컨대, 4-AcNH-TEMPO)은 반응에 적합한 촉매량(Catalytic amount), 예컨대 방향족 1차 알코올 대비 5~10 mol% 정도의 양으로 사용될 수 있다.
상기 질소산화물(NOx)은 알데히드 또는 나이트릴로의 성공적인 변환을 위해 HNO3를 필수적으로 포함하는 것이 바람직하며, HNO3와 더불어 조촉매로서 NaNO2를 함께 사용하는 것이 나이트릴의 수율 증대 측면에서 더욱 바람직하다.
상기 질소산화물(NOx)은 반응에 적합한 촉매량(Catalytic amount), 예컨대 방향족 1차 알코올 대비 HNO3는 20 mol%, NaNO2는 10 mol%의 양으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 제1단계 및 제2단계 반응은 산소가 공급되는 환경이라면 대기 조건에서도 진행이 가능하나, 가급적 산소만이 공급되는 조건에서 반응을 수행하는 것이 나이트릴의 수율 증대 측면에서 더욱 바람직하다.
일 구체예에서, 본 발명의 산소(O2) 분위기는 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 조성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 반응용매로는 아세트산(AcOH)을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 본 발명자들은 반응용매로 아세트산을 사용한 경우 높은 수율을 나타낸 반면, DMF 및 DMSO와 같은 다른 극성용매를 사용한 경우는 제조되는 나이트릴의 양이 미미함을 실험을 통해 확인하였다.
일 구체예에서, 본 발명의 상기 제1단계는 50℃에서 1시간 동안 반응을 진행하여 방향족 1차 알코올을 알데히드로 산화적 전환시키는 것일 수 있다.
한편, 본 단계에서는 후술하는 제2단계와 달리 암모니아 소스(예컨대, NH4OAc)를 첨가하지 않는다.
본 발명자들은 소정의 최적화된 조건에서 암모니아 소스(예컨대, NH4OAc)의 첨가 유무에 따른 방향족 1차 알코올 → 알데히드의 수율을 조사하였는바, 암모니아 소스를 첨가한 경우 첨가하지 않은 경우보다 수율이 약 30% 이상 낮게 나타났다. 이러한 결과는 제2단계에서의 나이트릴 합성에 필요한 암모니아 소스가 제1단계에서의 유산소 알코올 산화에는 오히려 방해가 됨을 의미한다.
상기 제2단계는 제1단계를 통해 생성된 방향족 알데히드에 원-포트(One-pot)로 암모니아 소스를 첨가, 반응 및 산화적 전환시켜 목적물질인 나이트릴을 최종 수득하는 단계이다.
본 단계에 따른 알데히드에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환과 관련된 메커니즘을 하기 그림 3에 나타내었다. 하기 그림 3에서 보듯이, 본 단계의 반응은 2개의 산화환원 사이클(Oxoammonium/Hydroxylamine 및 NO/NO2)이 결합됨에 따라 산소분자를 최종 산화제로서 효율적으로 활용할 수 있게 된다.
즉, 본 단계는 유산소 조건 하에서 나이트록실/NOx 시스템을 촉매로 사용하여 알데히드를 나이트릴로 산화적 전환하는 것으로서, 제1단계를 통해 생성된 다양한 방향족 알데히드(예컨대, 벤즈알데히드)가 암모니아 소스(예컨대, NH4OAc)와 축합되고, 이어지는 유산소 산화를 통해 목적물질인 각각의 나이트릴(예컨대, 벤조나이트릴)이 선택적으로 합성되게 된다.
[그림 3] 제2단계 따른 나이트록실/NOx 시스템을 이용한 알데히드에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환과 관련된 제안 메커니즘
Figure 112016027836445-pat00006

상기 암모니아 소스는 제2단계 반응을 위해 원-포트(One-pot)로 첨가되는 추가적인 반응물로서, 제1단계를 통해 생성된 방향족 알데히드와 축합하여 이민 화합물을 형성할 수 있는 NH4X 형태의 암모늄 화합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 NH4OAc(Ammonium acetate)를 사용한다. 이때 암모니아 소스(예컨대, NH4OAc)는 2.4~4.8 당량(eq) 정도로 사용하는 것이 적절하다.
본 단계에서, 반응온도 및 시간은 기질(내지 중간생성물)의 종류 등에 따라 적절히 조절될 수 있을 것이다. 다만 너무 높은 온도에서 반응을 진행할 경우 알데히드가 직접 산화되어 벤조산 등 다량의 부산물이 생성될 수 있는바 주의를 요한다.
일 구체예에서, 본 단계의 반응은 50℃에서 12시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 원-포트(One-pot) 방식에 따를 경우, 기질 및 반응 조건에 따라 79~90%의 수율(Yield)로 목적물질인 나이트릴을 수득할 수 있다.
일 구체예에서, 방향족 1차 알코올로
Figure 112016027836445-pat00007
을 사용하고, 암모니아 소스로 NH4OAc를 2.4 당량(eq) 사용하고, 나이트록실 라디칼로 4-AcNH-TEMPO를 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용하고, 질소산화물(NOx)로 HNO3와 NaNO2를 각각 방향족 1차 알코올 대비 20 mol% 및 10 mol%의 양으로 사용하고, 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 산소(O2) 공급 조건을 형성하고, 용매로 아세트산을 사용하여, 제1단계 반응을 50℃에서 1시간 동안, 제2단계 반응을 50℃에서 12시간 동안 진행한 경우, 88%에 이르는 높은 총 수율(Yield)이 얻어졌다.
다른 구체예에서, 방향족 1차 알코올로
Figure 112016027836445-pat00008
을 사용하고, 암모니아 소스로 NH4OAc를 2.4 당량(eq) 사용하고, 나이트록실 라디칼로 4-AcNH-TEMPO를 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용하고, 질소산화물(NOx)로 HNO3와 NaNO2를 각각 방향족 1차 알코올 대비 20 mol% 및 10 mol%의 양으로 사용하고, 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 산소(O2) 공급 조건을 형성하고, 용매로 아세트산을 사용하여, 제1단계 반응을 50℃에서 1시간 동안, 제2단계 반응을 50℃에서 12시간 동안 진행한 경우, 90%에 이르는 매우 높은 총 수율(Yield)이 얻어졌다.
본 발명에 따르면, 방향족 1차 알코올을 출발물질로 (전이)금속이 포함되지 않은 비금속 촉매 시스템(나이트록실/NOx 시스템)을 사용하여 유기 합성 분야에서 활용도가 높은 나이트릴(Nitrile) 화합물을 고수율로 수득할 수 있다.
또한, 중간생성물 등을 단리 내지 정제할 필요 없이 원-포트(One-pot) 방식으로 합성이 가능한바, 공정의 효율성 및 경제성이 뛰어나다.
또한, 다양한 방향족 1차 알코올 기질에 대해 선택적으로 상응하는 나이트릴을 얻을 수 있고, 보편적으로 높은 수율을 구현할 수 있어 그 활용범위가 넓다.
또한, 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환과 관련된 최적의 반응 조건을 수립함으로써, 수율을 최대치로 끌어 올리고 반응효율을 극대화할 수 있다.
또한, 독성이 있는 금속 시안화물을 사용하지 않고 할라이드 등의 부산물이 생성되지 않는바, 그린 케미스트리(Green chemistry) 정책에도 효과적으로 부응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법과 관련된 반응 과정의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
(1) 실험 조건
모든 화합물 및 용매는 다른 특별한 언급이 없는 한 상업적으로 입수한 그대로 사용한 것이다.
분석용 박층 크로마토그래피(TLC)는 프리코트 실리카 겔 60 F254 플레이트 상에서 수행하였다.
TLC 가시화(Visualization)는 UV 광(254 nm)의 사용 및 인몰리브덴산 착색(Phosphomolybdic acid stain) 처리 후 가열을 통해 수행하였다.
플래쉬 크로마토그래피(Flash chromatography)는 실리카 겔(입자 크기 40~63 um, 230~400 mesh)을 사용해 수행하였다.
1H 및 13C{1H} NMR 스펙트럼은 400 MHz NMR(400 MHz for 1H, 101 MHz for 13C) 분광계 상에 기록되었다.
화학 시프트 값은 내부 TMS(0.00 ppm for 1H) 또는 CDCl3(77.06 ppm for 13C)에 대해 ppm 단위로 얻었다.
다음 약어들을 적절히 사용하여 피크 스플리팅(Peak splitting) 패턴을 기술하였다: br = broad, s = singlet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, p = pentet, m = multiplet, dd = double of doublet, dt = double of triplet, td = triple of doublet.
커플링 상수(J)는 헤르츠 단위(Hz)로 기록하였다.
(2) 1차 알코올에서 나이트릴로의 나이트록실/NO x -촉매 유산소 산화적 전환에 관한 최적화 절차
먼저, 제2단계에 해당하는 알데히드에서 나이트릴로의 나이트록실/NOx-촉매 유산소 산화적 전환에 관한 최적화 절차를 수행하였다(표 1).
마그네틱 교반 막대가 구비된 15 mm 불꽃-건조 시험관(Flame-dried test tube)에 나이트록실 라디칼(5 mol %, 0.025 mmol), NH4X(2.4 equiv, 1.2 mmol) 및 NaNO2(10 mol %, 0.05 mmol, 3.5 mg)를 넣고, 배기(소개)한 후 산소를 다시 채워 넣었다(3회 반복).
용매 0.5 mL를 가한 후, 4-메틸 벤즈알데히드(0.5 mmol, 59.0 μL), HNO3(20 mol %, 0.1 mmol, 6.4 μL) 및 용매(0.5 mL)를 차례대로 첨가하였다.
얻어진 용액을 산소 풍선(O2 balloon) 하에서 70℃의 온도로 교반하였다.
지시된 시간이 경과한 후, 결과물을 실온까지 냉각하고 EtOAc 및 물을 가하여 희석하였다.
2개의 층이 분리되었고, 수성층을 EtOAc로 추출하였다.
결합된 유기층을 MgSO4 상에서 건조, 여과 및 진공농축하였다.
내부 표준(1,1,2,2-tetrachloroethane)을 이용한 적분을 통해 목적물질의 1H NMR 수율을 결정하였다.
다음으로, 위에서 확보된 최적화 조건을 제1단계에 해당하는 1차 알코올에서 알데히드로의 나이트록실/NOx-촉매 유산소 산화적 전환에 접목하여, 제1단계 및 제2단계를 아우르는 최적의 조건을 도출하고자 하였다(그림 4).
(3) 4-AcNH-TEMPO/NaNO 2 /HNO 3 를 촉매로 이용한 1차 알코올에서 나이트릴로의 원-포트(One-pot) 유산소 산화적 전환(표 2)
마그네틱 교반 막대가 구비된 15 mm 불꽃-건조 시험관(Flame-dried test tube)에 알코올(0.5 mmol; 고체의 경우), 4-AcNH-TEMPO(5 mol %, 0.025 mmol, 5.4 mg), NH4OAc(2.4 equiv, 1.2 mmol, 92.5 mg) 및 NaNO2(10 mol %, 0.05 mmol, 3.5 mg)를 넣고, 배기(소개)한 후 산소를 다시 채워 넣었다(3회 반복).
AcOH 0.5 mL를 가한 후, 알코올(0.5 mmol; 액체의 경우), HNO3(20 mol %, 0.1 mmol, 6.4 μL) 및 AcOH(0.5 mL)를 차례대로 첨가하였다.
얻어진 용액을 산소 풍선(O2 balloon) 하에서 50℃의 온도로 교반하였다.
TLC 상 알코올 스팟(Alcohol spot)이 관찰되지 않았을 때(약 1시간 경과 후), AcOH(1.0 mL)에 NH4OAc(2.4 equiv, 1.2 mmol, 92.5 mg)를 녹인 혼합용액을 첨가하였다.
얻어진 용액을 산소 풍선(O2 balloon) 하에서 50℃의 온도로 교반하였다.
12시간 경과 후, 결과물을 실온까지 냉각하고 EtOAc 및 Na2CO3 포화 수용액을 가하여 희석하였다.
2개의 층이 분리되었고, 수성층을 EtOAc로 추출하였다.
결합된 유기층을 증발기를 이용하여 약 20 mL 부피가 되도록 농축하였다.
잔존하는 알데히드를 제거하기 위해, 1 M 소듐 메타바이설파이트(Sodium metabisulfite) 수용액(20 mL)을 유기층에 가하고 2시간 동안 교반하였다.
이어서, 반응 혼합물을 분액 깔때기에 옮긴 후, 수성층을 EtOAc로 추출하였다.
결합된 유기층을 MgSO4 상에서 건조, 여과 및 진공농축하였다.
컬럼 크로마토그래피로 잔류물을 정제하여 나이트릴 생성물을 수득하였다.
<각 실험에 사용한 알코올 기질 종류>
Figure 112016027836445-pat00009
Figure 112016027836445-pat00010

실험예
(1) 최적 조건 탐색(표 1 및 그림 4)
먼저, 제2단계의 최적 조건과 관련하여, 나이트록실 라디칼, NaNO2 및 HNO3이 존재할 때, 4-메틸 벤즈알데히드(1a)에서 4-메틸 벤조나이트릴(2a)로의 유산소 산화적 전환을 조사하였다(표 1).
만족스럽게도, TEMPO/NaNO2/HNO3 시스템은 알데히드에서 나이트릴로의 산화적 전환을 촉매하는 것으로 확인되었고, 실험한 암모니아 소스 중 NH4OAc가 최상의 결과를 나타내었다(entries 1~3).
용매의 영향 또한 중요하였다. 아세트산(AcOH)을 용매로 사용한 경우 화합물 2a가 54% 수율로 얻어진 반면, DMF 및 DMSO와 같은 기타 극성 용매의 경우 극소량의 나이트릴이 얻어졌다(entries 4~6).
또한, TEMPO 대신 4-AcNH-TEMPO를 사용한 경우 더욱 향상된 수율을 나타내었다. 그러나 AZADO 및 ABNO와 같은 2고리 나이트록실 라디칼을 사용한 경우 그 결과가 열악하였다(entries 7~9).
최적화 과정 중, 알데히드의 직접 산화에 의해 얻어지는 4-메틸 벤조산이 주요 부산물로 생성됨을 관찰하였다.
벤조산 형성을 감소시키기 위해, 반응온도를 낮추고 반응시간을 늘렸다. 이러한 정교한 조절을 통해 나이트릴을 선택적으로 91% 수율로 수득할 수 있었다(entry 10).
또한, 성공적인 변환을 위해 4-AcNH-TEMPO, HNO3 및 O2가 필수적임이 대조 실험결과 밝혀졌다.
본 발명의 방법은 NaNO2 없이도 또는 대기 조건 하에서도 반응이 진행되었다는 점은 주목할만하다(entries 11 및 12). 그러나 고수율의 나이트릴을 얻기 위한 추가 실험을 위해 NaNO2 조촉매 및 산소 풍선을 사용하기로 결정하였다.
[표 1] 나이트록실/NOx-촉매를 이용한 알데히드에서 나이트릴로의 유산소 산화적 합성 조건의 최적화 결과
Figure 112016027836445-pat00011

다음으로, 위에서 확보된 최적화 조건을 적용하여 제1단계에 해당하는 1차 알코올에서 알데히드로의 나이트록실/NOx-촉매 유산소 산화적 전환을 수행하였다.
상기 최적화된 조건에서 4-브로모 벤질알코올을 산화적 전환시킨 결과, 단지 70% 수율로 4-브로모 벤즈알데히드가 얻어졌다.
반면, NH4OAc를 첨가하지 않고 동일한 반응을 수행한 결과, 99%가 넘는 매우 높은 수율로 4-브로모 벤즈알데히드가 수득되었다.
이러한 결과는 나이트릴 합성에 필요한 NH4OAc가 알코올에서 알데히드로의 유산소 산화는 방해함을 의미한다.
요컨대, 본 발명에서 제1단계 및 제2단계를 아우르는 최적의 조건은,
암모니아 소스: NH4OAc(제2단계에서만 첨가)(예컨대, 2.4 당량)
나이트록실 라디칼: 4-AcNH-TEMPO 5 mol%
질소산화물(NOx): HNO3 20 mol% + NaNO2 10 mol%
산소(O2) 공급 조건: 예컨대, 산소 풍선(O2 balloon) 이용
용매: AcOH
제2단계 반응온도 및 시간: 50℃에서 12시간 동안
으로 예시될 수 있다.
[그림 4] 나이트록실/NOx-촉매를 이용한 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 합성 조건의 최적화 결과
Figure 112016027836445-pat00012

(2) 4-AcNH-TEMPO/NaNO 2 /HNO 3 를 촉매로 이용한 다양한 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환 실험(표 2)
도출된 최적화된 조건에서, 본 발명의 범위 및 제한여부에 대해 추가적인 조사를 하였다(표 2).
하기 표 2에서 보듯이, 본 발명의 원-포트(One-pot) 유산소 산화적 전환법은 각 단계의 산화가 성공적으로 이루어져 다양한 기질에 대해 높은 총 수율(Overall yield)로 상응하는 나이트릴을 생산할 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 다양한 벤질 알코올, 예컨대 4-메틸 또는 4-메톡시 벤질알코올이 산화적 전환되어 상응하는 나이트릴을 높은 수율로 수득할 수 있었다. 커플링 반응에 사용 가능한 할라이드 치환기를 지닌 경우에도 문제가 없었다. 전자구인성(Electron-withdrawing) 치환기를 지닌 기질 또한 산화적 전환을 통해 적정 수율로 나이트릴을 생산하였다. 아울러 다고리(다환) 기질도 상응하는 나이트릴로 효율적으로 변환되었다.
[표 2] 최적화된 조건에서 기질별 나이트릴의 수율 결과
Figure 112016027836445-pat00013

Claims (16)

  1. 방향족 1차 알코올(Aromatic primary alcohol)을 출발물질로 사용하여 나이트릴(Nitrile)을 제조하는 방법으로서,
    방향족 1차 알코올을 유산소 산화(Aerobic oxidation)시켜 방향족 알데히드(Aromatic aldehyde)로 변환하는 제1단계; 및
    방향족 알데히드가 생성된 동일한 반응용기에 반응물로서 암모니아 소스(Ammonia source)를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴로 변환하는 제2단계;를 포함하며,
    상기 제1단계 및 제2단계는 나이트록실(Nitroxyl) 라디칼 및 질소산화물(NOx)로 구성된 비금속 촉매 시스템을 사용하고, 산소(O2)가 공급되는 조건으로 용매 중에서 수행되고,
    상기 제2단계에서 나이트릴은 방향족 알데히드와 암모니아 소스가 축합(Condensation)되어 형성된 이민(Imine) 화합물이 유산소 산화됨으로써 수득되는 것이고,
    상기 제1단계 및 제2단계는 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식으로 수행되고,
    상기 방향족 1차 알코올은 하기 구조식으로 표시되는 화합물 그룹 중에서 선택되는 것이고,
    상기 암모니아 소스는 NH4OAc(Ammonium acetate)로서 2.4~4.8 당량(eq) 사용되고,
    상기 나이트록실 라디칼은 4-AcNH-TEMPO(4-acetamido-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl)로서 방향족 1차 알코올 대비 5~10 mol%의 양으로 사용되고,
    상기 질소산화물(NOx)은 HNO3와 NaNO2의 혼합물로서 방향족 1차 알코올 대비 HNO3 및 NaNO2가 각각 20 mol% 및 10 mol%의 양으로 사용되는 것이고,
    상기 산소(O2)가 공급되는 조건은 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 형성되는 것이고,
    상기 용매는 아세트산이고,
    상기 제1단계는 50℃에서 1시간 동안, 상기 제2단계는 50℃에서 12시간 동안 반응을 진행하는 것이고,
    상기 제2단계에서의 유산소 산화는 상기 이민(Imine) 화합물에서 질소(N) 원자와 이중결합되어 있는 sp2 혼성탄소를 산화시켜, 나이트릴로 전환하는 것임을 특징으로 하는,
    1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법:
    Figure 112017034379413-pat00014

    Figure 112017034379413-pat00015
    .
  2. 제1항에 있어서,
    반응수율(Yield)이 79~90%인 것을 특징으로 하는,
    1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방향족 1차 알코올은
    Figure 112017034379413-pat00016
    이고,
    상기 암모니아 소스는 NH4OAc로서 방향족 1차 알코올 대비하여 2.4 당량(eq) 사용되고,
    상기 나이트록실 라디칼은 4-AcNH-TEMPO로서 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용되고,
    반응수율(Yield)이 88%인 것을 특징으로 하는,
    1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방향족 1차 알코올은
    Figure 112017034379413-pat00017
    이고,
    상기 암모니아 소스는 NH4OAc로서 방향족 1차 알코올 대비하여 2.4 당량(eq) 사용되고,
    상기 나이트록실 라디칼은 4-AcNH-TEMPO로서 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용되고,
    반응수율(Yield)이 90%인 것을 특징으로 하는,
    1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108129350A (zh) * 2018-01-18 2018-06-08 河南省洛阳水文水资源勘测局 一种2,4-二氯苯腈的制备方法

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