KR101897899B1 - Heterogeneous copper-catalyzed aerobic oxidative conversion of alcohols to corresponding nitriles - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알코올을 나이트릴로 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속-유기 골격체의 일종인 HKUST-1을 열분해 한 불균일 구리 촉매(Cu@C) 및 TEMPO를 이용하여, 방향족 1차 알코올(예컨대, 벤질알코올)을 방향족 알데히드(예컨대, 벤즈알데히드)로 산화 전환한 후 원-포트(One-pot) 방식으로 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴(예컨대, 벤조나이트릴)로 산화 전환시킴으로써, 다양한 기질에 대해 높은 수율로 나이트릴을 수득할 수 있고 상기 불균일 구리 촉매가 암모니아 소스의 존재 하에서도 그 구조를 유지하여 촉매 활성의 유의적인 손실 없이 적어도 3번 이상 재사용할 수 있도록 한, 불균일 구리 촉매를 이용한 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법, 및 이에 적용되는 반응 조건들의 최적화에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for aerobic oxidative conversion of an alcohol to nitrile, and more particularly, to a method for aerobic oxidative conversion of an alcohol to nitrile, and more particularly, to a process for producing a heterogeneous copper catalyst (Cu @ C) pyrolyzed HKUST- (For example, benzene alcohol) is converted into an aromatic aldehyde (for example, benzaldehyde) and then an ammonia source (for example, ammonia water) is added in a one-pot manner to obtain an aromatic aldehyde Nitriles can be obtained in high yields for various substrates by oxidizing them to nitriles (e.g., benzonitrile), and the heterogeneous copper catalyst maintains its structure even in the presence of an ammonia source, Oxidative conversion of alcohol to nitrile using a heterogeneous copper catalyst, which can be reused at least three times, And optimization of the reaction conditions applied thereto.

Description

불균일 구리 촉매를 이용한 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법{HETEROGENEOUS COPPER-CATALYZED AEROBIC OXIDATIVE CONVERSION OF ALCOHOLS TO CORRESPONDING NITRILES}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for converting an alcohol into nitrile using an inhomogeneous copper catalyst, and more particularly, to a method for converting an alcohol into nitrile by an aerobic oxidative conversion of alcohol to a nitrous oxide catalyst.

본 발명은 알코올을 나이트릴로 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속-유기 골격체의 일종인 HKUST-1을 열분해 한 불균일 구리 촉매(Cu@C) 및 TEMPO를 이용하여, 방향족 1차 알코올(예컨대, 벤질알코올)을 방향족 알데히드(예컨대, 벤즈알데히드)로 산화 전환한 후 원-포트(One-pot) 방식으로 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴(예컨대, 벤조나이트릴)로 산화 전환시킴으로써, 다양한 기질에 대해 높은 수율로 나이트릴을 수득할 수 있고 상기 불균일 구리 촉매가 암모니아 소스의 존재 하에서도 그 구조를 유지하여 촉매 활성의 유의적인 손실 없이 적어도 3번 이상 재사용할 수 있도록 한, 불균일 구리 촉매를 이용한 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법, 및 이에 적용되는 반응 조건들의 최적화에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for aerobic oxidative conversion of an alcohol to nitrile, and more particularly, to a method for aerobic oxidative conversion of an alcohol to nitrile, and more particularly, to a process for producing a heterogeneous copper catalyst (Cu @ C) pyrolyzed HKUST- (For example, benzene alcohol) is converted into an aromatic aldehyde (for example, benzaldehyde) and then an ammonia source (for example, ammonia water) is added in a one-pot manner to obtain an aromatic aldehyde Nitriles can be obtained in high yields for various substrates by oxidizing them to nitriles (e.g., benzonitrile), and the heterogeneous copper catalyst maintains its structure even in the presence of an ammonia source, Oxidative conversion of alcohol to nitrile using a heterogeneous copper catalyst, which can be reused at least three times, And optimization of the reaction conditions applied thereto.

벤조나이트릴의 합성은 유기화학 분야에서 매우 유용하며, 이는 나이트릴 그룹이 다양한 작용기들 및 헤테로 고리들을 합성하기 위한 다목적 중간체로 사용되기 때문이다. 또한 나이트릴 그룹 자체는 의약 및 농약 화합물에 있어서도 핵심적인 부분(Moiety)이다.Synthesis of benzonitrile is very useful in the field of organic chemistry because nitrile groups are used as multipurpose intermediates for synthesizing various functional groups and hetero rings. The nitrile group itself is also a key moiety for medicinal and pesticide compounds.

일반적으로, 벤조나이트릴의 합성은 전이금속을 촉매로 사용한 Ar-X(X = Cl, Br, I 또는 N2)와 독성 금속 시안화물의 크로스 커플링에 의존하고 있다. 또한 최근 이러한 독성 금속 시안화물의 사용을 피하기 위해 K3[Fe(CN)6]와 같은 독성이 적은 시안화 소스와 비-금속 시안화 소스를 이용한 프로토콜들이 개발된 바 있다.In general, the synthesis of benzonitrile relies on the cross-coupling of Ar-X (X = Cl, Br, I or N 2 ) and toxic metal cyanide using a transition metal as a catalyst. Recently, protocols have been developed that use less toxic cyanide and non-metal cyanide sources such as K 3 [Fe (CN) 6 ] to avoid the use of such toxic metal cyanide.

그러나, 이러한 프로토콜들은 할라이드 부산물 또는 무기/유기 폐기물을 다량 생성하여 그린 케미스트리(Green chemistry)에 부응하지 못하는 단점이 있다.However, these protocols have the disadvantage of not producing large amounts of halide byproducts or inorganic / organic wastes and thus not meeting green chemistry.

그린 케미스트리(Green chemistry)의 관점에서, 암모니아 소스를 이용한 벤즈알데히드의 유산소 산화적 전환(Aerobic oxidative conversion)은 벤조나이트릴 합성을 위한 친환경적인 접근법으로 여겨지고 있는바, 이 경우 비용이 저렴한 암모니아를 활용할 수 있고 단지 물만이 부산물로 생성되기 때문이다.From the point of view of green chemistry, aerobic oxidative conversion of benzaldehyde using ammonia sources is considered to be an eco-friendly approach for the synthesis of benzonitrile, which can utilize inexpensive ammonia Only water is produced as a by-product.

그러나, 현재까지 암모니아 소스를 이용하여 알데히드 또는 알코올을 나이트릴로 유산소 산화적 전환한 예는 단지 몇몇 케이스에 머무르고 있다. 반면 (Bu4N)2S2O8, I2, 터트-부틸 하이드로퍼옥사이드(TBHP) 및 고원자가 요오드(Hypervalent iodine)와 같은 화학량론적 산화제를 이용한 무산소적(Anaerobic) 방법들은 다수 보고되어 있는 상태이다.However, to date, examples of aerobic oxidation of aldehydes or alcohols to nitrile using ammonia sources have remained only in some cases. On the other hand, anaerobic methods using stoichiometric oxidants such as (Bu 4 N) 2 S 2 O 8 , I 2 , tert-butyl hydroperoxide (TBHP) and hypervalent iodine have been reported State.

2009년, Mizuno 연구진은 THF에 용해된 암모니아 용액 사용시 알루미나에 담지된 불균일 루테늄 촉매가 알데히드 또는 알코올의 나이트릴로의 유산소 산화적 변환에 대해 효과적인 촉매로 작용한다고 밝힌 바 있다. 이러한 Mizuno의 연구 이후, MnO2 등 다른 종류의 불균일 촉매 시스템들도 수립되었다.In 2009, Mizuno and colleagues found that when using ammonia solutions dissolved in THF, alumina-supported heterogeneous ruthenium catalysts act as effective catalysts for the aerobic oxidation of aldehydes or alcohols to nitriles. After this Mizuno study, MnO 2 Other types of heterogeneous catalyst systems have also been established.

균일(Homogeneous) 촉매의 경우, Cu/TEMPO(TEMPO = 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) 시스템은 유산소 알코올 산화에 있어 가장 효율적인 촉매 중 하나로서, 알데히드 또는 알코올의 나이트릴로의 유산소 산화적 전환을 성공적으로 촉진할 수 있다. 2013년, Tao, Huang, Muldoon 및 Stahl 연구진 각각은 암모니아수를 사용함에 따라 Cu/TEMPO 시스템이 상대적으로 온화한 조건 하에서 유산소 산화적 나이트릴 합성을 촉매할 수 있다고 밝힌 바 있다.In the case of homogeneous catalysts, the Cu / TEMPO (TEMPO = 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) system is one of the most efficient catalysts for the oxidation of aerobic alcohol, Oxidative conversion can be successfully promoted. In 2013, Tao, Huang, Muldoon and Stahl each have found that Cu / TEMPO systems can catalyze the synthesis of aerobic oxidizing nitriles under relatively mild conditions as ammonia water is used.

그러나, 이러한 변환에 있어서 불균일 Cu 촉매를 적용한 예, 특히 불균일 Cu 촉매를 사용하여 출발물질인 알코올로부터 나이트릴을 단일의 반응용기에서 연속 과정으로 합성한 예는 전무하다.However, there is no example in which a heterogeneous Cu catalyst is applied in this conversion, and in particular, a nitrile is synthesized from a starting material alcohol using a heterogeneous Cu catalyst by a continuous process in a single reaction vessel.

HKUST-1(Cu3(BTC)2, BTC = 1,3,5-benzenetricarboxylate)는 상업적으로 입수할 수 있는 MOF로서 다양한 유기화학적 변환에 있어서 불균일 Cu 촉매로 사용되고 있다.HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 , BTC = 1,3,5-benzenetricarboxylate) is a commercially available MOF and is used as a heterogeneous Cu catalyst in various organic chemical transformations.

본 발명자들은 암모니아를 이용한 벤즈알데히드에서 벤조나이트릴로의 유산소 산화적 전환과 관련된 HKUST-1의 촉매 활성을 조사하였으며, 예비 테스트 결과 HKUST-1은 벤조나이트릴 합성을 촉매할 수 있는 것으로 확인되었다.The present inventors have investigated the catalytic activity of HKUST-1 in relation to the aerobic oxidative conversion of benzaldehyde to benzonitrile using ammonia. As a result of the preliminary test, it was confirmed that HKUST-1 can catalyze the synthesis of benzonitrile.

그러나, 이 경우 HKUST-1의 MOF 구조가 없어져 반응 후에는 더 이상 불균일 촉매로서 존재할 수 없었는바, 이는 구리 및 암모니아 간의 강한 상호작용이 HKUST-1의 MOF 구조를 붕괴시켰기 때문으로 여겨진다.However, in this case, the MOF structure of HKUST-1 disappeared and could no longer exist as a heterogeneous catalyst after the reaction, which is believed to be due to the strong interaction between copper and ammonia disrupting the MOF structure of HKUST-1.

a) M. Sundermeier, A. Zapf, S. Mutyala, W. Baumann, J. Sans, S. Weiss, M. Beller, Chem. Eur. J. 2003, 9, 1828-1836; b) P. Anbarasan, T. Schareina, M. Beller, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 5049-5067.a) M. Sundermeier, A. Zapf, S. Mutyala, W. Baumann, J. Sans, S. Weiss, M. Beller, Chem. Eur. J. 2003, 9, 1828-1836; b) P. Anbarasan, T. Schareina, M. Beller, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 5049-5067.

본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 탄소 지지체에 구리가 담지된 형태의 불균일 촉매(Cu@C)가 암모니아 존재 하에서도 그 구조적 안정성을 유지할 수 있고, 알데히드에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환은 물론, 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환을 위한 매우 효율적인 불균일 촉매가 될 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르렀다.As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have found that a heterogeneous catalyst (Cu @ C) in which copper is supported on a carbon support can maintain its structural stability even in the presence of ammonia, and is also capable of oxidative conversion of aldehyde to nitrile , And can be a highly efficient heterogeneous catalyst for the aerobic oxidative conversion of alcohol to nitrile, leading to the present invention.

이에, 본 발명은 불균일 구리 촉매를 이용한 알코올 및 알데히드의 유산소 산화적 전환을 통해 나이트릴을 원-포트(One-pot) 합성하는 새로운 방법과, 이에 필요한 최적의 반응 조건을 제공함을 기술적 과제로 한다.Accordingly, a technical object of the present invention is to provide a novel method for one-pot synthesis of nitrile through aerobic oxidation conversion of alcohols and aldehydes using a heterogeneous copper catalyst, and to provide optimal reaction conditions necessary for the one-pot synthesis .

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은In order to achieve the above object,

방향족 1차 알코올(Aromatic primary alcohol)을 출발물질로 사용하여 나이트릴(Nitrile)을 제조하는 방법으로서,A method for producing nitrile using an aromatic primary alcohol as a starting material,

방향족 1차 알코올을 유산소 산화(Aerobic oxidation)시켜 방향족 알데히드(Aromatic aldehyde)로 변환하는 제1단계; 및A first step of converting an aromatic primary alcohol into an aromatic aldehyde by aerobic oxidation; And

방향족 알데히드가 생성된 동일한 반응용기에 반응물로서 암모니아 소스(Ammonia source)를 첨가하여 방향족 알데히드를 나이트릴로 변환하는 제2단계;를 포함하며,And a second step of converting an aromatic aldehyde to a nitrile by adding an ammonia source as a reactant to the same reaction vessel in which an aromatic aldehyde is formed,

상기 제1단계 및 제2단계는 불균일 구리 촉매(Heterogeneous copper catalyst)와 TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl)를 사용하여, 산소(O2)가 공급되는 조건으로 용매 중에서 수행되고,The first and second steps are performed in a solvent under the condition of supplying oxygen (O 2 ) by using heterogeneous copper catalyst and TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) And,

상기 불균일 구리 촉매는 HKUST-1(카퍼 벤젠-1,3,5-트리카르복실레이트; Cu3(BTC)2)이 열분해(Pyrolysis)된 것으로, 탄소 지지체에 구리가 담지된 형태(Cu@C)의 촉매이며,The heterogeneous copper catalyst is a pyrolysis of HKUST-1 (copper benzene-1,3,5-tricarboxylate; Cu 3 (BTC) 2 ) ) ≪ / RTI >

상기 제1단계 및 제2단계는 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는,Wherein the first step and the second step are performed by a one-pot sequential reaction method.

불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법(Aerobic oxidative conversion)을 제공한다(도 1 참조).An aerobic oxidative conversion of an aromatic primary alcohol to a nitrile using a heterogeneous copper catalyst is provided (see FIG. 1).

즉, 본 발명은 Cu@C/TEMPO 촉매 시스템을 이용하여 방향족 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 「방향족 1차 알코올 → 알데히드」, 「알데히드로부터 생성된 이민 → 나이트릴」과 관련된 2개 산화반응이 성공적으로 이루어져 간편한 방법을 통해 목적물질인 나이트릴을 고수율로 수득할 수 있다.That is, the present invention relates to a process for converting an aromatic primary alcohol into an aldehyde by aerobic oxidation using a Cu @ C / TEMPO catalyst system, adding an ammonia source to the one-pot, Lt; / RTI > The one-pot synthesis method according to the present invention is a two-step oxidation reaction involving "aromatic primary alcohol → aldehyde" and "imine generated from aldehyde → nitrite" The nitrile can be obtained in high yield.

상기 제1단계는 출발물질(기질)인 방향족 1차 알코올에 Cu@C/TEMPO 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 Cu@C/TEMPO 촉매 시스템, 산소 공급 조건 및 반응용매 등은 제2단계에서도 그대로 적용된다.The first step is a step of converting an aromatic primary alcohol into a corresponding aromatic aldehyde by applying a Cu @ C / TEMPO catalyst system, an oxygen condition, and a reaction solvent to an aromatic primary alcohol as a starting material (substrate). The method according to the present invention is performed by a one-pot sequential reaction method, and the Cu @ C / TEMPO catalyst system, the oxygen supply condition, and the reaction solvent applied in the first step are applied as they are in the second step do.

상기 제2단계는 제1단계를 통해 생성된 방향족 알데히드에 원-포트(One-pot)로 암모니아 소스를 첨가, 반응 및 산화적 전환시켜 목적물질인 나이트릴을 최종 수득하는 단계이다.In the second step, an ammonia source is added as a one-pot to the aromatic aldehyde produced through the first step, and the reaction and oxidative conversion are performed to finally obtain nitrile as a target material.

본 발명에서 나이트릴은 제1단계에서 생성된 방향족 알데히드와 제2단계에서 첨가된 암모니아 소스가 축합(Condensation)되어 형성된 이민(Imine) 화합물이 유산소 산화(Aerobic oxidation)됨으로써 수득된다.In the present invention, the nitrile is obtained by aerobic oxidation of an imine compound formed by condensation of the aromatic aldehyde produced in the first stage and the ammonia source added in the second stage.

즉, 본 발명은 유산소 조건 하에서 불균일 구리 촉매 시스템을 사용하여 알코올을 나이트릴로 산화적 전환하는 것으로서, 다양한 방향족 1차 알코올(예컨대, 벤질알코올)이 방향족 알데히드(예컨대, 벤즈알데히드)로 전환된 후, 이러한 방향족 알데히드가 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)와 축합되고, 이어지는 유산소 산화를 통해 목적물질인 각각의 나이트릴(예컨대, 벤조나이트릴)을 선택적으로 합성할 수 있다.That is, the present invention is directed to oxidative conversion of alcohol to nitrile using a heterogeneous copper catalyst system under aerobic conditions, wherein various aromatic primary alcohols (such as benzyl alcohol) are converted to aromatic aldehydes (such as benzaldehyde) The aromatic aldehyde is condensed with an ammonia source (for example, ammonia water), and each nitrile (for example, benzonitrile) as a target material can be selectively synthesized through subsequent aerobic oxidation.

본 발명에 있어서, 목적물질인 나이트릴은 제1단계에서 출발물질(기질)로 사용되는 방향족 1차 알코올에 따라 결정되며, 하기 구조식으로 표시되는 화합물 그룹 중에서 선택되는 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the nitrile, which is the target substance, is determined according to the aromatic primary alcohol used as the starting material (substrate) in the first step and may be selected from the group of compounds represented by the following structural formulas, It is not.

Figure 112017014705403-pat00001
Figure 112017014705403-pat00001

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 암모니아수(Aqueous ammonia)를 사용한다. 이때 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)는 1.2~4.8 당량(eq) 정도로 사용하는 것이 적절하다.The ammonia source is an additional reactant added as a one-pot for the second-step reaction. The ammonia source is an NH 4 X -type ammonium compound capable of forming an imine compound by condensation with the aromatic aldehyde produced through the first step Compound, and preferably ammonia water (Aqueous ammonia) is used. The ammonia source (for example, ammonia water) is suitably used at about 1.2 to 4.8 eq.

한편, 본 발명의 제1단계에서는 제2단계와 달리 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)를 첨가하지 않는다.In the first step of the present invention, unlike the second step, an ammonia source (for example, ammonia water) is not added.

본 발명자들은 소정의 최적화된 조건에서 암모니아 소스(예컨대, 암모니아수)의 첨가 유무에 따른 방향족 1차 알코올 → 알데히드의 수율을 조사하였는바, 암모니아 소스를 첨가한 경우 첨가하지 않은 경우보다 수율이 낮게 나타났다. 이러한 결과는 제2단계에서의 나이트릴 합성에 필요한 암모니아 소스가 제1단계에서의 유산소 알코올 산화에는 오히려 방해가 됨을 의미한다.The present inventors investigated the yield of aromatic primary alcohol → aldehyde according to the presence or absence of addition of an ammonia source (for example, ammonia water) under predetermined optimized conditions. As a result, the yield was lower when ammonia source was added. These results indicate that the ammonia source required for the nitrile synthesis in the second step is rather an obstacle to the aerobic alcohol oxidation in the first step.

상기 불균일 구리 촉매는 탄소 지지체에 구리가 담지된 형태(Cu@C)이며, 구리(Cu)가 결합된 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework; MOF)로서 HKUST-1(카퍼 벤젠-1,3,5-트리카르복실레이트; Cu3(BTC)2)을 준비하고, 상기 HKUST-1을 800~1000℃의 고온으로 6~10시간 동안 열분해(Pyrolysis)하여, 탄소(C) 지지체에 구리(Cu)가 담지된 형태의 메조포러스(Mesoporous) 구조를 형성함으로써 제조될 수 있다.The heterogeneous copper catalyst is a metal-organic framework (MOF) in which copper is supported on a carbon support (Cu @ C) and copper (Cu) is bonded to it. HKUST-1 (Copper Benzene- 3,5-carboxylate; Cu 3 (BTC) 2) was prepared, and the HKUST-1 the thermal cracking (pyrolysis for 6 to 10 hours of high-temperature 800 ~ 1000 ℃) the carbon (C) copper on a support (Cu) -supported mesoporous structure.

상기 열분해를 통해 반응 도중이나 반응 후 구조가 무너지지 않고 안정하게 유지될 수 있는 MOF 기반의 유기반응 촉매를 제조할 수 있는바, 구체적으로 소정 조건의 열분해를 통해 HKUST-1에서 Cu(≠CuO)와 C만 남게 되고 이러한 열분해물은 탄소(C) 지지체에 구리(Cu)가 담지된 형태로 존재하여 2가의 Cu가 나이트릴 합성반응시 촉매로 작용하게 된다. 열분해 후 MOF의 표면적은 감소하며, 마이크로포러스(Microporous)에서 메조포러스(Mesoporous)로 기공 구조에도 변화가 일어난다.The MOF-based organic reaction catalyst can be produced through the pyrolysis during or after the reaction without straying the structure. Specifically, it is possible to produce CuO (≠ CuO) in HKUST-1 C remains. The pyrolysis product is present in a form that copper (C) is supported on the carbon (C) support, so that the divalent Cu acts as a catalyst in the nitrile synthesis reaction. The surface area of MOF decreases after pyrolysis, and the pore structure changes from microporous to mesoporous.

상기 열분해는 800℃의 온도로 6시간 동안 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 열분해는 HKUST-1가 담긴 알루미나 보트를 튜브 퍼니스 내부로 옮기고, 튜브 퍼니스 내부를 진공 상태로 만들어 준 다음, 상기 튜브 퍼니스 내부에 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 흘려주고, 5℃/min의 속도로 800℃까지 승온시킨 다음, 800℃에서 6시간 동안 유지시킨 뒤 상온까지 자연냉각시키는 과정을 통해 수행될 수 있다.The pyrolysis can be carried out at a temperature of 800 DEG C for 6 hours. Specifically, the pyrolysis is carried out by moving an alumina boat containing HKUST-1 into a tube furnace, making the inside of the tube furnace into a vacuum state, injecting argon (Ar) gas into the tube furnace, min to a temperature of 800 ° C, followed by maintaining the temperature at 800 ° C for 6 hours, followed by natural cooling to room temperature.

상기 불균일 구리 촉매는 반응에 적합한 촉매량(Catalytic amount), 예컨대 방향족 1차 알코올 대비 2.5~5 mol%의 양으로 사용될 수 있다.The heterogeneous copper catalyst may be used in a catalytic amount suitable for the reaction, for example, in an amount of 2.5 to 5 mol% based on the aromatic primary alcohol.

또한, 상기 불균일 구리 촉매는 우수한 촉매 활성 및 구조적 안정성과 더불어, 한번 사용한 촉매를 씻어서 적어도 3번 이상 재사용할 수 있을 정도로 재현성이 뛰어나다.In addition, the heterogeneous copper catalyst has excellent catalytic activity and structural stability, and is excellent in reproducibility so that the catalyst once used can be washed and reused at least three times.

본 발명의 촉매 시스템은 불균일 구리 촉매와 더불어 보조제로서 TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl)를 함께 사용한다.The catalyst system of the present invention uses TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) together with a heterogeneous copper catalyst as an auxiliary agent.

상기 TEMPO는 방향족 1차 알코올 대비 5~10 mol%의 양으로 사용하는 것이 수율을 극대화하는 측면에서 바람직하다.The TEMPO is preferably used in an amount of 5 to 10 mol% based on the aromatic primary alcohol in view of maximizing the yield.

또한, 상기 불균일 구리 촉매 및 TEMPO와 함께, 유기 염기로서 1-메틸이미다졸(NMI)을 첨가할 경우, 방향족 1차 알코올에서 알데히드로의 전환과 관련된 반응성을 향상시킬 수 있다.In addition, when 1-methylimidazole (NMI) is added as an organic base together with the heterogeneous copper catalyst and TEMPO, the reactivity associated with the conversion of an aromatic primary alcohol to an aldehyde can be improved.

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.The first step and the second step reaction according to the present invention can proceed at atmospheric conditions as long as oxygen is supplied. However, it is more preferable to perform the reaction under the condition that only oxygen is supplied, in terms of increasing the yield of nitrile .

일 구체예에서, 본 발명의 산소(O2) 분위기는 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 조성될 수 있다.In one embodiment, the oxygen (O 2 ) atmosphere of the present invention may be formed using an O 2 balloon.

본 발명에서 반응용매로는 DMF(N,N-다이메틸포름아미드) 및 DMSO(다이메틸술폭시드)와 같은 극성 용매를 사용하는 것이 바람직하다.As the reaction solvent in the present invention, it is preferable to use a polar solvent such as DMF (N, N-dimethylformamide) and DMSO (dimethylsulfoxide).

구체적으로, 본 발명자들은 동일한 조건에서 반응용매로 DMF 또는 DMSO를 사용한 경우가 CH3CN를 사용한 경우보다 수율이 더 높게 나옴을 실험을 통해 확인하였다.Specifically, the present inventors have confirmed through experimentation that DMF or DMSO is used as a reaction solvent under the same conditions as in the case of using CH 3 CN.

본 발명에서, 제1단계 및 제2단계의 반응온도와 시간은 기질(내지 중간생성물)의 종류 등에 따라 적절히 조절될 수 있을 것이다. 다만 너무 높은 온도에서 반응을 진행할 경우 제2단계에서 알데히드가 직접 산화되어 벤조산 등 다량의 부산물이 생성될 수 있는바 주의를 요한다.In the present invention, the reaction temperature and time in the first step and the second step may be appropriately controlled depending on the type of substrate (or intermediate product) and the like. However, if the reaction is carried out at too high a temperature, the aldehyde may be directly oxidized in the second step, and a large amount of by-products such as benzoic acid may be produced.

일 구체예에서, 본 발명의 반응은 50~70℃(예컨대, 70℃)의 온도 조건으로, 제1단계는 6시간, 제2단계는 12시간 동안 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction of the present invention may be carried out at a temperature condition of 50 to 70 DEG C (e.g., 70 DEG C), for the first stage for 6 hours, and for the second stage for 12 hours.

본 발명의 원-포트(One-pot) 방식에 따를 경우, 기질 및 반응 조건에 따라 높은 수율(Yield)로 목적물질인 나이트릴을 수득할 수 있다.According to the one-pot method of the present invention, it is possible to obtain the target nitrile with high yield according to the substrate and reaction conditions.

일 구체예에서, 암모니아 소스로서 암모니아수를 2.4 당량(eq) 사용하고, 불균일 구리 촉매를 방향족 1차 알코올 대비 2.5 mol%의 양으로 사용하고, TEMPO를 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용하고, 1-메틸이미다졸(NMI)을 방향족 1차 알코올 대비 2.5 mol%의 양으로 사용하고, 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 산소(O2) 공급 조건을 형성하고, 용매로 DMF를 사용하여, 제1단계 반응을 70℃에서 6시간 동안, 제2단계 반응을 70℃에서 12시간 동안 진행한 경우,

Figure 112017014705403-pat00002
이 90% 이상에 이르는 매우 높은 총 수율(Yield)로 얻어졌다.In one embodiment, 2.4 equivalents (eq) of ammonia water is used as the ammonia source, the heterogeneous copper catalyst is used in an amount of 2.5 mol% relative to the aromatic primary alcohol, and TEMPO is used in an amount of 5 mol% relative to the aromatic primary alcohol Methylimidazole (NMI) was used in an amount of 2.5 mol% based on the aromatic primary alcohol, oxygen (O 2 ) supply conditions were formed using an O 2 balloon, and DMF When the first step reaction was conducted at 70 캜 for 6 hours and the second step reaction was conducted at 70 캜 for 12 hours,
Figure 112017014705403-pat00002
Was obtained with a very high total yield (Yield) of over 90%.

본 발명에 따르면, 불균일 구리 촉매(Cu@C) 및 TEMPO를 이용한 원-포트(One-pot) 방식을 통해, 출발물질인 알코올로부터 유기 합성 분야에서 활용도가 높은 나이트릴(Nitrile) 화합물을 고수율로 수득할 수 있다.According to the present invention, a nitrile compound having high utilization in the field of organic synthesis from alcohols as a starting material can be obtained through a one-pot process using a heterogeneous copper catalyst (Cu @ C) and TEMPO at a high yield . ≪ / RTI >

또한, 다양한 알코올 기질에 대해 선택적으로 상응하는 나이트릴을 얻을 수 있고, 보편적으로 높은 수율을 구현할 수 있어 그 활용범위가 넓다.In addition, the nitrile selectively corresponding to various alcohol substrates can be obtained, and a universal high yield can be realized, so that the application range is wide.

또한, 본 발명의 불균일 구리 촉매(Cu@C)는 암모니아 소스 존재 하에서도 MOF 구조를 유지할 수 있어 안정성이 뛰어나고, 반응 후에 씻어서 적어도 3번 재사용할 수 있을 정도로 재현성이 우수하다.In addition, the uneven copper catalyst (Cu @ C) of the present invention can maintain the MOF structure even in the presence of an ammonia source and is excellent in stability and excellent in reproducibility so that it can be washed and reused at least three times after the reaction.

또한, 본 발명은 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환과 관련된 최적의 반응 조건을 수립함으로써, 수율을 최대치로 끌어 올리고 반응효율을 극대화할 수 있다.In addition, the present invention can maximize yield and maximize reaction efficiency by establishing optimal reaction conditions associated with the aerobic oxidative conversion of aromatic primary alcohol to nitrile.

또한, 본 발명은 중간생성물 등을 단리 내지 정제할 필요 없이 원-포트(One-pot) 방식으로 나이트릴의 합성이 가능한바, 공정의 효율성 및 경제성이 뛰어나다.Further, since nitrile can be synthesized in a one-pot manner without isolating or purifying an intermediate product or the like, the process efficiency and economical efficiency are excellent.

또한, 독성이 있는 금속 시안화물을 사용하지 않고 할라이드 등의 부산물이 생성되지 않는바, 그린 케미스트리(Green chemistry) 정책에도 효과적으로 부응할 수 있다.In addition, since toxic metal cyanide is not used and by-products such as halide are not produced, it can effectively respond to the green chemistry policy.

도 1은 본 발명에 따른 불균일 구리 촉매를 이용한 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법과 관련된 반응 과정의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 불균일 구리 촉매의 리사이클링 테스트(Recycling test) 결과를 보여주는 도면이다. (* 반응 조건: 1h(5.0 mmol), aqueous NH3(2.4 equiv), Cu@C(2.5 mol%), TEMPO(5 mol%), DMF(5 mL))
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing an example of a reaction process related to the oxidation of alcohol to nitrile using an irregular copper catalyst according to the present invention. FIG.
2 is a view showing a result of a recycling test of a heterogeneous copper catalyst used in the present invention. (* Reaction conditions: 1h (5.0 mmol), aqueous NH 3 (2.4 equiv), Cu @ C (2.5 mol%), TEMPO (5 mol%), DMF (5 mL))

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.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. It should be understood, however, that these examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention in any way.

실시예Example

(1) 실험 조건(1) Experimental conditions

모든 화합물 및 용매는 다른 특별한 언급이 없는 한 상업적으로 입수한 그대로 사용하였다.All compounds and solvents were used as received commercially unless otherwise noted.

분석용 박층 크로마토그래피(TLC)는 프리코트 실리카 겔 60 F254 플레이트 상에서 수행하였다.Analytical thin layer chromatography (TLC) was performed on precoated silica gel 60 F254 plates.

TLC 가시화(Visualization)는 UV 광(254 nm)의 사용 및 인몰리브덴산 착색(Phosphomolybdic acid stain) 처리 후 가열을 통해 수행하였다.TLC visualization was performed using UV light (254 nm) and heating after phosphomolybdic acid stain treatment.

플래쉬 크로마토그래피(Flash chromatography)는 실리카 겔 60(Merck, 입자 크기 40~63 um, 230~400 mesh)을 사용해 수행하였다.Flash chromatography was performed using silica gel 60 (Merck, particle size 40-63 um, 230-400 mesh).

1H 및 13C NMR 스펙트럼은 Agilent 400 MHz NMR(Agilent Technologies, 400 MHz for 1H, 101 MHz for 13C) 분광계 상에 기록되었다. The 1 H and 13 C NMR spectra were recorded on an Agilent 400 MHz NMR (Agilent Technologies, 400 MHz for 1 H, 101 MHz for 13 C) spectrometer.

화학 시프트 값은 내부 TMS(0.00 ppm for 1H) 또는 CDCl3(77.06 ppm for 13C)에 대해 ppm 단위로 얻었다.Chemical shift values were obtained in ppm for internal TMS (0.00 ppm for 1 H) or CDCl 3 (77.06 ppm for 13 C).

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.The following abbreviations are appropriately used to describe the peak splitting pattern: br = broad, s = singlet, d = doublet, t = triplet, q = quartet, p = pentet, m = multiplet, dd = of doublet, dt = double of triplet, td = triple of doublet.

커플링 상수(J)는 헤르츠 단위(Hz)로 기록하였다.The coupling constant ( J ) was recorded in hertz units (Hz).

고해상도 질량 스펙트럼(High resolution mass spectra)은 EI법에 의해 한국기초과학지원연구원(대구)으로부터 확보하였다.High resolution mass spectra were obtained from Korea Basic Science Research Institute (Daegu) by EI method.

유도결합 플라즈마 원자방출 분광(ICP-AES)은 한국기초과학지원연구원(서울)에 의뢰하여 분석하였다.Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) was commissioned by Korea Basic Science Research Institute (Seoul).

(2) 불균일 구리 촉매(Cu@C) 제조(2) Production of heterogeneous copper catalyst (Cu @ C)

Cu(NO3)2·3H2O 0.9314g을 증류수에 녹이고 트리메스산(Trimesic acid) 0.4402g을 에탄올에 완전히 녹였다.0.9314 g of Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O was dissolved in distilled water and 0.4402 g of trimesic acid was completely dissolved in ethanol.

이어서, 각각의 솔루션을 Teflon 반응기에 넣고 밀봉한 후, 140℃의 오븐에서 24시간 동안 반응시켜 MOF(HKUST-1)를 합성하였다.Then, each solution was put in a Teflon reactor, sealed, and reacted in an oven at 140 ° C for 24 hours to synthesize MOF (HKUST-1).

상기 합성된 HKUST-1을 알루미나 보트에 약 500mg 넣고, 시료가 담긴 알루미나 보트를 튜브 퍼니스 내부로 옮긴 뒤, 튜브 퍼니스 내부를 진공 상태로 만들어 주었다.About 500 mg of the synthesized HKUST-1 was put into an alumina boat, and the alumina boat containing the sample was transferred to the inside of the tube furnace, and the inside of the tube furnace was evacuated.

이어서, Ar 가스를 1NL/min의 속도로 주입하여 흘려준 뒤, 5℃/min의 속도로 온도를 올려 Target 온도(800℃)까지 도달하게 한 후, 그 온도에서 6시간 동안 유지시킨 뒤, 자연냉각을 통해 온도를 다시 상온까지 떨어뜨렸다. (* 열분해 후 중량 = 약 187mg)Then, Ar gas was injected at a rate of 1 NL / min and flowed. Then, the temperature was raised at a rate of 5 캜 / min to reach a target temperature (800 캜), and then maintained at that temperature for 6 hours. The temperature was again lowered to room temperature through cooling. (* Weight after pyrolysis = about 187 mg)

(3) 방향족 1차 알코올에서 (3) aromatic primary alcohol 나이트릴로의Nightly Cu@C-촉매 유산소  Cu @ C-catalytic aerobic 산화적Oxidative 전환에 관한 최적화 절차 Optimization process for conversions

먼저, 제2단계에 해당하는 알데히드에서 나이트릴로의 Cu@C-촉매 유산소 산화적 전환에 관한 최적화 절차를 수행하였다(표 1).First, an optimization procedure for the Cu @ C-catalytic aerobic oxidation conversion of aldehydes to nitriles corresponding to the second step was performed (Table 1).

마그네틱 교반 막대가 구비된 15 mm 불꽃-건조 시험관(Flame-dried test tube)에 Cu@C(40 wt% Cu), TEMPO 및 NH4X(2.4 equiv, 2.4 mmol)를 채우고, 배기(소개)한 후 산소를 다시 채워 넣었다.A 15 mm flame-dried test tube equipped with a magnetic stir bar was filled with Cu @ C (40 wt% Cu), TEMPO and NH 4 X (2.4 equiv, 2.4 mmol) And then refilled with oxygen.

용매 0.5 mL를 가한 후, 4-메틸벤즈알데히드(1 mmol) 및 용매(0.5 mL)를 차례대로 첨가하였다.After 0.5 mL of the solvent was added, 4-methylbenzaldehyde (1 mmol) and a solvent (0.5 mL) were added in this order.

얻어진 반응 혼합물을 산소 풍선(O2 balloon) 하에서 70℃의 온도로 12시간 동안 교반한 후, 실온까지 냉각시켰다.The resulting reaction mixture was stirred at a temperature of 70 캜 for 12 hours under an oxygen balloon (O 2 balloon), and then cooled to room temperature.

결과물에 EtOAc 및 물을 가하여 희석하고, 실리카 플러그를 통해 여과하였으며, 실리카를 EtOAc로 수회 세척하였다.The resultant was diluted by adding EtOAc and water, filtered through a silica plug, and the silica was washed several times with EtOAc.

얻어진 용액에 EtOAc 및 물을 가하여 희석하였다.The resulting solution was diluted with EtOAc and water.

2개의 층이 분리되었고, 수성층을 EtOAc로 추출하였다.The two layers were separated and the aqueous layer was extracted with EtOAc.

결합된 유기층을 MgSO4 상에서 건조, 여과 및 진공농축하였다.The combined organic layer was concentrated to dryness, and vacuum filtered over MgSO 4.

내부 표준(1,1,2,2-tetrachloroethane)을 이용한 적분을 통해 목적물질의 1H NMR 수율을 결정하였다.The 1 H NMR yield of the target substance was determined through integration using an internal standard (1,1,2,2-tetrachloroethane).

다음으로, 위에서 확보된 최적화 조건을 제1단계에 해당하는 방향족 1차 알코올에서 알데히드로의 Cu@C-촉매 유산소 산화적 전환에 접목하여, 제1단계 및 제2단계를 아우르는 최적의 조건을 도출하고자 하였다(그림 1).Next, the optimization conditions obtained above are combined with the Cu @ C-catalytic aerobic oxidation conversion of the aromatic primary alcohol corresponding to the first step to the aldehyde, thereby deriving the optimum conditions for the first and second steps (Figure 1).

(4) Cu@C를 촉매로 이용한 방향족 1차 알코올에서 (4) An aromatic primary alcohol using Cu @ C as a catalyst 나이트릴로의Nightly 원-포트(One-pot) 유산소  One-pot aerobic 산화적Oxidative 전환 transform

마그네틱 교반 막대가 구비된 15 mm 불꽃-건조 시험관(Flame-dried test tube)에 Cu@C(2.5 mol%, 0.025 mmol), TEMPO(5 mol%, 0.05 mmol) 및 알코올(1 mmol; 고체의 경우)를 채우고, 배기(소개)한 후 산소를 다시 채워 넣었다.Cu (2.5 mol%, 0.025 mmol), TEMPO (5 mol%, 0.05 mmol) and alcohol (1 mmol; solid in a 15 mm flame-dried test tube equipped with a magnetic stir bar ), Exhausted (introduced), and then filled again with oxygen.

DMF 0.5 mL를 가한 후, NMI (5 mol%, 0.05 mmol), 알코올(1 mmol; 액체의 경우) 및 DMF(0.5 mL)를 차례대로 첨가하였다.After adding 0.5 mL of DMF, NMI (5 mol%, 0.05 mmol), alcohol (1 mmol; in the case of liquid) and DMF (0.5 mL) were added in this order.

얻어진 용액을 산소 풍선(O2 balloon) 하에서 70℃의 온도로 6시간 동안 교반한 후, NH3(aq)(2.4 equiv, 2.4 mmol)를 가하였다.The resulting solution was stirred at 70 째 C for 6 hours under an oxygen balloon (O 2 balloon) and NH 3 (aq) (2.4 equiv, 2.4 mmol) was added.

이어서, 반응 혼합물을 12시간 동안 교반한 후, 실온까지 냉각시켰다.The reaction mixture was then stirred for 12 hours and then allowed to cool to room temperature.

결과물에 EtOAc를 가하여 희석하고, 실리카 플러그를 통해 여과하였으며, 실리카 플러그를 EtOAc로 수회 세척하였다.The resultant was diluted with EtOAc, filtered through a silica plug, and the silica plug was washed several times with EtOAc.

얻어진 용액에 EtOAc 및 물을 가하여 희석하였다.The resulting solution was diluted with EtOAc and water.

2개의 층이 분리되었고, 수성층을 EtOAc로 추출하였다.The two layers were separated and the aqueous layer was extracted with EtOAc.

결합된 유기층을 MgSO4 상에서 건조 및 여과하고, 진공 하에서 농축시켰다.Drying and filtration the combined organic layers over MgSO 4, and concentrated in vacuo.

내부 표준(1,1,2,2-tetrachloroethane)을 이용한 적분을 통해 목적물질의 1H NMR 수율을 결정하였다.The 1 H NMR yield of the target substance was determined through integration using an internal standard (1,1,2,2-tetrachloroethane).

(5) 다양한 (5) Various 나이트릴Nightly 생성물에 대한 NMR 데이터 NMR data for the product

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Figure 112017014705403-pat00004
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Figure 112017014705403-pat00006
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Figure 112017014705403-pat00007
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실험예Experimental Example

(1) 촉매 활성 조사 및 최적 조건 탐색(1) Investigation of catalyst activity and search for optimum conditions

먼저, 제2단계의 최적 조건과 관련하여, 4-메틸벤즈알데히드(1a)에서 4-메틸벤조나이트릴(2a)로의 유산소 산화적 전환에 대한 불균일 촉매 Cu@C의 촉매 활성을 TEMPO 존재 하에서 조사하였다(표 1).First, with respect to the optimum conditions of the second step, the catalytic activity of the heterogeneous catalyst Cu @ C on the aerobic oxidative conversion of 4-methylbenzaldehyde (1a) to 4-methylbenzonitrile (2a) was investigated in the presence of TEMPO (Table 1).

예상한 바와 같이, Cu@C/TEMPO 시스템은 70℃ 산소 분위기 하 CH3CN 용매에서 1a와 암모니아의 유산소 산화적 전환을 촉매하여 2a를 생성할 수 있었고, NH3(aq)는 적절한 암모니아 소스로 입증되었다(Entries 1-4).As expected, the Cu @ C / TEMPO system was able to catalyze the aerobic oxidative conversion of 1a and ammonia in a CH 3 CN solvent at 70 ° C oxygen atmosphere to produce 2a, and NH 3 (aq) Proved (Entries 1-4).

또한, DMF 및 DMSO와 같은 극성 용매에서의 반응이 CH3CN의 경우보다 더 높은 수율을 나타내었다(Entries 4-6).In addition, reactions in polar solvents such as DMF and DMSO showed higher yields than in CH 3 CN (Entries 4-6).

한편, 반응온도의 감소를 시도하였으나, 반응온도가 낮아짐에 따라 수율은 감소하였다(Entries 6-8).On the other hand, attempts were made to reduce the reaction temperature, but the yield decreased as the reaction temperature decreased (Entries 6-8).

또한, 2.4 당량의 NH3(aq)를 사용한 경우, 2.5 mol%의 Cu@C 및 5 mol%의 TEMPO를 사용하였음에도 상당히 높은 수율을 나타내었다(Entries 9-10).In addition, when 2.4 equivalents of NH 3 (aq) was used, the yield was fairly high even though 2.5 mol% Cu @ C and 5 mol% TEMPO were used (Entries 9-10).

대조 실험 결과, 본 발명의 변환에 있어 Cu@C 및 TEMPO가 필수적인 것으로 밝혀졌으며(Entries 11-12), 대기 조건 하에서는 유산소 산화적 변환이 상대적으로 부진하였다(Entry 13).Control experiments have shown that Cu @ C and TEMPO are essential for the transformation of the present invention (Entries 11-12), and aerobic oxidative conversion is relatively poor under atmospheric conditions (Entry 13).

[표 1] Cu@C-촉매를 이용한 알데히드에서 나이트릴로의 유산소 산화적 합성 조건의 최적화 결과[Table 1] Optimization of aerobic oxidative synthesis conditions of aldehyde to nitrile using Cu @ C catalyst

Figure 112017014705403-pat00010
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다음으로, 위에서 확보된 최적화 조건을 적용하여 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 Cu@C-촉매 유산소 산화적 전환을 테스트하였다.Next, the Cu @ C-catalyzed aerobic oxidative conversion of aromatic primary alcohol to nitrile was tested by applying the optimization conditions established above.

상기 확보된 최적화 조건에서, Cu@C/TEMPO 촉매 시스템을 이용하여 4-메틸벤질알코올(3a)을 4-메틸벤조나이트릴(2a)로 유산소 산화적 전환한 결과, 4-메틸벤즈알데히드(1a)와 4-메틸벤조나이트릴(2a)이 각각 68% 및 14%의 수율로 생성되었다.Methylbenzenal alcohol (3a) was oxidatively oxidized with 4-methylbenzonitrile (2a) using the Cu @ C / TEMPO catalyst system under the above-obtained optimum conditions. As a result, 4-methylbenzaldehyde (1a) And 4-methylbenzonitrile (2a) were produced in yields of 68% and 14%, respectively.

한편, 유기 염기로서 NMI를 사용하여 동일한 반응을 진행한 경우, 4-메틸벤조나이트릴(2a)의 수율이 16%로 증가되었는바, 이는 NMI의 존재에 의해 방향족 1차 알코올 → 알데히드로의 전환과 관련된 반응성이 향상되었기 때문이다.On the other hand, when the same reaction was carried out using NMI as an organic base, the yield of 4-methylbenzonitrile (2a) was increased to 16%, which was confirmed by the conversion of aromatic primary alcohol to aldehyde And the reactivity associated with the < RTI ID = 0.0 >

[그림 1] Cu@C/TEMPO 촉매 시스템을 이용한 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환(예비 테스트)Figure 1: Aerobic oxidative conversion of alcohol to nitrile using Cu @ C / TEMPO catalyst system (preliminary test)

Figure 112017014705403-pat00011
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그러나, NMI를 첨가한 경우에도 여전히 상당량의 미반응 알코올이 회수되었다.However, even when NMI was added, a considerable amount of unreacted alcohol was still recovered.

이러한 결과는 암모니아수의 존재에 의해 방향족 1차 알코올 → 알데히드로의 전환이 제한됨을 의미한다.These results indicate that the conversion of aromatic primary alcohol to aldehyde is limited by the presence of ammonia water.

암모니아수의 존재에 의해 알데히드 생성이 저하되는 것을 방지하기 위해, 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식을 시도하였다.One-pot sequential reaction method was tried to prevent the generation of aldehyde by the presence of ammonia water.

DMF 내에 Cu@C, TEMPO 및 NMI가 존재하는 상태로 산소 조건 하에서 6시간 동안 반응시켜 3a를 일단 산화시키고, 그 다음 비로소 암모니아수를 첨가하고 12시간 동안 교반하였다.In the presence of Cu @ C, TEMPO and NMI in DMF, the reaction was carried out under oxygen conditions for 6 hours to oxidize 3a once, then add ammonia water and stir for 12 hours.

이러한 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식은 성공적이었으며, 2a의 수율은 무려 99%에 달하였다.This one-pot sequential reaction method was successful, and the yield of 2a was as high as 99%.

요컨대, 본 발명에서 제1단계 및 제2단계를 아우르는 최적의 조건은,In short, in the present invention, the optimum conditions for the first step and the second step,

반응 방식: 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction)Reaction Scheme: One-pot sequential reaction

암모니아 소스: 암모니아수(제2단계에서만 첨가)(예컨대, 2.4 당량)Ammonia source: Ammonia water (added only in the second stage) (e.g. 2.4 equivalents)

Cu@C: 2.5 mol%Cu @ C: 2.5 mol%

TEMPO: 5 mol%TEMPO: 5 mol%

NMI: 2.5 mol%NMI: 2.5 mol%

산소(O2) 공급 조건: 예컨대, 산소 풍선(O2 balloon) 이용Oxygen (O 2 ) Feeding conditions: for example, using an O 2 balloon

용매: DMFSolvent: DMF

제1단계의 반응온도 및 시간: 70℃, 6시간Reaction temperature and time in the first step: 70 ° C, 6 hours

제2단계의 반응온도 및 시간: 70℃, 12시간Reaction temperature and time in the second step: 70 ° C, 12 hours

으로 예시될 수 있다(도 1).(Fig. 1).

(2) Cu@C를 촉매로 이용한 다양한 방향족 1차 알코올에서 (2) Various aromatic primary alcohols using Cu @ C as a catalyst 나이트릴로의Nightly 원-포트(One-pot) 유산소 산화적 전환 실험 One-pot Oxidative Oxidation Conversion Experiment

도출된 최적화된 조건에서, 다양한 방향족 1차 알코올들이 나이트릴로 전환될 수 있었으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.At the derived optimized conditions, various aromatic primary alcohols could be converted to nitriles and the results are shown in Table 2 below.

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.As shown in the following Table 2, the one-pot oxygen-oxidative conversion method of the present invention successfully oxidizes each step to produce a corresponding nitrite with a high overall yield for various substrates .

구체적으로, 다양한 벤질알코올, 예컨대 4-메틸 또는 4-메톡시 벤질알코올이 산화적 전환되어 상응하는 나이트릴을 높은 수율로 수득할 수 있었다(2a, 2d). 커플링 반응에 사용 가능한 할라이드 치환기를 지닌 경우도 매우 높은 수율로 상응하는 나이트릴이 얻어졌다(2g). 다고리(다환) 기질도 상응하는 나이트릴로 매우 효율적으로 변환되었다(2k, 2n). Specifically, various benzyl alcohols such as 4-methyl or 4-methoxybenzyl alcohol can be oxidatively converted to give the corresponding nitrile in high yield (2a, 2d). The corresponding nitrile was obtained in very high yield (2 g) even with a possible halide substituent for the coupling reaction. The multi-ring substrate was also highly efficiently converted to the corresponding nitrile (2k, 2n).

[표 2] 최적화된 조건에서 기질별 나이트릴의 수율 결과[Table 2] Yield yield of nitrile by substrate under optimized conditions

Figure 112017014705403-pat00012
Figure 112017014705403-pat00012

(3) 촉매의 재사용성 테스트(3) Reusability test of catalyst

Cu@C의 재사용성(Reusability)을 테스트하기 위해, 20 mg의 Cu@C 존재 하에서 5 mmol 스케일로 4-클로로 벤질알코올에 대해 반응을 진행하였다.To test the reusability of Cu @ C, the reaction was carried out on 4-chlorobenzyl alcohol in the presence of 20 mg of Cu @ C on a 5 mmol scale.

각 실험 후에, 원심분리법에 의해 분리된 촉매를 에틸아세테이트로 세척하고 건조시켰다.After each run, the catalyst separated by centrifugation was washed with ethyl acetate and dried.

이어서, 수집된 촉매를 하소(Calcination)하지 않고 사용하였다.The collected catalyst was then used without calcination.

각 실험에서 약 83%의 촉매가 회수되었으며, 유의적인 활성 감소 없이 적어도 3번 재사용할 수 있었다(도 2).Approximately 83% of the catalysts were recovered in each experiment and could be reused at least three times without significant loss of activity (FIG. 2).

4번째 실험의 경우는 생성물의 수율이 다소 감소하였는바, 이는 분리 과정에서 Cu@C가 일부 소실되었기 때문으로 여겨진다.In the fourth experiment, the yield of the product was slightly reduced, which is considered to be due to the partial disappearance of Cu @ C in the separation process.

유도결합 플라즈마 원자방출 분광(ICP-AES) 분석 결과, 여과액에 35.4 ppm의 구리가 존재하는 것으로 확인되었는바, 이는 Cu@C 촉매의 전체 Cu 함량(중량) 중 단지 3.3%만이 반응 혼합물로 침출되었음을 의미한다.Analysis of ICP-AES showed that 35.4 ppm copper was present in the filtrate, indicating that only 3.3% of the total Cu content (wt.) Of the Cu @ C catalyst was leached into the reaction mixture .

(4) 생물학적 활성 화합물 합성에의 적용가능성 조사(4) Possibility of application to the synthesis of biologically active compounds

본 발명의 불균일 구리 촉매를 생물학적 활성 화합물의 합성에 적용해 보았다(그림 2).The heterogeneous copper catalyst of the present invention was applied to the synthesis of biologically active compounds (Figure 2).

PDE-3 억제제로 사용될 수 있는 것으로 알려진 5-(1-(3-Fluorophenyl)-1H-pyrazol-4-yl)-2H-tetrazole(LQFM 021)의 합성을 위해서는, 1-(3-fluorophenyl)-1H-pyrazole-4-carbonitrile)(2t)가 핵심 중간체로서 요구된다.For the synthesis of 5- (1- (3-Fluorophenyl) -1H-pyrazol-4-yl) -2H-tetrazole (LQFM 021) known to be used as a PDE- 1H-pyrazole-4-carbonitrile) (2t) is required as a core intermediate.

기 보고된 2t 합성법은 NH2OH 및 NaI를 이용한 알데히드 1t의 탈수에 의존한다.The reported 2t synthesis method relies on dehydration of 1t of aldehyde using NH 2 OH and NaI.

"D. R. Martins, F. Pazini, V. de Medeiros Alves, S. Santana de Moura, L. M. Liao, M. T. Quezado de Magalhaes, M. C. Valadares, C. H. Andrade, R. Menegatti, M. L. Rocha, Chem . Pharm . Bull. 2013, 61, 524-531."에 기술된 바에 따라 화합물 1t를 합성한 후, 본 발명에 따른 프로토콜을 1t에 적용한 결과, 유산소 산화적 변환이 원활하게 일어나 2t의 수율이 99%에 달하였다."DR Martins, F. Pazini, V. de Medeiros Alves, S. Santana de Moura, LM Liao, MT Quezado de Magalhaes, MC Valadares, CH Andrade, R. Menegatti, ML Rocha, Chem. Pharm. Bull. 2013, 61 , 524-531. "As a result of applying the protocol according to the present invention to 1 t, the oxidation-to-oxygen conversion was smoothly carried out, and the yield of 2t reached 99%.

[그림 2] Cu@C/TEMPO 시스템의 생물학적 활성 화합물 합성에 대한 적용예[Figure 2] Application of Cu @ C / TEMPO system for the synthesis of biologically active compounds

Figure 112017014705403-pat00013
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결과 검토Review results

본 발명은 HKUST-1의 열분해에 의해 생성된 불균일 구리 촉매(Cu@C)를 이용하여 원-포트(One-pot) 방식을 통해 벤질알코올을 벤조나이트릴로 원활하게 유산소 산화적 전환할 수 있었다.The present invention can smoothly perform aerobic oxidation conversion of benzyl alcohol to benzonitrile through a one-pot method using a heterogeneous copper catalyst (Cu @ C) produced by pyrolysis of HKUST-1.

Cu@C/TEMPO 시스템에 의해, 다양한 벤질알코올로부터 생성된 벤즈알데히드가 암모니아 소스와 축합된 후 이어지는 유산소 산화를 거쳐 상응하는 벤조나이트릴로 변환되었다.By the Cu @ C / TEMPO system, the benzaldehyde formed from various benzyl alcohols was condensed with the ammonia source and then converted to the corresponding benzonitrile via subsequent aerobic oxidation.

또한, 본 발명에 따른 불균일 촉매는 적어도 3번 재사용할 수 있었다.In addition, the heterogeneous catalyst according to the present invention can be reused at least three times.

Claims (16)

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 불균일 구리 촉매(Heterogeneous copper catalyst), TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) 및 유기 염기로서 1-메틸이미다졸(NMI)를 사용하여, 산소(O2)가 공급되는 조건으로 용매 중에서 수행되고,
상기 불균일 구리 촉매는 HKUST-1(카퍼 벤젠-1,3,5-트리카르복실레이트; Cu3(BTC)2)이 열분해(Pyrolysis)된 것으로, 탄소 지지체에 구리가 담지된 형태(Cu@C)의 촉매이며,
상기 촉매는 반응 후 원심분리법에 의해 수집하여 하소(calcination)하지 않고 재사용이 가능하며, 3회까지 재사용하여도 생성물의 수율이 동일한 것을 특징으로 하고,
상기 제1단계 및 제2단계는 원-포트 연속 반응(One-pot sequential reaction) 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
A method for producing nitrile using an aromatic primary alcohol as a starting material,
A first step of converting an aromatic primary alcohol into an aromatic aldehyde by aerobic oxidation; And
And a second step of converting an aromatic aldehyde to a nitrile by adding an ammonia source as a reactant to the same reaction vessel in which an aromatic aldehyde is formed,
The first and second steps are performed using a heterogeneous copper catalyst, TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) and 1-methylimidazole (NMI) as an organic base, Is performed in a solvent under the condition that oxygen (O 2 ) is supplied,
The heterogeneous copper catalyst is a pyrolysis of HKUST-1 (copper benzene-1,3,5-tricarboxylate; Cu 3 (BTC) 2 ) ) ≪ / RTI >
The catalyst is collected by centrifugation after the reaction and can be reused without calcination. The catalyst is characterized in that the yield of the product is the same even if it is reused up to three times,
Wherein the first step and the second step are performed by a one-pot sequential reaction method.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 방향족 1차 알코올은 벤질알코올(Benzyl alcohol)인 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the aromatic primary alcohol is benzyl alcohol.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 방향족 1차 알코올은 하기 구조식으로 표시되는 화합물 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법:
Figure 112017014705403-pat00014
.
The method according to claim 1,
Wherein the aromatic primary alcohol is selected from the group of compounds represented by the following structural formulas:
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalyst:
Figure 112017014705403-pat00014
.
제1항에 있어서,
상기 암모니아 소스는 암모니아수(Aqueous ammonia)인 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the ammonia source is aqueous ammonia.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제4항에 있어서,
상기 암모니아수는 1.2~4.8 당량(eq) 사용되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
5. The method of claim 4,
Characterized in that the ammonia water is used in an amount of 1.2 to 4.8 eq.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 불균일 구리 촉매는,
구리(Cu)가 결합된 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework; MOF)로서 HKUST-1(카퍼 벤젠-1,3,5-트리카르복실레이트; Cu3(BTC)2)을 준비하고,
상기 HKUST-1을 800~1000℃의 고온으로 6~10시간 동안 열분해하여,
탄소(C) 지지체에 구리(Cu)가 담지된 형태의 메조포러스(Mesoporous) 구조를 형성함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
The heterogeneous copper catalyst may be,
HKUST-1 (copper-benzene-1,3,5-tricarboxylate; Cu 3 (BTC) 2 ) was prepared as a metal-organic framework (MOF)
The HKUST-1 is pyrolyzed at a high temperature of 800 to 1000 ° C. for 6 to 10 hours,
Characterized in that it is produced by forming a mesoporous structure in the form of supporting copper (Cu) on a carbon (C) support.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 불균일 구리 촉매는 방향족 1차 알코올 대비 2.5~5 mol%의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Wherein the heterogeneous copper catalyst is used in an amount of 2.5 to 5 mol% based on the aromatic primary alcohol.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 TEMPO는 방향족 1차 알코올 대비 5~10 mol%의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Wherein the TEMPO is used in an amount of 5 to 10 mol% based on the aromatic primary alcohol.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 산소(O2)가 공급되는 조건은 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 형성되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the condition under which the oxygen (O 2 ) is supplied is formed by using an oxygen balloon (O 2 balloon)
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 용매는 DMF(N,N-다이메틸포름아미드) 또는 DMSO(다이메틸술폭시드)인 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent is DMF (N, N-dimethylformamide) or DMSO (dimethylsulfoxide).
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제1항에 있어서,
50~70℃에서 반응을 진행하는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction is carried out at 50 to 70 占 폚.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
삭제delete 제13항에 있어서,
상기 암모니아 소스는 암모니아수로서 2.4 당량(eq) 사용되고,
상기 불균일 구리 촉매는 방향족 1차 알코올 대비 2.5 mol%의 양으로 사용되고,
상기 TEMPO는 방향족 1차 알코올 대비 5 mol%의 양으로 사용되고,
상기 1-메틸이미다졸(NMI)은 방향족 1차 알코올 대비 2.5 mol%의 양으로 사용되고,
상기 산소(O2)가 공급되는 조건은 산소 풍선(O2 balloon)을 이용해 형성되고,
상기 용매는 DMF이고,
상기 제1단계는 70℃에서 6시간 동안, 제2단계는 70℃에서 12시간 동안 반응이 진행되는 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법.
14. The method of claim 13,
The ammonia source is used in an amount of 2.4 eq as ammonia water,
The heterogeneous copper catalyst is used in an amount of 2.5 mol% based on the aromatic primary alcohol,
The TEMPO is used in an amount of 5 mol% based on the aromatic primary alcohol,
The 1-methylimidazole (NMI) is used in an amount of 2.5 mol% based on the aromatic primary alcohol,
The conditions under which the oxygen (O 2 ) is supplied are formed using an O 2 balloon,
The solvent is DMF,
Wherein the reaction is carried out at 70 DEG C for 6 hours and at 70 DEG C for 12 hours.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalysts.
제14항에 있어서,
상기 나이트릴은 하기 구조식으로 표시되는 화합물 그룹 중에서 선택되는 것이고,
반응수율(Yield)이 90% 이상인 것을 특징으로 하는,
불균일 구리 촉매를 이용한 방향족 1차 알코올에서 나이트릴로의 유산소 산화적 전환법:
Figure 112017014705403-pat00015
.
15. The method of claim 14,
The nitrile is selected from the group of compounds represented by the following structural formulas,
Wherein the reaction yield is 90% or more.
Oxidative Oxidation of Aromatic Primary Alcohols to Nitrile Using Uniform Copper Catalyst:
Figure 112017014705403-pat00015
.
삭제delete
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