KR102117340B1 - Method for producing 2,5-furan dicarboxylic acid using an alkali metal-azolide-based catalyst - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 이산화탄소를 이용한 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법을 제공한다. 더욱 상세하게는, 2-Furoic acid(FA) 및 트리아졸라이드를 포함하는 촉매를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물에 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계 및 상기 반응물을 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid using carbon dioxide. More specifically, a step of forming a mixture by mixing a catalyst comprising 2-Furoic acid (FA) and triazolide, injecting carbon dioxide into the mixture to produce a reactant, and stirring the reactant It provides a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid, characterized in that.
Description
본 발명은 알칼리금속-아졸라이드계 촉매를 이용한 2,5-퓨란디카르복실산의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소와 푸르푸랄을 무용매 조건에서 트리아졸라이드 촉매를 이용하여 2,5-퓨란디카르복실산을 직접 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid using an alkali metal-azolide-based catalyst, and more specifically, using carbon dioxide and furfural in a solvent-free condition using a triazolide catalyst 2, It relates to a method for directly producing 5-furandicarboxylic acid.
제2차 세계대전을 기점으로 공업적 생산 체계를 갖추게 되면서 다양한 수지를 기초로 하는 플라스틱들이 소비재로 대량 생산되기 시작하였다. 특히 1970년대 후반부터는 철강의 생산량을 넘어서서 최근에는 3억톤이 넘는 플라스틱이 전세계에서 생산되고 소비되고 있다. 그러나, 플라스틱은 석유 정제과정에서 나온 나프타를 이용하여 생산되는 것이므로 석유자원 고갈, 이산화탄소 배출이 문제되고 있으며, 일회용품의 주 재료로 사용되어 제품 사용 후 곧바로 폐기됨에 따라 다량의 플라스틱이 폐기되는데, 오랜기간 썩지 않아 매립이 어렵고 소각하는 경우 다이옥신을 비롯한 발암물질이 대기 상에 배출되어 환경 문제를 초래하고 있어 이에 대한 대체소재에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.As the industrial production system was established from the start of World War II, plastics based on various resins began to be mass-produced as consumer goods. In particular, from the late 1970s, more than 300 million tons of plastic has been produced and consumed worldwide, exceeding steel production. However, since plastic is produced using naphtha from the oil refining process, petroleum resource depletion and carbon dioxide emissions are a problem, and as it is used as a main material for disposable products, a large amount of plastic is discarded as it is disposed of immediately after product use. When it is difficult to reclaim because it does not rot, incineration substances such as dioxin are released into the atmosphere, causing environmental problems, and research on alternative materials for this is ongoing.
플라스틱의 대체제로서 과학자들은 식물 속 전분이나 셀루로오스를 이용하는 바이오 플라스틱 소재 개발에 전력을 다하고 있다. 특히, 바이오 플라스틱 소재 중에서도 각광받는 소재 중 하나가 2,5-푸란디카르복실산(FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid)을 기반으로 제조되는 플라스틱이다. As a substitute for plastics, scientists are working hard to develop bioplastic materials using plant starch or cellulose. In particular, one of the materials in the spotlight among bioplastic materials is a plastic manufactured based on 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA).
그러나, FDCA의 경우, 원료 확보 제한이 있는 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF: 5-hydroxylfurfural)을 귀금속 촉매 존재하에 공기나 순산소와 같이 폭발성이 있는 산화제를 사용하여 산화반응을 통하여 제조되는 것이 일반적이다. 그러나, 육탄당인HMF는 원료 공급에 어려움이 있어 대량생산이 어렵고, 산화반응을 거치게 되는 경우 폭발성이 높은 산화제를 사용해야만 한다는 점에서 안전의 위험이 있어 대규모로 FDCA를 제조하기는 어렵다는 문제점이 있다.However, in the case of FDCA, 5-hydroxylfurfural (HMF), which has a limitation in securing raw materials, is produced through an oxidation reaction using an explosive oxidizing agent such as air or pure oxygen in the presence of a precious metal catalyst. It is common. However, HMF, which is a hexahedral sugar, has a problem in that it is difficult to manufacture FDCA on a large scale because there is a difficulty in supplying raw materials, mass production is difficult, and when an oxidation reaction is performed, an explosive oxidizing agent must be used.
이와 관련하여, 미국등록특허 US 8,519,167(이하 인용문헌 1이라 함)의 경우, FDCA의 제조방법에 관한 것으로 HMF를 피드물질로 사용하여 FDCA를 제조하는 것으로 피드물질의 원료 확보 제한 특성상 대량생산이 어려울 뿐만 아니라 폭발의 위험이 있는 산화제를 사용하여 산화반응을 일으켜 제조한다는 점에서 여전히 FDCA의 제조에 있어서 문제점이 있음을 알 수 있다.In this regard, in the case of U.S. Patent No. 8,519,167 (hereinafter referred to as Cited Reference 1), it is related to a method of manufacturing FDCA and manufacturing FDCA using HMF as a feed material. In addition, it can be seen that there is still a problem in the production of FDCA in that it is produced by causing an oxidation reaction using an oxidizing agent having a risk of explosion.
또한, 비특허문헌1 내지 비특허문헌 2의 경우 furoic acid로부터 Furoic acid salt를 제조하고 이를 이산화탄소와 반응시켜 FDCA salt를 제조 후 이를 물과 함께 acidify 하여 FDCA를 제조하는 3단계 공정을 제시하고 있다.In addition, in the case of non-patent documents 1 to 2, non-patent documents 2 present a three-step process of preparing FDCA by preparing FDCA salt by preparing FDCA salt by furoic acid, reacting it with carbon dioxide, and acidifying it with water.
따라서, 육탄당인 HMF의 산화공정을 탈피하고 값싸고 풍부한 이산화탄소와 산업적으로 활용성이 높은 물질 오탄당 물질(퍼퓨랄)을 이용하여 FDCA salt를 단일 반응으로 제조할 수 있는 공정이 필요하다.Therefore, there is a need for a process capable of preparing the FDCA salt in a single reaction by avoiding the oxidation process of HMF, a hexose sugar, and using a cheap and abundant carbon dioxide and a pentasaccharide material (perfural), which is industrially useful.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알칼리금속-아졸라이드계 촉매를 이용한 2,5-퓨란디카르복실산의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid using an alkali metal-azole catalyst.
보다 구체적으로는, 육탄당인HMF의 산환공정을 탈피하고 산업적으로 활용성이 높은 오탄당의 대표물질인 퍼퓨랄을 산화시켜 얻은 furoic acid를 이산화탄소와 반응시켜 2,5-퓨란디카르복실산의 염 화합물 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA)을 대량으로 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.More specifically, the salt compound of 2,5-furandicarboxylic acid is reacted with carbon dioxide by reacting furoic acid obtained by oxidizing perfural, a representative material of pentasaccharide, which is industrially highly applicable, by avoiding the acid ring process of HMF, a hexahedral sugar. And 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA).
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs from the following description. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 알칼리금속-아졸라이드계 촉매를 이용한 2,5-퓨란디카르복실산의 제조방법을 제공한다. 이러한 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법은 2-Furoic acid(FA) 및 트리아졸라이드를 포함하는 촉매를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 혼합물에 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, one embodiment of the present invention provides a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid using an alkali metal-azole catalyst. The 2,5-furandicarboxylic acid manufacturing method comprises the steps of forming a mixture by mixing a catalyst comprising 2-Furoic acid (FA) and triazolide and injecting carbon dioxide into the mixture to produce a reactant. It may be characterized by including.
또한, 상기 혼합물을 형성하는 단계는 무용매 반응인 것을 특징으로 한다.In addition, the step of forming the mixture is characterized in that the solvent-free reaction.
또한, 상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 M트리아졸라이드 촉매인 것을 특징으로 하고, 상기 M트리아졸라이드의 M은 알칼리 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst comprising the triazolide is characterized in that it is an M triazolide catalyst, M of the M triazole is characterized in that it contains an alkali metal.
또한, 상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 Li[triazolide], Na[triazolide], K[triazolide], Rb[triazolide], Cs[triazolide], Cs[Benzotriazolide] 또는 Cs[Amino-triazolide]를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst comprising the triazolide includes Li [triazolide], Na [triazolide], K [triazolide], Rb [triazolide], Cs [triazolide], Cs [Benzotriazolide] or Cs [Amino-triazolide] It is characterized by.
또한, 상기 혼합물을 형성하는 단계에서의 반응온도는 100℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the reaction temperature in the step of forming the mixture is characterized in that it is 100 ℃ to 300 ℃.
또한, 상기 2-Furoic acid(FA)는 촉매를 1mmol 기준으로 0.5mmol 내지 0.7mmol인 것을 특징으로 한다.In addition, the 2-Furoic acid (FA) is characterized in that the catalyst is 0.5mmol to 0.7mmol based on 1mmol.
또한, 상기 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계는In addition, the step of injecting the carbon dioxide to produce a reactant
상기 혼합물에 제1압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계, 상기 제1압력으로 이산화탄소를 주입된 혼합물을 교반하는 단계 및 상기 교반된 혼합물에 제2압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And injecting carbon dioxide into the mixture at a first pressure, agitating the mixture injecting carbon dioxide at the first pressure, and injecting carbon dioxide at a second pressure into the stirred mixture.
또한, 상기 제1압력은 10psi 내지 90psi 인 것을 특징으로 하고, 제2압력은 200psi내지 600psi인 것을 특징으로 한다.In addition, the first pressure is characterized in that 10psi to 90psi, the second pressure is characterized in that 200psi to 600psi.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 5탄당물질과 이산화탄소로부터 2,5-퓨란디카르복실산을 합성하는데 사용되며, M트리아졸라이드를 포함한 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is used to synthesize 2,5-furandicarboxylic acid from 5 carbonaceous substances and carbon dioxide, and 2,5- characterized in that it contains M triazolide. Provided is a catalyst for producing furandicarboxylic acid.
본 발명의 실시예에 따르면, 2-Furoic acid 및 이산화탄소를 단일용기 내에서 간단한 공정으로 직접반응하여 높은 수율의 2,5-퓨란디카르복실산을 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, 2-Furoic acid and carbon dioxide can be directly reacted in a simple process in a single container to produce a high yield of 2,5-furandicarboxylic acid.
또한, 값싸고 풍부한 이산화탄소 및 대량생산 중인 퍼퓨랄을 산화시켜 얻은 2-Furoic acid과 같은 물질을 원료로 사용하여 2,5-퓨란디카르복실산의 염 화합물 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA)을 제조하므로, 제조비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.In addition, salt compounds of 2,5-furandicarboxylic acid and 2,5-furandicarboxylic acid are used as raw materials using inexpensive and abundant carbon dioxide and 2-Furoic acid obtained by oxidizing perfural during mass production. Since (FDCA) is manufactured, an effect of reducing manufacturing cost can be obtained.
또한, 유독한 반응물을 사용하지 않고 친환경적 및 대량으로 제조할 수 있는 이점을 얻을 수 있다.In addition, it is possible to obtain an advantage that can be manufactured in an environmentally friendly and large quantity without using a toxic reactant.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 2,5-퓨란디카르복실산의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 Cs[Triazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.
도 3은 Cs[Amino-Triazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.
도 4는 Cs[BenzoTriazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.1 is a flow chart showing a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid.
Figure 2 is a structural formula showing a Cs [Triazolide] catalyst.
Figure 3 is a structural formula showing a Cs [Amino-Triazolide] catalyst.
4 is a structural formula showing a Cs [BenzoTriazolide] catalyst.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding other components, unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 2,5-퓨란디카르복실산의 제조방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flow chart showing a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid.
도 1을 참조하면, 본 발명의 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)제조방법은 2-Furoic acid(FA) 및 트리아졸라이드를 포함하는 촉매를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S100) 및 상기 혼합물에 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 1, the method for preparing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) of the present invention is a mixture by mixing a catalyst containing 2-Furoic acid (FA) and triazolide It may be characterized in that it comprises the step of forming (S100) and injecting carbon dioxide into the mixture to generate a reactant (S200).
먼저, 2-Furoic acid(FA) 및 트리아졸라이드를 포함하는 촉매를 혼합하여 혼합물을 형성한다(S100).First, a mixture containing 2-Furoic acid (FA) and triazolide is mixed to form a mixture (S100).
상기 혼합물을 형성하는 단계는 무용매 반응인 것을 특징으로 할 수 있다.The step of forming the mixture may be characterized by a solvent-free reaction.
상기 2-Furoic acid(FA) 는 산업적으로 활용성이 높은 오탄당의 대표물질인 퍼퓨랄을 산화시켜 얻을 수 있다.The 2-Furoic acid (FA) can be obtained by oxidizing perfural, a representative material of pentose sugar having high industrial utility.
또한, 상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 M트리아졸라이드 촉매인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the catalyst comprising the triazolide may be characterized in that it is an M triazolide catalyst.
상기 M트리아졸라이드의 M은 알칼리 금속을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 예를 들어, 상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 Li[triazolide], Na[triazolide], K[triazolide], Rb[triazolide], Cs[triazolide], Cs[Benzotriazolide] 또는 Cs[Amino-triazolide]를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.M of the M triazole may be characterized in that it contains an alkali metal, for example, the catalyst comprising the triazole is Li [triazolide], Na [triazolide], K [triazolide], Rb [ triazolide], Cs [triazolide], Cs [Benzotriazolide] or Cs [Amino-triazolide].
예를 들어, 상기 트리아졸라이드를 포함한 촉매는 하기 [화학식 1]의 Cs[triazolide] 촉매를 포함할 수 있다.For example, the catalyst including triazole may include a Cs [triazolide] catalyst of the following [Formula 1].
[화학식 1][Formula 1]
또한, 상기 혼합물을 형성하는 단계에서의 반응온도는 100℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the reaction temperature in the step of forming the mixture may be characterized in that it is 100 ℃ to 300 ℃.
상기 반응온도가 100℃ 내지 300℃일 경우 최적의 반응 온도 이며 이를 벗어날 경우 촉매의 반응성이 떨어 질 수 있다.When the reaction temperature is 100 ° C to 300 ° C, it is an optimal reaction temperature, and if it deviates, the reactivity of the catalyst may decrease.
또한, 상기 2-Furoic acid(FA)는 촉매를 1mmol 기준으로 0.5mmol 내지 0.7mmol인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the 2-Furoic acid (FA) may be characterized in that the catalyst is 0.5mmol to 0.7mmol based on 1mmol.
상기 메탄올 및 염기가 촉매를 1mmol기준으로 했을 때 0.5mmol 미만 또는 0.7mmol초과이면 FA전활율 또는 FDCA수율이 떨어질 수 있다.When the methanol and base are catalysts based on 1 mmol, if the catalyst is less than 0.5 mmol or exceeds 0.7 mmol, FA activation rate or FDCA yield may drop.
그 다음에, 상기 혼합물에 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성한다(S200).Then, carbon dioxide is injected into the mixture to generate a reactant (S200).
상기 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계는, 제1압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계 및 제2압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The step of injecting the carbon dioxide to generate a reactant may include injecting carbon dioxide at a first pressure and injecting carbon dioxide at a second pressure.
예를 들어, 상기 제1압력은 10psi 내지 90psi 인 것을 특징으로 하고, 제2압력은 200psi내지 600psi인 것을 특징으로 할 수 있다.For example, the first pressure is characterized in that 10psi to 90psi, the second pressure may be characterized in that 200psi to 600psi.
상기 제1 반응압력이 10psi 미만일 경우 FDCA수율이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 90psi초과할 경우 부산물로 형성되는 물에 의해 생성물인 FDCA의 가수분해 반응이 우세해 지면서 FDCA수율이 저하되는 문제점이 있을 수 있어 바람지하지 않을 수 있다.When the first reaction pressure is less than 10 psi, there may be a problem that the FDCA yield is lowered, and when it exceeds 90 psi, there is a problem that the FDCA yield is lowered as the hydrolysis reaction of the product FDCA becomes dominant by water formed as a by-product. You can not be windy.
또한, 상기 제2 반응압력이 200psi 미만일 경우 수율이 감소할 수 있고, 600psi초과할 경우 불필요한 압력으로 수율 향상을 기대할 수 없다.In addition, when the second reaction pressure is less than 200 psi, the yield may decrease, and when it exceeds 600 psi, yield improvement cannot be expected with unnecessary pressure.
또한, 상기 2,5-퓨란디카르복실산을 제조하는 방법의 반응시간은 24시간 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the reaction time of the method for preparing the 2,5-furandicarboxylic acid may be characterized in that it is 24 hours or more.
상기 반응시간이 24시간을 초과하고, 길어질수록 DMC의 수율이 증가할 수 있다.The reaction time exceeds 24 hours, the longer the DMC yield may increase.
예를 들어, 반응시간이 12시간일 경우 FA전환율55.2%, FDCA수율16.8%일 수 있고, 반응시간이 24시간일 경우 FA의 전환율은 52.6%, FDCA의 수율은 42.1%로 반응시간이 길어질수록 FDCA수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.For example, if the reaction time is 12 hours, the FA conversion rate may be 55.2%, the FDCA yield may be 16.8%, and when the reaction time is 24 hours, the conversion rate of FA is 52.6%, and the yield of FDCA is 42.1%. It can be seen that the FDCA yield increased.
또한, 상기 교반하는 단계에서 교반속도는 300rpm 내지1000rpm인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the stirring speed in the stirring step may be characterized in that it is 300rpm to 1000rpm.
또한, 상기 서술된 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법으로 높은 수율의 2,5-퓨란디카르복실산를 제조할 수 있다.In addition, the 2,5-furandicarboxylic acid production method described above can produce a high yield of 2,5-furandicarboxylic acid.
또한, 5탄당물질과 이산화탄소로부터 2,5-퓨란디카르복실산을 합성하는데 사용되며, M트리아졸라이드를 포함한 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조용 촉매를 제공할 수 있다.In addition, it is used to synthesize 2,5-furandicarboxylic acid from pentasaccharide and carbon dioxide, and can provide a catalyst for producing 2,5-furandicarboxylic acid, which comprises M triazole.
상기 촉매를 이용하면 유독한 반응물을 사용하지 않고 에너지, 비용 및 시간을 절약하는 공정을 제공할 수 있다.The use of the catalyst can provide a process that saves energy, cost and time without using toxic reactants.
따라서, 상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매에 의해 2-Furoic acid(FA)와 이산화탄소가 반응하여 단일용기 내에서 간단하게 2,5-퓨란디카르복실산이 제조될 수 있다. Therefore, 2-Furoic acid (FA) and carbon dioxide react with the catalyst containing the triazole fluoride to easily produce 2,5-furandicarboxylic acid in a single container.
이러한 본 발명의 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법은 종래방법의 원료 확보 제한이 있고, 육탄당인 5-하이드록시메틸푸르푸랄(HMF: 5-hydroxylfurfural)을 귀금속 촉매 존재하에 공기나 순산소와 같이 폭발성이 있는 산화제를 사용하여 산화반응을 통하여 제조되었던 방법에서 산환공정을 탈피하고 산업적으로 활용성이 높은 오탄당의 대표물질인 퍼퓨랄을 산화시켜 얻은 2-Furoic acid(FA)를 이산화탄소와 반응시켜 2,5-퓨란디카르복실산의 염 화합물 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA)를 제조할 수 있는 기술을 제공한다.The method for producing 2,5-furandicarboxylic acid of the present invention is limited in securing raw materials in the conventional method, and the hexahedral 5-hydroxymethylfurfural (HMF: 5-hydroxylfurfural) is present in the presence of a precious metal catalyst in the air or pure oxygen. In the method that was produced through an oxidation reaction using an explosive oxidizing agent as described above, the acid exchange process is avoided and 2-Furoic acid (FA) obtained by oxidizing perfural, a representative material of industrially useful pentose, is reacted with carbon dioxide. It provides a technique for preparing a salt compound of 2,5-furandicarboxylic acid and 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA).
또한, 5탄당인 퍼퓨랄을 산화시켜 얻은 2-Furoic acid(FA)과 이산화탄소를 사용함으로 지속 가능한 원료를 사용하고 무용매 조건에서 반응시켜 종래에 2단계 이상 공정을 단축하였다.In addition, by using 2-Furoic acid (FA) and carbon dioxide obtained by oxidizing the five-carbon perfural, a sustainable raw material is used and reacted in a solvent-free condition to shorten the process of two or more steps in the prior art.
따라서, 단일용기내 직접반응으로 종래보다 더 간단한 공정으로 2,5-퓨란디카르복실산의 염 화합물 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA)을 대량으로 제공할 수 있다. Therefore, it is possible to provide a large amount of 2,5-furandicarboxylic acid salt compound and 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) in a simpler process than in the prior art by direct reaction in a single container.
도 2는 Cs[Triazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.Figure 2 is a structural formula showing a Cs [Triazolide] catalyst.
도 3은 Cs[Amino-Triazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.Figure 3 is a structural formula showing a Cs [Amino-Triazolide] catalyst.
도 4는 Cs[BenzoTriazolide] 촉매를 나타낸 구조식 이다.4 is a structural formula showing a Cs [BenzoTriazolide] catalyst.
상기 도2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 트리아졸라이드를 포함하는 촉매의 구조식일 수 있다.2 to 4, it may be a structural formula of a catalyst comprising the triazole hydride of the present invention.
제조예 1Preparation Example 1
1) 자기 교반기 및 전기히터가 장착된 고압의 스테인리스 스틸 반응기 100m에 2-Furoic acid(FA) 5mmol 및 Cs[Triazolide]촉매 8mmol을 무용매에 혼합하여 혼합물을 제조했다.1) A mixture was prepared by mixing 5 mmol of 2-Furoic acid (FA) and 8 mmol of Cs [Triazolide] catalyst in a solvent-free 100 m high pressure stainless steel reactor equipped with a magnetic stirrer and an electric heater.
2) 혼합물에 80psi 압력으로 이산화탄소를 반응기로 퍼지하였다.2) The mixture was purged of carbon dioxide into the reactor at 80 psi pressure.
3) 혼합물로부터 대기를 3회 배기시켰다.3) The atmosphere was evacuated three times from the mixture.
4) 500rpm 으로 교반하며, 200℃온도까지 가열하고 이산화탄소 압력을 300psi로 상승시켰다.4) Stirred at 500 rpm, heated to 200 ° C. temperature, and raised the carbon dioxide pressure to 300 psi.
5) 이산화탄소 압력을 300psi으로 유지하면서 24시간동안 반응시켜 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid) 및 FDCA salt를 제조했다.5) 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) and FDCA salt were prepared by reacting for 24 hours while maintaining the carbon dioxide pressure at 300 psi.
6) 반응이 종결된 후 상온이 될 때까지 기다리고 생성 혼합물을 바이알로 옮겨 GD-FID로 FA의 전환율과 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 계산하였다.6) After the reaction was completed, wait until it was at room temperature, and the resulting mixture was transferred to a vial to calculate the conversion of FA to GD-FID and the yield of furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid).
또한, 상기 제조예1 6)의 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율 계산법은 하기 수학식 일수 있다.In addition, the yield calculation method of the furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) of Preparation Example 1 6) may be the following equation.
[수학식][Mathematics]
예를 들어, 이론적 치환 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid) 생성몰수 예측값과 제조예1을 통해 생성된 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 몰수를 대입하여 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 확인 할 수 있다.For example, the theoretically substituted furan dicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) predicted number of moles and the number of furan dicarboxylic acids (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) produced through Preparation Example 1 By substitution, the yield of furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) can be confirmed.
[반응식][Reaction formula]
상기 반응식은 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid) salt를 제조하는 과정을 나타낸 반응식이다.The reaction scheme is a reaction scheme showing a process for preparing a salt of furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid).
상기 반응식을 참조하면, Cs[Triazolide] 촉매(Catalyst) 및 2-Furoic acid(FA)를 무용매 반응으로 혼합하여 혼합물을 제조하고 상기 혼합물에 CO2를 주입하면 상기 촉매 및 염기에 의해 2-Furoic acid(FA)와 이산화탄소가 반응하여 단일용기 내에서 간단하게 FDCA 및 퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid) salt가 제조될 수 있다.Referring to the above reaction formula, Cs [Triazolide] catalyst (Catalyst) and 2-Furoic acid (FA) are mixed in a solventless reaction to prepare a mixture, and when CO 2 is injected into the mixture, 2-Furoic by the catalyst and base The reaction between acid (FA) and carbon dioxide allows simple FDCA and furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) salt preparation in a single container.
또한, 상기 반응식의 M 은Cs, K, Na일 수 있다.In addition, M of the reaction formula may be Cs, K, Na.
제조예 2Preparation Example 2
1) Cs[Triazolide]촉매 대신에 Cs2CO3 시약을 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 수행하여FDCA 및 FDCA salt를 제조하였다.1) FDCA and FDCA salt were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that a Cs 2 CO 3 reagent was used instead of the Cs [Triazolide] catalyst.
제조예3Preparation Example 3
1) Cs[Triazolide]촉매 대신에 Amino-triazolide 촉매를 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 수행하여 FDCA 및 FDCA salt를 제조하였다.1) FDCA and FDCA salt were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that an Amino-triazolide catalyst was used instead of the Cs [Triazolide] catalyst.
제조예4Preparation Example 4
1) Cs[Triazolide]촉매 대신에 Benzotriazolide촉매를 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 수행하여 FDCA 및 FDCA salt를 제조하였다.1) FDCA and FDCA salt were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that a Benzotriazolide catalyst was used instead of the Cs [Triazolide] catalyst.
제조예5Preparation Example 5
1) Cs[Triazolide]촉매 대신에 formate를 사용한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 수행하여 FDCA 및 FDCA salt를 제조하였다.1) FDCA and FDCA salt were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that formate was used instead of the Cs [Triazolide] catalyst.
이하 [표 1] 내지 [표 3]은 제조예의 반응조건을 달리하여 2-Furoic acid(FA) 의 전환율 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 비교한 표이다.Hereinafter, [Table 1] to [Table 3] show the conversion rate of 2-Furoic acid (FA) and the yield of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) by varying the reaction conditions of the preparation examples. It is a comparison table.
또한, [표 1] 내지 [표 3]의 C는 전환율 Y는 수율을 나타낸다.In addition, C of [Table 1] to [Table 3] represents the conversion rate Y and the yield.
표 1은 촉매에 따른 2-Furoic acid(FA) 의 전환율 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 비교표이다.Table 1 is a comparison table of the conversion of 2-Furoic acid (FA) and the yield of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) according to the catalyst.
(%)C FA ,
(%)
(%)Y FDCA salt ,
(%)
상기 표 1을 참조하면, 같은 반응조건 (FA 5 mmol, 촉매 8 mmol, 반응 온도 200 ℃, 반응 압력 300 psi, 반응 시간 12 시간) 하에서 실험한 제조예 1내지 제조예5를 비교하면 제조예3의 FDCA수율이 22.4%로 가장 높은 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, Comparative Example 1 to Preparation Example 5 were tested under the same reaction conditions (FA 5 mmol, catalyst 8 mmol, reaction temperature 200 ° C., reaction pressure 300 psi, reaction time 12 hours), and Preparation Example 3 It can be seen that the FDCA yield of is the highest with 22.4%.
표 2는 반응시간에 따른 2-Furoic acid(FA) 의 전환율 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 비교표이다.Table 2 is a comparison table of the conversion of 2-Furoic acid (FA) and the yield of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) according to the reaction time.
(h)Reaction time
(h)
(%)C FA ,
(%)
(%)Y FDCA salt ,
(%)
상기 표 2를 참조하면, 반응시간 외에 동일한 조건하에서 FDCA를 제조했을 때 24시간 반응에서 FA의 전환율은 12시간 반응과 큰 차이가 없었지만, FDCA전환율을 보면 42.1%로 수율이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, when the FDCA was prepared under the same conditions other than the reaction time, the conversion rate of FA in the 24-hour reaction was not significantly different from that of the 12-hour reaction. have.
따라서, 반응시간이 길어질수록 FDCA 수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the longer the reaction time, the higher the FDCA yield.
표 3은 반응압력에 따른 2-Furoic acid(FA) 의 전환율 및 2,5-퓨란디카르복실산(FDCA:2,5-furandicarboxylic acid)의 수율을 비교표이다.Table 3 is a comparison table of the conversion of 2-Furoic acid (FA) and the yield of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA: 2,5-furandicarboxylic acid) according to the reaction pressure.
(psi)Reaction pressure
(psi)
(%)C FA ,
(%)
(%)Y FDCA salt ,
(%)
상기 표 3을 참조하면, 반응압력 외에 동일한 조건 하에서 FDCA를 제조했을 때 반응압력이 800psi일 때, FA의 전환율 54.8%, FDCA수율 44.6%로 반응압력 300psi 일 때와 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 3, when the FDCA was prepared under the same conditions in addition to the reaction pressure, when the reaction pressure was 800 psi, the conversion rate of FA was 54.8%, and the FDCA yield was 44.6%. have.
따라서, 반응압력의 크기가 300psi이상일 경우 FDCA수율에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다.Therefore, when the size of the reaction pressure is 300 psi or more, it may not have a significant effect on the FDCA yield.
본 발명의 실시예에 따르면, 2-Furoic acid 및 이산화탄소를 단일용기 내에서 간단한 공정으로 직접반응하여 높은수율의 2,5-퓨란디카르복실산을 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, 2-Furoic acid and carbon dioxide can be directly reacted in a simple process in a single container to produce a high yield of 2,5-furandicarboxylic acid.
또한, 값싸고 풍부한 이산화탄소 및 대량생산 중인 오탄당의 대표물질 퍼퓨랄을 산화시켜 얻은2-Furoic acid과 같은 물질을 원료로 사용하여 2,5-퓨란디카르복실산을 제조하므로, 제조비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.In addition, 2,5-furandicarboxylic acid is produced using materials such as 2-Furoic acid obtained by oxidizing perfural, a representative material of cheap and abundant carbon dioxide and pentose in mass production, thereby reducing manufacturing cost. Can get
또한, 유독한 반응물을 사용하지 않고 친환경적 및 대량으로 제조할 수 있는 이점을 얻을 수 있다.In addition, it is possible to obtain an advantage that can be manufactured in an environmentally friendly and large quantity without using a toxic reactant.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.
Claims (9)
상기 혼합물에 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계;를 포함하고,
상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 M트리아졸라이드 촉매이고, 상기 M트리아졸라이드의 M은 알칼리 금속인 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.Forming a mixture by mixing a catalyst comprising 2-Furoic acid (FA) and triazolide; And
Including the step of injecting carbon dioxide into the mixture to produce a reactant;
2,5-furandicarboxylic acid production method characterized in that the catalyst comprising the triazolide is an M triazolide catalyst, and M of the M triazole is an alkali metal.
상기 혼합물을 형성하는 단계는 무용매 반응인 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.According to claim 1,
The step of forming the mixture is a 2,5-furandicarboxylic acid production method, characterized in that the solvent-free reaction.
상기 트리아졸라이드를 포함하는 촉매는 Li[triazolide], Na[triazolide], K[triazolide], Rb[triazolide], Cs[triazolide], Cs[Benzotriazolide] 또는 Cs[Amino-triazolide]를 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.According to claim 1,
The catalyst comprising the triazolide is characterized by including Li [triazolide], Na [triazolide], K [triazolide], Rb [triazolide], Cs [triazolide], Cs [Benzotriazolide] or Cs [Amino-triazolide] 2,5-furandicarboxylic acid production method.
상기 혼합물을 형성하는 단계에서의 반응온도는 100℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.According to claim 1,
2,5-furandicarboxylic acid production method characterized in that the reaction temperature in the step of forming the mixture is 100 ℃ to 300 ℃.
상기 2-Furoic acid(FA)는 촉매를 1mmol 기준으로 0.5mmol 내지 0.7mmol인 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.According to claim 1,
The 2-Furoic acid (FA) is a 2,5-furandicarboxylic acid production method characterized in that the catalyst is 0.5mmol to 0.7mmol based on 1mmol.
상기 이산화탄소를 주입하여 반응물을 생성하는 단계는
상기 혼합물에 제1압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계;
상기 제1압력으로 이산화탄소를 주입된 혼합물을 교반하는 단계; 및
상기 교반된 혼합물에 제2압력으로 이산화탄소를 주입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.According to claim 1,
The step of injecting the carbon dioxide to produce a reactant
Injecting carbon dioxide into the mixture at a first pressure;
Stirring the mixture injected with carbon dioxide at the first pressure; And
Injecting carbon dioxide into the stirred mixture at a second pressure; 2,5-furandicarboxylic acid production method characterized in that it comprises a.
상기 제1압력은 10psi 내지 90psi 인 것을 특징으로 하고, 제2압력은 200psi내지 600psi인 것을 특징으로 하는 2,5-퓨란디카르복실산 제조방법.The method of claim 7,
The first pressure is characterized in that 10psi to 90psi, the second pressure is 2,5-furandicarboxylic acid production method characterized in that 200psi to 600psi.
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