KR101787436B1 - 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아민 유도체 합성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아민 유도체 합성방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 이온성 액체를 실리카에 고정화함으로써 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매를 제조하는 방법과 상기 이온성 액체 촉매를 사이클로헥사논 등과 같은 카보닐 화합물의 환원성 아민화 반응에 적용함으로써 아민 유도체를 합성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 친환경적인 SILP 촉매를 합성할 수 있다. 또한 이를 사이클로헥사논 등과 같은 카보닐 화합물의 환원성 아민화 반응에 촉매로 이용할 수 있고, 상기 촉매를 적용함으로써 수소 가스와 압력 반응기 없이 실온에서 간단하게 안전하고 쉬운 반응을 유도할 있는 효과가 있다.

Description

실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아민 유도체 합성방법{PREPARATION METHOD OF SILICA-SUPPORTED IONIC LIQUID CATALYST AND SYNTHESIS OF AMINE DERIVATIVE USING THE CATALYST}
본 발명은 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아민 유도체 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온성 액체를 실리카에 고정화함으로써 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매를 제조하는 방법과 상기 이온성 액체 촉매를 사이클로헥사논 등과 같은 카보닐 화합물의 환원성 아민화 반응에 적용함으로써 아민 유도체를 합성하는 방법에 관한 것이다.
이온성 액체(Ionic liquid; IL)는 비휘발성, 불연성 및 높은 열 안정성으로 인해 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds; VOCs)에서 "그린 프로세싱(green processing)"에 대한 효과적인 대안으로 고려되어왔다. 따라서 이온성 액체는 현대의 촉매 시스템에서 연구의 활성 영역으로 부상하고 있다. 몇몇의 화학 변화에 대한 촉매로서 IL의 가능성은 이미 입증되었다. 또한, IL은 다양한 특성의 이상(biphasic) IL-전이 금속-촉매 유기 반응에서 촉매 재활용 또는 재사용을 개선하기 위해 용매로써 사용되어왔다. 최근, 다양한 유/무기 지지체를 이용함으로써 상업적 레벨에서 촉매 프로세스를 개선하기 위해, 담지된 이온성 액체(supported IL; SIL)라 불리는 이온성 액체의 고정화(immobilization of IL)에 대한 관심이 높아지고 있다. SIL 시스템의 다양한 형태 중에서도 담지된 이온성 액체상(SILP) 촉매 시스템은 매우 쉽고 효율적인 촉매 시스템이다. 특히, IL 필름은 실리카와 같은 다공성 고체의 높은-표면적에 고정화되고, 이로 인해 생성된 균질한 촉매는 IL 층에 쉽게 용해될 수 있다. SILP 촉매 시스템은 넓은 표면적과 같은 비균질 촉매의 유용한 특성은 물론 높은 활성과 선택도 같은 균질의 촉매의 이점을 모두 가지고 있다. 그러므로 SILP 촉매 시스템은 전형적인 균질 촉매와 비균질 촉매 시스템 사이의 차이점을 감소시킨다. 기존 촉매 시스템의 단점을 극복하기 위해 SILP를 이용한 효율적이고 편리하고 재활용이 가능한 촉매 시스템에 대한 연구가 시급하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1384538호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0102266호
본 발명은 이온성 액체를 실리카에 고정화한 촉매의 제조방법을 제공한다. 또한 상기 촉매를 사이클로헥사논 등과 같은 카보닐 화합물의 환원성 아민화 반응에 적용하여 아민 유도체를 합성하는 방법을 제공한다. 상기 환원성 아민화에는 수소원으로서 포름산과 트리에틸아민이 사용될 수 있다.
본 발명은 이온성 액체를 제조하는 단계; 상기 이온성 액체와 실리카 분말을 용매에 첨가하고 교반하는 단계; 및 상기 교반하는 단계 이후 용매를 증발시켜 건조 분말을 제조하는 단계를 포함하는 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 제조방법을 제공한다.
상기 이온성 액체에서 양이온은 이미다졸륨, 피리디늄, 피라졸륨, 피롤리디늄, 암모늄, 포스포늄 및 콜리늄으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 3-(카르복시메틸)-1-메틸-1H-이미다졸-3-이움(3-(carboxymethyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium; cmmim)인 것이 바람직하다.
상기 이온성 액체에서 음이온은 [Tf2N]-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, PO4 3-, SO4 2-, CF3SO3 -, PF6 -, BF4 -,(CF3SO2)2N- 및 BR4 -로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, [Tf2N]-인 것이 바람직하다.
상기 용매는 메탄올, 클로로포름, DMSO, DCM 및 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 아세토니트릴인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 카보닐 화합물과 아민 화합물을 용매에 혼합하여 반응 혼합물을 제조하는 단계(a 단계); 상기 반응 혼합물에 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매를 혼합하는 단계(b 단계); 및 상기 촉매를 혼합한 다음 포름산과 트리에틸 아민을 첨가하여 반응시키는 단계(c 단계)를 포함하는 아민 유도체 합성방법을 제공한다.
상기 카보닐 화합물은 사이클로헥사논, 아세트알데하이드, 아세토페논 및 이소-니코틴알데하이드로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 아민 화합물은 벤질 아민, COO-NH3 +, 4-니트로아닐린, 아닐린, 4-하이드록시아닐린, 4-클로로아닐린 및 메틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 상기 포름산과 트리에틸 아민은 5:2 ~ 5:4의 몰비로 혼합하여 첨가할 수 있다. 상기 용매는 메탄올, 클로로포름, 다이메틸설폭사이드, 다이클로로메탄 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 c 단계에서 반응이 종료된 후 고액 분리하여 고체(실리카에 담지된 이온성 액체 촉매)를 수득할 수 있고, 수득된 촉매는 재사용될 수 있다.
또한 본 발명은 실리카에 담지된 이온성 액체를 포함하는 환원성 아민화 반응용 촉매를 제공한다.
상기 이온성 액체에서 양이온은 이미다졸륨, 피리디늄, 피라졸륨, 피롤리디늄, 암모늄, 포스포늄 및 콜리늄으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 3-(카르복시메틸)-1-메틸-1H-이미다졸-3-이움(3-(carboxymethyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium; cmmim)인 것이 바람직하다.
상기 이온성 액체에서 음이온은 [Tf2N]-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, PO4 3-, SO4 2-, CF3SO3 -, PF6 -, BF4 -,(CF3SO2)2N- 및 BR4 -로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, [Tf2N]-인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 친환경적인 SILP 촉매를 합성할 수 있다. 또한 이를 사이클로헥사논 등과 같은 카보닐 화합물의 환원성 아민화 반응에 촉매로 이용할 수 있고, 상기 촉매를 적용함으로써 수소 가스와 압력 반응기 없이 실온에서 간단하게 안전하고 쉬운 반응을 유도할 있는 효과가 있다.
도 1의 (a)는 이온성 액체의 고정화 전의 실리카 입자의 SEM 이미지이고, (b)는 이온성 액체의 고정화 후의 실리카 입자의 SEM 이미지이다.
도 2는 실리카 입자(a), 이온성 액체의 고정화 후의 실리카 입자(b) 및 이온성 액체(c)의 FTIR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실리카 입자(a), 이온성 액체의 고정화 후의 실리카 입자(b) 및 이온성 액체(c)의 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실리카(a), 이온성 액체의 고정화 후의 실리카(SILP 촉매; b) 및 이온성 액체(c)의 X-레이 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 이온성 액상 담지 촉매 시스템의 재사용 가능성을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 도면 및 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 도면 및 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 도면 및 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 도면 및 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
메틸 이미다졸(99.0%), 1-클로로아세틱 애시드(99.0%), 사이클로헥사논(99.0%), 탄산 나트륨(99.0%, IR grade), 황산 나트륨(99.0%, IR grade) 및 하기 표 3과 표 5에 나타난 모든 아민 유도체는 Sigma-Aldrich(USA)로부터 구매하였다. 반응에 사용된 모든 용매는 상업적 공급원으로부터 구매하였고 증류하여 불순물을 제거한 뒤 사용하였다. 초순수(Milli-Q system로 정화한 이중 증류수)는 수용액의 준비에 이용되었다. 비정형 실리카 금속은 흡수 능력, 흐름을 만드는 능력, 낮은 가격, 높은 안정성의 기대 및 높은 재사용성의 특성이 있어 비균질의 촉매시스템에 적합한 물질이므로, IL의 고정화에 대한 담지용 금속으로 비정형 실리카를 선택하였다. 얻어진 촉매는 FT-IR 스펙트럼(Varian 2000), 1H와 13C NMR 스펙트라(Bruker Avance-400), PXRD(Rigaku Miniflex, Rigaku Corporation, Japan) 및 BET 표면적(BELSORP-Max [MP], BEL Japan. Inc)으로 특성 분석을 하였고, 촉매의 표면 상태(surface morphology)는 Hitachi, S-3500N를 이용하여 SEM으로 관찰하였다.
<실시예 1: 실리카 담지 이온성 액체의 제조>
1) [Cmmim+][Cl-]의 준비
종래의 방법으로 3-(카르복시메틸)-1-메틸-1H-이미다졸-3-이움 클로라이드(3-(carboxymethyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium chloride; [Cmmim+][Cl-])를 제조하였다.
상세하게는, 아세토니트릴이 50㎖ 담겨있는 둥근 바닥 플라스크에 모노클로로 아세틱 애시드 6.73g(0.10mol)과 1-메틸이미다졸 8.21g(0.10mol)을 첨가한 뒤 상기 플라스크를 환류 응축기에 장착하였다. 그 후 계속 교반하며 80℃에서 24시간동안 가열하였다. 반응이 종료된 후 과량의 용매를 감압하여 증발시켜 제거하고 얻어진 반응물을 디에틸 에터 30㎖로 세척한 후 24시간 동안 진공상태에서 건조시켜 약간 황색인 액체의 [Cmmim+][Cl-]을 제조하였다(수율 90%).
1H NMR (400 MHz, D2O, 25℃): 3.92 (s, 3H), 5.07 (s, 2H), 7.49 (s, 1H), 7.50 (s, 1H), 8.77 (s, 1H); 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): = 47.2, 53.3, 126.4, 141.2, 172.9; FTIR: 3404, 3111, 3092, 2964, 2852, 1710, 1637, 1581, 1454, 1177, 1078, 758 cm-1.
2) [Cmmim+][Tf2N-]의 제조
4g의 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드 리튬염(bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt)의 용액과 2g의 [Cmmim+][Cl-]를 50㎖의 둥근 바닥 플라스크에 첨가하고 혼합하였다. 실온에서 1시간 동안 충분히 교반한 후 얻어진 약간 황색인 점성의 액체를 여과하고 24시간 동안 진공오븐에서 건조하여 (카르복시메틸)-1-메틸-1H-이미다졸-3-이움-비스((트리플루오로메틸)설포닐)아미드((carboxymethyl)-1-methyl-1H-imidazol-3-ium-bis((trifluoromethyl)sulfonyl)amide; [Cmmim+][Tf2N-])를 제조하였다(수율 85%).
1H NMR (400 MHz, D2O, 25 C): 3.92 (s, 3H), 5.07 (s, 2H), 7.50 (s, 1H), 7.51 (s, 1H), 8.77 (s, 1H); 13C NMR (125 MHz, D2O, 25 C): 40.1, 47.2, 53.3, 61.8, 126.3, 126.4, 141.2, 172.9; FTIR : 3404, 3111, 3092, 2964, 2852, 1710, 1637, 1581, 1454, 1177, 1078, 971, 834.5, 758.4, 648.4 cm-1.
3) 실리카에 [Cmmim+][Tf2N-] 이온성 액체의 고정
메탄올 10㎖가 담겨있는 둥근 바닥 플라스크에 [Cmmim+][Tf2N-] 2g과 기공 크기 150Å, 기공 부피 1.15cm3/g, 표면적 ~300m2/g의 실리카 분말 10g을 첨가하였다. 90분간 교반한 후, 메탄올은 진공에서 증발시켜 제거한 뒤 밝은 황색 건조 분말을 얻었다. 상기 분말을 디에틸 에터로 세척하여 과량의 IL을 제거하고 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하여 실리카에 고정된 [Cmmim+][Tf2N-] 이온성 액체 촉매(SILP 촉매)를 제조하였다.
<실시예 2: SILP 촉매를 이용한 아민 유도체의 합성>
카보닐 화합물(사이클로헥사논, 아세트알데하이드, 아세토페논 또는 이소-니코틴알데하이드) 0.02mol과 해당 아민(벤질 아민, COO-NH3 +, 4-니트로아닐린, 아닐린, 4-하이드록시아닐린, 4-클로로아닐린 또는 메틸아민) 0.02mol을 용매와 함께 25㎖의 둥근 바닥 플라스크에 넣고 상기 플라스크를 환류 응축기에 장착하였다. 반응 혼합물 30℃에서 15 내지 20분간 교반하고 반응물 전체 중량 기준 10wt%의 SILP 촉매를 첨가하였다. 그 다음 수소원으로 포름산과 트리에틸아민을 혼합한 공비 혼합물 0.5396㎖를 첨가하고 교반하였다(구체적 반응조건: 표 3 내지 표 5 참조). 반응이 종료된 후, 반응 용액으로 부터 고체(SILP 촉매)를 여과 분리하여 다음 사이클에 재사용하였다. 고체(SILP 촉매)를 분리한 후 남은 용액에서 과량의 용매를 감압하여 증발시켜 제거하고 디에틸 에터를 이용하여 추출하였다. 상기 추출물은 무수 황산나트륨 상에서 건조시키고 증발시켜 생성물을 분리하였다. 상기 생성물은 TLC(thin layer chromatography)에서의 순수 싱글 스팟(pure single spot)을 기준으로 분리하고 순수한 아민 유도체를 얻기 위해, 상기 생성물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다(10% 에틸아세테이트(10% EtOAc in hexene)를 용리액으로 사용함). 상기 조건에 따라 제조된 아민 유도체를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예>
SILP 촉매 대신 이온성 액체 또는 실리카를 촉매를 사용하여, 사이클로헥실-아민 유도체를 합성하였다. 나머지 반응조건은 실시예 2와 동일하게 구성하였다(표 1 참조).
Entry 카보닐 화합물 아민 촉매 아민 유도체
1 사이클로헥사논 벤질아민 IL N-사이클로헥실-벤질 아민
2 사이클로헥사논 COO-NH3 + SILP 사이클로헥실아민
3 사이클로헥사논 벤질아민 SILP N-사이클로헥실-벤질 아민
4 사이클로헥사논 4-니트로아닐린 SILP 4-니트로-N-사이클로헥실알라닌
5 사이클로헥사논 아닐린 SILP N-사이클로헥실알라닌
6 사이클로헥사논 4-하이드록시아닐린 SILP 4-하이드록시-N-사이클로헥실알라닌
7 사이클로헥사논 4-클로로아닐린 SILP 4-니트로-N-사이클로헥실알라닌
8 아세트알데히드 아닐린 SILP N-에틸알라닌
9 아세토페논 메틸아민 SILP N-메틸-1-페닐에탄아민
10 이소-니코틴알데히드 아닐린 SILP N-(피리딘-4-일메틸)알라닌
11 사이클로헥사논 아닐린 실리카 N-사이클로헥실알라닌
<실험예>
1) 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매의 특성 분석
SILP 분말의 형태와 구조는 SEM 분석을 통해 관찰하여 도 1에 나타내었다.
도 1-a를 살펴보면 본래의 실리카 입자는 사이즈가 작고 덩어리지는 것으로 관찰된다. 그러나 도 1-b의 SILP 입자는 IL의 고정화 때문에 윤곽이 뚜렷하고 서로 다른 크기인 것으로 관찰되었다. 또한, 이것은 SILP 촉매에서 윤곽이 뚜렷하게 변화한 실리카의 구조를 보여준다. 이로 인해 [Cmmim+][Tf2N-]이 실리카 입자의 표면에 고정화되었음을 알 수 있다.
FT-IR의 결과를 도 2에 나타내었다. 실리카(a), SILP 촉매(b) 및 이온성 액체(c)에 대한 스펙트라는 순수한 실리카에 [Cmmim+][Tf2N-]의 고정화에 의해 발생된 작용기의 변화를 나타낸다. 실시예에서 제조된 SILP 촉매는 실리카 입자와 유사한 적외선 밴드를 보였다. 실리카에 고정화된 IL에서, 1073cm-1에서의 밴드는 Si-OH 결합을 나타낸다. 3410cm-1과 1633cm-1에 위치하는 밴드는 Si-OH의 신축(stretching)과 굽힘 진동(bending vibrations)에 해당된다. 실리카에 의해 변화된(modified) IL의 FT-IR 스펙트럼은, 산성의 O-H에 해당하는 3273cm-1에서 특성 흡수대(characteristic band)를 보여주었다. 3148cm-1과 3073cm-1에서의 밴드는 이미다졸륨 고리의 C-H 신축 진동(stretching vibrations)에 해당한다. 2970cm-1, 2921cm-1 및 2880cm-1에서 나타나는 비교적 약한 밴드는 CH3와 CH2 때문에 발생된 신축진동이고, 반면 1463cm- 1와 1381cm-1에서의 밴드는 굽힘진동에 해당한다. SILP 촉매에서 발견된, 상기에서 언급한 모든 적외선 밴드는 실리카 지지체의 표면에 IL이 고정화 되었다는 확인해주었다. 또한 이러한 결과는 실리카와 이온성 액체 사이에 결합(bonding)이 존재한다는 것을 나타낸다.
TGA 분석은 화학적으로 변화된 실리카의 열적 안정성을 조사하기 위해 측정하였고 이를 도 3에 나타내었다.
실리카의 경우 700℃에서 초기 무게의 96.4%가 남은 것을 알 수 있다. SILP 촉매의 경우 표면 실란올기(silanol group)와 실리카에 흡수된 수분 때문에 84℃까지 3.6%의 무게 손실이 발생되는 것을 알 수 있다. 또한 200℃에서 접촉된 유기 모이어티(organic moiety)에 의한 손실이 발생하고 유기 모이어티 양은 고체 지지체에 대해 약 27.22%이다. IL의 경우, 230℃까지 접촉된 유기 구조의 손실로 인한 무게 감소가 보여진다. 235℃ 이후 관찰되는 기울기는 IL의 알킬-카르복실산기의 분해 때문일 수 있다. 따라서 실시예에서 제조된 SILP 촉매는 실리카 입자에 고정화되어 순수한 IL 보다 높은 열 안정성을 얻은 것으로 볼 수 있다.
도 4에서 각각 실리카 입자(a), SILP(b) 및 이온성 액체([Cmmim+][Tf2N-]; c)의 분말 X-ray 회절 스펙트럼을 나타내었다. [Cmmim+][Tf2N-]는 2θ = 22.93, 25.78, 26.50, 27.21, 29.01 및 39.85에서 비교적 샤프한(sharp) 피크를 나타내는 것에 비해 실리카의 XRD 프로파일은 2θ= 23.65에서 브로드한 회절 피크를 나타내었다. 2θ = 23.65에서 실리카와 SILP 촉매가 비교적 유사하게 브로드한 피크를 나타내었는데, 이는 SiO2 때문이다.
실리카와 SILP 촉매의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석은 실리카 입자에 대한 IL의 흡착을 확인하기 위해 수행하였다. BET 표면적, 기공 부피 및 기공 지름을 하기 표 2에 나타내었다.
시료 BET 표면적(㎡/g) 기공 부피(㎤/g) 기공 지름(Å)
실리카 267.77 1.778 166.59
SILP 촉매 196.02 0.947 67.14
실리카에 대한 BET 표면적, 기공 부피 및 기공 지름은 각각 267.77 m2/g, 1.778 cm3/g 및 166.59Å였다. SILP 촉매는 BET 표면적, 기공 부피 및 기공 지름이 각각 196.02 m2/g, 0.947 cm3/g 및 67.14Å였다. 상기 표 2에서 나타내는 바와 같이, SILP 촉매가 실리카 입자에 비해 값이 감소되는 것을 알 수 있다. 근본적인 이유는 도 1의 SEM 결과에 나타난 것처럼 IL이 고정화된 입자(예: SILP 촉매 시스템)보다 실리카 입자의 사이즈가 작기 때문이다.
2) 환원성 아민화 반응에 대한 SILP의 촉매 활성 분석
특성 분석(characterization)을 완료한 후, 비균질 촉매로서 SILP의 성능을 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응으로 측정하였다. 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응을 하기 반응식 1과 반응식 2에 나타내었다.
[반응식 1]
Figure 112016037306178-pat00001
[반응식 2]
Figure 112016037306178-pat00002
하기 표 3은 SILP 촉매를 이용한 환원성 아민화 반응에 따라 합성된 아민 유도체를 나타내는 것이다. 모든 반응은 기질 0.02mol, SILP 촉매 10wt%, 용매로 아세토니트릴 30㎖, 포름산:트리에틸 아민은 5:2의 비율로 0.5㎖, 온도는 40℃에서 수행되었다. 모든 생산물은 1H, 13C NMR 및 FT-IR로 특성 분석하였다.
Figure 112016037306178-pat00003
Figure 112016037306178-pat00004
N-사이클로헥실-벤질 아민 유도체의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.22-1.92 (m, 10H), 2.47-2.58 (m, 1H), 2.07 (m, 1H), 3.02 (s, 2H), 7.22-7.31 (m, 5H). 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 26.0, 34.7, 52.6, 59.1, 129.0, 129.5, 141.2, 146.3, FTIR: 3320, 3061, 3022, 2916, 2848, 1681, 1604, 1551, 1353, 1116, 879, 728, 705, 604 cm-1.
4-니트로-N-사이클로헥실알라닌 유도체의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.16-1.81 (m, 10H), 2.02 (m, 1H), 3.37-3.55 (m, 1H), 6.74 (d, J = 7.3, HAr), 7.95 (d, J = 7.2, HAr), 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 145.1, 128.2, 118.5, 109.2, 50.4, 28.3, 25.0; FTIR: 3376, 2957, 2846, 1633, 1560, 1385, 1321, 1117, 772, 747, 691.
4-클로로-N-사이클로헥실알라닌 유도체의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 7.18 (d, J = 7.2, HAr), 6.97 (d, J = 7.3, HAr), 2.06-2.12 (m. 1H), 2.24 (t, 1H), 0.98-1.67 (m, 10 H); 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃):148.4, 131.2, 112.8, 107.1, 55.3, 37.5, 27.8, 23.1; FTIR: 3376, 2957, 2846, 1633, 1520, 1353, 1117, 772, 747, 691 cm-1.
N-사이클로헥실알라닌 유도체의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.08-1.90 (m, 10H), 2.01 (m, 1H), 3.21 (t, 1H), 7.08-7.20 (m, 5H). 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 26.0, 34.7, 52.6, 59.1, 129.0, 129.5, 141.2, 146.3, FTIR: 3296, 2938, 2853, 1644, 1530, 1351, 1201, 747, 623 cm-1.
4-하이드록시-N-사이클로헥실알라닌 유도체의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.17-1.90 (m, 10H), 2.01 (m, 1H), 3.21 (s, 1H), 7.08-7.21 (m, 5H). 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 26.1, 49.6, 129.0, 129.4, 144.8, FTIR: 3308, 2940, 2853, 1644, 1353, 1201, 751 cm-1.
N-에틸알라닌의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.29 (t, 3H), 3.48(m, 2H), 4.07 (s, 1H), 6.77-7.26 (m, 5H). 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 14.8, 36.7, 114.1, 120.2, 129.5, 147.3, FTIR: 3433, 3121, 2898, 1651, 1531, 728 cm-1.
N-메틸-1-페닐에탄아민의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 1.20 (d, 3H), 2.01 (s, 1H), 3.22(s, 3H), 4.08 (m, 1H), 7.27-7.40 (m, 5H). 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 22.4, 34.7, 65.3, 127, 127.8, 144.9, FTIR: 3394, 3098, 2947, 2852, 1644, 1530, 847, 765 cm-1.
N-(피리딘-4-일메틸)알라닌의 합성
H1 NMR (400 MHz, CDCl3, 25℃): 4.0 (s, 1H), 4.29 (s, 3H), 3.22(s, 3H), 4.08 (m, 1H), 6.84-7.38(m, 7H), 8.59 (d, J = 6.77, HPy), 13C NMR (125 MHz, D2O, 25℃): 51.2, 114.2, 119.9, 130.1, 123.8, 147.9, FTIR: 3405, 3394, 3070, 3029, 2992, 2924, 2894, 2868, 1667, 1606,1553,1211, 994, 802 cm-1.
표 3의 entry 1은 담지되지 않은 IL 촉매를 이용하였고, 이로 인해 수율이 낮은 것으로 나타났다. 또한 표 3의 entry 11은 실리카 입자를 이용하였으나 반응이 진행되지 않았다.
실험결과 사이클로헥사논의 환원성 아민화는 SILP 촉매를 이용해야 반응이 진행되는 것으로 관측되었고 선별된 모든 아민에 대해 활성을 나타내는 것으로 측정되었다.
표 3의 entry 2, 3, 4, 5, 6 및 7을 살펴보면 사이클릭 케톤과 다양한 아민의 환원성 아민화에 대해 각각 58%, 84%, 78%, 80%, 64%, 73% 및 84%의 높은 수율을 나타냄을 알 수 있다.
표 3의 entry 3에서 벤질 아민은 사이클로헥사논과 SILP 촉매를 이용하여 40℃에서 5시간 동안 반응 시켰을 때 대략 84% 수율을 제공하며 N-사이클로헥실-벤질 아민을 합성했다.
또한 표 3의 entry 8, 9 및 10은 아세트알데히드, 아세토페논(acetophenone) 및 이소-니코틴알데히드와 같은 카르보닐 화합물과 반응시킨 것이다. 이때 아세트알데히드, 아세토페논 및 이소-니코틴알데히드의 생산 수율은 각각 78%, 70% 및 68%로 나타났다.
결과적으로 사이클로헥사논의 환원성 아민화는 40℃에서 10 wt% SILP 촉매를 이용하여 아세토니트릴 용매 내에 포름산과 트리에틸아민이 5:2의 몰비로 혼합된 공비혼합물과 함께 5시간동안 반응시키는 것이 가장 효과적임을 알 수 있다. 또한 벤질 아민에서 전자-공여체의 존재와 벌키하지 않은 구조(non bulky structure)를 갖는 아민 그룹은 사이클로헥사논 고리의 카르보닐 카본과 쉽게 응축될 수 있다. 이러한 기질의 결합은 촉매의 효율성을 평가와 관련하여 모델 반응을 구성한다. 하기에서는 사이클로헥사논과 벤질 아민을 다양한 용매 조건하에서 처리하여 분석한 결과를 나타내었다.
또한 적절한 용매를 찾기 위해 스탠다드 반응 조건하에서 용매를 변경하고 SILP 촉매를 이용하여 환원성 아민화 반응을 수행하여 하기 표 4에 나타내었다. 이때 반응조건은 사이클로헥사논 0.02mol, 벤질 아민 0.02mol, 포름산:트리에틸 아민 5:2의 비율로 0.5ml, 용매 30ml 및 40℃의 온도에서 수행되었다.
Entry 용매 온도(℃) 시간(h) 수율(%)
1 메탄올 40 5 74
2 클로로포롬 40 10 68
3 DMSO 40 5 81
4 DCM 40 8 73
5 아세토니트릴 40 5 84
표 4의 entry 1, 3 및 5를 살펴보면 메탄올, DMSO 및 아세토니트릴의 경우 5시간 동안 각각 74%, 81% 및 84%의 수율을 나타내었다. 아세토니트릴을 용매로 사용하였을 때 84% 이상의 높은 수율이 얻어졌으므로 매개변수 연구 실험에서 아세토니트릴을 용매로 선택하였다.
반응조건을 최적화하기 위해 벤질 아민과 아세토니트릴을 온도, 포름산(HCOOH):트리에틸 아민(Et3N)의 몰 비율 및 촉매량을 변경하면서 실험하여 하기 표 5에 나타내었다. 이때 반응 조건은 사이클로헥사논 0.02mol; 벤질 아민 0.02mol이었다.
Enrty 촉매(wt%) HCOOH:Et3N 온도(℃) 시간(h) 수율(%)
온도의 영향
1 10 5:2 30 5 84
2 10 5:2 40 5 84
3 10 5:2 50 6.5 78
촉매의 영향
4 5 5:2 30 5 57
5 10 5:2 30 5 84
6 20 5:2 30 5 78
수소원의 영향
7 10 5:1 30 5 -
8 10 5:2 30 5 84
9 10 5:5 30 5 -
벤질 아민과 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응에서 온도의 영향을 알아보기 위해 30℃, 40℃ 및 50℃에서 반응을 수행하였다. 표 5의 entry 1과 2를 살펴보면 30℃와 40℃의 경우 반응이 빠른 속도로 진행되고 최소 5 시간 이내에서 N-사이클로-벤질 아민의 최대 수율이 84%로 나타났다. 그러나 온도를 30℃에서 40℃까지 상승시킬 경우 아민 유도체의 수율은 증가하지 않았고 수율이 78%로 감소하였다(표 5, entry 3). 따라서 최적화된 반응 온도는 30℃인 것을 알 수 있다.
벤질 아민과 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응에서 촉매로써 SILP의 효과적인 양을 알아보기 위해 촉매의 양을 5 wt%, 10 wt% 및 20 wt%로 변화하여 측정하였다. 표 5의 entry 4와 5를 살펴보면, 촉매가 5에서 10 wt%까지 증가하였을 때 수율은 57%에서 84%까지 증가하였다. 그러나 촉매를 30% 이상 증가시켰을 때 수율이 78%로 감소하였다(표 5, entry 6).
벤질 아민과 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응에서 수소원의 영향을 알아보기 위해 포름산과 트리에틸 아민의 몰 비율을 5:1, 5:2 및 5:5로 변화하여 측정하였다. 표 5의 entry 7과 9의 경우 포름산과 트리에틸 아민의 몰 비율이 5:1 또는 5:5 였을 때, 반응이 진행되지 않았다. 그러나 entry 8의 경우 포름산과 트리에틸 아민을 5:2의 비율로 첨가하였을 때 84%의 높은 수율을 나타내었다. 따라서 적합한 포름산과 트리에틸 아민의 비율은 5:2임을 알 수 있다.
본 발명과 종래기술의 반응조건 및 생성물의 수율을 비교하여 표 6에 나타내었다. 표 6에서 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따르면 수소 가스와 압력 반응기 없이 실온에서 값비싼 촉매를 이용하지 않고 아민 유도체를 높은 수율로 생산할 수 있는 것으로 확인되는 바, 본 발명의 SILP 촉매 시스템의 우수성을 알 수 있다.
촉매 환원제 운전 조건 수율(%)
[Ir(cod)2]BF4 수소가스 수소 압력(50㎏/㎡), 30분, MeOH 94
Ru(Cl3) 일산화탄소 10 bar, 24시간, MeCN 89
Pd/C Et3SiH 30분 94
Pd/C HCOO-NH3 + 40분 96
SILP(본 발명) HCOOH: Et3N 5시간, MeCN, 84
3) 촉매 재이용성 분석
SILP 촉매의 재이용성을 측정하여 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 것과 같이 연속 3 사이클 이후 아민의 생성에 대한 수율에서 약간의 감소가 나타났으나 3 사이클까지는 70% 이상의 높은 수율을 나타내었다. 4 사이클 이후의 수율 감소는 실리카에 담지된 이온성 액체 입자에서 IL의 고갈되기 때문인 것으로 생각된다. 반응의 마지막 남겨진 고체를 다음 사이클에 즉시 재이용 가능하여 촉매의 재생이 매우 편리하다. 또한 추가적인 재생 단계 없이 SILP 촉매를 재활용할 수 있는 것으로 조사되었다.
결론적으로, 본 발명에 따르면 환경친화적인 이온성 액체 촉매(실리카에 담지된 이온성 액체상 촉매)를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매를 이용하면, 온화한 조건 하에서 사이클로헥사논의 환원성 아민화 반응을 수행할 수 있고 이를 통해 다양한 아민 유도체를 합성할 수 있다. 또한 상기 환원성 아민화 반응에서 수소원으로 포름산과 트리메틸아민을 사용하는 경우 아민 유도체를 높은 수율로 합성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 환원성 아민화 반응은 58%부터 85%의 높은 수율로 아민 유도체를 합성하는 것으로 확인되었다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 카보닐 화합물과 아민 화합물을 용매에 혼합하여 반응 혼합물을 제조하는 단계(a 단계);
    상기 반응 혼합물에, 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매를 혼합하는 단계(b 단계); 및
    상기 촉매를 혼합한 다음 포름산과 트리에틸 아민을 첨가하여 반응시키는 단계(c 단계)를 포함하는 아민 유도체 합성방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 카보닐 화합물은
    사이클로헥사논, 아세트알데하이드, 아세토페논 및 이소-니코틴알데하이드로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 실리카에 담지된 이온성 액체 촉매는
    이온성 액체를 제조하는 단계;
    상기 이온성 액체와 실리카 분말을 용매에 첨가하고 교반하는 단계; 및
    상기 교반하는 단계 이후 용매를 증발시켜 건조 분말을 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 아민 화합물은
    벤질 아민, COO-NH3 +, 4-니트로아닐린, 아닐린, 4-하이드록시아닐린, 4-클로로아닐린 및 메틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 포름산과 트리에틸 아민은
    5:2 ~ 5:4의 몰비로 혼합하여 첨가하는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 용매는 메탄올, 클로로포름, 다이메틸설폭사이드, 다이클로로메탄 및 아세토니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 c 단계에서 반응이 종료된 후 고액 분리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 아민 유도체 합성방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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