KR20010012231A - 촉매로서 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물을이용하는 에폭시화물 제조방법 - Google Patents

촉매로서 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물을이용하는 에폭시화물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면 유기 용매를 주로 포함하는 액상을 특징으로 하는 단일 액상 반응계내에서 산화제로 과산화수소를 이용하여 올레핀을 선택적으로 에폭시화물로 전환시킨다. 상기 반응은 W:P의 원자비가 2:1인 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트를 포함하는 화합물에 의해 촉매된다.

Description

촉매로서 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물을 이용하는 에폭시화물 제조방법{Epoxidation Process Using a Phosphate-Stabilized Peroxotungstate Compound as Catalyst}
미합중국 특허 제 5,274,140호는 이중상 기술 (즉, 수용액상 및 유기상을 포함하는 이중상 반응계)에 따른 과산화수소와의 반응에 의한 올레핀 에폭시화 반응방법을 개시하고 있다. 상기 촉매계는 W, Mo, V 또는 이들의 유도체로부터 선택되는 최소 1종의 원소인 제 1 성분, 그리고 P 및 As의 유도체로부터 선택되는 최소 1종의 유도체인 제 2 성분으로 구성되어 있다. 상기 촉매 성분들의 상호 원자비는 12 내지 0.1이고, 바람직하게는 1.5 내지 0.25이다.
미합중국 특허 제 4,562,276호 및 제 4,595,671호는 불균일상과 균일상내에서의 올레핀 화합물용 에폭시화 반응 촉매를 개시하고 있다. 상기 촉매는 화학식 Q3XW4O24-2n에 해당하며, 여기서 Q는 음이온염의 양이온을 나타내고, X는 P 또는 As이며, n=0, 1 또는 2이다. 그러므로, X=P인 경우, W:P의 원자비는 4이어야 한다. 한편, 반응물이 단일한 실질적 유기상내에서 유지되는 에폭시화 반응에서 상기한 조성물의 이용은 개시되어 있지 않다.
미합중국 특허 제 5,324,849호는 활성 산소원자 및 오늄염으로부터 유도된 양이온기를 포함하는 텅스텐 및 디포스폰산에 기초하는 화합물들의 클래스를 교시하고 있다. 이러한 화합물들은 유기상 및 수용액상을 포함하는 이중상 반응계내에서 올레핀 산화반응을 촉매한다. 상기 화합물은 두 개의 인 원자 및 다섯 개의 텅스텐 원자를 포함하며, 그래서 W:P의 원자비는 5:2이다.
그러나, 상기 특허들에 개시된 타입의 이중상 반응계들은 큰 규모의 상업적 실시에서 그것들의 유용성을 제한하는 많은 단점을 갖고 있다. 상 이동제 (phase transfer agent)의 이용에 대한 요구는 조작 비용을 크게 증가시킨다. 특히, 프로필렌과 같은 비교적 휘발성이 있는 올레핀의 경우에는 종종 물질이동 문제가 발생한다. 더불어, 이중상 반응기 및 상 분리기의 조작과 관련하여 상당한 공학적 난점이 있다. 따라서, 단일상 에폭시화 반응 공정의 조작동안에 에폭시화물에 대한 높은 선택성을 제공할 수 있는 활성 촉매의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 [PW2O13(OH)]-2에 해당하는 화합물종을 포함하는 염 또는 산 형태의 촉매 그리고 과산화수소를 이용하여 단일 액상내에서 올레핀을 에폭시화물로 전환하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 [PW2O13(OH)]-2에 해당하는 화합물종을 포함하는 염 또는 산 형태 화합물의 촉매 유효량 존재하에서 실질적 유기 단일 액상 반응계내에서, 올레핀에 대응되는 에폭시화물의 생성에 유효한 온도 및 시간동안 올레핀을 과산화수소에 접촉시키는 단계를 포함하는 에폭시화물의 제조방법을 제공한다.
본 발명 에폭시화물 제조방법에서 촉매로서 이용되는 화합물들은 실험식 [PW2O13(OH)]-2에 해당하는 화합물종을 포함한다. 상기 화합물종은 W:P 원자비가 2:1이라는 데에 특징이 있고, 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 (phosphate-stabilized peroxotungstate)로 기술될 수 있다. 상기 화합물은 산 또는 염의 형태로 있을 수 있다. 상기 화합물의 양이온 부분은 중요하지 않으며, 상기 화합물의 전체적 중성을 제공하는 데에 충분한 어떠한 양이온종도 가능하다. 한편, 본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 상기 화합물의 실험식은 Y(2-x)[PW2O13(OH)]이고, 상기 Y는 H+, 알킬암모늄 또는 이의 조합이고, Y가 일가 양이온의 경우에는 x=0, 그리고 Y가 이가 양이온의 경우에는 x=1이다. 적합한 Y는 상기 화합물에 요구되는 용해도를 부여하기 위해 다양하게 변화될 수 있다. 단일 액상 반응계내에서 염의 용해도가 요구되는 경우에는 알킬 암모늄 양이온들이 일반적으로 선택된다. 적합한 알킬 암모늄종은 질소에 결합된 최소 하나의 알킬기를 갖는 양이온 질소종이다. 보다 바람직하게는, Y는 NR1R2R3R4에 해당하는 4차 암모늄종이고, 상기 R1,R2,R3및R4는 동일하거나 상이한 것으로서, C1-C24알킬기로부터 선택된 것이다. 또한, Y는 두 개의 사치환 질소원자를 포함하는 이중 4차 암모늄종일 수도 있다. [PW2O13(OH)]-2에 대한 반대 양이온을 제공하는 화합물종은 본 발명의 실질적 유기 단일 액상 반응계에 불용성인 중합체 매트릭스 또는 무기 매트릭스내에서 택일적으로 고정화될 수 있다. 예를 들어, Tetrahedron Letters, 8557(1996)에 개시된 타입의 적층 이중 수산화물은 본원에 개시된 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트에 대한 지지체로서 이용될 수 있다. 앰벌라이트 IRA-400(CI)와 같은 4차 암모늄 기능성을 갖는 이온 교환 수지도 이용될 수 있다.
상기한 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물은 당업계에 공지된 것으로서, 예컨대 Salles et. al., Inorganic Chemistry 33, 871-878(1994)에 개시된 방법과 같은 적합한 방법에 의해 합성될 수 있다.
예를 들어, 텅스텐산 ("H2WO4")을 과산화수소 수용액과 반응시킨 다음, 인산 (H3PO4)와 반응시켜 전구물을 수득한다. 변형예로서, H3[PW12O40]ㆍyH2O (얀센 및 알드리치사와 같은 상업적 소스를 통해 구입가능하다)은 인산으로 처리한 다음, 과산화수소로 처리하여 상기 전구물을 수득할 수도 있다. 이어, 상기 전구물을 알킬 암모늄 할리드 등과 같은 원하는 양이온(들) "Y"를 제공할 수 있는 화합물 또는 물질과 반응시킨다. 상기 과정을 통해 염 형태의 화합물이 얻어진다. 상기한 산 형태는 알킬 암모늄의 제거에 유효한 조건하에서 상기 염 형태의 화합물을 하소시킴으로써 얻어질 수 있다. 400℃ 이상 (바람직하게는, 800℃ 이하)에서 0.5 내지 24 시간동안 상기 염 형태의 화합물을 가열하는 것이 상기 목적을 위해 일반적으로 효과적이다. 산소 존재하에서의 하소는 전형적으로 바람직하다.
올레핀 에폭시화에서 촉매 활성을 갖는 다른 물질은 상기한 포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물 이외에도 있다. 예를 들어, 미합중국 특허 제 5,274,140호, 제 4,562,276호, 제 4,595,671호 및 5,324,849호에 개시된 인 및 텅스텐을 포함하는 촉매들은 본 발명 제조방법에서 요구되는 촉매와 혼합되어 이용될 수 있다.
에폭시화 반응을 거치는 올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 펜텐, 탄소수 20 이상의 선형 또는 가지형 모노- 및 디-올레핀, 시클로헥센, 노르보렌, 리모넨, 캄펜, 비닐 시클로헥센, 스티렌, 인덴, 스틸벤 등과 같은 불포화 알킬, 알리시클릭, 알킬아릴 탄화수소; 알릴 클로리드와 같은 불포화 알킬 할리드; 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 올레산, 메틸 아크릴레이트 등과 같은 불포화산 및 그의 에스테르화물; 알릴 알코올, 메트알릴 알코올 등과 같은 불포화 알코올 및 그의 에스테르화물; 불포화 알데히드; 불포화 케톤 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 올레핀은 원하는 에폭시화 반응을 방해하지 않는 치환체로 치환될 수 있는 바, 상기 치환체로는 히드록시, 할로겐, 니트로, 알콕시, 아민, 카보닐, 카복실릭, 에스테르, 아미드, 또는 니트릴기가 있다. 컨쥬게이션된 또는 되지 않은 디엔 (예: 1,4-부타디엔), 트리엔 등과 같은 폴리올레핀도 성공적으로 이용될 수 있다. 탄소수 3 내지 10의 비고리 알켄이 가장 바람직하다.
본 발명의 에폭시화물 제조방법은 단일 액상을 갖음을 특징으로 한다. 즉, 분리된 유기 및 수용액층은 존재하지 않는다. 또한, 단일 액상은 물을 포함할 수 있으나, 반응계는 1종 또는 그 이상의 유기 용매를 주로 (예컨대, 50 wt% 이상) 포함한다 (즉, 액상은 실질적으로 유기성이다). 에폭시화되는 올레핀은 과산화수소에 대해 과량으로 사용되는 경우에는 용매로서 작용할 수 있지만, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 부가적인 유기 용매가 존재한다. 과산화수소, 물 (존재하는 경우) 및 올레핀이 에폭시화 반응 조건하에서 유기 용매와 반응하는 경우에, 단일한 균일 액상을 형성할 수 있는 유기 용매를 선택하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 물 및/또는 과산화수소와 적어도 어느 정도까지 혼합될 수 있는 비교적 극성인 유기 용매가 바람직하다. 상기 유기 용매는 예컨대, C1-C5알코올 (예: 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, t-부틸 알코올, t-아밀 알코올, 플루오르화된 알코올), C2-C3니트릴 (예: 아세토니트릴) 및 C2-C6에테르 (예: 테트라히드로퓨란, 글라임, 디옥산, 글리콜 에테르)를 포함한다. 상기 용매는 에폭시화 반응 조건하에서 액체인 것이 바람직하며, 비반응성이여야 한다.
에폭시화 반응 온도는 임계성을 갖지 않으며, 여러 요인 가운데 올레핀의 반응성 및 특성에 의해 그 최적 온도가 영향을 받는다. 그러나, 전형적으로 0℃ 내지 125℃의 온도가 올레핀의 에폭시화물로의 선택적 전환을 달성하는 데 충분하다. 몇 분에서부터 몇 시간의 반응 시간이 일반적으로 사용된다. 압력 또한 임계성이 있지 않으나, 프로필렌과 같은 휘발성 올레핀을 이용하는 경우에는 에폭시화 반응이 발생하는 액상에서 올레핀의 바람직한 농도를 유지하는 데 충분한 높은 압력을 사용하는 것이 바람직하다. 대기압으로부터 100 기압의 압력이 일반적으로 본 발명의 제조방법을 실시하는 데 적합하다.
상기 촉매는 과산화수소 1몰당 0.0001 내지 1 g/텅스텐 원자의 양을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 H2O21몰당 0.005 내지 0.05 g/텅스텐 원자이다.
단일상 액상 반응계내에서 올레핀의 농도는 임계성이 없으나, 실용상의 이유 때문에 1 wt% 내지 50 wt%의 농도가 전형적으로 선택된다. 유사하게, 과산화수소의 농도도 임계성이 없다. 본 발명 제조방법의 이점은 H2O2의 농도가 비교적 낮은 경우에도 (예컨대, 액상의 총중량에 대하여 1 내지 15 wt%) 에폭시화물에 대한 높은 선택성을 제공한다는 것이다. 그러나, 필요한 경우에는 상기한 농도보다 높거나 낮은 농도도 이용될 수 있다. 상기 과산화수소는 안트라퀴논, 이차 알코올 등과 같은 적합한 소스로부터 유도될 수 있다.
과산화수소는 그 자체로서 투여될 수 있고, 또는 반응 조건하에서 과산화수소를 생성하는 물질로부터 제조될 수도 있다. 예컨대, 과산화수소는 적합한 촉매의 존재하에서 산소 및 수소의 반응에 의해 인 시투로 생성될 수 있다.
올레핀 및 과산화수소는 실질적으로 같은 몰비로 사용된다. 다른 반응물과 비교하여 과량으로 있는 경우 또는 과량이 아닌 경우도 원하는 에폭시화 반응을 방해하지 않는다. 한편, 올레핀 대 과산화수소의 몰비는 0.1:1 내지 50:1가 이용될 수 있으나, 바람직하게는 1:1 내지 10:1이다.
Salles et al., Inorg. Chem. 33, 871-878(1994)에 개시된 방법에 따라 (n-Bu4N)2[PW2O13(OH)]에 해당하는 염을 제조하였다. 과산화수소를 이용하여 다양한 올레핀의 에폭시화 반응을 다음과 같은 반응물의 비율로 일반적으로 실시하였다: 18 mmol 올레핀, 유기 용매내의 5% 과산화수소 및 5% 물 (12 g, 18 mmol H2O2), 촉매로서 0.09 g (0.08 mmol)의 상기 염. 프로필렌이 올레핀인 경우, 다음과 같은 반응물의 비율이 이용되었다: 14 g (330 mmol) 프로필렌, 아세토니트릴내의 5% H2O2및 5% H2O (42 g, 62 mmol H2O2), 촉매로서 0.5 g (0.45 mmol)의 상기 염. 얻어진 결과는 하기 표 1과 같다. 에폭시화물 수득율 %는 전환된 과산화수소에 따른 것이다.
실험 결과에 따르면 양성자성 및 비양성자성 용매내에서 마일드한 반응 조건하에서 본 발명 제조방법은 에폭시화물에 대한 매우 높은 선택성을 달성함을 알 수 있다. 올레핀이 반응하는 동일한 액상내에 물이 존재하였다는 사실을 고려한다면 상기 실험 결과는 매우 놀라운 것이다. 일반적으로, 물은 에폭시화 반응 촉매를 불활성화시키거나 에폭시화물과 반응하여 고리가 열린 부산물을 생성하여 원하는 에폭시화물의 수율을 크게 감소시킨다.
올레핀 유기 용매 온도, ℃ 반응 시간, hr. H2O2전환율, % 에폭시화물 선택성1, %
1-헥센 아세토니트릴 60 2 15 87
트랜스-2-헥센 아세토니트릴 60 2 25 88
시스-2-펜텐 아세토니트릴 60 1 29 86
시스-2-펜텐 n-부탄올 60 1.1 52 82
시스-2-펜텐 t-부틸 알코올 60 1.7 35 83
시스-2-펜텐 1,4-디옥산 60 1.1 25 88
크로틸 알코올 아세토니트릴 60 1 46 89
프로필렌 아세토니트릴 76 2.5 52 77
메트알릴 알코올 아세토니트릴 60 1.1 31 85
트랜스-2-헥센-1-올 아세토니트릴 60 1.7 50 88
시클로헥센 아세토니트릴 60 1.1 47 90
프로필렌 1,4-디옥산 77 2.5 76 76
프로필렌 t-부틸 알코올 78 2.5 54 77
프로필렌 n-부탄올 72 2.5 91 60
1전환된 과산화수소에 기초함
포스페이트-안정화 페록소텅스테이트 화합물의 산 형태의 촉매 활성은 다음과 같이 측정하였다: (n-Bu4N)2[PW2O13(OH)] 1 g 시료를 5 시간동안 공기의 서류하에서 500℃의 오븐에 놓았다. 원소 분석 및 IR 분광측정은 테트라부틸 암모늄 반대이온이 모두 제거되었음을 보여주었다. 상기 고체를 55 g의 5% H2O2용액 (아세토니트릴 또는 1,4-디옥산내)에서 2 시간동안 60℃에서 교반하여 용해시켰다. 결과 촉매 용액을 상술한 조건하에서 아세토니트릴내 프로필렌을 에폭시화하는 데 이용하였다. 65℃에서 2.5 시간후, 과산화수소의 90% 전환 및 프로필렌 산화물에 대한 64%의 선택성이 관찰되었다.

Claims (20)

  1. [PW2O13(OH)]-2에 해당하는 화합물종을 포함하는 염 또는 산 형태 화합물의 촉매 유효량 존재하에서 실질적 유기 단일 액상 반응계내에서, 올레핀에 대응되는 에폭시화물의 생성에 유효한 온도 및 시간동안 올레핀을을 과산화수소에 접촉시키는 단계를 포함하는 에폭시화물의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실질적 유기 단일 액상 반응계은 10 wt% 이하의 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 액상 반응계은 C1-C4알코올, C2-C3니트릴, C2-C6에테르, 및 이의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물은 H+, 알킬암모늄 또는 이의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 양이온을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 올레핀은 C3-C10비고리 알켄인 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 온도는 0℃ 내지 125℃인 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물은 상기 실질적 유기 단일 액상 반응계내에서 가용성인 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물은 중합체 또는 무기 매트릭스내에서 고정화된 것임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  9. Y가 H+, 알킬 암모늄 또는 이의 조합이고, Y가 일가 양이온의 경우에는 x=0, 그리고 Y가 이가 양이온의 경우에는 x=1인 실험식 Y2-x[PW2O13(OH)]을 갖는 화합물의 촉매 유효량 존재하에서 10 wt% 이하의 물 및 유기 용매를 포함하는 단일 액상 반응계내에서, C3-C10비고리 알켄에 대응되는 에폭시화물의 생성에 유효한 시간동안 0℃ 내지 125℃의 온도에서 C3-C10비고리 알켄을 과산화수소에 접촉시키는 단계를 포함하는 에폭시화물의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 C2-C10모노-올레핀은 프로필렌인 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 유기 용매는 C1-C4알코올, C2-C3니트릴, C2-C6에테르 및 이의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 Y는 NR1R2R3R4에 해당하는 알킬 암모늄 양이온이고, 상기 R1,R2,R3및R4는 동일하거나 상이하며, C1-C24알킬기들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 화합물은 H3[PW12O40], H3PO4및 과산화수소를 반응시켜 전구물을 수득한 다음, 상기 전구물을 알킬 암모늄 할리드와 반응시켜 생성되는 것임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 화합물은 텅스텐산, 과산화수소 및 H3PO4과 반응시켜 전구물을 수득한 다음, 상기 전구물을 알킬 암모늄 할리드와 반응시켜 생성되는 것임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 화합물은 H3[PW12O40], H3PO4및 과산화수소를 반응시켜 전구물을 수득한 다음, 상기 전구물을 알킬 암모늄 할리드와 반응시켜 염 형태의 화합물을 수득한 후, 상기 염 형태의 화합물을 하소시킴으로써 산 형태로 생성되는 것임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 화합물은 텅스텐산, 과산화수소 및 H3PO4과 반응시켜 전구물을 수득한 다음, 상기 전구물을 알킬 암모늄 할리드와 반응시켜 염 형태의 화합물을 수득한 후, 상기 염 형태의 화합물을 하소시킴으로써 산 형태로 생성되는 것임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 단일 액상 반응계으로부터 에폭시화 반응동안 물이 제거됨을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  18. 제 9 항에 있어서, 상기 C3-C10비고리 알켄은 프로필렌인 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  19. 제 9 항에 있어서, 상기 화합물의 양은 과산화수소 1몰당 0.0001 내지 1 g/텅스텐 원자임을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
  20. 제 9 항에 있어서, 상기 유기 용매는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, sec-부탄올, t-부탄올, 아세토니트릴, 1,4-디옥산, 테트라히드로퓨란, 글라임, 및 이의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에폭시화물의 제조방법.
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