KR20000056975A - [2+4] 딜즈-알더 반응을 이용하는 시클로헥산카르복실산의 제조방법 - Google Patents

[2+4] 딜즈-알더 반응을 이용하는 시클로헥산카르복실산의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1,3-부타디엔과 아크릴산을 [2+4] 딜즈-알더 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조한 후, 수소화반응에 의하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 1,3-부타디엔과 아크릴산과의 [2+4] 딜즈-알더 반응은 상온~200℃에서 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족 용매 중에서 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하고, 이 3-시클로헥센-1-카르복실산을 팔라듐 또는 백금 촉매 존재하에서, 상온~100℃이고 수소압 10~150psi에서 수소화반응시켜 시클로헥산카르복실산을 제조한다.
본 발명의 방법은 기존의 제조방법에 비하여 정밀화학제품의 원료로 1,3-부타디엔을 이용하였다는 특징을 가지며 반응이 간단하고 용이하다는 장점과 반응 후 반응부산물의 처리가 간편하다는 이점을 갖는다.

Description

[2+4] 딜즈-알더 반응을 이용하는 시클로헥산카르복실산의 제조방법{A method of preparing cyclohexanecarboxlic acid using [2+4] Diels-Alder reaction}
본 발명은 1,3-부타디엔(1,3-butadiene)과 아크릴산(acrylci acid)을 [2+4] 딜즈-알더(Diels-Alder) 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산(3-cyclohexene-1-carboxylic acid)을 제조한 후, 백금(Pd) 또는 팔라듐(Pt) 촉매와 수소를 이용하여 수소화(hydrogenation)반응시켜 시클로헥산카르복실산(cyclohexanecarboxylic acid)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
시클로헥산카르복실산은 유기합성원료, 제약 및 정밀화학 제품원료로 사용된다. 시클로헥산카르복실산 유도체는 살충제, 종양억제제, 알레르기억제제, 류마티스억제제 등으로 사용된다. 시클로헥산카르복실산의 제조방법은 염화시클로헥실마그네슘(cyclohexyl magnesium chloride)의 카르복실화(carboxylation)에 의한 합성법이 있으며 공업적인 방법으로는 벤조산(benzoic acid)의 수소화반응에 의하여 제조되는 방법이 알려져 있다.
1,3-부타디엔과 아크릴산의 [2+4] 딜즈-알더 반응과 관련한 문헌으로는 일본특허공보 평5-310885호(1993년), 일본특허공보 소57-028165호(1982년), 국제특허 W/O 8604602호(1986년) 등이 있으며 이들 문헌에는 [2+4] 딜즈-알더 반응으로 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하고 이를 다른 화합물에 응용하는 것에 관하여 기재하고 있다.
3-시클로헥센-1-카르복실산의 수소화 반응에 의하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법은 아직 알려져 있지 않지만 수소화 반응에 의한 시클로헥산카르복실산 유도체의 제조방법에 관하여는 다음과 같은 것이 알려져 있다. 4-위치가 치환된 벤조산을 알칼리와 수소화 촉매 존재하에서 환원반응시켜 4-위치가 치환된 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법에 관한 문헌으로는 일본 특허공보 평9-40606(1997년), 일본특허공보 소49-026261(1974년)가 있다. p-아미노메틸벤조산(p-aminomethyl benzoic acid)을 루테늄(Ru) 촉매와 알칼리를 이용하여 4-아미노메틸시클로헥산(4-aminomethylcyclohexane)을 제조하는 방법에 관하여는 독일 특허공보 2349056 A(1975년)에 나타나 있다.
본 발명은 1,3-부타디엔과 아크릴산을 [2+4] 딜즈-알더 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조한 후, Pd 또는 Pt 촉매와 수소를 이용하여 수소화반응을 실시하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 것으로 반응이 간단하고 부반응이 거의 생기지 않는다.
본 발명에서 1,3-부타디엔과 아크릴산과의 [2+4] 딜즈-알더 반응은 톨루엔, 벤젠, 자일렌과 같은 방향족 탄화수소 용매나 에탄올, 메탄올과 같은 알콜, 물 등 값싸고 쉽게 구할 수 있는 용매를 사용하였으며 반응온도는 상온~200℃였으며 반응수율은 95% 이상이었다. 반응온도가 높아질수록 반응은 빨리 진행되는 결과를 보였으나 약간의 고분자(polymer)가 생기는 현상을 나타냈다. 이것을 해결하기 위한 방법으로 중합방지제인 4-터-부틸카테콜(4-tert-Butylcatechol : 이하 TBC라 한다)이나 하이드로퀴논(hydroquinone)을 사용한 결과 고분자가 생기는 것을 억제할 수 있었다. 반응 후 [2+4] 딜즈-알더 반응 생성물인 3-시클로헥센-1-카르복실산을 Pd 또는 Pt촉매와 수소를 이용하여 수소화반응을 실시하였다. 반응시 수첨 반응온도는 상온~100℃에서 이루어졌으며, 수소압은 10~150psi 정도의 온화한 조건에서 반응이 이루어졌다. 이상과 같이 본 발명은 기존의 시클로헥산카르복실산의 제조방법과는 달리, 1,3-부타디엔을 이용하는 정밀화학제품의 제조에 의미가 있으며 반응이 간단하고 용이하며 반응 후의 처리도 편리하다는 이점을 가지고 있다.
본 발명에서 사용된 친디엔체는 아크릴산이며, 디엔체로는 1,3-부타디엔을 사용하여 3-시클로헥센-1-카르복실산을 합성하였다. [2+4] 딜즈-알더 반응 용매로는 톨루엔, 벤젠, 자일렌 등과 같은 방향족 화합물이나 알콜류 또는 물을 사용하였고 1,3-부타디엔은 친디엔체 1몰에 대하여 1~1.4몰을 사용하였다. 중합방지제인 TBC나 하이드로퀴논은 1,3-부타디엔에 대하여 무게비로 0~10,000ppm을 사용하였다. [2+4] 딜즈-알더 반응 생성물인 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조한 후 Pd, Pt 촉매를 사용하여 수소화 반응을 실시하였으며 두 촉매 모두 전환율 100%의 결과로 좋은 수율을 보았다.
본 발명의 [2+4] 딜즈-알더 반응은 압력반응기에서 수행하였으며 수소화반응은 수소반응기 또는 압력반응기를 사용하였다. 반응물의 분석은 핵자기공명(NMR) 스팩트럼과 기체크로마토그라피-질량분석검출기(GC-MSD)를 이용하여 확인하였고, 기체크로마토그라피를 이용하여 정량분석치를 확인할때 다음과 같은 조건으로 분석하였으며 성분비는 면적비를 환산하여 사용하였다.
Capillary column : HP-20
25m×0.20m×0.2㎛
Carrier : nitrogen
Head pressure : 18psig
Oven : 80℃(0min) to 190℃, β=10℃/min
Detector and temperature : FID(220℃)
Spilit ratio : 40:1
Make up gas flow rate : 38ml
이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1ℓ 압력반응기에 아크릴산(72g, 1mol)과 자일렌 288g, TBC 75mg을 넣고 반응기를 교반하면서 1,3-부타디엔 75g을 주입한 후 120℃로 승온시켜 3시간 반응시켰다. 반응 후, 핵자기공명법과 가스크로마토그라피에 의한 분석으로 3-시클로헥센-1-카르복실산을 99%의 수율로 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 반응온도와 몰비만을 변화시키면서 반응시켜 다음 표1에 기재한 바와 같은 전환율로 3-시클로헥센-1-카르복실산을 얻었다.
반응온도와 몰비 변화에 따른 3-시클로헥센-1-카르복실산의 전환율 변화
1,3-BD(g)/AA(g) 온도(℃) 반응시간 전환율(%)
65/7265/7275/7272/7377/74 90100120140200 12931.51 8993999999
* 1,3-BD:1,3-부타디엔, AA : 아크릴산
[실시예 3]
1ℓ 압력반응기에 아크릴산(72g, 1mol)과 톨루엔 288g을 넣고 여기에 1,3-부타디엔 65g을 주입하였다. 120℃로 승온하여 6시간 반응시킨 후, 핵자기공명법과 가스크로마토그라피에 의한 분석으로 3-시클로헥센-1-카르복실산을 98%의 수율로 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
[실시예 4]
반응용매를 변화시켜 주고 반응온도 100℃에서 반응한 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 반응시켜 표2와 같은 결과로 3-시클로헥센-1-카르복실산을 얻었다.
반응용매에 따른 3-시클로헥센-1-카르복실산의 수율 변화
용매 전환율(%) 반응시간(hr) 반응온도(℃)
자일렌톨루엔에탄올물 무용매 9998669899 4.56887 120120100100100
[실시예 5]
상기 실시예 3에서 반응온도를 변화시킨 것 이외에는 실시예 3과 동일하게 실시하여 표3과 같은 결과를 얻었다.
반응온도에 따른 3-시클로헥센-1-카르복실산의 수율 변화
반응온도(℃) 수율(%) 반응시간(hr)
100120150180 8598100100 6663
[실시예 6]
상기 실시예 3과 모든 조건을 동일하게 하고 촉매로 무수 삼염화알루미늄(AlCl3) 1g을 넣고 3시간 반응하여 전환율 94%의 3-시클로헥센-1-카르복실산을 얻었다.
[실시예 7]
상기 실시예 1에서 제조된 3-시클로헥센-1-카르복실산 53g을 자일렌 125g에 녹인 후, 5% Pd/c촉매 1.6g(3wt%)을 넣고 수소압 85psi로 하고 상온에서 수소화반응을 실시하여 1시간에 95%, 2시간 반응에 전환율 99%의 수율로 시클로헥산카르복실산을 얻었다.
[실시예 8]
상기 실시예 7에서 촉매의 양을 변화하며 반응한 것 이외에는 실시예 7과 동일하게 실시하여 표 4와 같은 결과를 얻었다.
촉매양에 따른 시클로헥산카르복실산의 수율 변화
반응물양(g) 용매양(g) 촉매양(g) 시간 전환율(%)
53584543 125140105100 1.6(3wt%)1.2(2wt%)0.5(1wt%)0.2(0.5wt%) 1236 95959272
반응물 : 3-시클로헥센-1-카르복실산
[실시예 9]
상기 실시예 3에서 제조된 3-시클로헥센-1-카르복실산 10g을 이용하여 톨루엔 0.5ℓ에 녹인 후 5% Pd/C 촉매 0.2g과 수소압 10psi로 수소화 반응을 실시하여 시클로헥산카르복실산을 전환율 97%의 수율로 얻었다.
[실시예 10]
실시예 9에서 수소압을 변화시켜 반응한 것 이외에는 실시예 9와 동일하게 반응시켜 표5와 같은 결과를 얻었다.
수소압 변화에 따른 시클로헥산카르복실산의 수율변화
수소압(psi) 수율(%)
102050 97100100
[실시예 11]
실시예 9에서 반응물과 용매의 비를 변화시키며 반응한 것 이외에는 실시예 9와 동일하게 실시하여 표 6과 같은 결과를 얻었다.
반응물과 용매 비 변화에 따른 시클로헥산카르복실산의 수율 변화
반응물/용매 수율(%)
1/41/91/50 1009797
[실시예 12]
실시예 9에서 반응 촉매량을 변화시키며 반응한 것 이외에는 실시예 9와 동일하게 실시하여 표 7과 같은 결과로 시클로헥산카르복실산을 얻었다.
반응 촉매량 변화에 따른 시클로헥산카르복실산 수율 변화
촉매량(g) 수율(%)
0.10.20.5 8097100
[실시예 13]
실시예 9에서 반응 촉매를 3% Pt/C로 변화시키며 반응한 것 이외에는 실시예 9와 동일하게 실시하여 100%의 전환율로 시클로헥산카르복실산을 얻었다.
[실시예 14]
실시예 9에서 반응 용매를 에탄올로 변화시키며 반응한 것 이외에는 실시예 9와 동일하게 실시하여 100%의 전환율로 시클로헥산카르복실산을 얻었다.
본 발명은 13-부타디엔과 아크릴산을 [2+4] 딜즈-알더 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조한 후, 팔라듐 또는 백금 촉매와 수소를 이용하여 수소화반응시켜 시클로헥산카르복실산을 제조하므로서 반응이 간단하고 부반응이 생기지 않는다는 장점을 갖는다.
본 발명에서 1,3-부타디엔과 아크릴산과의 [2+4] 딜즈-알더 반응은 상온~200℃에서 톨루엔, 자일렌, 벤젠과 같은 방향족 탄화수소 용매를 사용하고 에탄올, 메탄올과 같은 알콜, 물 등 값싸고 쉽게 구할 수 있는 용매를 수소화반응 용매로 사용하였으며 반응수율은 95% 이상이었다.
수소화 반응시 수소압은 10~150psi 정도로 아주 낮은 압력에서 반응이 이루어질 수 있어 기존의 시클로헥산카르복실산의 제조방법과는 달리 1,3-부타디엔을 이용한 정밀화학 제품의 제조가 가능하며 반응이 간단하고 용이한 장점과 반응 후 반응부산물의 처리도 편리한 이점을 갖는다.

Claims (11)

  1. 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법에 있어서, 1,3-부타디엔과 아크릴산을 [2+4] 딜즈-알더 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 합성한 후 수소화반응 용매중에서 수소화 촉매반응시켜 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, [2+4] 딜즈-알더 반응 온도가 상온~200℃인 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 3-시클로헥센-1-카르복실산을 [2+4] 딜즈-알더 반응 용매로 물, 에탄올, 톨루엔, 벤젠, 자일렌 등을 사용하거나 또는 용매 없이 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 반응용매를 아크릴산에 대해 무게비로 1~50배 사용하여 [2+4] 딜즈-알더 반응시켜 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, [2+4] 딜즈-알더 반응시 중합방지제로 4-터-부틸카테콜 또는 하이드로퀴논을 사용하여 3-시클로헥센-1-카르복실산을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 3-시클로헥센-1-카르복실산을 상온~100℃에서 수소화 촉매 반응시켜 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 수소화반응 촉매로 Pt, Pd을 사용하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 반응촉매의 양을 3-시클로헥센-1-카르복실산에 대해 무게비로 0.5~5%를 사용하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 3-시클로헥센-1-카르복실산을 수소압 10~150psi로 수소화반응하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 수소화 반응 용매로 에탄올, 메탄올, 물, 톨루엔, 자일렌 등을 사용하거나 무용매에서 수소화반응하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 반응용매를 3-시클로헥센-1-카르복실산에 대해 부피비로 1~50배의 비로하여 시클로헥산카르복실산을 제조하는 방법.
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