KR101914333B1 - 색상의 개선을 위한 이소헥시드 생성물의 수소화 - Google Patents

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Abstract

산 촉매를 이용하여 하나 이상의 헥시톨을 탈수시켜, 하나 이상의 이소헥시드를 포함하는 조 탈수 생성물 혼합물(crude dehydration product mixture)을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 추가로 가공하여, 이소헥시드들 중 적어도 하나의 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 하나 이상의 유분(fraction)을 분리해내는 단계; 및 수소화 촉매의 존재 하에서 수소 공급원과의 반응에 의해, a) 조 탈수 생성물 혼합물, b) 조 탈수 생성물 혼합물의 중화 후, 중화된 조 탈수 생성물 혼합물; c) 중화 단계 후 그리고 상기 조 탈수 생성물 혼합물로부터 이온 화학종을 제거하기 위한 추가 단계 후의 생성물 혼합물; d) 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 유분; 및 e) 더 낮은 순도 또는 농도의 유분 중 적어도 하나를 수소화하는 단계;를 포함하는, 이소헥시드의 제조 방법이 기재된다. 수소화는 이러한 물질, 특히 최종 이소헥시드 생성물의 색상 및/또는 색상 안정성을 개선한다.

Description

색상의 개선을 위한 이소헥시드 생성물의 수소화{HYDROGENATION OF ISOHEXIDE PRODUCTS FOR IMPROVED COLOR}
본 발명은 일반적으로 당 알코올의 내부 탈수 생성물을 만들기 위한 방법 및 하나 이상의 이와 같은 물질을 포함하는 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 색상이 감소된 것으로서 기재될 수 있는 이러한 물질을 포함하는 조성물, 및 이와 같은 색상이 감소된 조성물을 만들기 위한 방법에 관한 것이다.
육탄소 당으로부터 유래된 당 알코올(다르게는 헥시톨로 알려짐), 예컨대 이를 테면 소르비톨, 만니톨, 이디톨 및 갈락티톨은 오랫동안 알려져 왔다. 특히 최근에는, 다수의 상업적으로 중요한 응용에서 석유-기반 물질을 대신하기 위하여 이와 같은 물질의 내부 탈수 생성물의 사용이 가능하다는 것에 상당한 관심을 보여왔다. 디안하이드로헥시톨, 예컨대 이소소르비드, 이소만니드 및 이소이디드는, 상응하는 헥시톨의 원래의 내부 구조로부터 2 개의 물 분자를 산-촉매에 의해 제거함으로써 만들어진 바와 같은 것으로, 이들은, 예를 들어 테레프탈산과 같은 석유-기반 단량체를 대신하여 사용되어 왔거나 또는 그러한 용도에 제안되어 왔지만, 특히 이소소르비드의 경우에는, 실질적인 수의 부가적인 용도로 사용되어 왔거나, 사용 중이거나 또는 용도가 개발될 것으로 예상되고 있다.
그러나, US 제7,122,661호 및 US 제8,008,477호에서 관련된 바와 같이, 지금까지는 일반적으로 이들 용도의 대부분에 대해서 탈수 단계로부터 직접 생성되는 조성물에 대해 정제 처리를 적용할 것이 요구되어 왔는데, 그 이유는 이러한 조성물은 통상적으로 이소소르비드, 이소만니드 및 이소이디드의 입체이성체들 각각뿐만 아니라 덜 탈수된 물질, 예컨대 소르비탄, 만니탄 및 이디탄, 다양한 산화 또는 분해 생성물, 올리고머 및 중합체 부산물 및 다양한 기타 다른 "명확하게 정의되지 않은 성질의 고도로 착색된 화학종(highly coloured species of a poorly defined nature)"을 함유할 것이기 때문이며, 이는 예를 들어 US 제8,008,477호의 제2 컬럼, 35 행을 참조한다.
상기 언급된 US 제7,122,661호 및 US 제8,008, 477호에 요약된 바와 같이, 다양한 이유로, 더 높은 순도로 내부 탈수 생성물을 얻기 위한(특히 디안하이드로헥시톨, 특히나 이소소르비드를 얻기 위한) 다수의 접근이 이전에 제시되어 왔다. 이들 접근 중 일부는 디안하이드로헥시톨이 만들어지는 탈수 공정에 대한 변화를 통해 순도의 개선을 도모하였으며, 반면 기타 다른 접근들은 디안하이드로헥시톨 조성물이 형성된 후에 정제하는 형태를 포함하였다.
예를 들어, GB 제613,444호는 물/자일렌 매체 중에서 수행되는 탈수를 통한 후 증류 및 알코올/에테르 혼합물로부터의 재결정화에 의한 이소소르비드 조성물의 생성을 기재한다.
WO 제00/14081호는 증류 및 저급 지방족 알코올로부터의 재결정화, 또는 붕수소화나트륨의 존재 하에서 그리고 불활성 분위기 내에서의 증류 단독을 기재한다.
US 제4,408,061호는 가스상 할로겐화수소 또는 액체 불화수소 탈수 촉매를 카르복실산 공촉매와 함께 사용한 후, 이렇게 얻어진 조(crude) 이소소르비드 또는 이소만니드 조성물의 증류를 행한다.
US 제4,564,692호는 "이온 교환체(ion exchanger) 및/또는 활성탄"에 대한 사전정제를 행하고, 이어서 증발에 의한 농축 및 원하는 이소헥시드의 결정의 시딩(seeding) 후, 물로부터 결정화를 행하는 것을 간략하게 언급한다.
상기 참고문헌에서와 같은 방법들의 직접 생성물을 세정하기 위해 종래의 산-촉매 탈수 방법을 변형시키거나 또는 상이한, 종종 고가인 기법을 사용하기보다는, 오히려 수소의 존재 하에서 특정의 2금속(bimetallic) 촉매에 의해 디안하이드로헥시톨을 생성하는 것이 또한 제안되어 왔다. 예를 들어, EP 제380,402호는 압력 하에서, 그리고 구리와 귀금속 또는 금의 조합을 기재로 한 특정 촉매의 존재 하에서 당 알코올을 수소와 반응시킴으로써 디안하이드로헥시톨을 합성하는 것을 기재한다.
그러나, US 제6,013,812호에는 이들 촉매가 활성을 상당히 급속히 손상시키는 경향이 있었던 것으로 관찰되어 있으며, 산-안정성 Ru, Rh, Pd 및/또는 Pt계 수소화 촉매 및 수소가 탈수 단계 동안 사용되는 종래의 산-촉매 탈수에 대한 개선이 제안되어 있다. 탈수 생성물은 제2 컬럼, 28 행에 "1 중량% 미만의 중합체"를 함유하는 것으로 되어 있다.
US 제7,122,661호는 그의 일부분에서, 이온-교환 단계에 이어지는 탈색 처리 단계의 사용을 통해, 용매 매체로부터의 비교적 고가이고 낮은 수율의 결정화 단계를 반드시 포함시킬 필요 없이, 99.5% 이상의 순도 및 저장시에 개선된 색상 및 색상 저장 안정성을 갖는 이소헥시드 조성물을 얻기 위한 방법을 기재한다. 보다 구체적으로는, 증류된 이소헥시드 조성물이, 적어도 하나의 이온-교환 수단(이는 음이온성 수지(들)와 양이온성 수지(들)의 혼합상(mixed bed) 또는 연속된 양이온성 수지(들) 및 음이온성 수지(들)일 수 있음)에 의한 처리 후 적어도 하나의 "탈색 수단"에 의한 처리를 거치는 것으로서 기재되어 있다. 탈색 수단은 과립 또는 분체 형태의 활성탄일 수 있다. 특정 구현예에서, 탈색 수단에 의한 제2 처리가 이온-교환 처리 단계 전에 고려된다. 개선된 안정성의 이소소르비드 조성물이 동일한 단계들(이온-교환 처리 후 탈색 수단 처리)을 통해, 이 방법에 의해 생성되는 것으로 되어 있었으며, 놀랍게도 역순으로 수행될 때 탈안정화 효과(destabilizing effect)를 가져오는 것으로 되어 있었다.
'661호 특허와 동일한 소유인에게 양도되고 '661호 특허의 발명자들 중 한 명을 유일하게 지명된 발명자로서 갖는 US 제8,008,477호는 색상 안정적인 이소소르비드 조성물을 제조하기 위한 대안적인 방법을 기재한다. '477호 특허에 따르면, 이소헥시드 조성물의 안정성은 그의 순도와 반드시 상관된 것은 아니며, 탈수 단계에서 또는 마찬가지로 증류 단계에서의 불활성 분위기에서의 그리고/또는 붕수소화나트륨의 존재 하에서의 제조는 이들 조성물의 안정성을 실질적으로 개선하지 않았다(제3 컬럼, 58 행 내지 67 행). 오히려, "단지" 증류 단계 후에 비가스상 형태의 특정 안정화제를 사용하는 것만으로 상온 및 온화한 온도에서 이소헥시드 조성물의 저장 안정성을 개선하는 데 도움이 되었다(제4 컬럼, 1 행 내지 14 행). 적합한 "안정화제"는 환원제, 산화방지제, 산소 포착제, 광 안정화제, 항산제(anti-acid agent), 금속-불활성화제 및 이와 같은 물질들 중 적어도 임의의 2 개의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된다(제4 컬럼, 48 행 내지 53 행). 특정 구현예에서, 증류 후에 선택적인 추가의 "정제 단계"를 교시하였는데, 일 예는 앞선 '661호 특허에 기재된 유형의 이온 교환 및 탈색 수단 둘 모두의 사용이었다.
JP 제2006/316025호는 그의 앞부분에서, 이소소르비드의 에이징된(aged) 샘플에서의 열화/분해 생성물의 형성이 1,4-소르비탄 모노안하이드로헥시톨 부산물의 자동산화, 및 이소소르비드를 만들기 위한 소르비톨의 탈수로부터의 용매(예컨대, 물, 및 자일렌 및 톨루엔과 같은 유기 용매)가 관여하는 특정되지 않은 "부반응"과 관련되었음을 기술하였다. JP '025호 참고문헌은 점진적으로 증가하는 온도에서의 용매의 부재 하에서의 조 이소소르비드의 다회의 증류 및/또는 적어도 하나의 이와 같은 무용매 증류 후에 이어지는 이소소르비드 생성물의 1,4-소르비탄 함량을 감소시키기 위한 이소소르비드의 열 처리를 기재하는데, 이때 각각의 경우에 이온 교환 수지 및 탄소 흡착에 의해 처리함으로써 이소소르비드 생성물을 표백하는 것이 포함되었다.
이와 같이 JP '025호 참고문헌은 분해 및 색상 형성이 1,4-소르비탄 모노안하이드로헥시톨 부산물로부터 진행될 수 있음을 인식하지만, JP '025호 참고문헌 또는 '477호 특허 어느 것도 분해 경로가 본 발명자들이 알아낸 것처럼 광범위하거나 또는 상응하는 분해 생성물 및 불안정적인 중간체 화학종이 하기 상술되는 바와 같이 본 발명자들이 발견한 것처럼 많다는 것을 인식한 것으로 보이지 않는다. 놀랄 것 없이, 본 발명자들은 '477호 특허 및 JP '025호 참고문헌에 의해 취해진 접근 및 이들에 의해 제안된 교정 조치가 그에 상응하여 불완전하거나 또는 심지어는 역효과를 가져온다는 것을 알아내었다.
하기는 본 발명의 양태들 중 일부에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명을 간략하게 한 요약을 제시한다. 이 요약은 본 발명에 대한 광범위한 개관이 아니며, 본 발명의 핵심 또는 결정적인 요소들을 확인하고자 하는 것도 아니고 그의 범주를 기술하고자 하는 것도 아니다. 이 요약의 유일한 목적은 나중에 제시되는 더 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시하는 것이다.
이 점을 고려하여, 일 양태에서 본 발명은 하나 이상의 헥시톨의 산-촉매 탈수와 독립적으로 그리고 이 단계 후에 수소화 촉매 및 수소를 사용하여 탈수 단계로부터의 생성물의 전체 또는 일부분의 색상을 개선하는 것에 관한 것이다. US 제6,013,812호에서 고찰된 바와 같이 탈수와 동시라기보다는 오히려 그와 독립적으로 수소화를 수행하는 것이 다수의 이점을 제공하는데, 이는 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같을 것이다. 예를 들어, 상이한 촉매 및 상이한 조건이 사용될 수 있고, 촉매 및 수소 요건과 관련하여 전체 생산성이 개선될 수 있으며, 생성물의 특정 부분들이 고급 응용을 위해 더 큰 정도로 "처리"될 수 있다는 등이다.
일 구현예에서, 수소화는 탈수 단계로부터 전체로서의 조 탈수 생성물 혼합물(crude dehydration product mixture)에 대해 수행된다. 이러한 "전체 탈수 생성물" 구현예의 일 변형에서, 저가의 광산(mineral acid)이 산-촉매 탈수에 사용되고, 전체 탈수 생성물이 염기의 첨가를 통해 중화되며, 염을 함유하는 중화된 탈수 생성물이 제1 압력에서 수소화를 거친다. 또 다른 변형에서, 중화된 탈수 생성물을 수소화 단계 전에 상기 생성물로부터 이온 화학종을 제거하도록 가공하고, 수소화를 제2의 더 낮은 압력에서 수행한다. 또 다른 변형에서, 전체 탈수 생성물이, 먼저 중화 단계를 필요로 하지 않고서, 수소화 및 후속 정제를 거칠 수 있도록 하는 산 촉매가 선택된다.
또 다른 구현예에서, 탈수 단계로부터의 조 탈수 생성물 혼합물은, 예를 들어 증류 또는 크로마토그래피를 통해, 주어진 원하는 생성물의 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 하나 이상의 파트(part) 또는 부분(portion)을 분리해내도록 가공될 수 있으며, 이들 파트 또는 부분 중 일부 또는 전부는 수소화를 거칠 수 있다. 일 변형에서, 덜 순수한 파트 또는 부분이 또한 수소화를 거쳐서(이는 그렇지 않으면 어떠한 실용적인 시판 응용품에 있어서도 허용불가능한 색상을 가질 것임), 이러한 점에 있어서 적어도 특정 응용품에 허용가능한 충분히 개선된 색상을 물질에 제공할 수 있다. 따라서 예를 들어, 조 이소소르비드 생성물 혼합물의 증류로부터의 오버헤드(overhead) 증류물은 수소화를 거쳐서 색상이 감소된 이소소르비드 생성물을 제공할 수 있으며, 한편 저부물도 마찬가지로 수소화되어 시판가능한 이소소르비드 저부물 생성물을 제공할 수 있다.
도 1은 US 제7,439,352호에 따라 소르비톨로부터 이소소르비드를 제조하기 위한 방법의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 전체로서의 조 탈수 생성물 혼합물에 대해(도 2a) 또는 조 탈수 생성물 혼합물의 증류 후의 증류 오버헤드 및 저부물(bottom) 중 하나 또는 둘 모두에 대해(도 2b) 수행되는 수소화 단계를 포함하도록 본 발명의 특정 구현예에 따라 변형된 도 1의 방법의 개략도이다.
도 3은 조 탈수 생성물의 액체 크로마토그래피/질량 분석, 가스 크로마토그래피/질량 분석에 의해 그리고 이온 크로마토그래피에 의해 얻어진 정보에 기초하여 소르비톨의 황산-촉매 탈수에 대해 제안된 탈수 및 분해 반응 경로를 도시한다.
도 4는 이소소르비드가 자동산화하여 푸르푸랄 및 포름산을 생성하는 제안된 경로를 도시한다.
방금 언급된 바와 같은 제1 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 헥시톨의 산-촉매 탈수와 독립적으로 그리고 이 단계 후에 수소화 촉매 및 수소를 사용하여 탈수 단계로부터의 생성물의 전체 또는 일부분의 색상을 개선하는 것에 관한 것이다.
'477호 특허가 이소헥시드 조성물의 색상 안정성이 그의 순도와 "반드시 관련된 것은 아니다"라고 나타내는 한편, '477호 특허는 다수의 이질적인 유형의 "안정화제"를 고려하지만, 이 참고문헌은 색상 형성의 소스 및 역학에 대한 논의는 아주 거의 포함하지 않고 이질적인 안정화제 유형(전체로서의 조성물의 건조 중량에 대하여 건조 중량 기준으로 표현하여 5 ppm 미만의 포름산 함량 및 50 ppm 미만의 모노안하이드로헥소스의 전체 함량 둘 모두를 갖는, "안정적인" 것으로 여겨지는 조성물을 제공하는 모든 예시된 첨가제를 포함하는, 붕수소화나트륨("환원제" 하에 기재됨), 모르폴린("산화방지제" 하에 기재됨), BHT("산화방지제" 하에 기재됨), 비타민 C("산화방지제" 하에 기재됨), NaOH("항산제" 하에 기재됨), NaBO2("항산제" 하에 기재됨) 및 Na2HPO4("항산제" 하에 기재됨))에 대한 또는 그로부터의 실시예(이로부터 색상 형성의 소스 및 메커니즘이 가능하게는 추론될 수 있음)를 거의 포함하지 않는다. 앞선 JP '025호 참고문헌은 앞서 언급된 바와 같이 저장시의 색상 형성이 1,4-소르비탄 모노안하이드로헥시톨 부산물의 존재와 관련된 것으로 상정하지만, 본 발명자들은 통상의 100% 용융 최종 생성물 또는 통상의 85 중량% 용액 생성물에서의 색상 형성과 직접적으로 또는 간접적으로 관련된 조 이소소르비드 생성물 혼합물 내 (1,4-소르비탄 외의) 다수의 기타 다른 물질들을 실제로 확인하였다.
산-촉매 탈수에 의한 소르비톨로부터의 이소소르비드의 제조의 경우, 이들 물질은 유기 및 무기 염, 산(예를 들어, 포름산 및 레불린산), 산 에스테르(예를 들어, 황산 촉매 탈수 단계로부터의 황산 에스테르, 인산 촉매 탈수로부터의 인산 에스테르 및 일반적으로 주어진 산소 산(oxygen acid) 촉매 탈수 단계로부터의 산 에스테르) 및 이들의 짝염기, 푸란성 화합물(예를 들어, 2-아세틸푸란, 5-메틸푸르푸랄 및 다양한 오탄소 푸란성 화합물), 예를 들어 조 이소소르비드 생성물 내의 다양한 에테르 작용화된 불순물의 산-촉매 축합으로부터의 올리고머 및 중합체 물질을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 구애되지 않고서 그리고 어떠한 의미로든 본 발명을 제한하지 않고서, 도 3은 구매가능한 소르비톨 생성물의 황산-촉매 탈수로부터의 조 탈수 생성물 혼합물에 존재하는 것으로 확인되었거나 그러한 것으로 여겨지는 다수의 물질을 도시하고, 가스 크로마토그래피/질량 분석, 및 구체적으로 확인된 황산 에스테르에 대해서는, 액체 크로마토그래피/질량 분석에 의해 나타나는 바와 같이 주어진 분자 중량을 갖는 화합물의 확인된 존재에 기초하여, 이뿐만 아니라 소르비톨의 탈수에 대한 종래의 경험에 기초하여 이들 물질이 형성될 수 있는 경로를 상정한다.
예시된 상정된 경로의 복잡성을 고려시에 당업자에게 명백한 바와 같이, 조 탈수 생성물 혼합물에 존재하는 모든 물질이 도 3에 확인되어 있거나 심지어 확인되도록 시도되거나 또는 정량화되어 있는 것은 아니며, 상이한(그러나 일반적으로는 유사한) 화학종이 황산의 사용 이외의 기타 다른 공정 또는 수단에 의해 기타 다른 헥시톨의 탈수에서 예측될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 특징의 조 탈수 생성물 혼합물의 증류(또는 기타 다른 추가의 가공)시에, 기타 다른 화합물이, 예를 들어 사용되는 특정 증류 조건에 따라 다양한 정도로 형성될 것으로 또한 예측될 수 있다.
또한, 이소헥시드 생성물을 만들고 완료하는 전체 공정에서의 특정 시점에서 조 탈수 생성물 혼합물에 존재하는 물질들, 및/또는 이후에 증류 단계에서, 추가의 가공에서, 또는 심지어는 특정의 저장 시간 후에 형성된 화합물들 중 일부는 허용 불가능한 색상을 유발하지 않을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 당업자는 생성물이 겪을 것으로 예측될 수 있는 저장 조건 하에서 일정 기간에 걸쳐 특정 최종 이소헥시드 생성물에서 일어나는 계속 진행 중인 화학적 변화가, 시간 경과에 따라서 최종 이소헥시드 생성물에서의 허용 불가능한 색상의 발생을 가져올 수 있음을 이해할 것이다.
어떠한 경우에도, 이소소르비드 생성물에서 색상 형성이 일어나게 하는 소스 및 경로는 각각 JP '025호 참고문헌 또는 '477호 및 '661호 특허 중 어느 하나에 의해 이전에 나타내어진 것보다 확실히 더 광범위하고 더 많다.
본 발명에 관하여, 소르비탄에 의해 해명될 수 있었던 것보다 더 많은 포름산 및 기타 다른 유기 산이 형성되고 있었으며, 일단 형성된 이들 산은 이어서 유색이고 불안정적인 다양한 푸란성 화합물 종류를 생성하는 캐스케이딩 시리즈의 탈수 반응을 촉진할 것임이 이해되었다. 본 발명의 어떠한 의미에서도 한정되지 않고서, 이들 중 적어도 일부는 자동산화 메커니즘을 통해 일어날 것으로 상정되며; 시간 경과에 따라 공기 중 산소에 대한 노출시에 이소소르비드가 분해되어 푸르푸랄뿐만 아니라 포름산도 형성할 수 있는 것으로 제안된 경로가 도 4에 예시되어 있다. 공기에 대한 노출로 저장시 시간 경과에 따른 발색이 이와 같은 조치에 의해 방지되지 않을 것임을 인식하지만, 그럼에도 불구하고, 푸란의 고 감소 잠재성 덕택으로, 제조 시점부터 색상이 개선된 최종 이소헥시드 생성물(이하, "색상이 감소된 생성물")을 생성하는 데 촉매 수소화가 도움이 될 수 있었던 것으로 여겨졌다. 실제로, 본 발명자들은 조 이소헥시드 생성물 혼합물을, 예를 들어 증류 또는 크로마토그래피를 통해, 주어진 원하는 생성물의 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 하나 이상의 파트 또는 부분을 분리해내기 위해 추가로 가공하기 전에 수소화하여 개선된 색상을 제공할 수 있다는 것을 발견하였을 뿐만 아니라, 또한 다양한 파트 또는 부분을, 그러한 파트 또는 부분의 더 고가치의 추가 용도가 가능해질 수 있는 정도까지 그러한 파트 또는 부분의 색상을 개선하기 위해 추가로 가공한 후에, 개별적으로 수소화할 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 본 발명자들은 본 발명에 의해 ASTM D1209에 따른 APHA 색상 값이 약 0인 이소소르비드 증류 저부물 생성물을 생성할 수 있었다.
부언하여, 본 발명자들은 최종 이소헥시드 생성물, 예를 들어 이소소르비드, 이소만니드 또는 이소이디드의 색상 및/또는 색상 안정성을 개선하기 위한 기타 다른 유용한 조치를 또한 개발하였음을 본 명세서에 언급하는데; 하기에 언급된 바와 같은 특정 구현예에서는, 이러한 기타 다른 해법이 본 발명과 조합하여 사용된다. 예를 들어, 최종 이소헥시드 생성물이 사용 전에 일정 기간 동안 공기의 존재 하에서 저장되는 경우에, 방금 기재된 바와 같은 수소화된 이소헥시드 생성물 또는 색상이 감소된 파트 또는 부분이 특정의 산화방지제 첨가제의 포함의 부재시에 색상 증가를 거칠 것이며; 이러한 색상 증가는 특정의 의도된 용도에 있어서 문제가 있을 수 있거나 없을 수 있으며, 따라서 본 발명과 산화방지제 첨가제의 조합이 나타내어질 수 있다.
본 발명이 이용될 수 있는 방식은 이소헥시드를 만들기 위한 공지된 방법을 참고함으로써 아마도 가장 잘 예시될 수 있을 것이다. 상기 기재된 바와 같이, 상응하는 당 알코올(및/또는 모노안하이드로당 알코올)로부터 이소헥시드/디안하이드로헥시톨/안하이드로당 알코올을 만들기 위한 다수의 방법이 개발되거나 또는 제안되어 왔다. 소르비톨로부터의 이소소르비드의 제조가 특히 관심 대상이 되어 왔다. 상기 언급된 특허들에 기재된 방법에 더하여, 동일 출원인에 의한 US 제6,849,748호; US 제7,420,067호; 및 US 제7,439,352호는 소르비톨로부터 이소소르비드를 만들기 위해 개발된 방법의 예이며, 본 발명을 기재하는 데 있어서 유용한 비제한적인 내용을 제공한다.
이제 도 1로 돌아가면, '352호 특허에서 원래 기재된 것과 같은 방법(10)에서는, 도면 부호(12)에 의해 나타낸 바와 같이 소르비톨을 반응기(14)에 공급한다. 소르비톨(12)을 먼저 용융 상태로 가열하고, 이어서 이소소르비드로의 탈수를 촉진시키기 위한 촉매의 존재 하에서 반응기(14) 내에서 탈수시켜, 물 유출물(16) 및 이소소르비드를 포함하는 탈수 생성물 혼합물(18)을 생성한다. 이어서, 탈수 생성물 혼합물(18)이 제1 증류 장치(20)에서 제1 증류를 거치게 하여 제1 이소소르비드 증류물(22) 및 제1 증류 저부물(24)을 형성한다. 이어서, 제1 이소소르비드 증류물(22)이 제2 증류 장치(26)에서 제2 증류를 거치게 하여 정제된 이소소르비드 생성물(28) 및 제2 증류 저부물(30)을 형성한다.
보다 구체적으로, 도 1의 방법(10)의 제1 단계에서는, 당업계에 공지된 표준 방법에 의해 소르비톨을 용융시킨다. 예를 들어, 소르비톨은 그것을 교반기, 온도 프로브, 및 진공 라인이 구비된 3구 둥근바닥 플라스크 내에 넣음으로써 용융될 수 있다. 바람직하게, 소르비톨은 적어도 100℃ 내지 200℃까지 가열된다. 소르비톨 분말의 경우, 구체적인 예를 제공하기 위하여, 바람직한 용융 온도는 98℃ 내지 105℃이며, 훨씬 더 바람직한 용융 온도는 98℃ 내지 100℃이다. 일단 용융되면, 소르비톨은 교반을 거친다.
이어서, 소르비톨의 탈수를 촉진시킬 촉매가 용융된 출발 물질에 첨가된다. 통상적으로는, 소르비톨과 같은 당 알코올의 탈수를 촉진시키기 위해 산 촉매가 사용되어 왔으며, 이에는, 예를 들어 가용성 산, 산성 이온 교환 수지, 및 무기 이온 교환 물질이 포함된다. 황산, 인산, p-톨루엔설폰산, 및 p-메탄설폰산이, 사용될 수 있는 바람직한 가용성 산의 예로서 제공되지만, 당업자는 유사한 특성을 갖는 기타 다른 가용성 산이 마찬가지로 유용할 것임을 인식할 것이다.
제올라이트 분말은 사용될 수 있는 무기 이온 교환 물질의 예이며; 구체적으로는 산성 제올라이트 분말, 예컨대 타입 ZSM-5 암모늄 형태의 제올라이트 분말이 사용될 수 있다. 유용한 것으로 되어 있는 제올라이트 분말의 예에는 CBV 3024 또는 CBV 5534G(둘 모두 Zeolyst International사로부터 입수가능함), 및/또는 T-2665 또는 T-4480(둘 모두 United Catalysis, Inc. 사로부터 입수가능함)이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 당업자는 유사한 특성을 갖는 기타 다른 제올라이트 분말이 본 명세서에 구체적으로 열거되어 있지 않더라도 유용할 수 있음을 인식할 것이다.
설폰화 디비닐벤젠/스티렌 공중합체 산성 이온 교환 수지는 가능한 산성 이온 교환 수지 촉매의 일 예를 제공한다. 예에는 BioRad Laboratories사로부터의 AG50W-X12, Rohm & Haas사로부터의 Amberlyst 15 또는 Amberlyst 35, Mitsubishi Chemical Corp.사로부터의 RCP21H, 및 Dowex 50Wx5(Dow Chemical Co.사)가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 설폰화 디비닐벤젠/스티렌 공중합체 산성 이온 교환 수지인 Amberlyst 35가 소르비톨로부터의 이소소르비드의 생성을 위한 특히 바람직한 수지로서 나타내어진다. 당업자는 사용될 수 있는 유사한 특성을 갖는 기타 다른 산성 이온 교환 수지를 알고 있을 것이다.
사용되는 촉매의 양은, 일반적으로 약 0.01 당량 내지 0.15 당량(중량 기준) 정도인 것으로 나타내어진다. 바람직한 촉매량은 0.1 당량(중량 기준)이다.
탈수는 진공 하에서, 고온에서, 그리고 반응 혼합물을 교반하면서 수행될 수 있다. 진공은 0.05 Torr 내지 40 Torr의 압력에 걸친 범위일 수 있으며, 바람직하게는 1 Torr 내지 10 Torr의 압력일 수 있다. 구체적인 예로서, 이소소르비드로의 소르비톨의 탈수를 위한 바람직한 압력은 1 Torr 내지 10 Torr이다. 탈수를 위한 온도는 90℃ 내지 140℃일 수 있다. 특정 구현예에서, 탈수 온도는 98℃ 내지 130℃, 특히 120℃ 내지 130℃일 수 있다. 탈수는 이와 같은 온도에서 대략 2 시간의 기간에 걸쳐 수행될 수 있다. 물은 1 Torr 내지 10 Torr의 진공 하에서 용융된 소르비톨/촉매 혼합물로부터 빼낼 수 있다. 탈수 반응은 바람직하게는 반응기 내에서 수행되며, 반응기는 배치(batch) 또는 연속 모드로 작동될 수 있는 것이다. 산 촉매가 고체 산 촉매(예를 들어, 산성 이온 교환 수지)인 구현예에서, 반응기는 바람직하게 고체 산 촉매가 첨가될 수 있는 배스킷을 보유 또는 수용할 수 있다.
탈수 절차 후에, 생성된 탈수 생성물 혼합물(18)은 정제된다. 일 구현예에서, 진공 증류가 사용된다. 더 구체적인 구현예에서, 진공 증류는 막 증발기(film evaporator), 구체적으로 와이프식 막 증발기(wiped film evaporator)를 사용하여 수행된다. 본 발명에 유용한 와이프식 막 증발기 장치의 일 예는 수직 교반형 박막 처리기(vertical agitated thin-film processor)이다. 와이프식 막 증발기를 사용하는 이점에는 점성 용액의 취급, 생성물 순도의 개선, 및 낮은 체류 시간이 포함되며, 이는 생성물 분해의 감소 또는 제거로 이어진다. 구체적으로, 소르비톨로부터의 이소소르비드의 생성에 관하여, 와이프식 막 증발기의 사용은 증류시에 대략 80%의 수율을 제공하고, 증류 동안 무시할 만한 물 손실(이는 중합의 감소를 가져옴)을 제공하고, 잔류물(residue)로부터의 이소소르비드 및 소르비탄의 추가의 회수를 제공하는 것으로 되어 있었다. 증류 공정 결과, 제1 이소소르비드 증류물(22)이 생성된다.
제1 증류 장치(20)에 사용되는 포트 온도 및 진공은 변동될 수 있지만, 140℃ 내지 190℃의 증기 온도가 바람직하다. 더 바람직한 증기 온도는 160℃ 내지 170℃, 특히 165℃ 내지 170℃이다. 진공 압력은 0.05 Torr 내지 40 Torr일 수 있으며, 바람직하게는 1 Torr 내지 10 Torr이다. 이소소르비드의 진공 증류의 경우, 1 Torr 내지 10 Torr의 진공 압력, 180℃의 포트 온도, 및 160℃ 내지 170℃의 증기 온도가 가장 바람직한 것으로 되어 있다. 여과 또는 활성탄의 첨가 및 이와 함께 후속 결정화와 같은 대안적인 정제 방법이 또한 유용한 것으로 언급된다.
이어서, 제1 이소소르비드 증류물(22)가 바람직하게는, 예를 들어 제2 와이프식 막 증발기에 의해 제2 증류 장치(26)에서 제2 진공 증류를 거치게 한다. 제2 와이프식 막 증발기는 제1 와이프식 막 증발기와 동일한 유형의 것이거나 또는 상이할 수 있다. 제2 진공 증류의 조건(예를 들어, 진공 압력 및 온도)은 제1 진공 증류의 조건과 동일하거나 상이할 수 있으며, 제1 진공 증류의 조건의 파라미터는 상기 기재되어 있다. 2 개의 막 증발기의 사용은, 잠재적으로 유해한 유기 용매의 사용 없이, 이소소르비드의 생성 및 정제를 가능하게 한다.
'352호 특허에 기재된 대안적인 구현예에서, 제1 이소소르비드 증류물(22)은 용융 결정화를 거치는데, 여기서는 제1 이소소르비드 증류물(22)이 용융될 때까지 가열되고(이소소르비드의 융점은 약 65℃임), 이어서 결정화점에 도달할 때까지 시간 경과에 따라 냉각되지만, 물질이 고화될 정도로 냉각되지는 않는다. 실제로, 물질이 원심분리될 수 있도록 슬러리-유사 농도(slurry-like consistency)가 바람직하다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "슬러리-유사 농도"는 액체와 수 개의 미분된 입자들의 혼합물인 물질을 지칭한다. 물질의 고화를 피하기 위하여, 그리고 또한 원하는 이소소르비드 생성물이 불순물과 함께 제거되는 것을 피하기 위하여, 원심분리는 비교적 단시간 동안 비교적 높은 속도로 수행된다. 예를 들어, 원심분리는 5 분 동안 3000 rpm 내지 4000 rpm으로 수행될 수 있지만, 당업자는 원심분리의 지속시간이 정제하고자 하는 물질의 양에 따라 이상적으로 변동될 것임을 이해할 것이다. 어떠한 경우에도 생성된 이소소르비드는 적어도 98%의 순도인 것으로 나타나며, 대부분의 경우에는 ("슬러리"의 고형도(solidity)에 따라) 99% 초과의 순도인 것으로 나타난다.
대안적으로, '352호 특허는 또한 제1 이소소르비드 증류물(22)이 용매 재결정화를 거칠 수 있음을 고려한다. 유용한 것으로 언급된 용매에는 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 저분자량 알코올, 예컨대 에탄올 및 메탄올이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
'352호 특허에서 언급된 또 다른 구현예에서, 제1 이소소르비드 증류물(22)의 추가의 정제는 제1 증류물(22)이 용매 세척을 거치게 한 후 여과를 거치게 하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 용매는 저온이며, 예를 들어 0℃ 내지 23℃의 온도를 갖는다. 언급된 용매에는 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 저분자량 알코올, 예컨대 에탄올 및 메탄올이 포함되었다. 여과는 당업계에 잘 공지된 수단에 의해 수행된 것으로서 기재되었다.
도 2a에 개략적으로 나타낸 본 발명에 따른 방법의 일 구현예(32)에서는, US 제7,439,352호에 기재된 상기 언급된 구현예들 중 임의의 것에 따른 방법이, 제1 증류 장치(20) 앞에 조 탈수 생성물 혼합물(18)에 대해 수행되는 수소화 단계(34)의 추가를 포함하도록 변형된다. 수소화 단계(34)에서는, 수소화 촉매의 존재 하에서 혼합물(18)의 수소화를 수행하기 위해 수소(36)(또는 더 일반적으로는 수소의 공급원)가 공급된다.
도 2b에 개략적으로 나타낸 대안적인 구성(38)에서는, '352호 특허에서와 같이, 전체로서의 조 탈수 생성물 혼합물(18)이 수소화되지 않고 제1 증류 장치(20)로 통과되고, 대신에 제1 증류 장치(20) 및 제2 증류 장치(26) 중 하나 또는 둘 모두로부터의 유분(fraction)이 수소화된다.
일 구현예에서는, 정제된 이소소르비드 생성물(28)을 수소화 단계(40)에서 수소화 촉매의 존재 하에서 수소(42)에 의해 수소화하여, 색상이 개선된 정제된 이소소르비드 생성물(28")을 제공한다.
또 다른 구현예에서는, 제1 증류물 저부물(24)을 단계(44)에서 수소화 촉매의 존재 하에 수소(46)에 의해 수소화하여, 색상이 감소된 개질된 제1 증류물 저부물(24")을 제공한다.
또 다른 구현예에서는, 제2 이소소르비드 증류물 저부물(30)을 단계(48)에서, 수소화를 수행하기에 효과적인 조건 하에서, 수소화 촉매의 존재 하에 공급된 수소(50)에 의해 수소화한다. 색상이 감소된 개질된 제2 증류물 저부물(30")이 생성된다.
또 다른 선택에서는, 제1 및 제2 증류물 저부물(24, 30) 둘 모두를 함께 수소화하여, 색상이 감소된 개질된 조합 증류물 저부물 생성물(30"')을 생성할 수 있다.
또 다른 변형에서는, 제1 증류물 저부물(24), 제2 증류물 저부물(30) 및 정제된 이소소르비드 생성물(28) 전부를 서로 독립적으로 수소화할 수 있는데, 이는 이들 중 임의의 2개를 조합하여 수소화하고 나머지를 독립적으로 수소화함으로써, 또는 이들 전부를 함께 조합하고 수소화함으로써 행해진다.
명백히, 임의의 주어진 물질에 대해 색상에서의 충분한 개선을 구성하는 것은, 상이한 구매자 및 사용자의 색상 요건에 따라, 개선된 물질이 사용되게 될 최종 용도 또는 응용에 따라, 그리고 그 물질의 초기 품질(이는 그 물질을 생성한 상이한 방법 및 조건에 따라 변동될 것임)에 따라 변동될 수 있다. 그러나, 일반적으로, (필요에 따라, 동일 출원인에 의해 동시 출원된 출원들에 기재된 발명들 중 하나 또는 둘 모두와 조합하여) 적어도 부분적으로 본 발명에 의해 만들어진 최종 100% 용융 이소헥시드 생성물은 ASTM D1209에 따라 결정했을 때 100 이하, 바람직하게는 20 이하, 더 바람직하게는 15 이하, 그리고 특히 10 이하의 APHA 색상을 나타낼 것으로 예측된다. 통상의 85% 용액 생성물 형태에서, 최종 이소헥시드 생성물은 바람직하게 100 이하, 바람직하게는20 이하, 더 바람직하게는 15 이하, 그리고 특히 10 이하의 APHA 색상을 나타낼 것이다.
일부 경우에, 수소화의 단독 사용을 통해 이소헥시드 생성물이 실현될 수 있는데, 이러한 수소화는 그러한 생성물 및 고려되는 최종 용도 시나리오에 적용가능한 저장시 색상 및 색상 안정성 요건을 충분히 만족시키는 반면, 기타 다른 상황에서는 하기에 기재되는 추가 조치들 중 하나 또는 둘 모두가 수소화의 사용과 조합되어 저장시의 원하는 색상 및 색상 안정성의 요건을 달성할 수 있다. 어떠한 경우에도, 당업자는 임의의 주어진 이소헥시드 생성물 및 최종 용도를 위해, 통상적으로 접하는 저장 조건 하에서 저장시에 색상에서 요구되는 감소 및 필요한 색상 안정성을 가장 경제적으로 그리고 효율적으로 달성하는 데 필요한 해법 또는 해법들의 조합을 결정하는 것을 충분히 할 수 있을 것으로 여겨진다.
따라서, 특정 구현예에서, 동일 출원인에 의해 2012년 10월 31일에 출원된 "당 알코올의 내부 탈수 생성물의 개선된 제조 방법(IMPROVED METHOD OF MAKING INTERNAL DEHYDRATION PRODUCTS OF SUGAR ALCOHOLS)"의 미국 특허 출원 일련 번호 제61/720,453호에 기재된 바와 같은 이온 배제, 이온 교환 또는 둘 모두의 사용을 포함하는 불순물 제거 시스템이 바람직하게는 본 발명에 따른 수소화 단계의 상류에서 이용될 수 있다. 바람직하게, 이와 같은 불순물 제거 시스템은, 저장시에 최종 이소헥시드 생성물에서 색상 형성을 일으키는 경향이 있는, 조 탈수 생성물 혼합물(18)로부터의 적어도 이온 화학종의 실질적으로 전부, 그리고 더 바람직하게는 상기 언급된 화학종 또는 이와 같은 화학종의 전구체의 실질적으로 전부가 제거된다. 이와 같은 상황에서의 수소화 요구는 상당히 감소될 수 있는 것으로 예측될 수 있는데, 이는 색상-형성 화학종 또는 이와 같은 화학종의 전구체에 대한 수소화의 보충적 또는 폴리싱(polishing) 역할과 일치한다.
다른 구현예에서는, 동일 출원인에 의해 2012년 10월 31일에 출원된 "개선된 이소헥시드 생성물을 위한 첨가제(ADDITIVES FOR IMPROVED ISOHEXIDE PRODUCTS)"의 미국 특허 출원 일련 번호 제61/720,466호에 기재된 바와 같은 하나 이상의 산화방지제 첨가제가 조 탈수 생성물 혼합물(또는 수소화된 조 탈수 생성물 혼합물)에 첨가될 수 있는데, 이러한 첨가는 조 탈수 생성물 혼합물(18)과 비교하여 원하는 이소소르비드 물질이 농축된 저장 안정성이 개선된 최종 생성물을 궁극적으로 수득하기 위해, 또는 색상이 감소된 저장 안정성이 개선된 파트 또는 부분(예를 들어, 저부물 유분)을 수득하기 위해 조 탈수 생성물 혼합물(또는 수소화된 조 탈수 생성물 혼합물)을 추가로 가공하기 전에 행해진다. 이소소르비드의 색상 안정화를 위한 상기 미국 특허 출원에서 확인된 바람직한 산화방지제는 하나 이상의 메톡실 기를 함유하고 알킬 기 이외의 다른 작용기는 함유하지 않는 장애 페놀이었다. 통상의 100% 용융 및 85% 용액 이소소르비드 생성물의 색상 안정화를 위한 이와 같은 바람직한 산화방지제의 예에는 디-tert-부틸-4-메톡시페놀(또는 DTMP, CAS 128-37-0), 부틸화 하이드록시아니솔(BHA, 2- 및 3-tert-부틸-4-하이드록시아니솔의 혼합물, CAS 25013-16-5), 2,6-디메톡시-4-메틸페놀(DMMP, CAS 6638-05-7) 및 2,6-디메톡시페놀(DMP, CAS 91-10-1)이 포함된다. 이들 중, BHA 및 DMMP가 가장 바람직하다.
이제 구체적으로 수소화 단계로 되돌아가면, 도 3에 나타낸 특징의 푸란성 화학종을 효과적으로 감소시킬 임의의 수소화 촉매 및 임의의 세트의 공정 조건들이 사용될 수 있지만, 일반적 상황은 (예를 들어, 6.9 MPa 내지 13.8 MPa, 게이지(1000 psig 내지 2000 psig)의) 비교적 더 높은 수소 압력이기 때문에 불균일 수소화 촉매가 바람직하다. 지지된 백금, 팔라듐 및 루테늄 촉매 및 특정 조건이 하기 실시예에서 사용되지만, 당업자는 다양한 기타 다른 수소화 촉매 및 그들의 사용에 적절한 조건에 익숙할 것이다.
하기의 실시예로부터 입증되게 될 바와 같이, 비교적 더 높은 그리고 더 낮은 수소 압력에서 수행되는 수소화는, 방법의 특정 스테이지에서 특정 방식으로 가공된 물질에 적용될 때 상이한 결과를 제공하였으며, 따라서 더 낮은 수소 압력(예를 들어, 6.9 MPa, 게이지(1000 psig) 미만 그리고 바람직하게는 4.1 MPa, 게이지(600 psig) 이하)이 특정 구현예에서 충분할 수 있는 반면, 다른 구현예에서는 더 높은 수소 압력이 지시될 수 있게 된다. 따라서, 저가의 광산이 산-촉매 탈수에 사용되었고 전체 탈수 생성물이 염기의 첨가를 통해 중화된, 전체로서의 조 탈수 생성물 혼합물에 대해 수소화가 수행되는 특정 구현예에서, 수소화는 바람직하게 더 높은 압력의 수소 조건에서 수행된다. 중화된 탈수 생성물을 수소화 단계 전에 먼저 그로부터 이온 화학종을 제거하도록 가공한 경우, 수소화는 더 낮은 압력의 수소를 이용하여 수행될 수 있는데, 이는 (최종 이소헥시드 생성물을 제공하기 위한) 추가의 가공이 온화한 온도 조건에서 착수된 경우에 특히 그러하다. 어떠한 경우에도, 하기의 실시예를 고려하여, 당업자는 색상에서의 특정의 감소를 달성하기 위해 어떠한 수소화 조건이 요구될 것인지를 과도한 실험 없이 결정하는 것을 충분히 할 수 있을 것이다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 예시된다:
실시예 1
1회 증류된 이소소르비드 생성물(102.72 g, ASTM D1209에 따라 측정된 APHA 색상이 106임), 시판되는 탄소 상 5% 루테늄 수소화 촉매(3.05 g), 및 500 mL의 탈이온수를 1 L 스테인리스 강 오토클레이브 반응기에 첨가하였다. 수소를 이용하여 3.5 MPa(500 psi)까지 가압함으로써 용기를 3 회 퍼지하고, 이어서 통기(vent)시켰다. 이어서, 용기를 수소를 이용하여 3.5 MPa(500 psi)까지 다시 가압하고, 120℃까지 가열하였으며, 4 시간 동안 교반하였다. 반응기를 냉각 및 통기시킨 후에, #5 Whatman 여과지를 통해 용액을 여과함으로써 촉매를 제거하였다. 이어서, 회전 증발기에 의해 물을 제거하였으며, 잔존하는 고형물을 40℃ 진공 오븐 내에서 건조시켰다. 이 생성물은 감소된 APHA 색상이 51인 백색 결정성 고형물이었다. 미량의 탄소 지지된 촉매가 샘플 중에 잔존하였다.
이 이소소르비드의 샘플을 24 시간 동안 70℃에서 가열하였다. 가열 후에, 샘플을 25%의 고형물로 희석시켰으며, APHA 색상을 측정하였다. 이어서, APHA 색상을 용액의 실제 측정 농도에 기초하여 100% 고형물로 정규화하였다. 결과가 하기와 같이 표 1에 나타나 있다.
샘플 온도(℃) 시간(hr) APHA 색상
1회 증류됨 - 0 106
1회 증류됨 70 24 112
1회 증류되고 수소화됨 - 0 51
1회 증류되고 수소화됨 70 24 50
실시예 2
1회 증류된 이소소르비드(120.27 g, APHA 106), 시판되는 탄소 상 5% 루테늄(3.51 g) 수소화 촉매, 및 600 mL의 탈이온수를 1 L 스테인리스 강 오토클레이브 반응기에 첨가하였다. 수소를 이용하여 3.5 MPa(500 psi)까지 가압함으로써 용기를 3 회 퍼지하고, 이어서 통기시켰다. 이어서, 용기를 수소를 이용하여 3.5 MPa(500 psi)까지 다시 가압하고, 이어서 120℃까지 가열하였으며, 4 시간 동안 교반하였다. 반응기를 냉각 및 통기시킨 후에, 0.2 마이크로미터 일회용 필터를 통해 용액을 여과함으로써 촉매를 제거하였다. 이어서, 회전 증발기에 의해 물을 제거하였으며, 잔존물을 40℃ 진공 오븐 내에서 건조시켰다. 이 생성물은 APHA 색상이 51인 백색 결정성 고형물이었다. 어떠한 분명한 촉매도 이 샘플 내에 잔존하지 않았다.
이 이소소르비드의 샘플을 24 시간 동안 70℃에서 가열하였다. 가열 후에, 샘플을 25% 고형물로 희석시켰으며, APHA 색상을 다시 측정하였다. 이어서, APHA 색상을 용액의 실제 측정 농도에 기초하여 100% 고형물로 정규화하였다. 비교를 위하여, 3 회 재결정화된 물질로부터 제조된 이소소르비드 샘플을 70℃에서 가열하였으며, 동일한 간격으로 APHA 측정치를 얻었다. 결과가 표 2에 기록되어 있다:
샘플 시간(일) 온도(℃) APHA 색상
1 회 증류됨 0 -- 106
1 70 112
3 70 134
7 70 107
14 70 90
1 회 증류되고 수소화됨 0 -- 51
1 70 50
3 70 63
7 70 71
14 70 58
3 회 재결정화됨 0 -- 25
1 70 17
3 70 17
7 70 25
14 70 32
실시예 3
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 100 g의 1 회 증류된 이소소르비드, 200 mL의 물 및 5 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형(floor stand) 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 1.4 MPa(200 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 4 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고 배수(dewater)하였다. 결정성 생성물은 96.1% 순도의 이소소르비드인 것으로 검정되었으며, APHA 값이 116인 것으로 결정되었다.
실시예 4
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 100 g의 조 이소소르비드(pH 9), 200 mL의 물 및 5 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 1.4 MPa(200 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 6 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 배수하였으며, 1 torr 미만에서 온도가 180℃ 내지 190℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류(short path, pot-distill)하였다. 대략 20 g의 무색 결정성 물질(35%)이 수집되었으며, 이는 97.5% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 39인 것으로 결정되었다. 195℃ 내지 205℃까지의 증류 온도 증가는 더 많은 이소소르비드가 증류되게 하였지만, 수집된 증류물은 변함없이 강렬한 황색 색상을 나타내었다.
실시예 5
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 100 g의 조 이소소르비드(pH 9), 200 mL의 물 및 10 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, Parr 반응기 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 1.4 MPa(200 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 4 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 배수하였으며, 1 torr 미만에서 온도가 180℃ 내지 190℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하였다. 대략 18 g의 무색 결정성 고형물이 수집되었으며, 이는 95.8% 순도인 것으로 분석되었고, APHA 값이 46인 것으로 결정되었다. 195℃ 내지 205℃까지의 증류 온도 증가는 더 많은 이소소르비드가 증류되게 하였지만, 수집된 증류물은 변함없이 강렬한 황색 색상을 나타내었다.
실시예 6
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 100 g의 조 이소소르비드(pH 9), 200 mL의 물 및 5 g의 시판되는 0.5% Pd/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 3.5 MPa(500 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 4 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 배수하였으며, 1 torr 미만에서 온도가 180℃ 내지 190℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하였다. 대략 22 g의 무색 결정성 고형물(39%)이 수집되었으며, 이는 95.9% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 66인 것으로 결정되었다. 195℃ 내지 205℃까지의 증류 온도 증가는 더 많은 이소소르비드를 회수하였지만, 수집된 증류물은 변함없이 강렬한 황색 색상을 나타내었다.
실시예 7
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 (pH가 약 1인) 중화되지 않은 100 g의 조 이소소르비드, 200 mL의 물 및 5 g의 시판되는 5% Pt/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 3.5 MPa(500 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 4 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고 배수하였다. 생성된 점성 혼합물은 밝은 푸르스름한 색조를 나타내었으며, APHA 값이 67인 것으로 발견되었다. 1 torr 미만에서 온도가 180℃ 내지 190℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하여 대략 17 g의 무색 결정성 고형물(30%)을 생성하였으며, 이는 97.5% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 50인 것으로 결정되었다. 195℃ 내지 205℃까지의 증류 온도 증가는 더 많은 이소소르비드를 회수하였지만, 앞서의 실시예에서와 같이 수집된 증류물은 변함없이 강렬한 황색 색상을 나타내었다.
실시예 8
스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 (pH가 약 1인) 중화되지 않은 100 g의 조 이소소르비드, 200 mL의 물 및 10 g의 10% Pd/C 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 3.5 MPa(500 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 2 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 이어서 강산 양이온 및 강염기 음이온 교환 수지로 패킹된 탠덤형(tandem) 150 cc 컬럼들로 통과시켰다. 생성된 매트릭스는 배수 후에 강렬한 황색 색상을 나타내었다. 1 torr 미만에서 온도가 155℃ 내지 165℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하여 대략 30 g의 무색 결정성 고형물(71%)을 생성하였으며, 이는 98.4% 순도인 것으로 분석되었고, APHA 값이 33인 것으로 결정되었다. 190℃ 내지 195℃까지의 오일 배쓰 온도의 증가는 추가의 물질을 생성하였지만, 앞서의 실시예와는 대조적으로, 수집된 증류물이 순도가 높고 (APHA 값이 30 미만인) 무색인 상태를 유지하였다.
실시예 9
100 g의 중화된 조 이소소르비드를 동일한 강산 양이온 및 강염기 음이온 교환 수지로 패킹된 탠덤형 150 cc 컬럼들로 통과시켰다. 이어서, 생성된 황색을 띤 매트릭스를 배수하여, 점성의 이온-교환된 조 이소소르비드 혼합물을 생성하였다. 스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 100 g의 이 물질, 200 mL의 물 및 10 g의 10% Pd/C 수소화 촉매를 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 3.5 MPa(500 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 2 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 이어서 다시, 강산 양이온 및 강염기 음이온 교환 수지로 패킹된 탠덤형 150 cc 컬럼들로 통과시켰다. 생성된 매트릭스는 배수 후에 강렬한 황색 색상을 나타내었다. 1 torr 미만에서 온도가 155℃ 내지 165℃인 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하여 대략 33 g의 무색 결정성 고형물(59%)을 생성하였으며, 이는 97.5% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 36인 것으로 결정되었다. 이어서, 오일 배쓰 온도를 190℃ 내지 195℃까지 증가시켰으며, 수집된 증류물은 순도가 높고 무색(APHA 값이 30 미만임)이었다.
실시예 10
100 g의 중화된 조 이소소르비드를 200 mL의 절대 에탄올에 첨가하고 1 시간 동안 교반하였다. 이 시간 후에 다량의 고형 물질이 관찰되었으며, 이를 진공 여과에 의해 혼합물로부터 제거하였다. 잔류하는 어둡게 착색된 매트릭스를 농축시키고, 1 torr 미만에서 온도가 165℃ 내지 175℃로 유지된 오일 배쓰 내에서 단경로 증류하여, 대략 28 g의 황색을 띤 결정성 고형물(50%)을 생성하였으며, 이는 97.7% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 129인 것으로 결정되었다.
비교를 위하여, 100 g의 중화된 조 이소소르비드를 200 mL의 절대 에탄올에 첨가하고 1 시간 동안 교반하였다. 이 시간 후에 다량의 고형 물질이 관찰되었으며, 이를 진공 여과에 의해 혼합물로부터 제거하였다. 이어서, 이 경우의 암갈색 용액을, 10 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매와 함께, 스테인리스 강의 1 L Parr 반응기 용기에 장입하였다. 이어서, 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결시키고, 3.5 MPa(500 psi) 수소를 이용하여 3 회 연속 퍼지 후에 3.5 MPa(500 psi) 수소까지 가압하였다. 혼합물을 4 시간 동안 1100 rpm에서 기계적 교반하면서 100℃까지 가열하였다. 이 시간 후에, 담황색 불균질 매트릭스를 0.22 um Millipore 필터로 통과시키고, 배수하였으며, 1 torr 미만에서 온도가 155℃ 내지 165℃로 유지된 오일 배쓰 내에서 단경로 포트-증류하였다. 대략 31 g의 무색 결정성 물질(55%)이 수집되었으며, 이는 98.9% 순도의 이소소르비드인 것으로 분석되었고, APHA 값이 13인 것으로 결정되었다. 더 많은 이소소르비드가 증류되게 하기 위하여, 오일 배쓰 온도를 190℃ 내지 195℃까지 증가시켰다. 수집된 추가 증류물은 순도가 높고 무색(APHA 값이 30 미만임)이었다. 저부물은 강렬한 황색 색상을 나타내었다.
실시예 11
(pH가 8.5이고, APHA 색상이 5000을 초과하는) 156 g의 중화된 조 이소소르비드를 156 g의 물 중에 용해시켰다. 완전한 용해 후에, 균질한 혼합물을 1 L 스테인리스 강 Parr 용기에 첨가하였다. 15 g의 10% Pd/C 촉매를 칭량하고 용기에 첨가하였으며, 이어서 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결하였다. 수소에 의한 3 회의 순차적인 6.9 MPa(1000 psi) 퍼지를 실행하여, 용기 헤드스페이스 내에 잔존하는 공기의 대부분이 제거되도록 보장하였다. 이어서, 용기를 수소를 이용하여 9.0 MPa(1300 psi)까지 가압하였으며, 기계적 교반을 1100 rpm에서 개시하였고, 가열 재킷을 활성화하여 반응기를 100℃까지 가열하였다. 일단 이 온도가 달성되면, 반응을 4 시간 동안 진행하였다. 이 시간 후에, 반응 혼합물을 실온까지 냉각시키고, 0.22 마이크로미터 필터를 사용하여 과량의 촉매를 제거하였다. 이어서, 물의 약 95%가 제거될 때까지 고진공 하에서 회전 증발기를 이용하여 투명 무색 용액을 농축시켰다. 혼합물의 정량적인 분석은 어떠한 이소소르비드도 변성되지 않았음을 밝혀내었다(앞에서와 같이, 혼합물의 약 41%). 3 회 반복하여 수행된 APHA 분석은 고압 수소화된 조 이소소르비드에 대해 0의 색상을 나타내었다. 이어서, 대략 50 g의 이 물질을 (5 torr 미만의 압력에서 190℃의 배쓰 온도를 이용하여) 진공 하에서 단경로 포트 증류 장치를 사용하여 증류하여, 정제된 이소소르비드를 수득하였으며, 이는 96% 순도인 것으로 분석되었고 APHA 색상이 10이었다.
실시예 12
탠덤형 강산 양이온 교환 및 강염기 음이온 교환 컬럼들로 사전에 통과된 150 g의 조 이소소르비드(APHA = 1791)를 150 g의 물 중에 용해시켰다. 완전한 용해 후에, 균질한 혼합물을 1 L 스테인리스 강 Parr 용기에 첨가하였다. 15 g의 10% Pd/C 촉매를 칭량하고 용기에 첨가하였으며, 이어서 이 용기를 플로어 스탠드형 반응기에 체결하였다. 수소에 의한 3 회의 순차적인 6.9 MPa(1000 psi) 퍼지를 실행하여, 용기 헤드스페이스 내에 잔존하는 공기의 대부분이 제거되도록 보장하였다. 이어서, 용기를 수소를 이용하여 9.0 MPa(1300 psi)까지 가압하였으며, 기계적 교반을 1100 rpm으로 개시하였고, 가열 재킷을 활성화하여 반응기 용기를 100℃까지 가열하였다. 일단 이 온도가 달성되면, 반응을 4 시간 동안 진행하였다. 이 시간 후에, 반응 혼합물을 실온까지 냉각시키고, 0.22 마이크로미터 필터를 이용하여 잔류하는 촉매를 제거하였다. 이어서, 물의 약 95%가 제거될 때까지 고진공 하에서 회전 증발기를 이용하여 투명 무색 용액을 농축시켰다. 혼합물의 정량적인 분석은 어떠한 이소소르비드도 분해되지 않았음을 밝혀내었다. 3 회 반복하여 수행된, 수소화된 이온 교환된 조 혼합물의 APHA 분석은 0의 색상을 확인시켜 주었다. 이어서, 대략 50 g의 이 물질을 (5 torr 미만의 압력, 190℃의 배쓰 온도를 사용하여) 진공 하에서 단경로 포트 증류 장치를 사용하여 증류하여, 순도가 99%이고 APHA 색상이 1 미만인 이소소르비드를 제공하였다.
실시예 13
중화된 이온 교환된(강산 양이온-교환에 이어서 강염기 음이온-교환된) 조 이소소르비드 생성물 혼합물의 박막 증류로부터의 약 150 g의 담갈색 점성 이소소르비드 저부물을 약 150 g의 물 중에 용해시켰다. 완전한 용해 후에, 균질한 혼합물을 1 리터 스테인리스 강 Parr 용기에 첨가하였다. 이어서, 약 15 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매를 첨가하였다. 수소에 의한 3 회의 순차적인 6.9 MPa(1000 psi) 퍼지 후에, Parr 반응기를 수소를 이용하여 9.0 MPa(1300 psi)까지 가압하였으며, 기계적 교반을 개시하였고, 가열 재킷을 활성화하여 반응 온도를 100℃까지 가열하였다. 4 시간 후에, 반응기 내용물을 실온까지 냉각시키고, 앞서의 실시예에서와 같이 여과에 의해 촉매를 제거하였다. 여과액은 무색인 것으로 관찰되었으며, 회전 증발기의 사용에 의해 농축시킨 후에, 점성의 수소화된 저부물 생성물의 APHA 색상은 (3 회 반복하여) 0인 것으로 결정되었다. 이소소르비드 저부물(원액)의 초기 APHA 색상은 1200이었다.
실시예 14
(실시예 13과 대조적으로 이온 교환되지 않았으며, 이에 따라 중화로부터의 염을 함유하는) 중화된 조 이소소르비드 생성물 혼합물의 단경로 포트 증류로부터의 약 150 g의 이소소르비드 저부물을 약 150 g의 물 중에 용해시켰다. 완전한 용해 후에, 균질한 혼합물을 1 리터 스테인리스 강 Parr 용기에 첨가하였다. 이어서, 약 15 g의 시판되는 10% Pd/C 수소화 촉매를 첨가하였다. 수소에 의한 3 회의 순차적인 6.9 MPa(1000 psi) 퍼지 후에, Parr 반응기를 수소를 이용하여 9.0 MPa(1300 psi)까지 가압하였으며, 기계적 교반을 개시하였고, 가열 재킷을 활성화하여 반응 온도를 100℃까지 가열하였다. 4 시간 후에, 반응기 내용물을 실온까지 냉각시키고, 앞서의 실시예에서와 같이 여과에 의해 촉매를 제거하였다. 여과액은 무색인 것으로 관찰되었으며, 회전 증발기의 사용에 의해 농축시킨 후에, 점성의 수소화된 저부물 생성물의 APHA 색상은 (3 회 반복하여) 0인 것으로 결정되었다. 이들 염-함유 이소소르비드 저부물(원액)의 초기 APHA 색상은, 실시예 13의 이온-교환된 이소소르비드 저부물과 비교하여, 5000 초과였다.

Claims (10)

  1. 산 촉매의 존재 하에서 하나 이상의 헥시톨을 탈수시켜, 하나 이상의 이소헥시드를 포함하는 조 탈수 생성물 혼합물(crude dehydration product mixture)을 형성하는 단계;
    상기 조 탈수 생성물 혼합물을 추가 가공하여, 조 탈수 생성물 혼합물 내의 이소헥시드들 중 적어도 하나의 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 하나 이상의 유분(fraction)과 더 낮은 순도 또는 농도의 하나 이상의 유분을 분리해내는 단계; 및
    수소화를 수행하기에 효과적인 조건 하에서, 수소화 촉매의 존재 하에 수소 공급원과의 반응에 의해,
    a) 조 탈수 생성물 혼합물;
    b) 상기 조 탈수 생성물 혼합물에 대해 수행된 중화 단계 후의 중화된 조 탈수 생성물 혼합물;
    c) 상기 조 탈수 생성물 혼합물에 대해 수행된 중화 단계 후의 그리고 조 탈수 생성물 혼합물로부터 이온 화학종을 제거하기 위해 중화된 조 탈수 생성물 혼합물에 대해 수행된 추가의 단계 후의 생성물 혼합물;
    d) 더 높은 순도 또는 더 높은 농도의 유분; 및
    e) 더 낮은 순도 또는 농도의 유분
    중 적어도 하나를 수소화하는 단계;
    를 포함하는, 하나 이상의 이소헥시드의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 전체로서의 상기 조 탈수 생성물 혼합물은 적어도 6.9 MPa의 압력에 있는 수소를 사용하여 수소화되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조 탈수 생성물 혼합물은 그로부터 이온 화학종을 제거하기 위해 이온 교환 및 이온 배제 중 하나 또는 둘 모두를 거치고, 그 결과 얻어진 처리된 생성물 혼합물은 6.9 MPa 미만의 압력에 있는 수소를 사용하여 수소화되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조 탈수 생성물 혼합물은 4.1 MPa 미만의 압력에서 수소화되는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 추가 가공은 증류를 포함하고, 추가로 증류로부터의 저부물(bottom) 생성물이 수소화되는 방법.
  6. 산 촉매의 존재 하에서 소르비톨을 탈수하여 조 이소소르비드 생성물 혼합물을 형성하는 단계;
    적어도 6.9 MPa의 수소 압력에서, 수소화 촉매의 존재 하에 수소와의 반응에 의해 상기 조 이소소르비드 생성물 혼합물을 수소화하는 단계; 및
    상기 수소화된 조 이소소르비드 생성물 혼합물로부터 이소소르비드-농축 생성물을 얻는 단계;
    를 포함하는, 이소소르비드의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이소소르비드-농축 생성물을 얻는 단계는 박막 증류 또는 단경로 증류를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 동일하거나 상이한 수소화 촉매의 존재 하에서 수소와의 반응에 의해, 상기 수소화된 조 이소소르비드 생성물 혼합물의 잔존물(remainder) 또는 잔존물의 일부분을 수소화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 산 촉매의 존재 하에서 소르비톨을 탈수하여 조 이소소르비드 생성물 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 조 이소소르비드 생성물 혼합물을 하나 이상의 이온 교환 수지와 접촉시킴으로써, 이온 배제 수단을 통해, 또는 이온 교환과 이온 배제 수단의 조합을 통해 상기 조 이소소르비드 생성물 혼합물로부터 이온 화학종을 제거하는 단계;
    수소화 촉매의 존재 하에서 수소와의 반응에 의해, 상기 이온 화학종이 제거된 조 이소소르비드 생성물 혼합물을 수소화하는 단계; 및
    상기 수소화된 조 이소소르비드 생성물 혼합물로부터 이소소르비드-농축 생성물을 얻는 단계;
    를 포함하는, 이소소르비드의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수소화 반응에서의 수소 압력은 13.8 MPa을 초과하지 않는 방법.
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