KR102280247B1 - 공비증류를 이용한 무수당 알코올의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상압에서 물과 공비를 형성하는 비점 차가 큰 2가지 이상의 성분을 포함하는 용매를 이용한 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것이다.본 발명에 따른 무수당 알코올의 제조방법은 상압에서 물과 공비를 형성하는 비점 차가 큰 2가지 이상의 성분을 포함하는 용매를 사용하여 반응온도를 효율적으로 조절함으로써 무수당 알코올의 수율을 증가시킬 수 있다.

Description

공비증류를 이용한 무수당 알코올의 제조방법{Method of Preparing Anhydrosugar Alcohols by Azeotropic Distillation}
본 발명은 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상압에서 물과 공비를 형성하는 비점 차가 큰 2가지 이상의 성분을 포함하는 용매를 이용한 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것이다.
세계적인 에너지 수요 증가와 함께 전통적인 에너지원의 고갈로 인하여 현재 대체 에너지 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다. 이 중에서도 바이오매스는 크게 주목을 받고 있는 재생이 가능한 양적 생물자원이다.
바이오매스 기반 산업원료 중에서 솔비톨(sorbitol, C6H14O6)을 무수화(dehydration)시켜 제조하는 아이소소바이드(isosorbide, C6H10O4)는 비스페놀 에이(BPA, Bisphenol A)를 대체하는 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 에폭시용 단량체 또는 친환경 가소제의 원료 등의 친환경 재료로서 각광 받고 있다. 즉, 아이소소바이드는 솔비톨의 간단한 탈수화 공정을 통하여 얻을 수 있는 물질로, 기존에 사용되던 고분자 제품들을 대체할 수 있는 차세대 고성능, 친환경 소재의 합성에 필요한 단량체로 주목 받고 있고, 현재까지 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 친환경 원료를 사용하게 되면 석유화학계열의 원료보다 물성이 좋지 못한 것에 반하여, 아이소소바이드는 친환경적이면서도 기존 석유화학계열의 원료보다 우수한 특성을 보인다는 장점이 있다. 또한, 아이소소바이드는 플라스틱을 좀 더 강하고 질기게 만들 수 있는 첨가제도 사용될 수 있으며, 질산염과 결합된 아이소소바이드는 심장질환 치료제로 이용되기도 한다.
바이오매스에서 전처리 과정을 거친 D-글루코즈(D-glucose)를 촉매 하에서 수소화(hydrogenation)시키면 솔비톨이 생성된다. 이 솔비톨을 이중 무수화(double dehydration)시켜 아이소소바이드(isosorbide)를 생성한다. 이 고리화 반응은 온도, 압력, 용매, 촉매 등 여러 가지 반응 조건의 영향을 받는다.
진공반응 또는 공비용매를 이용하여 물을 제거하는 기술이 주로 알려져 있다. 진공으로 제거하는 반응에 관한 기술로는 미국등록특허 제7,649,099호에 2개의 반응기를 사용하여 제1 반응기에 이질상(heterogeneous) 고체산 촉매를 투입하고 제2 반응기에는 동질상 촉매를 투입하여 진공 조건에서 반응온도를 조절하여 아이소소바이드를 제조하는 공정이 개시되어 있다. 상기 특허는 2개의 반응기를 사용하는 등 진공반응공정 투자비가 많이 드는 단점이 있다. 또한, 공비용매를 사용하는 기술은 미국등록특허 제6,639,067호에 개시되어 있다. 산 촉매와 유기용매의 존재하에서 탈수에 의하여 무수당 알코올을 제조한 뒤, 공비 증류에 의하여 분리하는 공정으로서, 단일 공비용매를 사용하므로 반응온도를 조절하기 어렵고, 사용된 용매의 비점에 따라 반응온도가 결정되는 단점이 있다.
따라서 단일 공비용매를 사용하는 방법과 달리 보다 효율적으로 반응온도를 조절할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 솔비톨을 아이소소바이드로 제조하는 공정에서 물과 공비를 형성하는 비점 차가 큰 2가지 이상의 성분을 포함하는 용매를 사용할 경우 반응온도를 효율적으로 조절할 수 있고, 아이소소바이드의 수율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 당 알코올을 무수당 알코올로 탈수시키는 상압 반응에 있어서, 2 이상의 공비용매를 이용하여 무수당 알코올의 수율을 증가시킬 수 있는 무수당 알코올의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 무수당 알코올의 제조방법을 제공한다:
(a) 물과 공비를 형성하는 제1용매 및 제2용매; 및 산촉매의 존재하에 제1용매와 제2용매의 혼합용매가 환류(reflux)되는 온도로 가열하여 당알코올을 탈수시키는 단계; 및
(b) 용매의 일부를 증류제거한 다음, 약 120~180℃에서 추가로 반응시키되, 반응 중 생성되는 물과 기화된 용매를 액화시켜 물을 제거하고 용매를 분리하는 단계.
본 발명에 따른 무수당 알코올의 제조방법은 무수당 알코올의 수율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 1개의 반응기만을 사용하여 반응온도의 효율적인 조절이 가능하고, 상압에서 물을 제거하는 반응공정이므로, 투자비를 절감할 수 있다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에 따른 공비증류 용매를 사용하여 생성된 물을 제거하는 방법은 기존 기술과 달리 비점 차가 큰 2가지 성분 이상의 용매(물과 공비)를 사용하므로 단일용매를 사용하는 방법과는 달리 반응온도를 효율적으로 조절할 수 있으며, 공비증류용매 반응공정에서 아이소소바이드의 수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 2단의 반응기를 사용하는 기존 기술과 달리 1개의 반응기만을 사용하여도 효율적인 온도 조절이 가능하고 상압에서 물을 제거하는 공정이므로 투자비를 절감시킬 수 있었다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서,다음의 단계를 포함하는 무수당 알코올의 제조방법에 관한 것이다:
(a) 물과 공비를 형성하는 제1용매 및 제2용매; 및 산촉매의 존재하에 제1용매와 제2용매의 혼합용매가 환류(reflux)되는 온도로 가열하여 당알코올을 탈수시키는 단계; 및
(b) 용매의 일부를 증류 제거한 다음, 약 120~180℃에서 추가로 반응시키되, 반응 중 생성되는 물과 기화된 용매를 액화시켜 물을 제거하고 용매를 분리하는 단계.
상기 (a) 단계에서 액화시키면 유기/수층으로 층분리되므로 물은 제거하고 용매는 다시 반응기로 투입시키면서 반응할 수 있으며, 또한, 상기 (b) 단계에서도 액화시키면 유기/수층으로 층분리되므로 물은 제거하고 용매는 다시 반응기로 투입시키면서 반응할 수 있다. 즉, (a) 단계 및 (b) 단계 모두 환류(reflux)시키면서 반응하고(반응온도는 다름), 기화된 물과 용매는 액화시켜 분리하여 물은 제거하고 용매만 반응기에 재투입하는 방법이다.
본 발명에서 (c) 상기 (b) 단계에서 수득된 반응물을 중화시킨 다음, 감압조건에서 증류하여 물과 용매를 제거하고, 무수당 알코올을 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 반응 중 생성되는 물과 기화된 용매는 액화시켜 물을 제거한 다음 용매는 다시 반응기로 회수하여 (a) 단계에서 재사용할 수 있다.
상기 무수당 알코올을 회수하는 단계에서, 중화 후 용액은 유기용매층과 수층으로 층분리되므로 유기층은 반응기로 재사용하고, 수층만 증류하여 무수당 알코올을 회수할 수도 있다.
상기 (b) 단계의 반응온도는 약 120℃~180℃일 수 있으며, 바람직하게는 125℃~160℃일 수 있다. 반응온도가 120℃ 미만일 경우, 반응 속도가 매우 느린 문제점이 있으며,180℃를 초과할 경우 폴리머 또는 코크 등의 부반응물의 생성이 증가하는 문제점이 있다.
상기 제1용매의 끓는점이 상기 제2용매의 끓는점보다 낮은 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 제1용매는 끓는점이 약 60℃~120℃인 탄화수소로서, 헥산(hexane), 헵탄(heptanes), 시클로헥산(cyclohexane), 이소옥탄(iso-octane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2용매는 끓는점은 약 130℃~180℃인 탄화수소인 탄화수소로서, 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene), 큐멘(cumene) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1용매와 제2용매로 사용될 수 있는 용매의 끓는점을 정리하면 표 1과 같다.
제1용매 끓는점(℃) 제2용매 끓는점(℃)
헥산 69 에틸벤젠 136.2
헵탄 79~98 자일렌 144
사이클로헥산 80.7 큐멘 152
이소옥탄 99.1~99.5
벤젠 80.1
톨루엔 110.8
본 발명에서 사용되는 제1용매의 첨가량은 당 알코올 100중량부에 대하여 5~500중량부를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 10~200중량부일 수 있다. 용매의 첨가량이 5중량부 미만일 때는 반응 중 생성된물 제거 효율이 낮아 반응속도가 느린 문제점이 있고, 500중량부를 초과할 때는 용매의 부피가 많아 반응기 효율을 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있다.
본 발명에서 사용되는 제2용매의 첨가량은 당 알코올 100중량부에 대하여 5~500중량부를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 10~300중량부일 수 있다. 용매의 첨가량이 5중량부 미만일 때는 반응 중 생성된물 제거가 효율이 낮아 반응속도가 느린 문제점이 있고, 500중량부를 초과할 때는 용매부피가 많아 반응기 효율을 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있다.
제1용매 또는 제2용매를 혼합물로 사용할 경우, 혼합물의 비율은 1:10~10:1일 수 있으며, 제1용매 및 제2용매에 제3용매를 추가로 첨가하여 반응온도를 보다 더 효율적으로 조절할 수 있다. 제3용매는 제1용매 끓는점과 제2용매의 끓는점 사이이거나 제2용매와 끓는점이 유사하거나 높은 용매를 사용할 수 있으며, 그 실례로는 노말옥탄(n-octane), 프로필벤젠(propylbenzene), 트리메틸벤젠(trimethylbenzene), 에틸톨루엔(ethyltoluene), 부틸벤젠(butyl benzene), 이소부틸벤젠(isobutylbenzene), 노난(nonane), 데칸(decane) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합용매의 1차 환류되는 온도는 약 90℃~130℃일 수 있으며, 바람직하게는 100~125℃일 수 있다. 반응온도가 90℃ 미만일 경우, 반응 속도가 매우 느린 문제점이 있으며, 130℃를 초과할 경우 반응 선택도가 떨어져 수율이 낮은 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 당 알코올은 헥시톨일 수 있으며, 솔비톨, 만니톨 및 이디톨로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 솔비톨이며, 상기 무수당 알코올은 아이소소바이드, 아이소만니드, 아이소이디드 등일 수 있으며, 바람직하게는 아이소소바이드이다.
또한, 본 발명에 따른 무수당 알코올의 제조방법은 상기 무수당 알코올을 제조한 후에 생성물의 분리 및/또는 정제 공정을 더 포함할 수 있다. 생성물의 분리, 정제 공정으로는 증류, 결정화, 흡착 공정 등을 단독 또는 2이상 조합하여 사용할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
솔비톨 70g과 헵탄 45g, 자일렌 51g, H2SO4 0.7g을 250cc 반응기에 투입 및 교반하면서 혼합용매가 환류되는 온도(110℃)로 가열하여 1시간 동안 반응시킨 다음, 용매 일부를 증류 제거하여 반응온도가 132~135℃가 되도록 조절하여 2시간 30분 동안 추가 반응을 진행하였다. 반응 중 생성되는 물과 기화된 용매는 Dean Stark 칼럼에서 액화시켜, 물을 제거한 다음 용매는 다시 반응기로 회수하였다. 반응 종류 후 NaOH 수용액으로 중화시킨 다음, 감압 조건에서 1차 증류하여 물과 반응용매를 제거한 다음, 10mmHg으로 160℃~230℃ 조건에서 증류하여 생성물을 회수하였다.
반응이 종료된 후 반응 생성물을 물로 20배 희석하여 고성능 액체크로마토그래피(HPLC, Algilent사 제품, Carbohydrate column 사용)로 분석하였다. 생성된 아이소소바이드의 수율은 76.3몰%이었다.
실시예 2
솔비톨 70g과 톨루엔 45g, 자일렌 51g, H2SO4 0.7g을 250cc 반응기에 투입 및 교반하면서 혼합용매가 환류되는 온도(120℃)로 가열하여 1시간 동안 반응시킨 다음, 용매를 증류 제거하여 반응온도가 133~134℃가 되도록 조절하여 2시간 30분 동안 추가 반응을 진행하였다. 반응 중 생성된 물의 제거 및 중화 증류 공정은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
반응이 종료된 후 반응 생성물을 물로 20배 희석하여 고성능 액체크로마토그래피(HPLC, Algilent사 제품, Carbohydrate column 사용)로 분석하였다. 생성된 아이소소바이드의 수율은 74.9몰%이었다.
실시예 3
솔비톨 70g과 사이클로헥산 20g, 자일렌 70g, H2SO4 0.7g을 250cc 반응기에 투입 및 교반하면서 혼합용매가 환류되는 온도(105℃)로 가열하여 1시간 동안 반응시킨 다음, 용매를 증류 제거하여 반응온도가 133~135℃가 되도록 조절하여 2시간 30분 동안 추가 반응을 진행하였다. 반응 중 생성된 물의 제거 및 중화 증류 공정은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
반응이 종료된 후 반응 생성물을 물로 20배 희석하여 고성능 액체크로마토그래피(HPLC, Algilent사 제품, Carbohydrate column 사용)로 분석하였다. 생성된 아이소소바이드의 수율은 75.2몰%이었다.
비교예 1
솔비톨 70g과 자일렌 90g, H2SO4 0.7g을 250cc 반응기에 투입 및 교반하면서 자일렌이 환류되는 온도(139℃~141℃)로 가열하여 2시간 30분 동안 반응시켰다. 반응 중 생성된 물의 제거 및 중화 증류 공정은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
반응이 종료된 후 반응 생성물을 물로 20배 희석하여 고성능액체크로마토그래피(HPLC, Algilent사 제품, Carbohydrate column 사용)로 분석하였다. 생성된 아이소소바이드의 수율은67.5몰%이었다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의한 생성물의 수율은 하기와 같은 식으로 계산하여 표 2에 나타내었다.
수율 = 생성된 아이소소바이드의 몰수 / 투입한 솔비톨의 몰수 X 100
용매 온도 및 시간 생성물의 수율(mol%)
실시예 1 Heptane/Xylene 110℃, 1h -->132~135℃, 2.5h 76.3
실시예 2 Toluene/Xylene 120℃, 1h -->133~134℃, 2.5h 74.9
실시예 3 Cyclohexane/Xylene 105℃, 1.5h -->133~135℃, 2.5h 75.2
비교예 1 Xylene 139~141℃, 3h 67.5
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의하여 상압 조건에서 물과 공비인 혼합 용매를 사용하여 반응온도를 조절한 실시예 1 내지 3은 비교예에 비하여 아이소소바이드의 수율이 상당히 개선되었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 다음의 단계를 포함하는 무수당 알코올의 제조방법:
    (a) 물과 공비를 형성하는 제1용매 및 제2용매; 및 산촉매의 존재하에 제1용매와 제2용매의 혼합용매가 환류(reflux)되는 온도로 가열하여 당알코올을 탈수시키는 단계; 및
    (b) 용매의 일부를 증류 제거한 다음, 120~180℃에서 추가로 반응시키되, 반응 중 생성되는 물과 기화된 용매를 액화시켜 물을 제거하고 용매를 분리하는 단계,
    상기 제1용매는 끓는점이 60℃~120℃인 탄화수소이고, 상기 제2용매의 끓는점이 상기 제1용매의 끓는점보다 높은 것을 특징으로 함.
  2. 제1항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계에서 수득된 반응물을 중화시킨 다음, 감압조건에서 증류하여 물과 용매를 제거하고, 무수당 알코올을 회수하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계에서 수득된 반응물의 수층만을 분리하여 중화시킨 다음, 감압조건에서 증류하여 물을 제거하고, 무수당 알코올을 회수하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 (c) 단계에서 분리된 용매를 회수하여 상기 (a) 단계에서 재사용되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1용매는 헥산, 헵탄, 시클로헥산, 이소옥탄, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2용매는 끓는점이 130℃~180℃인 탄화수소인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2용매는 에틸벤젠, 자일렌, 큐멘 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제3용매를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 혼합용매가 환류되는 온도는 90℃~130℃인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 무수당 알코올은 아이소소바이드이고, 상기 당 알코올은 솔비톨인 것을 특징으로 하는 무수당 알코올의 제조방법.

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