KR20010071762A - 카르보닐디이미다졸의 제조 방법 - Google Patents

카르보닐디이미다졸의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 (Ia), (Ib) 및 (Ic)의 카르보닐디이미다졸 또는 그의 혼합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
<화학식 Ia>
<화학식 Ib>
<화학식 Ic>
식 중, R1은 수소 또는 C1-4-알킬 라디칼이고, R2는 수소 또는 메틸 라디칼이다.
본 발명에 따르면, 하기 화학식 (IIa) 및 (IIb)의 하나 이상의 이미다졸을 불활성 용매 중 포스겐과 반응시킨 반응 혼합물에 이미다졸보다 더 낮은 pKb값을 갖는 유기 질소 염기의 이미다졸에 대한 화학양론적 양을 첨가한다.
<화학식 IIa>
<화학식 IIb>
식 중, R1및 R2는 상기 언급한 바와 같다

Description

카르보닐디이미다졸의 제조 방법 {Method for Producing Carbonyl Diimidazoles}
본 발명은 이미다졸 및 포스겐으로부터 이미다졸 염산염 결합 생성물을 피하면서 카르보닐디이미다졸을 제조하는 개선된 방법에 관한 것이다.
카르보닐디이미다졸(CDI)은 예를 들어, 카르보네이트, 우레아 또는 우레탄을 제조하기 위해 또는 에스테르 또는 아미드 합성시 비반응성 반응물을 활성화시키기 위해 카르보닐기를 도입하는데 자주 사용되는 시약이다 (문헌: Angew. Chem. 74(1962), 407).
카르보닐디이미다졸을 제조하는 2가지 방식은 원칙상 공지되어 있다. 문헌(Chem. Ber. 93(1960), 2804) 및 US 4 965 366호는 하기 반응식에 보이는 바와 같이 초기에 이미다졸을 트리메틸실릴 클로라이드와 반응시켜 1-트리메틸실릴이미다졸을 수득한 후, 이것을 포스겐과 반응시켜 CDI를 수득하는 2 단계 공정을 개시하고 있다.
트리메틸실릴 클로라이드는 재사용을 위해 순환될 수 있지만, 이러한 합성 경로는 수행하는데 상당한 시간이 걸리고, 따라서 필요한 생성물의 불량한 공간-시간 수율을 초래한다. 이외에, 가수분해 민감성 트리메틸실릴 클로라이드의 조작은 추가적인 반응 장치를 필요로 한다.
CDI를 제조하기 위한 더욱 좋은 경로는 스타브(Staab) 등에 의해 시도되었고 다양한 출판물(Liebigs Ann. Chem. 609(1957), 75; Chem. Ber. 96(1963), 3374; Org. Synth. Coll. Vol. V(1973), 201)에 기재되어 있는 이미다졸의 직접 포스겐화 반응이다. 이러한 반응이 CDI 1 몰당 결합 생성물로서 이미다졸 염산염 2 몰을 생성하지만, 이미다졸 염산염은 염기 처리에 의해 이미다졸로 다시 전환될 수 있고, 포스겐화 반응으로 순환시킬 수 있다:
EP-A 0 692 476호는 단순히 용매를 탈수하는 방법에 의해 선행 문헌에 기재된 합성 경로를 확장하였다. 그러나, 원래 방법의 상당한 어려움이 그대로 있다. 또한, 결합 생성물로서 형성된 이미다졸 염산염은 수분이 배제된 여과에 의해 고온(80 내지 100℃)에서 CDI 함유 반응 용액으로부터 제거되어야 한다. CDI가 매우 가수분해 민감성이기 때문에 충분히 높은 품질의 생성물을 유지하기 위해 상당한 기술적 복잡성이 필요하다.
이미다졸을 직접 포스겐화하는 현존하는 모든 공정의 단점은 추가의 공정 단계로 재순환시켜야 하고 공간-시간 수율을 반감시키는 이미다졸 염산염 결합 생성물의 형성이다.
선행하는 우선권을 갖지만 우선 공개는 아닌, WO 98/31672호는 제조, 예를 들어 유기 염기, 예를 들어 트리(n-부틸)아민의 존재하에 이미다졸을 포스겐과 반응시켜 CDI를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 상기 언급한 단점을 피하면서 이미다졸 및 포스겐으로부터 카르보닐디이미다졸을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 이 목적이 화학식 IIa 및 IIb의 하나 이상의 이미다졸을 불활성 용매 중 포스겐과 반응시키고, 반응 혼합물에 이미다졸을 기준으로 하여 화학양론적 양 또는 30 몰% 이하의 과량의 이미다졸 보다 낮은 pKb를 갖는 유기 질소 염기를 첨가하여 화학식 Ia, Ib, Ic의 카르보닐디이미다졸 또는 이들의 혼합물을 제조하는 방법으로 달성된다는 것을 드디어 발견하였다.
<화학식 Ia>
<화학식 Ib>
<화학식 Ic>
식 중, R1은 수소 또는 C1-4-알킬 라디칼이고 R2는 수소 또는 메틸 라디칼이다.
<화학식 IIa>
<화학식 IIb>
식 중, R1및 R2는 상기 언급한 바와 같다.
공정에서, 이미다졸 염산염의 형성은 유기 염기를 첨가하여 피할 수 있으므로, 사용되는 이미다졸이 완전히 카르보닐디이미다졸로 전환될 수 있다. 이러한 합성 처리와 함께, 부득이하게 부산물로서 생성되는 염산은 이미다졸보다 강한 염기에 결합하므로, 모든 사용된 이미다졸은 반응하여 카르보닐디이미다졸을 생성할 수 있다. 그리고나서, 유리 염기로 전환시켜 합성으로 재순환시키기 위해 생성물로부터의 보조 염기의 염산염을 분리하는 것만이 필요하다.
이미다졸 자체는 약염기 (pKb약 7)이며, 포스겐화 반응에서 반응물 및 산 트랩 (acid trap) 모두로서 작용한다. 합성하는 동안 더 강한 질소 염기, 예를 들어 3차 지방족 아민, 특히 트리부틸아민의 첨가시, 더 강한 염기의 즉각적인 우선적인 양성자 첨가 또는 형성된 염산염으로부터의 이미다졸의 재형성이 일어난다.
또다시 유리 염기 형태인 이미다졸은 더 포스겐화될 수 있다. 사용된 모든 이미다졸의 완전한 전환을 확보하기 위해 하기의 전체 반응식에 따라 등량의 3차질소 염기가 필요하다.
이 공정의 이점은 특히, 사용된 이미다졸이 완전히 전환되므로 공간-시간 수율이 상기 기술한 공정의 2배이고 염산염으로서 이미다졸의 사용되지 않은 반을 재순환시킬 필요가 없다는 것이다.
반응은 불활성 용매 중에서, 바람직하게는 60 내지 100 ℃의 온도 범위, 특히 바람직하게는 60 내지 80 ℃에서 치환된 방향족 탄화수소 중에서 수행한다. 크실렌 또는 클로로벤젠이 이를 위해 바람직하게 사용되고, 크실렌은 o-, m- 및 p-크실렌의 혼합물 또는 이성질체들 중 하나의 형태일 수 있다. 크실렌 또는 그의 이성질체의 혼합물이 특히 바람직하게 사용된다.
적합한 3차 질소 염기는 원칙적으로 이미다졸의 pKb보다 낮은 pKb를 갖는 임의의 염기이다.
질소 염기로서 R 라디칼이 각각 서로 독립적으로 분지형 또는 비분지형 C1-10-알킬이거나, 또는 라디칼 중 두개가 하나의 질소 원자와 함께, 하나 또는 두개의 산소 또는 질소 원자가 추가로 개입되어 있을 수 있는 5- 또는 6원 헤테로시클로지방족 또는 헤테로방향족 고리를 형성하는 화학식 NR3의 3차 아민을 사용하는 것이 바람직하다.
질소 염기는 R 라디칼이 동일하며 C1-4-알킬 라디칼, 예를 들어 트리메틸-, 트리에틸-, 트리프로필-, 트리이소프로필-, 트리-n-부틸-, 트리이소부틸-, 트리-sec-부틸아민인 3차 지방족 아민이 바람직하다. 트리-n-부틸아민이 특히 바람직하다. 라디칼 중 두개가 고리를 형성하는 아민의 예는 N-알킬피롤리딘 및 N-알킬피페리딘이다. 헤테로 원자가 개입된 고리의 예는 N-알킬모르폴린 및 N,N'-디알킬피페라진이다.
방법은 카르보닐디이미다졸 (CDI)의 예로서 하기에 기술되어 있다. 그러나 상기 언급된 치환된 화합물에 대해서도 이 방법을 또한 사용할 수 있다.
형성되는 아민 염산염이 반응 혼합물로부터 고상으로서 침전되야 한다는 것이 예상된다. 상기 기술된 방법에서, 반응 용액은 승온 (50 내지 60 ℃)에서 균일하게 남아있다. 냉각하는 동안에만 카르보닐디이미다졸이 반응 혼합물로부터 무색의 침상물로 침전되는 반면, 트리부틸아민 염산염은 용매 중에 완전히 용해된 채로 남아있다. 이론에 얽매임이 없이, 더 길고 극성인 알킬 라디칼 때문에 용매중 트리부틸아민 염산염은 용해된 채로 남아있는 반면, CDI는 용액으로부터 염석 효과로 인해 아민 염산염으로 대체되는 것이 명백하다.
형성된 CDI는 반응 혼합물을 냉각하여 결정화시킬 수 있고 고상물로서 제거할 수 있는 반면, 질소 염기로부터 형성된 염산염은 유기 용액에 남아있다. 침전된 CDI는 용매/아민 염산염 혼합물로부터 불활성 기체하의 간단한 흡인 여과 또는 원심분리기를 사용하여 제거할 수 있다. 이것은 세척없이도 사용할 수 있을 정도로 충분히 순수하다. 수분에 매우 민감한 생성물은 단 한번이라도 공기와 접촉할 수 있기 때문에 이 공정은 상당히 유리하다. 용매에 용해되는 3차 아민의 염산염은 더 강한 수성 무기 염기, 바람직하게는 NaOH 또는 KOH의 수성 용액으로 중화되어 유기 용매에 남는 유리 염기로 되돌아갈 수 있다. 유기 용매 중 유리된 질소 염기는 이어서 수성상으로부터 분리되어 합성으로 재순환될 수 있다.
본 발명을 하기 실시예로 더 설명한다.
실시예 1:
모든 반응은 2 ℓ용량의 가열 재킷 및 이산화탄소 응축기 (-78 ℃), 및 교반기가 있는 HWS 용기에서 수행하였다.
트리부틸아민 185.4 g (1 mol)을 크실렌 1010 g에 용해시켰다. 용액을 환류로 가열하고, 크실렌을 더이상 물이 분리되어 나오지 않을 때까지 (총 약 10 ㎖) 물 트랩내로 증류하였다. 이미다졸 68 g (1 mol)을 반응 혼합물에 첨가한 후, 포스겐 51 g (0.5 mol) 전체를 68 내지 80 ℃에서 30분에 걸쳐 통과시켰다. 첨가를 끝낸 후, 반응이 65 ℃에서 60분동안 계속되도록 하였다. 반응으로부터의 균일 배출물을 무수 아르곤으로 세정한 어렌마이어 플라스크에 넣었다. 실온으로 냉각한 후, 무색의 결정을 단시간 후 분리해내고, 아르곤하에서 흡인 여과하고, 매번 무수 크실렌 50 ㎖로 2회 세척하였다. 진공으로 건조한 후, 융점 112 ℃의 CDI 59 g을 수득하였다.
원소 분석: 이론치: C: 51.84 H: 3.74 N: 34.56
실측치: C: 51.90 H: 3.80 N: 34.60
실시예 2:
재생된 반응으로 트리부틸아민 염산염의 재순환
40 % 강도 수산화 나트륨 용액을 실시예 1로부터의 교반된 모액에 pH가 12로 일정해질 때까지 첨가하였다 (총: g). 수성 (하층부) 상을 분리해 내고, 트리부틸아민의 크실렌 용액 (상층부 상)을 반응 용기로 옮기고, 크실렌을 더이상 물이 분리되어 나오지 않을 때까지 물 트랩내로 증류시켰다. 반응 혼합물을 냉각시킨 후, 크실렌 68 g (1 mol) 및 트리부틸아민 21 g (0.1 mol)을 첨가하였다.
72 내지 83 ℃에서, 포스겐 51 g (0.5 mol) 전체를 30분에 걸쳐 통과시켰다. 포스겐의 계량이 끝난 후, 교반을 65 ℃에서 60분간 계속하였다. 마무리 처리를 실시예 1과 같이 수행하였다. 건조 후, 융점 112 ℃의 CDI 57 g을 얻었다.
실시예 3:
실시예 2로부터의 모액을 실시예 2에서 기술한 것과 유사한 과정으로 처리하여 70 내지 79 ℃에서 포스겐화하였다.
마무리 처리 후, 융점 109 ℃의 CDI 53 g을 얻었다.
실시예 4: (실시예 1의 반복)
트리부틸아민 185.4 g (1 mol)을 크실렌 1010 g에 용해시켰다. 용액을 환류로 가열하고, 크실렌을 더이상 물이 분리되어 나오지 않을 때까지 (총 약 10 ㎖) 물 트랩내로 증류하였다. 이미다졸 68 g (1 mol)을 반응 혼합물에 첨가한 후, 포스겐 56 g (0.57 mol) 전체를 68 내지 78 ℃에서 30분에 걸쳐 통과시켰다. 첨가를끝낸 후, 반응이 65 ℃에서 60분동안 계속되도록 하였다. 반응으로부터의 균일 배출물을 무수 아르곤으로 세정한 어렌마이어 플라스크에 넣었다. 실온으로 냉각한 후, 무색의 결정을 단시간 후 분리해내고, 아르곤하에서 흡인 여과하고, 매번 무수 크실렌 50 ㎖로 2회 세척하였다. 진공으로 건조한 후, 융점 114 ℃의 CDI 62 g을 수득하였다.
실시예 5:
클로로벤젠을 용매로 사용하여 실시예 1 및 4에서와 같이 합성을 수행하였다. 동일한 과정과 마무리 처리로, 융점 114 ℃의 CDI 50 g을 수득하였다.

Claims (9)

  1. 하기 화학식 IIa 및 IIb의 1종 이상의 이미다졸을 불활성 용매 중 포스겐과 반응시키고, 반응 혼합물에 이미다졸을 기준으로 하여 화학양론적 양의 이미다졸 보다 낮은 pKb를 갖는 유기 질소 염기를 첨가하는 것을 포함함을 특징으로 하는 하기 화학식 Ia, Ib, Ic의 카르보닐디이미다졸 또는 이들의 혼합물을 제조하는 방법.
    <화학식 Ia>
    <화학식 Ib>
    <화학식 Ic>
    식 중, R1은 수소 또는 C1-4-알킬 라디칼이고 R2는 수소 또는 메틸 라디칼이다.
    <화학식 IIa>
    <화학식 IIb>
    식 중, R1및 R2는 상기 언급한 바와 같다
  2. 제1항에 있어서, 사용되는 질소 염기가 R 라디칼이 각각 서로 독립적으로 분지형 또는 비분지형 C1-10-알킬이거나, 또는 라디칼 중 두개가 하나의 질소 원자와 함께, 하나 또는 두개의 산소 또는 질소 원자가 추가로 개입되어 있을 수 있는 5- 또는 6원 헤테로시클로지방족 또는 헤테로방향족 고리를 형성하는 화학식 NR3의 3차 아민인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질소 염기가 R 라디칼이 동일하고 C1-4-알킬 라디칼인 3차 지방족 아민인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 3차 지방족 아민이 트리-n-부틸아민인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 치환된 방향족 탄화수소가 용매로서 사용되는 방법.
  6. 제5항에 있어서, o-크실렌 또는 o-, m- 및 p-크실렌 이성질체의 혼합물이 용매로서 사용되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 형성되는 카르보닐디이미다졸이 반응 혼합물의 냉각으로 결정화되어 고상물로서 제거되는 반면, 질소 염기로부터 형성되는 염산염은 유기 용액 중에 남아있는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 질소 염기의 염산염을 더 강한 수성 유기 염기로 중화하여 유기 용매 중에 남아있는 유리 염기로 되돌리는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 유기 용매 중 유리된 질소 염기를 수성상으로부터 분리하여합성으로 재순환시키는 방법.
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