KR102300703B1 - 무용매(Solvent-free) 알칸 설폰화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개시제의 존재하에 무용매 조건하에서 알칸 및 삼산화황, 특히 순수한 삼산화황(100 %)을 사용하는 알칸-설폰화 방법에 관한 것이다. 또한, 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산의 제조를 위한 "인 시츄(in situ)" 개시제를 형성하는 전구체의 용도에 관한 것이다.

Description

무용매(Solvent-free) 알칸 설폰화
본 발명은 개시제의 존재하에 무용매 조건하에서 알칸 및 삼산화황, 특히 순수한 삼산화황(100 %)을 사용하는 알칸-설폰화 방법에 관한 것이다. 또한, 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산의 제조를 위한 "인 시츄(in situ)" 개시제를 형성하는 전구체의 용도에 관한 것이다.
알칸 설폰산은 무기산(예: 황산)과 비슷한 산 강도에 도달할 수 있는 유기산이다. 그러나 황산 및 질산과 같은 일반적인 무기산과 달리, 설폰산은 비산화성이며 염산 및 질산에서 볼 수 있는 것처럼 건강에 해로운 증기를 방출하지 않는다. 또한, 많은 설폰산, 예를 들어, 메탄 설폰산은 생물학적으로 분해 가능하다. 설폰산의 적용은 많은데, 예를 들어, 세정제, 계면 활성제, 갈바닉 및 전자 산업에서, 촉매로서, 그리고, 예를 들어, 유기 합성, 제약화학에서 보호그룹으로서이다. 설폰산의 염은 예를 들어, 도데실설폰산 나트륨과 같은 계면 활성제로서 사용되고 또는 전기 도금 산업에서, 특히 주석, 아연, 은, 납 및 인듐뿐만 아니라 다른 금속, 알킬 설폰산 염으로서 사용된다. 또한, 유기 염은 제약화학에 사용된다. 특히, 알킬 설폰산 염의 매우 높은 용해도는 중요한 역할을 한다. 또한, 전기 분해시에 유해한 가스가 발생하지 않으며, 많은 경우에 공통적인 시안화물과 같은 독성 화합물의 사용이 생략된다.
알칸 설폰산의 구조적으로 가장 간단한 대표는 메탄 설폰산이다. US 2,493,038는 SO3 및 메탄으로부터 메탄 설폰산의 제조를 기술한다. US 2005/0070614는 메탄 설폰산의 추가적인 제조 방법 및 이의 용도를 기술한다. 선행 기술에서 공지된 방법은 부분적으로 복잡하고, 비용 - 집중적이며, 거친 반응 조건 때문에 바람직하지 못한 생성물을 초래한다.
알칸 설폰산 생산의 통상적인 방법에서의 반응 조건은 바람직하지 못한 부 생성물을 초래할 수 있으며, 이는 심지어 알칸 설폰산의 제조에서 혼란스러운 억제제로서 나타난다. 이는 알칸 설폰산을 제조하기 위한 실제 반응의 종결뿐만 아니라 삼산화황 및 메탄을 기반으로 한 불순물, 부 생성물의 형성 및 불량한 수율을 초래할 수 있다.
WO 2007/136425는 di (methanesulfonyl) peroxide (DMSP) 화합물의 용도를 개시하는데, 이는 복잡한 전기 분해에 의해 제조 되어야 하고 또한 결정화 가능한 고폭발성 고체이며 삼산화황과 메탄으로부터 메탄 설폰산이 형성되는 반응의 개시제로 사용된다.
WO 2015/071365와 WO 2015/071455는 알칸의 설폰화를 위한 방법을 기술한다. 주요 단계는 다음과 같다.
1) 개시제 / 개시제 - 용액의 합성
2) 불활성 용매(예: 황산)에 삼산화황을 용해시켜 삼산화황 용액(발연 황산)의 제조
3) 고압 반응기에서 개시제 / 개시제 - 용액의 첨가 후 또는 첨가하는 동안 발연 황산(oleum)과 상응하는 알칸과의 반응
4) 반응하지 않은 출발 물질의 담금질
5) 정제(예: 증류, 결정화 등)
6) 불활성 용매(예: 황산)의 재사용
본 발명의 목적은 개선된 반응 제어를 가능하게 하는 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 제조하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다. 또한, 설퍼트리옥사이드 및 알칸에 대한 요구사항은 관련성이 없어야 하며, 이는 명백히 순수한 원료가 사용될 수 있을 뿐만 아니라 불순물이 반응에 부정적으로 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 화학식 (I)의 화합물의 용도에 의해 달성된다.
ALK-SO2-O-O-X, (I)
상기 ALK는 분지형 또는 비분지형 알킬기이고, 특히 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 이소 프로필, 이소 부틸기, 또는 고급 알킬기이고, X는 알칸, 특히 메탄, 및 삼산화황, 특히 순수한 삼산화황으로부터 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 제조하기 위한 개시제-전구체로서의 수소, 아연, 알루미늄, 알칼리 또는 알칼리 토금속이다.
본 발명의 목적은 다른 양태로서 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 과산화수소와 반응시키는 것을 포함하는, 상기 X가 H로 정의된 화합물을 제조하는 방법에 의해 달성된다. 이는 화합물의 분리가 뒤따를 수도 있다.
본 발명의 목적은 또 다른 양태로서 다음 단계를 포함하는 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 제조하는 방법에 의해 달성된다:
- 삼산화황을 제공하는 단계;
- 고압 오토 클레이브 또는 실험실 반응기에서 삼산화황을 알칸, 특히 메탄과 반응시키는 단계;
- 1 내지 200 bar의 압력을 설정하는 단계;
- 알칸 설폰산 또는 알칸 설폰산을 함유하는 용액을 30 % 내지 100 % (w/w) 과산화수소 용액과 반응시켜 화학식 (I)에 따른 개시제-전구체를 제조하는 단계;
- 화학식 (I)에 따른 개시제-전구체 또는 이의 용액을 반응기에 첨가하는 단계;
- 반응 혼합물의 온도를 0 ℃ 내지 100 ℃로 조절하는 단계;
- 필요하다면 예를 들어 증류 또는 추출에 의해 반응 생성물을 정제하는 단계.
반응이 완료된 후, 반응 혼합물은 본질적으로 각각의 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산 및 황산을 함유한다. 이 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산(MSA) 및 H2SO4의 혼합물은 나중에 각각의 혼합물로서 사용될 수 있다. 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산 및 황산의 조합은 금까지도 용해될 수 있는 강산을 제공하여 다양한 분야의 기술적 적용을 가능하게 한다.
선택적으로, 알칸 설폰산, 특히 MSA는 분리될 수 있으며, 즉 본 발명의 방법은 증류 또는 추출에 의해 수행될 수 있는 반응 생성물을 정제하는 임의의 단계를 포함한다.
또한 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산은 여러 기술 분야에서 사용될 수 있으며, 즉, 세제로서(하드 및 소프트 표면의 산업 및 기관 청소 뿐만 아니라 청소 및 보살핌, 홈케어의 영역을 포함하는 청소, 즉, 식기세척, 상업용 세탁, 청소 및 위생, 차량 및 운송 관리, 콘크리트 청소, 멤브레인 청소 및 기타), 이온 교환 수지의 재생을 위해, 갈바닉 절차에서, 석유, 가스, 광업, 금속 및 / 또는 그들의 표면의 처리의 영역에서, 제약, 화학 및 argro - 화학 산업의 다른 영역에서 또는 바이오 디젤의 생산에서 사용될 수 있다. MSA는 또한 플라스틱의 도금 공정, 납 배터리 재활용 및 금속 재활용과 같은 일반적인 재활용과 같은 광범위한 배터리 영역에 사용될 수 있고 보레인 생성은 응용이 더 가능한 영역이다.
본 발명은 다음과 같이 종래 기술과 비교하여 개선된 방법을 유도하는 주요 변경을 가능하게 한다:
- 용매를 적게 사용하거나 심지어 사용하지 않고 "인 시츄(in situ)"로 바람직한 개시제 제조.
- 생성물 농도가 높아 보다 쉽게 생성물 정제.
- 불활성 용매를 재활용하지 않음.
적용되는 경우는 다음과 같다:
- 삼산화황 용액의 준비 회피.
- 용매를 첨가하지 않은 반응 조건.
- 퀸칭 대신에 미반응 삼산화황의 증발.
도 1은 메탄 설폰산의 제조 장치 및 정제(예: 증류)를 포함하는 알칸(예: 메탄)의 순수한 삼산화황을 사용하는 설폰화 방법의 개략도이다.
특히, 화학식 (I)에서 상기 정의된 화합물은 화학식 II 내지 X로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 추가적으로 함유하는 본 발명의 혼합물에 존재하며, 즉, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X 또는 이들의 조합이다.
Figure 112019050802953-pct00001
Figure 112019050802953-pct00002
또 다른 양태로서, 상기 정의된 화합물 또는 본 발명의 혼합물은 황산 또는 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산에 존재한다.
예를 들어, X = H 인 화학식 (I)의 화합물은 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 과산화수소와 반응시키는 것을 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 이렇게 수득된 화합물은 분리될 수 있지만, 바람직하게는 임의적 추가의 분리 및 / 또는 세정 단계없이 개시제-전구체로서 사용된다.
특히, 분리는 추출, 크로마토그래피, 침전, 재결정화, 동결 건조 또는 온화한 조건 하에서 유사한 방법에 의해 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 특정 양태에서, 분리는 침전 또는 크로마토그래피에 의해 수행될 수 있다. 그 안에는 불활성 지지체 물질 및 황산 또는 설폰산과 같은 불활성 용매가 사용된다. 유기 용매의 사용도 가능하다.
분리에 사용되는 불활성 지지체 물질은, 예를 들어 본 발명의 화합물의 수율을 감소시킴으로써, 특히 실제 반응 파트너인 구성요소와 부정적으로 간섭하지 않는 물질이다. 또한, 불활성 지지체 물질은 비가역적인 방법으로 그 기능 또는 구조를 파괴하지 않으면서 화합물을 화학적 흡착하거나 또는 물리적 흡착 또는 둘 모두 할 수 있다. 예를 들어 이산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄 등을 기초로 한 물질이 있다.
놀랍게도, 종래 기술에 개시된 바와 같이 발연 황산(oleum)을 사용하는 대신 순수한 삼산화황도 본 발명에 따라 사용될 수 있음이 밝혀졌다. 이렇게 하면 삼산화황 용액을 준비할 필요가 없다. 반응 조건은 여기에 용매를 첨가하지 않은 상태이다. 또한, 반응하지 않은 삼산화황은 증발할 수 있으므로 이를 급냉시킬 필요가 없다.
또 다른 양태로서, 삼산화황은 50 % (w/w) 이하, 또는 65 % (w/w) 이상의 삼산화물 함량을 갖는 발연 황산의 형태로 사용된다. 놀랍게도, 본 발명의 방법에 대한 선행 기술과는 달리, 65 % (w/w) 이상, 특히 70 % (w/w) 이상의 삼산화황 함량을 갖는 발연 황산도 발명의 방법에 부정적으로 영향을 미치지 않고 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 심지어 순수한 삼산화황(100 % (w/w) 삼산화황)도 사용될 수 있다.
전술한 순수한 삼산화황의 사용과 관련된 이점으로 인해, 순수한 삼산화황의 사용은 본 발명에 따른 알칸 설폰산 제조 방법에서 바람직하다. 선행 기술과는 달리, 용매의 순환은 필요하지 않으며, 종래 기술에 비해 많은 양의 불순물을 포함하는 알칸이 사용될 수 있다. 불순물은 보통 용매로 농축되어 MSA의 수율을 감소시킨다. 용매를 회피하여 이들의 순환을 피함으로써, 알칸으로부터 유래되는 불순물은 순수한 삼산화황이 사용될 때 MSA의 생성에 부정적 영향을 미치지 않는다.
본 발명은 또한 다음 단계를 포함하는 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 제조하는 방법에 관한 것이다.
삼산화황, 특히 순수한 삼산화황을 반응기에서 알칸과 반응시킨다. 끓는점이 낮은 알칸의 경우 고압 반응기의 사용이 필수적이다. 펜탄 및 고급 알칸의 경우, 일반적인 실험용 반응기만으로 충분하다. 기체 알칸의 경우, 예를 들어, 메탄의 경우, 1 내지 200 bar의 기체 압력의 압력이 설정된다. "인 시츄(in situ)"에서 적합한 개시제에 반응하는 개시제-전구체(예: 알칸 설폰산 하이드로퍼옥사이드)가 이 용액에 첨가된다. 개시제-전구체는 반응식 1에 따라 알칸 설폰산 또는 이러한 알칸 설폰산의 용액을 과산화수소와 알칸 설폰산 하이드로퍼옥사이드에 반응시켜 제조되며 임의로 분리될 수 있다:
반응식 1: ALK-SO2-OH + H2O2 → ALK-SO2-O-O-H + H2O.
알칸 설폰산 하이드로퍼옥사이드(개시제-전구체)는 반응식 2에 따라 반응기에 알칸 설폰산(alkanesulfonic sulfuric) 퍼옥소무수물을 첨가하는 동안 "인 시츄(in situ)"에서 반응한다:
반응식 2: ALK-SO2-O-OH + SO3 → ALK-SO2-O-O-SO2-OH. ("인 시츄(in situ)"-반응)
메탄 설폰산의 제조시 개시제로서의 각각의 알칸 설폰산 퍼옥소하이드라이드는 WO 2015/071455에 기술되어 있다. 상기 선행 기술 문헌에서, 개시제는 먼저 추가의 반응기에서 제조되고 이후에 메탄 설폰산 또는 임의의 다른 알칸 설폰산의 제조 방법이 발생하는 주 반응기에 첨가된다. 이와 달리, 본 발명에서는 분리될 수 있지만 더 이상의 정제없이 첨가될 수 있는 개시제-전구체가 형성된다. 상기 개시제-전구체는 알칸 설폰산 하이드로퍼옥사이드이며, 주 반응기에 알칸 및 삼산화황을 첨가하여 메탄 설폰산을 형성하는 동안 인 시츄(in situ)에서 반응한다.
과산화수소의 농도는 20 내지 100 % (w/w) 일 수 있다. 이어서, 반응은 0 내지 100 ℃에서 완결된다. 미가공 생성물(raw product)은 추출, 결정화, 증류 또는 크로마토그래피로 처리될 수 있다.
이 공정은 배치(batch-) 및 연속 반응기 시스템 모두에 적용할 수 있다.
본 발명은 또한 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산의 제조 방법을 수행하기 위한 장치에서 상기 정의된 개시제-전구체 또는 상기 정의된 혼합물의 용도에 관한 것으로, 상기 장치는 삼산화황이 개시제-전구체로서 화학식 (I)의 화합물과 반응하여 개시제를 형성하는 반응 및 상기 "인 시츄(in situ)"에서 제조된 개시제와 알칸, 특히 메탄의 반응을 수행하는 반응기(1); 반응기(1)에서 생성된 생성물을 증류하기 위한 증류수단(2); 충진수단(filling means)(3); 반응기(1)를 증류수단(2)과, 그리고 충진수단(filling means)(3)을 증류수단(2)과 연결시키는 연결수단을 포함한다. 도 1은 메탄 설폰산의 제조 장치 및 정제(예: 증류)를 포함하는 알칸(예: 메탄)의 순수한 삼산화황을 사용하는 설폰화 방법의 개략도이다.
본 발명에 따른 방법은 삼산화황, 특히 순수한 삼산화황을 알칸, 특히 메탄과 개시제-전구체의 첨가로 사용하는 반응기 시스템에서 알칸 설폰화, 특히 메탄 설폰화를 가능하게 한다. 미가공 생성물은 증류에 의해 정제될 수 있어 고순도의 알칸 설폰산, 특히 메탄 설폰산을 증류액으로 생산할 수 있다.
하기에서, 본 발명은 예시로서 메탄설폰산의 제조를 취하는 예시적인 방법으로 추가로 설명된다.
실시예 1: 개시제-전구체 용액의 제조
메탄 설폰산 100 ㎖에 60 % (w/w) 과산화수소 78 ㎖를 외부 냉각 및 강하게 교반하면서 적하시켰다.
합성 프로토콜: 3.75 L 오토 클레이브에 2000 g의 순수한 삼산화황을 넣고 온도를 50 ℃로 조절했다. 100 bar의 메탄 가스의 압력이 설정된 후에, 집중적인 교반이 수행된다. 이제, 개시제-전구체가 용액에 적하된다. 30분 이내에 압력이 50 bar로 떨어졌다. 이후 압력을 다시 100 bar로 설정했다. 압력이 다시 50 bar까지 떨어졌다. 압력을 100 bar로 다시 설정하였다. 마지막으로 압력이 30 bar로 떨어졌다. 수율은 삼산화황을 기준으로 90 % 이상이다. 반응 생성물은 91 % (w/w) 메탄 설폰산을 함유한다.

Claims (15)

  1. 개시제-전구체로서 하기 화학식 (I)의 화합물을 포함하는 알칸 및 순수한 삼산화황으로부터 알칸 설폰산을 제조하기 위한 조성물:
    ALK-SO2-O-O-X (I),
    상기 ALK는 분지형 또는 비분지형 알킬기이고, X는 수소, 아연, 알루미늄, 알칼리 또는 알칼리 토금속임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 이소 프로필, 이소 부틸기 또는 고급 알킬기이고, 상기 알칸은 메탄이며, 상기 알칸 설폰산은 메탄 설폰산인 것을 특징으로 하는 알칸 설폰산을 제조하기 위한 조성물.
  3. 하기를 포함하는 혼합물:
    -제1항에 정의된 화학식 (I)의 화합물, 및
    -하기 화학식 (II) 내지 (X)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 화합물 또는 이들의 조합.
    Figure 112021017391390-pct00003
    Figure 112021017391390-pct00004

  4. 개시제-전구체로서의 제3항의 혼합물을 포함하는 알칸 및 순수한 삼산화황으로부터 알칸 설폰산을 제조하기 위한 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 알칸은 메탄이고, 상기 알칸 설폰산은 메탄 설폰산인 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 하기 단계를 포함하는, 알칸 설폰산을 제조하는 방법:
    - 순수한 삼산화황을 제공하는 단계;
    - 고압 오토 클레이브 또는 실험실 반응기에서 순수한 삼산화황을 알칸과 반응시키는 단계;
    - 1 내지 200 bar의 압력을 설정하는 단계;
    - 알칸 설폰산 또는 알칸 설폰산을 함유하는 용액을 30 % 내지 100 % (w/w) 과산화수소 용액과 반응시켜 개시제-전구체로서 제1항에 정의된 화학식 (I)의 화합물 또는 제3항의 혼합물을 제조하는 단계;
    - 개시제-전구체 또는 이의 용액을 반응기에 첨가하는 단계; 및
    - 반응 혼합물의 온도를 0 ℃ 내지 100 ℃로 조절하는 단계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 알칸 설폰산은 메탄 설폰산이고, 상기 알칸은 메탄인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 증류 또는 추출에 의해 반응 생성물을 정제하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 다음을 포함하는 알칸 설폰산 제조용 장치:
    - 순수한 삼산화황이 개시제-전구체로서 제1항에 정의된 화학식 (I)의 화합물과 반응하여 개시제를 형성하는 반응 및 상기 "인 시츄(in situ)"에서 제조된 개시제와 알칸의 반응을 수행하는 반응기(1);
    - 반응기(1)에서 생성된 생성물을 증류하기 위한 증류수단(2);
    - 충진수단(filling means)(3); 및
    - 반응기(1)를 증류수단(2)과, 및 충진수단(filling means)(3)을 증류 수단(2)과 연결시키는 연결수단.
  15. 제14항에 있어서, 상기 알칸은 메탄인 것을 특징으로 하는 장치.
KR1020197014338A 2016-11-28 2017-11-27 무용매(Solvent-free) 알칸 설폰화 KR102300703B1 (ko)

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