KR19980059282A - 고순도 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3급 아민과 알킬할라이드를 부가 반응시키되 미세필터를 사용하여 알킬할라이드를 액상으로 주입하므로써 반응속도를 증가시키고 반응 부산물을 효율적으로 제거하여 경제적이면서도 보다 새롭고 진보된 방법으로 고순도의 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고순도 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법

본 발명은 고순도 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3급 아민과 알킬할라이드를 부가 반응시키되 미세필터를 사용하여 알킬할라이드를 액상으로 주입하므로써 반응속도를 증가시키고 반응 부산물을 효율적으로 제거하여 경제적이면서도 보다 새롭고 진보된 방법으로 고순도의 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래에도 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하는 방법에 대해서, 여러 문헌에 개시된 바 있으며, 이를 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

종래의 일반적인 할로겐화 4급 암모늄염의 제법으로써는, 3급아민 수용액에 알킬할라이드를 부가시켜 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하는 방법과 3급 아민에 유기용매를 추가로 주입하여 할로겐화 4급 암모늄염을 제조한 후 용매를 제거하는 방법 등이 있다. 그 중에서도 보다 진보된 방법으로는 일특개소 63 - 233956호로서, 여기서는 3급 아민 수용액에 알킬할라이드를 부가반응시킨 후 부산물인 트리메틸아민 하이드로클로라이드염(TMA·HCl)을 수산화 4급 암모늄염((CH)₄N⁺·OH^-)으로 분해한후 제거하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 이들 방법은 반응액에 유기 용매를 주입하므로 인해 반응 후에 그 용매를 제거해야 하는 어려움이 있으며, 또한 회수된 유기 용매는 재사용할 수 있어야 한다. 이때 반응후 제품에 잔류된 유기용매는 완벽히 제거되지 않는다. 그리고, 30%의 3급 아민 수용액에 알킬할라이드를 부가 반응시킨 후 부산물인 트리메틸아민 하이드로클로라이드염(TMA·HCl)을 수산화 4급암모늄염((CH)₄N⁺·OH^-)으로 분해하여 제거하는 반응액 교반법으로 합성하는 공정에서는 부반응물인 트리메틸아민 하이드로클로라이드염(TMA·HCl)이 300ppm에서 5000ppm 정도 생성되며, 많은 양의 메탄올이(50ppm ~ 6000ppm) 생성되는 문제가 있다. 또한, 수산화 4급 암모늄염으로 분해시 발생되는 3급 아민과 2급 아민을 제거하기 위하여 용매를 추가로 주입해야 하고 진공증류를 실시해야 한다.

일반적인 용도의 할로겐화 4급 암모늄염은 미량 함유된 불순물에 크게 영향을 받지 않으나 반도체 시약 원료용 할로겐화 4급 암모늄염은 반응 부산물인 미반응 3급 아민, 메틸클로라이드, 2급 아민, 메탄올 등의 함량이 각각 10ppm 이하의 고순도를 요하고 특히 금속성분은 대부분 30ppb 이하의 고순도 제품이 요구된다.

따라서, 상기와 같은 종래의 제조방법에서는 고순도의 제품을 제조하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 여러가지 기존의 방법을 참고로 하여 추가 용매의 주입이 없으므로 용매 제거 공정이 필요없는 보다 간단하고 경제적인 공정으로 고순도 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 고순도의 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하기 위해 기초원료의 정제공정을 개발하므로 인해 알킬클로라이드와 3급 아민의 불순물(특히 금속이온)을 완벽히 제거할 수 있으며, 고농도의 3급 아민 수용액을 제조한 후 액체 알킬할라이드를 반응속도에 비례하여 연속적으로 주입하므로 빠른 반응속도를 유도할 수 있어 부반응을 완벽히 방지할 수 있도록 하고, 이때 합성방법을 기존의 반응액 교반형식(AGITATOR 교반)이 아니라 새로운 합성방법인 반응액 순환형의 제조법으로 수행하도록 하므로써, 기존의 장시간 소요되는 반응시간을 약 1/3정도로 단축시켜 부반응물을 현저히 감소시킨 진보된 방법을 제공하는 데 그 발명의 목적이 있다.

본 발명은 다음 화학식2로 표시되는 3급 아민과 다음 화학식3으로 표시되는 알킬 할라이드를 반응시켜 다음 화학식1로 표시되는 할로겐화 4급 암모늄염을 제조함에 있어서, 상기 알킬할라이드 주입시 미세필터를 사용하여 액상의 알킬할라이드를 반응시키고, 반응액은 순환시키도록 유도하는 것을 그 특징으로 한다.

상기 화학식들에서,

R₁,R₂및 R₃는 각각 탄소수가 1 ~ 3개인 알킬기이고,

R₄는 탄소수가 1 ~ 3개인 알킬기 또는 페닐기, 벤질기이고,

X는 염소 또는 브롬의 할로겐 원자이다.

이하 본 발명의 제조방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하는 방법에 있어서, 미세필터를 사용하여 정제된 3급 아민 수용액에 알킬할라이드를 액상으로 주입하므로써 부가반응 속도를 조절하고, 반응액 순환방식의 도입으로 인해 반응시간의 단축을 유도함을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는 고순도 할로겐화 4급 암모늄염을 제조하기 위하여 미세한 정제필터가 상단부에 설치된 증발기를 준비하고, 알킬할라이드와 3급 아민을 증발기에 넣은 후 천천히 기화시켜 정제필터를 통과시킨다. 이때 정제필터를 통과한 기체 알킬할라이드와 3급아민은 금속이온 함량이 30ppb 이하 수준까지 정제된 고순도 알킬할라이드와 3급 아민을 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 정제된 고순도의 3급 아민을 36% 수용액으로 제조하여 반응전에 주입하므로 말미암아 공정중에 다른 용매를 추가로 주입하지 않아도 된다. 3급 아민 수용액을 반응기에 주입한 후 반응액을 20℃이하로 냉각시킨 다음 반응속도에 비례하여 액체 알킬클로라이드를 주입하며 저온반응 시킨다. 이때 발열되는 반응열은 효율적으로 제거 되야한다.

본 발명에서 기체 알킬클로라이드를 주입할 수도 있으나 반응시간의 지연과 부반응물의 생성량이 증가 하므로 바람직하지 못하여 액체 알킬할라이드를 반응액에 주입하며, 이를 반응시키기 위해선 기존의 반응액을 교반기(AGITATOR TYPE)로 교반하며 제조하는 것이 아니라 새로운 방법인 반응액을 외장 열교환기를 순환하며 배관과 반응장치의 전부분 즉,반응 시스템 전체에서 합성반응을 유도하는 형(TYPE)의 제조방법으로 반응액 순환방식을 도입하므로써, 반응열을 효율적으로 제거할 수 있어서 전체반응 시간을 단축시킬 수 있을 뿐아니라 부반응을 최대한 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 반응액에 잔류된 미량의 알킬할라이드와 기타 불순물은 깨끗한 질소를 기화시켜 미세한 구멍으로 분사하는 노즐분사 방법으로 주입하여 제거하므로 고순도 할로겐화 4급 암모늄염을 간단한 공정으로 제조할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 첨가제의 주입이 없고 물만 유일한 용매로 사용하여 제조되므로 물로 희석하여 다양한 농도를 조절할 수 있는 고순도 할로겐화 4급암모늄염의 신규 제조방법인 것이다.

한편, 본 발명에 따르면 알킬할라이드 부가 반응시 반응온도는 10 ~ 80℃의 범위가 적당하며 가장 좋은 범위는 20 ~ 60℃ 이다. 반응온도가 10℃이하 일때는 속도가 너무 느려 부반응을 초래하고, 반응온도가 80℃이상 고온일때는 용매로 주입된 물(H₂O)로 인하여 원료인 알킬할라이드의 가수분해를 일으켜 부반응물인 메탄올과 알킬아민하이드로클로라이드염의 함량 증가를 초래한다.

또한, 반응압력은 1 ~ 8 Kg/㎠가 적당하나 가장 좋기는 2 ~ 6 Kg/㎠가 가장 좋다. 이러한 반응들은 상압에서 수행하기 어려우므로 반응기 내부가 외부와 차단 되어야하고 내부에 발생되는 열은 외부로 손쉽게 배출될수 있는 고압반응기(Autoclave)를 사용한다.

본 발명의 방법에 적당한 예로서, 화학식2는 예컨대 트리메틸아민을 사용할 수 있고, 화학식2로는 예컨대 메틸클로라이드를 사용할 수 있는 바, 이들을 이용하여 제조하면 화학식1의 화학물로는 테트라메틸암모늄클로라이드가 얻어질 수 있게된다.

본 발명의 제조방법을 상기 예시화합물의 경우를 상정하여 하나의 구현예로서 설명하면, 공업용 메틸클로라이드와 트리메틸아민을 금속이온 및 불순물 제거용 필터가 장착된 기화장치내에 주입하고 서서히 가온하여 메틸클로라이드와 트리메틸아민를 증발시켜 특수 제작용 필터를 통과시킨 후 응축 회수 한다. 회수된 트리메틸아민은 36% 수용액상으로 저장하고 메틸클로라이드는 액상으로 저장용기에 보관한다.

압력반응기를 세척한 후 깨끗한 질소로 반응기내의 혼합 기체를 치환한 다음 트리메틸아민 수용액(36%)을 반응기에 일정량 주입하고 반응기를 20℃이하로 냉각시킨 후, 액체 메틸클로라이드를 반응속도에 비례하여 주입하며 부가반응 시킨다. 이때 반응속도 조절은 메틸클로라이드의 주입량으로 조절하며 반응압력을 2 ~ 6Kg/Cm2로 유지한다. 부가 반응 후 미반응 3급 아민은 염산 0.1N 수용액으로 산염기 적정하여 아민값(Total amine value)을 확인하며, 가수분해 정도는 0.1N KOH 수용액으로 적정하여 산가(acid value)를 측정하므로 알 수 있다. 또한 부반응물인 메탄올과 미량의 미반응 3급 아민은 100ml 포집병에 반응액 90ml 취하여 밀봉한후 20℃항온 상태에서 1시간 동안 증발시켜 기화된 기층(gas)을 일정량 취하여(sampling) 가스크로마토그라피로 분석한다.

이하, 실시 예를 들어 본 발명을 상세히 설명 하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

공업용 메틸클로라이드와 트리메틸아민을 기화기에 넣고 천천히 증발시켜 미세필터를 통과시킨후 응축시켜 액상 메틸클로라이드와 트리메틸아민 수용액(36%)을 준비한다. 준비된 고순도 트리메틸아민 수용액(36%) 328.4gr을 유효용량이 500ml인 고압반응기(Glass autoclave)에 주입한 후 반응기를 냉각하며 액상의 메틸클로라이드 121.2gr을 전화율에 비례하여 일정 유속(2gr/min)으로 주입한다.

이때, 반응액은 외장 열교환기를 통과하도록 순환기켜 반응열을 신속히 제거한다. 반응온도를 20 ~ 60℃로 유지하고, 반응압력은 2 ~ 6 Kg/㎠로 유지하며 반응시킨다. 4시간 반응시킨 후 가스(gas)층 메틸클로라이드는 회수하여 재사용하고 반응액에 잔류된 메틸클로라이드와 기타 부산물은 반응액을 순환시키며 깨끗한 고순도 질소를 기화시켜 노즐 분사법으로 주입하여 제거한다. 이때 테트라메틸암모늄클로라이드(51.3% 수용액) 426.8gr(수율 99.1%:트리메틸아민 기준)을 회수하였고, 부산물은 메탄올 10ppm이하, 미반응 트리메틸아민 10ppm이하, 메틸클로라이드 trace(거의 잔류되지 않음), 금속함량은 각항목 모두 30ppb 이하인 고순도의 제품이 제조되었다.

실시예 2.

메틸클로라이드 부가방법을 액체에서 기체로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시 하였다.

반응속도가 전반적으로 느리므로 액체 주입법에 비교해 반응시간이 4시간에서 6시간으로 지연되었다. 이때 테트라메틸암모늄클로라이드(51.3% 수용액) 423.8gr(수율 98.7%:트리메틸아민 기준)을 회수하고 부산물인 메탄올 30ppm,미반응 트리메틸아민 11ppm, 금속함량은 각항목 모두 30ppb 이하였다.

실시예 3.

반응액이 외장 열교환기를 통과하도록 순환시켜 반응하지 않고 반응액을 일반적인 교반방식(agitator type)으로 반응시키는 것 외에는 상기 실시예 1과 같은 동일한 방법으로 실시 하였다.

이때 테트라메틸암모늄클로라이드(51.3% 수용액) 421.2gr(수율 98.1%)을 회수하였고 부산물로는 메탄올 41ppm,미반응 트리메틸아민 13ppm, 메틸클로라이드 trace(거의 잔류되지 않음), 금속함량은 각항목 모두 30ppb 이하였다.

실시예 4.

상기 실시예 1과 같은 방법을 통하여 30% 트리메틸아민 수용액을 제조한 후 기상으로 메틸클로라이드를 주입하며 일반적인 교반방식(agitator type)으로 반응시킬때, 테트라메틸암모늄클로라이드(51.3% 수용액) 419.5gr(수율 97.7%)을 회수하였고 부산물로 메탄올 63ppm, 미반응 트리메틸아민 33ppm, 금속함량은 각항목 모두 30ppb 이하였다.

실시예 5.

메틸클로라이드를 벤질클로라이드로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 4급 암모늄염의 수율은 98.3%이고, 부산물로 미반응 트리메틸아민 15ppm, 벤질클로라이드 65pmm, 금속함량은 각항목 모두 30ppb 이하였다.

비교예1

공업용 메틸클로라이드와 트리메틸아민을 정제하지 않고 합성반응을 실시한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

이때 테트라메틸암모늄클로라이드(51.3% 수용액)의 수율 은 99.0%(트리메틸아민 기준)이고 부산물로 메탄올 11ppm, 미반응 트리메틸아민 10ppm, 메틸클로라이드는 거의 잔류하지 않았으나 금속함량이 50ppb 이상인 제품이 제조되었다.

비교예 2.

반응온도를 90℃로 올린것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시 하였다.

이때 메틸클로라이드의 물에 의한 가수분해 현상으로 메탄올(600ppm)과 트리메틸아민 하이드로클로라이드(1400ppm)의 함량 증가를 확인했다.

비교예 3.

반응압력을 1 ~ 2 Kg/㎠로 변경한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시 하였다.

이때 반응시간이 10시간으로 지연되었고, 4급 암모늄염의 수율은 97.8%이며 부산물로 미반응 트리메틸아민 83ppm, 금속 함량은 각항목 모두 30ppb 이하였다.

상술한 바와같이, 본 발명은종래와는 달리 반응과정에서 미세필터를 사용하고 반응액순환방식을 도입하므로써, 반응속도를 조절하고 반응 시간을 단축하면서도 고순도의 할로겐화 4급 암모늄염을 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

1. 다음 화학식2로 표시되는 3급 아민과 다음 화학식3으로 표시되는 알킬 할라이드를 반응시켜 다음 화학식1로 표시되는 할로겐화 4급 암모늄염을 제조함에 있어서, 상기 알킬할라이드 주입시 미세필터를 사용하여 액상의 알킬할라이드를 부가반응시키고, 반응액은 순환시키도록 유도하는 것을 특징으로 하는 고순도 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.

   화학식 1

   화학식 2

   화학식 3

   상기 화학식들에서,

   R₁,R₂및 R₃는 각각 탄소수가 1 ~ 3개인 알킬기이고,

   R₄는 탄소수가 1 ~ 3개인 알킬기 또는 페닐기, 벤질기이고,

   X는 염소 또는 브롬의 할로겐 원자이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 부가반응전에 미세필터가 설치된 증발기로 상기 화학식3의 알킬할라이드와 상기 화학식2의 3급 아민에 함유된 금속이온과 불순물을 제거한 후 부가반응을 실시하는 것을 특징으로 하는 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 알킬할라이드는 액체 알킬할라이드를 3급아민 수용액에 직접 부가반응시키는 방법으로 사용함을 특징으로 하는 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 부가반응 후에는 미반응 알킬아민, 알코올 및 알킬할라이드를 포함하는 부산물을 고순도 질소를 이용하는 노즐 분사방식으로 제거하는 것을 특징으로 하는 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 부가반응은 10 ~ 80℃의 온도에서 진행시킴을 특징으로 하는 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, 상기 화학식2는 트리메틸아민이고, 상기 화학식3 은 메틸클로라이드이며, 생성물인 상기 화학식1은 테트라메틸암모늄클로라이드 임을 특징으로 하는 할로겐화 4급 암모늄염의 제조방법.