KR101804762B1 - Catalyst for preparing alkylene carbonate, method for preparing the catalyst, method and apparatus for preparing alkylene carbonate using the catalyst - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a catalyst for preparing alkylene carbonate and, more specifically, to a catalyst for preparing alkylene carbonate which is a heterogeneous catalyst including an ester group (-COO-), a preparation method thereof, and a method and an apparatus for preparing alkylene carbonate by reacting alkylene oxide and carbon dioxide using the catalyst. The catalyst can react at low temperature and low pressure with respect to reaction conditions by an existing catalyst, can reduce reaction time and can obtain alkylene carbonate with high yield. Also, durability of the catalyst can be improved; the catalyst can be reused since separation with products is easy; and catalyst yield can be maintained even if the catalyst is repeatedly reused.

Description

알킬렌 카보네이트 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 알킬렌 카보네이트 제조 방법 및 장치{Catalyst for preparing alkylene carbonate, method for preparing the catalyst, method and apparatus for preparing alkylene carbonate using the catalyst}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for preparing an alkylene carbonate, a method for preparing the same, and a method and an apparatus for producing an alkylene carbonate using the catalyst.

본 명세서는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 알킬렌 카보네이트 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for the production of an alkylene carbonate, a method for producing the same, and a method and apparatus for producing an alkylene carbonate using the catalyst.

에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 알킬렌 카보네이트는 산업 공정에서 용매 및 희석제로서 널리 사용되고 있으며, 화장품 원료물질 및 이차전지 전해질로도 사용되고 있다. 또한, 알킬렌 옥사이드로부터 알킬렌 글리콜을 제조 시 중간체로서 사용이 가능하기 때문에 알킬렌 카보네이트에 대한 최근 관심이 증대되고 있다. BACKGROUND ART Alkylene carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate are widely used as solvents and diluents in industrial processes, and are also used as cosmetic raw materials and secondary battery electrolytes. In addition, since alkylene glycol can be used as an intermediate in the preparation of an alkylene oxide, there is a growing interest in alkylene carbonates.

알킬렌 카보네이트의 제조에는 종래 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 포스젠(COCl2)을 반응시키는 방법이 이용되었다. 이 반응은 상온에서 무촉매로 진행된다. 그러나, 원료 물질인 포스젠의 맹독성과 환경오염물질인 염화 수소의 부생 문제 등으로 인해 최근에는 주로 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시키는 공정이 이용되고 있다. Conventionally, a method of reacting ethylene glycol with phosgene (COCl 2 ) has been used for the production of alkylene carbonate. This reaction proceeds non-catalytic at normal temperature. However, due to the toxicity of the raw material phosphorane and the byproduct of hydrogen chloride, which is an environmental pollutant, recently, a process of mainly reacting alkylene oxide with carbon dioxide has been used.

그러나, 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 반응 공정은, 상온에서 무촉매로 진행되는 포스젠 공정과는 달리, 고온 고압 하에서의 반응이 요구되기 때문에 원료인 알킬렌 옥사이드가 분해 또는 중합하여 부산물이 다량 생성되는 문제와 함께 폭발의 위험성도 있다.However, since the reaction step of reacting an alkylene oxide with carbon dioxide to produce an alkylene carbonate requires a reaction under high temperature and high pressure, unlike a phosphine process which proceeds at room temperature without a catalyst, the alkylene oxide as a raw material is decomposed or There is a risk of explosion as well as a problem of mass production of by-products by polymerization.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 다양한 촉매를 개발하여 저온 저압에서 반응하도록 하는 연구가 수행되어 왔다. In order to solve these problems, various catalysts have been developed and the reaction has been carried out at low temperature and low pressure.

예를 들어, 일본공개특허 평9-67365호에서는 촉매로 KI를 이용하는 방법을 기술하고 있고, 일본공개특허 소59-13776호에서는 트리부틸포스포늄 이오다이드 (tributyl methylphosphonium iodide) 및 테트라알킬포스포늄 할라이드 (tetraalkyl phosphonium halide)를 이용하는 방법을 기술하고 있다. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-67365 discloses a method of using KI as a catalyst. In Japanese Patent Laid-open No. 59-13776, tributyl methylphosphonium iodide and tetraalkylphosphonium Describes a method using a tetraalkyl phosphonium halide.

또한, 일본공개특허 평9-235252호에서는 말단기에 4급 포스포늄 할라이드를 갖고 있는 폴리스티렌 공중합 고분자를 이용하는 방법이 개시되어있다. 이 문헌에서는 반응온도를 100∼170℃로 1∼5시간 동안 반응시켰을 때 수율이 50∼95%에 도달하는 것으로 기술되어있다. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-235252 discloses a method using a polystyrene copolymer polymer having a quaternary phosphonium halide in the terminal group. In this document, it is described that when the reaction temperature is changed from 100 to 170 ° C for 1 to 5 hours, the yield reaches 50 to 95%.

그러나, 이러한 촉매는 이온성 액체들로 가격이 매우 고가로, 실제 상용화된 균일계 촉매를 사용하는 공정에서는 무기 할라이드 촉매를 이용하는데, 반응온도 180℃, 압력 100기압, 반응시간 8시간 이상을 필요로 하고, 원료인 이산화탄소 및 알킬렌 옥사이드의 수분 함량을 수백 ppm 이하로 조절해야 하는 등의 문제점을 가지고 있다. However, these catalysts are expensive because they are ionic liquids. In the process using an actual commercialized homogeneous catalyst, an inorganic halide catalyst is used. The reaction temperature is 180 ° C., the pressure is 100 atm, the reaction time is 8 hours or more And the moisture content of carbon dioxide and alkylene oxide as raw materials must be controlled to several hundreds ppm or less.

또한, 무기 할라이드 물질은 반응물과 생성물에 용해되는 균일계(homogeneous) 촉매이므로, 생성물과 촉매를 분리하기 위해 진공 증류하고, 분리된 촉매 역시 재활용이 불가능해 폐기하게 된다. In addition, since the inorganic halide material is a homogeneous catalyst that is dissolved in reactants and products, it is vacuum distilled to separate the product from the catalyst, and the separated catalyst is also discarded because it can not be recycled.

또한, 일본공개특허 평7-206846호에서는 이온교환수지를 이용하는 방법으로 이온교환수지에 CsOH, RbOH, 암모늄 할라이드를 치환시킨 촉매를 사용하는 방법을 개시하고 있다. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-206846 discloses a method using a catalyst in which CsOH, RbOH and ammonium halide are substituted for an ion exchange resin by a method using an ion exchange resin.

또한, 미국특허 제4,233,221호에서는 도웩스(Dowex)와 앰버라이트(Amberlite) 계열의 이온교환수지를 사용하는 방법을 기술하고 있다. 그러나 이 방법에서는 알킬렌 카보네이트 수율이 30∼80% 정도에 불과한 실정이다. U.S. Patent No. 4,233,221 describes a method of using ion exchange resins of the Dowex and Amberlite series. However, in this method, the yield of alkylene carbonate is only about 30 to 80%.

전술한 촉매들 외에 미국특허 제5,283,356호에서는 Co, Cr, Fe. Mn, Ni, Ti, V, Zr 등을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanin)을 촉매로 사용하는 방법을 개시하고 있고, 일본공개특허 평7-206547호에서는 헤테로폴리산(heteropoly acid)의 수소이온 대신 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs) 이온을 치환하는 촉매를 사용하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 두 경우 모두 고가의 촉매를 필요로 하고, 반응온도는 120∼180℃로 온화한 조건이나, 수율이 30∼90%로 미흡한 실정이다. In addition to the catalysts described above, U.S. Patent No. 5,283,356 discloses that Co, Cr, Fe. (Rb) instead of a hydrogen ion of heteropoly acid is disclosed in JP-A-7-206547, and a method of using a phthalocyanine including Mn, Ni, Ti, V, Zr, Or a cesium (Cs) ion. However, in both cases, expensive catalysts are required, and the reaction temperature is in the mild condition of 120 to 180 캜, but the yield is insufficient at 30 to 90%.

이상과 같이, 종래 기술에 따른 방법에서는 알킬렌 카보네이트를 양산하기 위해서는 높은 온도와 압력, 긴 반응시간, 원료의 수분 제거 등 반응조건이 까다로울 뿐만 아니라, 선택성과 수율이 낮은 문제점이 있다. As described above, in the method according to the prior art, in order to produce alkylene carbonate, the reaction conditions such as high temperature and pressure, long reaction time, moisture removal of raw materials, and the like are difficult, and selectivity and yield are low.

또한, 종래 기술들의 촉매들은 대부분 열안정성이 떨어져서 고온의 반응 또는 증류 정제 과정 중에 일부 분해하여 할라이드 이온을 생성하고, 생성된 할라이드 이온이 알킬렌 옥사이드와 반응하여 할라이드계 부산물을 생성하는 원인을 제공하기도 한다. In addition, most of the catalysts of the prior art are poor in thermal stability, so that they are partially decomposed during a high-temperature reaction or distillation purification process to generate halide ions, and the generated halide ions react with alkylene oxides to generate halide- do.

한편, 보다 온화한 조건에서 반응을 진행하기 위해 개선된 촉매로 망간 할라이드(MnX2, X=Cl, Br, I) 및 알칼리금속 할라이드로 구성된 촉매(미국특허 제6,160,130호)와 인듐과 납 할라이드, 알칼리금속 할라이드 (미국특허 제6,156,909호)로 구성된 촉매 등이 있으나, 모두 균일계 촉매이기 때문에 촉매의 회수 및 재사용에 문제점이 있다.On the other hand, a catalyst composed of manganese halide (MnX2, X = Cl, Br, I) and an alkali metal halide (U.S. Patent No. 6,160,130) and indium and lead halide as an improved catalyst for conducting the reaction under milder conditions, And halides (U.S. Patent No. 6,156,909). However, since these catalysts are homogeneous catalysts, there is a problem in recovering and reusing catalysts.

특허문헌 1: 일본공개특허 평9-67365호Patent Document 1: JP-A-9-67365 특허문헌 2: 일본공개특허 소59-13776호Patent Document 2: JP-A-59-13776 특허문헌 3: 일본공개특허 평9-235252호Patent Document 3: JP-A-9-235252 특허문헌 4: 미국특허 제2,773,070호Patent Document 4: U.S. Patent No. 2,773,070 특허문헌 5: 일본공개특허 평7-206846호Patent Document 5: JP-A-7-206846 특허문헌 6: 미국특허 제4,233,221호Patent Document 6: U.S. Patent No. 4,233,221 특허문헌 7: 미국특허 제5,283,356호Patent Document 7: U.S. Patent No. 5,283,356 특허문헌 8: 일본공개특허 평7-206547호Patent Document 8: JP-A 7-206547 특허문헌 9: 미국특허 제6,160,130호Patent Document 9: U.S. Patent No. 6,160,130 특허문헌 10: 미국특허 제6,156,909호Patent Document 10: U.S. Patent No. 6,156,909

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 일측면에서, 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소간의 반응을 촉진함으로써, 저온 및 저압의 온화한 반응 조건에서 빠른 시간 내에 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 제조할 수 있는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 알킬렌 카보네이트 제조 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In an exemplary embodiment of the present invention, in one aspect, an alkylene carbonate capable of producing an alkylene carbonate in a high yield in a short time under mild reaction conditions at a low temperature and a low pressure by promoting a reaction between an alkylene oxide and carbon dioxide A method for producing the same, and a method and an apparatus for producing an alkylene carbonate using the catalyst.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 내구성이 우수하고, 촉매의 회수 및 재사용이 유리하며, 촉매를 반복 재사용하더라도 수율을 유지할 수 있는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용한 알킬렌 카보네이트 제조 방법 및 장치를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. In an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a catalyst for producing alkylene carbonate, which is excellent in durability, advantageous in recovery and reuse of the catalyst, capable of maintaining the yield even when the catalyst is repeatedly used, And a method for producing an alkylene carbonate using the catalyst.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매로서, 에스테르기(-COO-)를 포함하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, as a catalyst for producing an alkylene carbonate, there is provided a catalyst for producing an alkylene carbonate containing an ester group (-COO-).

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법으로서, 할라이드, 아민기, 하이드록시기 중 하나 이상을 포함하는 촉매 화합물을 에스테르 반응 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, in another aspect, there is provided a process for preparing a catalyst for the production of an alkylene carbonate, comprising reacting a catalyst compound comprising at least one of a halide, an amine group and a hydroxyl group with an ester reaction precursor The present invention also provides a process for producing a catalyst for producing an alkylene carbonate.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 하에서 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 알킬렌 카보네이트 제조 방법 및 장치를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide a method and apparatus for producing an alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide with carbon dioxide in the presence of the catalyst for producing an alkylene carbonate.

본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소 반응을 촉진함으로써, 기존 촉매에 의한 반응 조건 대비 저온, 저압에서 반응이 가능하고 또한 반응 시간을 단축시킬 수 있으며 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 얻는 것이 가능하다. According to the exemplary embodiments of the present invention, by promoting the carbon dioxide reaction with the alkylene oxide, it is possible to perform the reaction at a low temperature and a low pressure as compared with the reaction condition by the existing catalyst and to shorten the reaction time, Can be obtained.

또한, 본 발명의 예시적인 구현예들에 의한 촉매는 반응물과 생성물에 용해되지 않는 불균일계(heterogeneous) 촉매로 반응 후 생성물과 촉매를 단순 침전 및 여과로 분리 가능하여 분리가 용이하며, 분리된 촉매 역시 재활용이 가능하기 때문에 경제적인 관점에서도 장점이 있다. 또한, 촉매의 내구성이 높고 촉매를 반복 재사용하더라도 촉매 수율을 유지할 수 있다.In addition, the catalyst according to the exemplary embodiments of the present invention can be separated by simple precipitation and filtration by separating the product and the catalyst after the reaction with a heterogeneous catalyst which is not dissolved in reactants and products, Because it is also recyclable, it is also economically advantageous. Further, the durability of the catalyst is high and the catalyst yield can be maintained even when the catalyst is repeatedly used.

도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 촉매의 FT-IR 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서, 4회 반복 실험의 GC/MS 분석 결과이다.
Figure 1 shows the FT-IR measurement results of the catalyst prepared in the example of the present invention.
Figure 2 is a GC / MS analysis result of four repeated experiments in an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서, 알킬기는 직쇄형 또는 분지형 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 등이 포함되나 이에 한정되는 것이 아니다.In the present specification, the alkyl group means straight chain or branched hydrocarbon, including, but not limited to, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl and the like.

본 명세서에서 아릴기는 아로메틱기와 헤테로아로메틱기 및 그들의 부분적으로 환원된 유도체를 모두 포함할 수 있다. 아로메틱기는 예컨대 5 내지 15각형으로 이루어진 단순 또는 융합 고리형이며, 헤테로아로메틱기는 예컨대 산소, 황 또는 질소 등의 이종 원소를 하나 이상 포함하는 아로메틱기를 의미한다. As used herein, an aryl group may include both an aromatic group and a heteroaromatic group and a partially reduced derivative thereof. The arometical group is, for example, a simple or fused ring group of 5 to 15-ary, and the heteroaromatic group means an arometric group containing at least one hetero atom such as oxygen, sulfur or nitrogen.

대표적인 아릴기의 예로는 페닐, 벤질, 나프틸, 피리디닐(pyridinyl), 푸라닐(furanyl), 티오페닐(thiophenyl), 인돌릴(indolyl), 퀴놀리닐(quinolinyl), 이미다졸리닐(imidazolinyl), 옥사졸릴(oxazolyl), 티아졸릴(thiazolyl), 테트라히드로나프틸 등이 있으나, 이에 한정되는 것이 아니다. Exemplary aryl groups include phenyl, benzyl, naphthyl, pyridinyl, furanyl, thiophenyl, indolyl, quinolinyl, imidazolinyl, ), Oxazolyl, thiazolyl, tetrahydronaphthyl, and the like, but are not limited thereto.

본 명세서에서 할로알킬기는 한 개 또는 그 이상의 수소가 할로겐으로 치환된 알킬기를 의미하며, 예컨대 트리플로오로메틸, 클로로메틸 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. The haloalkyl group as used herein refers to an alkyl group in which one or more of the hydrogens is substituted with a halogen, such as, but not limited to, trifluoromethyl, chloromethyl, and the like.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매로서, 에스테르기(-COO-)를 포함하는 촉매를 제공한다. 상기 촉매는 또한 아민기, 하이드록시기 (-OH), 할라이드 성분 중 하나 이상을 포함한다. 이 촉매에서 에스테르기는 아민기, 하이드록시기, 할라이드 중 하나 이상의 화합 결합을 강하게 하는 역할을 한다. 또한, 이 촉매는 불균일계 촉매이다.In exemplary embodiments of the present invention, as a catalyst for producing an alkylene carbonate, there is provided a catalyst comprising an ester group (-COO-). The catalyst also includes at least one of an amine group, a hydroxyl group (-OH), and a halide component. In this catalyst, the ester group serves to strengthen the bond of at least one of an amine group, a hydroxyl group, and a halide. In addition, this catalyst is a heterogeneous catalyst.

이와 같이, 상기 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매는, 기존 촉매와 달리, 촉매 내에 에스테르기의 화학결합으로 고정화된 아민 그룹, 하이드록시 그룹, 할라이드 물질이 존재하여 이산화탄소 흡수 촉진, 알킬렌 옥사이드 내 O-ring을 opening해서 이산화탄소 첨가 반응을 일어나게 한다. As described above, unlike the existing catalysts, the catalyst for preparing alkylene carbonates has an amine group, a hydroxy group, and a halide material immobilized by a chemical bond of an ester group in the catalyst, promoting carbon dioxide absorption, to cause a carbon dioxide addition reaction.

또한, 촉매의 에스테르기가 아민 그룹, 하이드록시 그룹, 할라이드의 화학결합을 강하게 하여, 반응물 및 생성물에 용해되지 않도록 할 수 있기 때문에, 촉매 반응성 및 내구성이 향상될 수 있다.Further, since the ester group of the catalyst can strengthen the chemical bond of the amine group, the hydroxy group, and the halide, and can not be dissolved in reactants and products, the catalytic reactivity and durability can be improved.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 다음 [화학식 1]로 표시되는 촉매이다.In one exemplary embodiment, the catalyst is a catalyst represented by the following formula (1).

Figure 112017016203688-pat00001
Figure 112017016203688-pat00001

위 [화학식 1]에서 보듯이, 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매는 에스테르기(-COO-)를 포함하고, 또한 아민기, 하이드록시기 (-OH), 할라이드 성분을 포함한다. As shown in the above formula (1), the catalyst for producing an alkylene carbonate includes an ester group (-COO-), and also includes an amine group, a hydroxyl group (-OH), and a halide component.

상기 [화학식 1]에서 할라이드(Halide)는 F, Cl, Br 또는 I이고, 에폭사이드 O ring opening 및 이산화탄소 첨가 반응 효과가 크다는 측면에서 바람직하게는 Br 또는 I이다. Halide in Formula 1 is F, Cl, Br or I, and Br or I is preferable in view of the effect of the ring opening of O epoxide and the effect of carbon dioxide addition reaction.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법으로서, 할라이드, 아민기, 하이드록시기 중 하나 이상을 포함하는 촉매 화합물을 에스테르 반응 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, in another aspect, there is provided a process for preparing a catalyst for the production of an alkylene carbonate, comprising reacting a catalyst compound comprising at least one of a halide, an amine group and a hydroxyl group with an ester reaction precursor The present invention also provides a process for producing a catalyst for producing an alkylene carbonate.

예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은, 아민 전구체, 알데히드 전구체 및 암모늄 할라이드로부터 할라이드, 아민기, 하드록시기를 포함하는 촉매 화합물을 생성하는 단계; 상기 촉매 화합물을 에스테르 반응 전구체와 반응시켜 상기 촉매 화합물에 에스테르기를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, the method comprises the steps of: generating a catalytic compound comprising an amine precursor, an aldehyde precursor, and an ammonium halide, wherein the catalyst compound comprises a halide, an amine group, and a hardoxy group; And reacting the catalyst compound with an ester reaction precursor to produce an ester group in the catalyst compound.

예시적인 일 구현예에서, 아민 전구체는 우레아(urea), 멜라민(melamine), 디시안아미드(dicyandiamide), 요소(urea), 멜라민(melamine), 시안아미드(cyanamide), 구아니딘(guanidine), 바이구아니딘(biguanidine), 구아릴우레아(guanylurea), 폴리사이클릭 구아니딘(polycyclic guanidine) 등이 포함된 1종 이상의 물질이 사용될 수 있다. In one exemplary embodiment, the amine precursor is selected from the group consisting of urea, melamine, dicyandiamide, urea, melamine, cyanamide, guanidine, at least one substance including biguanidine, guarylurea, polycyclic guanidine and the like may be used.

예시적인 일 구현예에서, 알데히드 전구체로는 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로피온알데히드, 부틸알데히드, 글루타르알데히드, 벤즈알데히드 등 알데히드류로 알려진 1종 이상의 물질이 사용될 수 있다.In one exemplary embodiment, the aldehyde precursor may be one or more materials known as aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, butylaldehyde, glutaraldehyde, benzaldehyde, and the like.

예시적인 일 구현예에서, 암모늄할라이드로는 예컨대 NH4I, NH4Br, NH4Cl 등에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. In one exemplary embodiment, the ammonium halide may be at least one selected from, for example, NH 4 I, NH 4 Br, NH 4 Cl, and the like.

예시적인 일 구현예에서, 상기 에스테르 반응 전구체는 포름산, 아세트산, 프로피온산, n-부티르산, 이소부티르산, n-길초산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 노난산, 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 알긴산(alginic acid), 등 카르복시기를 포함하는 물질에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In an exemplary embodiment, the ester reaction precursor may be selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, propionic acid, n-butyric acid, isobutyric acid, n-valeric acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, polyacrylic acid (PAA) , Graphene oxide, alginic acid, and the like, and a carboxyl group.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 하에서 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 알킬렌 카보네이트 제조 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide a method of producing an alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide with carbon dioxide under the catalyst for producing an alkylene carbonate.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치로서, 상기 촉매를 포함하는 장치를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also provide an apparatus for producing an alkylene carbonate wherein an alkylene oxide is reacted with carbon dioxide to produce an alkylene carbonate, wherein the apparatus comprises the catalyst.

예시적인 일 구현예에서, 상기 알킬렌 옥사이드는 하기 [화학식 2]로 표시되는 것이고, 알킬렌 카보네이트는 하기 [화학식 3]으로 표시되는 화합물일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkylene oxide is represented by the following formula (2), and the alkylene carbonate may be a compound represented by the following formula (3).

Figure 112017016203688-pat00002
Figure 112017016203688-pat00002

Figure 112017016203688-pat00003
Figure 112017016203688-pat00003

상기 [화학식 2] 및 [화학식 3]에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 할로알킬기 또는 아릴기일 수 있고, 결합되어 있는 탄소원자와 함께 6각형 고리를 형성할 수 있다.In the above formulas 2 and 3, R 1 and R 2 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or an aryl group, Can be formed.

예시적인 일 구현예에서, 상기 [화학식 2]로 표시되는 알킬렌 옥사이드는 예를 들어 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 에피클로로히드린, 부틸렌 옥사이드, 스티렌 옥사이드, 시클로헥실렌 옥사이드 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. In an exemplary embodiment, the alkylene oxide represented by Formula 2 includes, for example, ethylene oxide, propylene oxide, epichlorohydrin, butylene oxide, styrene oxide, cyclohexylene oxide, and the like. It is not.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매의 사용량은 알킬렌 옥사이드 100 중량에 대해 바람직하게는 0.0001-20 중량부, 보다 바람직하게는 0.1-5 중량부로 사용될 수 있다. 0.0001 중량부 미만인 경우에는 반응속도가 너무 느려질 수 있고, 20 중량부 초과인 경우에는 더 이상 반응속도 및 선택성이 향상되지 않을 수 있으므로 경제적 이득이 없다.In an exemplary embodiment, the amount of the catalyst to be used is preferably 0.0001-20 parts by weight, more preferably 0.1-5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the alkylene oxide. When the amount is less than 0.0001 part by weight, the reaction rate may be too slow. When the amount is more than 20 parts by weight, the reaction rate and selectivity may not be further improved.

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 반응온도는 40~150℃ 또는 80~150℃ 일 수 있다. 반응온도가 너무 낮으면 반응속도가 느려질 수 있고, 반응온도가 너무 높으면 알킬렌 옥사이드가 자체 고분자화 반응(self-polymerization)을 일으키게 되므로 반응 선택성이 떨어질 수 있다.In an exemplary embodiment, the reaction temperature of the reaction may be 40-150 ° C or 80-150 ° C. If the reaction temperature is too low, the reaction rate may be slowed down. If the reaction temperature is too high, the alkylene oxide may cause self-polymerization and thus the reaction selectivity may be deteriorated.

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 반응 압력은 10∼30기압이다. 반응압력이 10기압 미만이 되면 반응속도가 느려질 수 있으며, 30기압 초과인 경우에는 반응속도 향상 효과가 없는 반면, 장치비가 과다하게 소요될 수 있다. In an exemplary embodiment, the reaction pressure of the reaction is 10 to 30 atm. When the reaction pressure is lower than 10 atm, the reaction rate may be slowed. If the reaction pressure is higher than 30 atm, the reaction rate is not improved but the apparatus cost may be excessively high.

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 수율은 90~99%다. In an exemplary embodiment, the yield of the reaction is 90-99%.

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 반응 시간은 3~5시간이다. In an exemplary embodiment, the reaction time of the reaction is 3 to 5 hours.

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응 시 반응 용매를 사용하며, 반응 용매로는 생성물과 동일한 알킬렌카보네이트를 사용할 수 있다. 그 이유는 반응물인 알킬렌 옥사이드가 반응성이 높아 폭발 위험성이 있기 때문에 생성물인 안정한 알킬렌카보네이트를 혼합해줌으로써 공정 안전성을 향상시킬 수 있기 때문이다.In an exemplary embodiment, a reaction solvent is used in the reaction, and as the reaction solvent, the same alkylene carbonate as the product may be used. This is because the alkylene oxide, which is a reactant, has a high reactivity and is explosion dangerous. Therefore, it is possible to improve process safety by mixing stable alkylene carbonate as a product.

이하, 본 발명의 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다. Hereinafter, specific embodiments according to embodiments of the present invention will be described in more detail. It should be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described below, but that various embodiments of the invention may be practiced within the scope of the appended claims, It will be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention to those skilled in the art.

[[ 실시예Example 1] One]

신규 촉매의 Of the new catalyst 제조예Manufacturing example 1 One

온도계, 환류 냉각기 및 적가장치가 설치된 3구 플라스크에 바이구아니딘 5g, 요오드암모늄 2.2g과 35% 포름알데히드 5.2g을 넣고 반응온도 75℃, pH 3에서 1시간 교반한다. 적가장치를 통해 35% 포름알데히드 5.2g을 추가로 가하고, 20% 염산용액으로 pH 4.0으로 조절한 후 12시간 반응시킨다.In a three-necked flask equipped with a thermometer, a reflux condenser and a dropping device, 5 g of biguanidine, 2.2 g of iodoammonium and 5.2 g of 35% formaldehyde were added and the mixture was stirred at a reaction temperature of 75 ° C and a pH of 3 for 1 hour. 5.2 g of 35% formaldehyde is further added via a dropping device, the pH is adjusted to 4.0 with a 20% hydrochloric acid solution, and the mixture is reacted for 12 hours.

환류 장치가 부착된 100mL 2구 플라스크에 상기한 방법에 의해 합성된 촉매 전구물질 1.5g과 증류수 50g, 폴리아크릴산 0.5g을 충진하고, 60℃에서 교반하면서 2시간 동안 반응을 진행하였다. 1.5 g of the catalyst precursor synthesized by the above method, 50 g of distilled water and 0.5 g of polyacrylic acid were charged in a 100 mL two-necked flask equipped with a reflux condenser, and the reaction was carried out for 2 hours while stirring at 60 캜.

반응 후 물은 회전식 증발기(Rotary Evaporator)를 이용하여 감압하에서 제거하였으며, 에스테르기를 포함하는 신규 촉매 분말을 합성하였다. After the reaction, the water was removed under reduced pressure using a rotary evaporator, and a new catalyst powder containing an ester group was synthesized.

[[ 실시예Example 2] 2]

신규 촉매의 Of the new catalyst 제조예Manufacturing example 2 2

온도계, 환류 냉각기 및 적가장치가 설치된 3구 플라스크에 우레아 3.6g, 요오드암모늄 2.2g과 35% 포름알데히드 5.0g, 디에틸렌트리아민 0.05g을 넣고 반응온도 75도, pH 3에서 1시간 교반한다. 적가장치를 통해 35% 포름알데히드 5.0g을 추가로 가하고, 20% 염산용액으로 pH 4.0으로 조절한 후 12시간 반응시킨다.3.6 g of urea, 2.2 g of ammonium iodide, 5.0 g of 35% formaldehyde and 0.05 g of diethylenetriamine were placed in a three-necked flask equipped with a thermometer, a reflux condenser and a dropping device. After addition of 5.0 g of 35% formaldehyde through a dropping funnel, the mixture was adjusted to pH 4.0 with 20% hydrochloric acid solution and reacted for 12 hours.

환류 장치가 부착된 100mL 2구 플라스크에 상기한 방법에 의해 합성된 촉매 전구물질 1.5g과 증류수 50g, 그래핀 옥사이드 0.5g을 충진하고, 60℃에서 교반하면서 2시간 동안 반응을 진행하였다. 1.5 g of the catalyst precursor synthesized by the above method, 50 g of distilled water and 0.5 g of graphene oxide were charged in a 100 mL two-necked flask equipped with a reflux condenser, and the reaction was carried out at 60 DEG C for 2 hours with stirring.

반응 후 물은 회전식 증발기(Rotary Evaporator)를 이용하여 감압하에서 제거하였으며, 에스테르기를 포함하는 신규 촉매 분말을 합성하였다.After the reaction, the water was removed under reduced pressure using a rotary evaporator, and a new catalyst powder containing an ester group was synthesized.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 촉매의 FT-IR 측정 결과이다.1 shows the FT-IR measurement results of the catalyst prepared in Example 1 of the present invention.

도 1의 FT-IR 측정 결과로부터, 제조된 촉매는 C≡N, C=N, -OH 등이 확인 되었다. 또한, C-O, C=O로부터 에스테르기의 존재를 확인할 수 있었다From the results of the FT-IR measurement of FIG. 1, it was confirmed that the produced catalyst had C≡N, C = N, -OH, and the like. In addition, the presence of an ester group was confirmed from C-O and C = O

알킬렌 Alkylene 카보네이트의Of carbonate 제조 Produce

100mL 고압반응기에 반응물인 프로필렌 옥사이드(PO, 10g, 0.17mol)와 실시예 1에서 얻어진 신규촉매 (0.2g)를 충진한 후, 이산화탄소(CO2)로 채워 온도를 130℃로 올린다. Propylene oxide (PO, 10 g, 0.17 mol) and the new catalyst (0.2 g) obtained in Example 1 were charged in a 100-mL high-pressure reactor and then charged with carbon dioxide (CO 2 ) to raise the temperature to 130 ° C.

다시 이산화탄소를 가하여 반응기 압력이 20기압이 되도록 하였다. 4시간 동안 반응시킨 후 반응기를 실온에서 냉각하고 촉매를 회수하여 80℃에서 12시간 건조한 뒤, 무게를 측정하고, 4회 촉매를 반복, 재사용하였다. Carbon dioxide was added again to bring the reactor pressure to 20 atm. After the reaction was carried out for 4 hours, the reactor was cooled to room temperature, and the catalyst was recovered. The catalyst was dried at 80 ° C for 12 hours, and the weight was measured and the catalyst was repeatedly used four times.

도 2는 본 발명의 실시예에서, 4회 반복 실험의 GC/MS 분석 결과이다.Figure 2 is a GC / MS analysis result of four repeated experiments in an embodiment of the present invention.

도 2에서 알 수 있듯이, GC/MS로 생성물질 분석결과, 4회 실험 결과 모두, 프로필렌 카보네이트의 수율은 99.9% 였으며(PO → PC 수율 99.9% 유지), 할라이계 불순물은 생성되지 않았다. 참고로, 여기서, 수율은 다음 식으로 계산된다.As can be seen from FIG. 2, the yield of propylene carbonate was 99.9% (PO → PC yield: 99.9%), and no halation impurities were produced. For reference, the yield is calculated by the following equation.

수율 (%) = (알킬렌카보네이트의 생성몰수/원료 알킬렌옥사이드 몰수)×100Yield (%) = (number of moles of alkylene carbonate / number of mols of raw alkylene oxide) x 100

이와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들의 촉매를 사용하는 경우 기존 촉매에 의한 반응 조건 대비 저온, 저압에서 반응이 가능하고 또한 반응 시간을 단축시킬 수 있으며 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 얻는 것이 가능하다. 또한, 촉매의 내구성을 향상할 수 있고, 반복, 재사용 하더라도 높은 촉매 수율을 유지할 수 있다.As described above, when the catalyst of the exemplary embodiments of the present invention is used, the reaction can be performed at a low temperature and a low pressure as compared with the reaction conditions using existing catalysts, and the reaction time can be shortened and alkylene carbonate can be obtained in a high yield . Further, the durability of the catalyst can be improved, and a high catalyst yield can be maintained even after repeated use and reuse.

Claims (19)

알킬렌 카보네이트 제조용 촉매로서,
에스테르기(-COO-), 아민기(-NH2), 하이드록시기(-OH) 및 할라이드를 모두 포함하는 불균일계 촉매인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매.
As a catalyst for producing an alkylene carbonate,
Wherein the catalyst is a heterogeneous catalyst comprising both an ester group (-COO-), an amine group (-NH 2 ), a hydroxyl group (-OH) and a halide.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 촉매는 다음 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매.
[화학식 1]
Figure 112017112468150-pat00009

([화학식 1]에서 n은 반복 단위이다)
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst is represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112017112468150-pat00009

(Wherein n is a repeating unit)
제 1 항에 있어서,
할라이드(halide)는 Br 또는 I인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the halide is Br or < RTI ID = 0.0 > I. < / RTI >
제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법으로서,
할라이드, 아민기, 하이드록시기를 모두 포함하는 촉매 화합물을 에스테르 반응 전구체와 반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
A process for producing a catalyst for the production of an alkylene carbonate according to any one of claims 1, 3 and 4,
Reacting a catalyst compound comprising all of a halide, an amine group, and a hydroxy group with an ester reaction precursor.
제 5 항에 있어서,
상기 방법은, 아민 전구체, 알데히드 전구체 및 암모늄 할라이드로부터 할라이드, 아민기, 하이드록시기를 포함하는 촉매 화합물을 생성하는 단계; 및
상기 촉매 화합물을 에스테르 반응 전구체와 반응시켜 상기 촉매 화합물에 에스테르기를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The method includes the steps of: generating a catalyst compound comprising an amine precursor, an aldehyde precursor, and an ammonium halide, wherein the catalyst compound comprises a halide, an amine group, and a hydroxy group; And
And reacting the catalyst compound with an ester precursor to produce an ester group in the catalyst compound.
제 6 항에 있어서,
아민 전구체는 우레아(urea), 멜라민(melamine), 디시안아미드(dicyandiamide), 시안아미드(cyanamide), 구아니딘(guanidine), 바이구아니딘(biguanidine), 구아릴우레아(guanylurea), 폴리사이클릭 구아니딘(polycyclic guanidine)에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
The method according to claim 6,
The amine precursor may be selected from the group consisting of urea, melamine, dicyandiamide, cyanamide, guanidine, biguanidine, guarylurea, polycyclic guanidine). < / RTI >
제 6 항에 있어서,
알데히드 전구체는 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로피온알데히드, 부틸알데히드, 글루타르알데히드, 벤즈알데히드에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the aldehyde precursor is at least one selected from the group consisting of formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, butylaldehyde, glutaraldehyde and benzaldehyde.
제 6 항에 있어서,
암모늄할라이드는 NH4I, NH4Br, NH4Cl에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the ammonium halide is at least one selected from NH 4 I, NH 4 Br and NH 4 Cl.
제 6 항에 있어서,
에스테르 반응 전구체는 포름산, 아세트산, 프로피온산, n-부티르산, 이소부티르산, n-길초산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 노난산, 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 알긴산(alginic acid)으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 제조 방법.
The method according to claim 6,
The ester reaction precursor may be selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, propionic acid, n-butyric acid, isobutyric acid, n-valeric acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, polyacrylic acid (PAA), graphene oxide , And alginic acid. The method for producing a catalyst for producing an alkylene carbonate according to claim 1,
제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매 하에서 알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 방법.
A process for producing an alkylene carbonate, which comprises reacting an alkylene oxide with carbon dioxide in the presence of a catalyst for the production of an alkylene carbonate according to any one of claims 1, 3 and 4 to produce an alkylene carbonate.
알킬렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 알킬렌 카보네이트를 제조하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치로서,
제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 알킬렌 카보네이트 제조용 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
An apparatus for producing an alkylene carbonate by reacting an alkylene oxide with carbon dioxide to produce an alkylene carbonate,
The apparatus for producing an alkylene carbonate according to any one of claims 1, 3, and 4, comprising a catalyst for producing an alkylene carbonate.
제 12 항에 있어서,
알킬렌 옥사이드는 하기 [화학식 1]로 표시되는 것이고, 알킬렌 카보네이트는 하기 [화학식 2]으로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
[화학식 1]
Figure 112017112468150-pat00005

[화학식 2]
Figure 112017112468150-pat00006

상기 [화학식 1] 및 [화학식 2]에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6의 할로알킬기 또는 아릴기일 수 있고, 결합되어 있는 탄소원자와 함께 6각형 고리를 형성할 수 있다.
13. The method of claim 12,
Wherein the alkylene oxide is represented by the following formula (1), and the alkylene carbonate is a compound represented by the following formula (2).
[Chemical Formula 1]
Figure 112017112468150-pat00005

(2)
Figure 112017112468150-pat00006

R 1 and R 2 are each independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a haloalkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or an aryl group, and may be bonded together with a carbon atom to form a hexagonal ring Can be formed.
제 12 항에 있어서,
상기 촉매의 사용량은 알킬렌 옥사이드 100 중량에 대해 0.0001-20 중량부인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the catalyst is used in an amount of 0.0001 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of the alkylene oxide.
제 12 항에 있어서,
상기 반응의 반응온도는 40~150℃인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the reaction temperature of the reaction is in the range of 40 to 150 ° C.
제 12 항에 있어서,
상기 반응의 반응 압력은 10∼30기압인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the reaction pressure of the reaction is 10 to 30 atm.
제 12 항에 있어서,
상기 반응의 반응 시간은 3~5시간인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the reaction time of the reaction is 3 to 5 hours.
제 12 항에 있어서,
상기 반응의 수율은 90~99%인 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the yield of the reaction is 90 to 99%.
제 12 항에 있어서,
상기 반응 시 반응 용매를 사용하며, 반응 용매로는 생성물과 동일한 알킬렌카보네이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 알킬렌 카보네이트 제조 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein a reaction solvent is used in the reaction, and the same alkylene carbonate as the product is used as the reaction solvent.
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