KR20030038112A - Electrochemical synthesis of p-aminophenol - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파라-아미노페놀의 전기화학적 합성 방법에 관한 것으로, 특히 일전극(working electrode)이 평판형 전극 또는 아크형 전극으로 구성된 전해조내에서 니트로벤젠의 용해나 분산을 위한 별도의 유기용매나 계면활성제를 사용하지 않고 전기화학적 합성방법을 이용하여 니트로벤젠으로부터 파라-아미노페놀을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of electrochemical synthesis of para-aminophenol, and in particular, a separate organic solvent or interface for dissolving or dispersing nitrobenzene in an electrolytic cell in which a working electrode consists of a flat electrode or an arc electrode. A method for preparing para-aminophenol from nitrobenzene using an electrochemical synthesis method without using an active agent.
종래의 일반적인 파라-아미노페놀의 제조방법으로는 파라-니트로페놀이나 니트로벤젠을 촉매 존재 하에 수소화반응시키는 화학적인 제조방법이 사용되어 왔으나, 이같은 화학적 방법은 반응수율이 비교적 낮을 뿐만 아니라 사용되는 촉매가 백금과 같은 귀금속이기 때문에 제조비용면에서도 바람직하지 못하다는 단점이 있었다.As a conventional method of preparing para-aminophenol, a chemical preparation method of hydrogenating para-nitrophenol or nitrobenzene in the presence of a catalyst has been used, but such a chemical method has a relatively low reaction yield and a catalyst used. Since it is a precious metal such as platinum, it was disadvantageous in terms of manufacturing cost.
상기 화학적 제조 방법의 문제점인 반응 수율 및 제조 비용의 결점을 보완하기 위한 새로운 형태의 파라-아미노페놀 제조 방법으로서 전기화학적 합성법(이하, "전해 합성법"이라 함)에 관한 연구가 근래에 이르러 많이 행해지고 있는 바, 그 대표적인 예로서 미국특허 제 3,338,806 호를 들 수 있다. 위의 특허는 에탄올과 황산이 혼합된 전해질에서 니트로벤젠을 전기화학적으로 환원시켜 파라-아미노페놀을 제조하는 방법으로서, 이 방법은 아닐린이나 아족시벤젠과 같은 바람직하지 못한 부반응 생성물이 많이 생성되어 반응 수율이 대략 62%를 나타낼 정도로 낮을 뿐만 아니라 유기 용매로 사용된 에탄올을 회수하여야 하는 문제점을 지니고 있다.As a new type of para-aminophenol production method for compensating for the shortcomings of the reaction yield and the production cost, which are the problems of the chemical production method, a lot of researches on electrochemical synthesis (hereinafter referred to as "electrolytic synthesis") have been conducted in recent years. As a representative example thereof, US Pat. No. 3,338,806 can be cited. The above patent is a method for producing para-aminophenol by electrochemically reducing nitrobenzene in an electrolyte mixed with ethanol and sulfuric acid, which produces a lot of undesirable side reaction products such as aniline and azoxybenzene. The yield is low enough to represent approximately 62% and has the problem of recovering ethanol used as an organic solvent.
또한, 유기 용매로서 상기 에탄올 대신에 1-프로판올을 사용하는 전해 합성법이 알려져 있긴 하지만, 이 방법 역시 고농도 니트로벤젠 용액에서는 반응 수율이 약 67%로 저조하고 상기 에탄올 용매와 마찬가지로 1-프로판올을 회수하여야 한다는 문제점이 있다.In addition, although an electrolytic synthesis method using 1-propanol instead of the ethanol as an organic solvent is known, this method also requires a low reaction yield of about 67% in a high concentration nitrobenzene solution and recovers 1-propanol like the ethanol solvent. There is a problem.
한편, 미국특허 제 4,584,070 호에 의하면 상기 제조 방법에서의 문제점인 유기용매 회수의 필요성을 배제하기 위한 방편으로 계면활성제(트리 알킬아민-N-옥사이드: trialkylamine-N-oxide)를 분산시킴과 아울러 전해조의 양극실과 음극실 사이에 별도의 제3의 실(third compartment)을 형성하여 양극실에서 생성된 산소의음극실로의 확산을 감소 또는 방지하는 한편 음극실 중에 용해된 산소를 제거하여 불필요한 반응 생성물인 아족시벤젠의 생성을 억제하는 방법이 개시되어 있다.On the other hand, according to US Patent No. 4,584,070 dispersing a surfactant (trialkylamine-N-oxide: trialkylamine-N-oxide) as a means for excluding the need for recovery of the organic solvent which is a problem in the manufacturing method A third compartment is formed between the anode chamber and the cathode chamber of the reactor to reduce or prevent the diffusion of oxygen generated from the anode chamber into the cathode chamber while removing oxygen dissolved in the cathode chamber, which is an unnecessary reaction product. A method of inhibiting production of azoxybenzene is disclosed.
그러나, 상기 특허에서는 비교적 많은 양이 사용되는 계면 활성제가 고가이고, 또한 전해조 내부에 별도의 제3의 실을 마련하여야 하므로 전해조의 설치 비용이 증대되며 전해 전압이 상승하기 때문에 전반적으로 제조 비용이 상승하는 한편, 음극으로 사용되는 아말감 금속 전극 중의 수은이 음극실액중에 용해되어 반응 생성물의 오염 및 용액의 수은 오염을 초래함에 따라 수은에 의한 환경문제와 전극의 노화 촉진에 따른 반응 수율의 감소와 같은 문제점을 보이고 있다.However, in the above patent, since a surfactant that is used in a relatively large amount is expensive, and a separate third seal must be provided inside the electrolyzer, the installation cost of the electrolyzer is increased and the overall manufacturing cost is increased because the electrolytic voltage is increased. On the other hand, as mercury in the amalgam metal electrode used as the cathode dissolves in the cathode chamber solution, causing contamination of the reaction product and mercury contamination of the solution, problems such as environmental problems caused by mercury and a decrease in reaction yield due to aging of the electrode Is showing.
이와 같이, 전해합성을 이용하여 니트로벤젠으로부터 파라-아미노페놀을 제조함에 있어서 상기 음극의 문제는 상당히 중요한 문제로 작용하는 바, 아말감금속 전극 이외의 음극으로서 사용되어지는 구리 전극, 흑연전극, 비스무트 피복 구리 전극 역시 반응 수율이 높은 경우에는 전극 용해 현상이 나타나고, 반대로 전극이 안정한 경우에는 반응수율이 낮은 단점이 있다(J. Jayaraman, K.S. Udupa and H.V.K. Udupa, SAEST, 12, 143(1977)).As described above, the problem of the negative electrode in the preparation of para-aminophenol from nitrobenzene using electrolytic synthesis is a very important problem: copper electrode, graphite electrode, bismuth coating which is used as a negative electrode other than amalgam metal electrode. The copper electrode also exhibits an electrode dissolution phenomenon when the reaction yield is high and, on the contrary, when the electrode is stable, the reaction yield is low (J. Jayaraman, KS Udupa and HVK Udupa, SAEST, 12, 143 (1977)).
한편, 반응수율을 높이기 위한 방법으로서 전극 재질의 개선이 아닌 촉매를 이용한 방법으로서 용액내에 주석 이온의 매개체를 주입하여 촉매 작용에 의한 반응 수율의 증가를 도모한 방법이 알려지고 있으나, 이 방법 역시 반응 수율은 다소 증가하나 매개체 회수 등의 별도의 문제점이 드러남에 따라 경제적인 측면에서 바람직하지 못한 것으로 평가되고 있다(H.C. Rance and J.M.Coulson, Electrochim. Acta, 14, 283(1969)).On the other hand, as a method for improving the reaction yield, it is known that a method of increasing the reaction yield by catalysis by injecting a mediator of tin ions into the solution as a method using a catalyst, not an electrode material improvement. Yield increases slightly, but it is considered economically unfavorable due to other problems such as media recovery (HC Rance and JMCoulson, Electrochim. Acta, 14, 283 (1969)).
본 발명의 목적은 이상과 같은 종래의 파라-아미노페놀의 제조 방법에서 지니고 있는 제반 단점과 문제점을 감안하여 전극의 표면적 증대 및 용액의 교반을 증진시켜 니트로벤젠의 전극에로의 물질 이동 속도를 증가시키는 한편 반응 생성물의 용액내로의 이동을 촉진시킴으로써, 바람직하지 못한 반응 부산물의 생성을 억제하여 높은 반응 수율을 나타내는 파라 아미노 페놀의 전기화학적 합성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to increase the surface area of an electrode and agitation of a solution to increase the rate of mass transfer of nitrobenzene to an electrode in view of the above-mentioned disadvantages and problems in the conventional method for preparing para-aminophenol. It is an object to provide a method for the electrochemical synthesis of para amino phenols which, on the other hand, promotes the transfer of reaction products into solution, thereby inhibiting the formation of undesirable reaction by-products, resulting in high reaction yields.
또한, 이와 더불어 상기 전기화학적 합성 조건을 변화시킴으로써 추가로 부반응을 억제하여 더욱 향상된 반응 수율을 갖는 파라-아미노페놀의 전기화학적 합성법을 제공하고자 하는 것이다.In addition, it is to provide an electrochemical synthesis method of para-aminophenol having further improved reaction yield by further suppressing side reactions by changing the electrochemical synthesis conditions.
도 1은 본 발명의 바람직한 일례의 파라-아미노페놀의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a process for preparing para-aminophenol as a preferred example of the present invention.
도 2는 본 발명의 바람직한 일례에 사용되는 전해조의 구조를 예시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating the structure of an electrolytic cell used in a preferred example of the present invention.
도 3은 본 발명의 바람직한 일례에 사용되는 전해조의 구조를 예시한 종단면도이다.3 is a longitudinal cross-sectional view illustrating the structure of an electrolytic cell used in a preferred example of the present invention.
본 발명은 니트로벤젠으로부터 파라-아미노페놀을 전해합성함에 있어서, 평판형 또는 아크형의 단독 또는 다수의 전극을 일전극으로 하고 교반기를 사용하여, 황산 1.0 내지 4.0 M 및 니트로벤젠 0.5 내지 2.0 M의 농도를 갖는 음극실 용액으로부터 전해합성을 수행하는 것을 특징으로 하는 파라-아미노페놀의 전기화학적 합성 방법을 제공한다.In the present invention, in electrolytic synthesis of para-aminophenol from nitrobenzene, a single electrode or a plurality of electrodes of plate type or arc type are used as one electrode, and a sulfuric acid of 1.0 to 4.0 M and nitrobenzene of 0.5 to 2.0 M are used. It provides a method for the electrochemical synthesis of para-aminophenol, characterized in that the electrolytic synthesis is carried out from a cathode solution having a concentration.
본 발명의 전기화학적 합성법에 의한 파라-아미노페놀의 전체 제조 방법의 바람직한 일례는, 도 1의 제조 공정도에 도시되어 있는 바와 같이 용액의 혼합 → 전해반응 → 활성탄처리 → 중화처리 → 분리 등의 일련의 순차적인 공정으로 이루어져 있으며, 이들 각 공정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.A preferred example of the entire production method of para-aminophenol by the electrochemical synthesis method of the present invention is a series of mixing, electrolytic reaction, activated carbon treatment, neutralization treatment, separation, etc., as shown in the manufacturing process diagram of FIG. It consists of a sequential process, each of these processes will be described in more detail as follows.
먼저, 혼합 공정에서는 음극실 용액으로 사용되는 니트로벤젠, 황산 및 물로 혼합함과 아울러 양극실 용액으로 황산과 물을 혼합한다. 그후에, 상기 혼합된 각각의 용액으로 전해조의 음극실 및 양극실에 채운 상태에서 니트로벤젠을 음극 환원시켜 파라-아미노페놀을 합성하고, 이어서, 전해 반응을 통하여 합성된 전해반응 혼합물에 활성탄을 넣고 90-100 ℃에서 수분간 교반하여 반응 혼합물 중의 유기 물질을 제거하는 활성탄 처리 공정을 수행한다.First, in the mixing process, the mixture is mixed with nitrobenzene, sulfuric acid and water used as the cathode chamber solution, and the sulfuric acid and water are mixed with the anode chamber solution. Subsequently, nitrobenzene was cathodic reduced in the state of filling the cathode and anode chambers of the electrolytic cell with each of the above mixed solutions to synthesize para-aminophenol, and then activated carbon was added to the synthesized electrolytic reaction mixture through electrolysis. An activated carbon treatment process is carried out to remove organic matter in the reaction mixture by stirring for several minutes at -100 ° C.
그후의 중화처리 공정에서는 활성탄 처리 과정을 거친 반응 혼합물을 냉각시켜 냉각된 상태로 암모니아수나 가성소다를 사용하여 pH 7.0-7.5의 범위내로 중화시켜 파라-아미노페놀을 석출한다. 이후 마지막 공정으로 중화처리공정을 거친 반응 혼합물을 충분히 냉각시킨 후 원심분리기를 이용하여 고체 파라-아미노페놀을 분리함으로써 파라-아미노페놀의 제조 공정이 완료된다.In the subsequent neutralization step, the reaction mixture, which has been treated with activated carbon, is cooled and neutralized within a range of pH 7.0-7.5 using ammonia water or caustic soda in a cooled state to precipitate para-aminophenol. Thereafter, the reaction mixture after the neutralization process is sufficiently cooled, and then the solid para-aminophenol is separated using a centrifugal separator to complete the preparation of para-aminophenol.
이와 같은 본 발명의 제조 방법에 있어서 가장 중요한 공정은 니트로벤젠으로부터 파라-아미노페놀을 전기화학적으로 합성하는 공정에 있다고 할 수 있다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 바람직한 일례에 사용되는 전해조의 구조를 예시한 도 2 및 3을 참조하여 전해반응을 구체적으로 설명한다.The most important step in the production method of the present invention can be said to be the step of electrochemically synthesizing para-aminophenol from nitrobenzene. Therefore, the electrolytic reaction will be described in detail below with reference to FIGS. 2 and 3 illustrating the structure of an electrolytic cell used in a preferred example of the present invention.
전해조(1)의 내부 양측에 대전극(2)이 각각 설치되고, 평판형 전극 또는 아크형 전극이 단독 또는 다수개로 결합하여 형성된 일전극(3)이 중앙부의 양쪽에 형성됨과 아울러 대전극(2)과 일전극(3) 사이에 양이온 교환막(4)이 형성되어 이루어지고 도면 중 미설명 부호 (7)은 응축기, (8)은 온도계, (9)는 기준전극, (10)은 가열/냉각기이다.Counter electrodes 2 are provided on both sides of the electrolytic cell 1, and one electrode 3 formed by combining a plurality of plate-type or arc-type electrodes alone or plurally is formed on both sides of the center and the counter electrode 2 And cation exchange membrane 4 are formed between the electrode and the one electrode 3, and reference numeral 7 denotes a condenser, (8) a thermometer, (9) a reference electrode, and (10) a heating / cooler. to be.
본 발명과 같이 파라-아미노페놀의 전해합성시에는 음극실내의 니트로벤젠 및 니트로벤젠의 환원생성물이 양극에서 산화되기 때문에, 이를 방지하기 위하여 양극실과 음극실 사이에 격막을 설치하여 분리하는 것이 필수적이며, 또한 니트로벤젠의 파라-아미노페놀으로의 전해 합성 반응의 반응 메카니즘을 살펴볼 때, 수소 이온이 반응에 참여함과 아울러 황산 전해질이 사용되기 때문에 양극실과 음극실 사이에 양이온 교환격막을 설치하여 양극실과 음극실을 분리하는 것이 바람직하다.In the electrolytic synthesis of para-aminophenol as in the present invention, since nitrobenzene and reduction products of nitrobenzene in the cathode chamber are oxidized at the anode, it is essential to separate and separate a diaphragm between the anode chamber and the cathode chamber to prevent this. In addition, when examining the reaction mechanism of the electrolytic synthesis reaction of nitrobenzene to para-aminophenol, hydrogen ion participates in the reaction and sulfuric acid electrolyte is used, so a cation exchange diaphragm is installed between the anode chamber and the cathode chamber. It is preferable to separate the cathode chamber.
특히, 본 발명과 같은 파라-아미노페놀의 전해 합성 반응 메카니즘은 제 1 단계로서 니트로벤젠의 전기화학적 환원 반응에 의한 중간 생성물로서의 페닐하이드록실아민의 생성 반응과, 제 2 단계로서 상기 중간생성물인 페닐하이드록실아민의 파라-아미노페놀로의 화학적 전위 반응으로 이루어진다. 이같은 2 단계 반응 메카니즘에 있어서, 제 2 단계인 화학전위 반응이 신속하게 수행되지 못하는 경우에는 전극의 주위에서 페닐하이드록실아민이 전기화학적으로 환원되어 부반응인 아닐린으로 변화되며, 또한 음극실 용액 중에 산소가 존재하는 경우 페닐하이드록실아민이 아족시벤젠으로 전환되어 불필요한 반응부산물의 생성을 야기시켜 반응수율의 저하를 초래한다. 따라서, 본 발명은 이같은 화학전위 반응이 신속하게 이루어지도록 하여, 중간생성물에 의한 부반응을 억제하는 것을 가장 큰 특징으로 한다.In particular, the electrolytic synthesis reaction mechanism of para-aminophenol as in the present invention is the reaction of the production of phenylhydroxylamine as an intermediate product by the electrochemical reduction of nitrobenzene as the first step, and the phenyl which is the intermediate product as the second step. Consisting of chemical potential reaction of hydroxylamine to para-aminophenol. In this two-step reaction mechanism, if the second chemical potential reaction is not performed quickly, the phenylhydroxylamine is electrochemically reduced around the electrode to change to side reaction aniline, and also oxygen in the cathode chamber solution. When is present, phenylhydroxylamine is converted to azoxybenzene, resulting in the formation of unnecessary reaction byproducts, resulting in a decrease in reaction yield. Therefore, the present invention is characterized in that the chemical potential reaction is made quickly, and the side reaction caused by the intermediate product is suppressed.
이에 따라, 본 발명의 평판형 또는 아크형의 단독 또는 다수의 전극과 교반기는 니트로벤젠의 전극에로의 물질이동속도를 증대시킴과 더불어 전극 표면적 및 용액의 교반 효과가 증대되어 반응속도를 증가시키게 된다. 또한 교반 효과가 증대됨에 따라 중간생성물인 페닐하이드록실아민의 용액내로의 확산을 촉진하여 전극주위에서 페닐하이드록실아민이 더이상 아닐린으로 환원되지 않고 바로 파라-아미노페놀로 화학전위되도록 함으로써 반응 수율을 높이게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 종래의 전해합성법을 통한 파라-아미노페놀의 제조에 있어서는 니트로벤젠의 용해나 분산을 위하여 유기 용매나 게면활성제를 사용함에 따라 유기 용매를 회수하여야 하는 공정상의 문제와 고가의 계면활성제의 소모가 불가피하다는 문제점이 있으나, 본 발명의 전극과 교반기를 사용하는 경우에는 용액의 교반 효과가 매우 양호하기 때문에 니트로벤젠의 용해나 분산을 위한 별도의 유기 용매나 계면활성제를 사용함이 없이 니트로벤젠을 분산시켜 전해합성할 수 있음에 따라 제조비용의 절감을 기할 수 있다는 장점이 있다.Accordingly, the plate-type or arc-type single or multiple electrodes and stirrers of the present invention increase the mass transfer speed of the nitrobenzene to the electrodes and increase the electrode surface area and the stirring effect of the solution to increase the reaction rate. do. In addition, as the agitation effect is increased, it promotes the diffusion of the intermediate product phenylhydroxylamine into the solution to increase the reaction yield by allowing the phenylhydroxylamine to be chemically displaced directly with para-aminophenol without being reduced to aniline anymore around the electrode. do. In addition, as described above, in the preparation of para-aminophenol through the conventional electrolytic synthesis method, an expensive interface and a problem in the process of recovering the organic solvent by using an organic solvent or a surfactant to dissolve or disperse nitrobenzene Although there is a problem that the consumption of the active agent is inevitable, when using the electrode and the stirrer of the present invention, since the stirring effect of the solution is very good, without using a separate organic solvent or surfactant for dissolving or dispersing nitrobenzene, As the benzene can be dispersed and electrolyzed, the manufacturing cost can be reduced.
한편, 본 발명의 일전극의 재질로서 평판형 또는 아크형의 형태로 제작이 가능하면서도 전해합성이 적합한 흑연전극, 납전극, 납-은 합금전극, 또는 구리전극 등으로 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 또한, 이들 전극상에 수소과전압이 높은 금속인 구리, 비스무스, 주석, 안티몬, 납, 아연 등이 단독 또는 합금으로 피복된 전극들을 사용할 수 있다. 이들 금속의 피복은 화학증착법, 물리증착법, 전기도금법, 무전해도금법 등 여러방법을 통하여 행해질 수 있으나, 이들 방법중에서도 전기도금법이 가장 경제적이고 효율적이다.On the other hand, as the material of the electrode of the present invention can be produced in the form of a flat plate or arc shape while being suitable for electrolytic synthesis graphite electrode, lead electrode, lead-silver alloy electrode, or copper electrode, etc. can also be used. On these electrodes, electrodes coated with one or an alloy of copper, bismuth, tin, antimony, lead, and zinc, which are metals having a high hydrogen overvoltage, can be used. The coating of these metals can be carried out by various methods such as chemical vapor deposition, physical vapor deposition, electroplating, and electroless plating. Among these methods, electroplating is the most economical and efficient method.
본 발명의 전해합성에 있어서 반응 수율 및 반응 속도는 전해 온도, 황산 농도, 니트로벤젠의 농도, 전류밀도, 음극과 양극의 재질과 같은 전해 조건에 따라 영향을 받게 되는데 이들 각 전해 조건의 최적 조건은 다음과 같다.In the electrolytic synthesis of the present invention, the reaction yield and reaction rate are affected by the electrolytic conditions such as electrolysis temperature, sulfuric acid concentration, nitrobenzene concentration, current density, material of negative electrode and positive electrode. As follows.
먼저, 전해온도는 높을수록 중간 생성물의 화학 전위반응이 빨리 일어나게되며 전해 전류 또한 증가하게 됨에 따라 전해온도가 높을 수록 반응 수율 및 반응속도가 증가하게 되는데 바람직한 전해 온도는 50-95 ℃이다.First, the higher the electrolysis temperature, the faster the chemical potential reaction of the intermediate product, and the higher the electrolytic current, the higher the electrolysis temperature, the higher the reaction yield and reaction rate. The preferred electrolysis temperature is 50-95 ° C.
또한, 황산 농도는 반응수율 및 반응속도에 영향을 미치는데 바람직한 황산농도는 1.0-4.0 M이며, 니트로벤젠의 농도는 주로 반응 수율에 영향을 미치며 적절한 니트로벤젠의 농도는 0.5-2.0 M이다.In addition, the sulfuric acid concentration affects the reaction yield and the reaction rate. The preferred sulfuric acid concentration is 1.0-4.0 M, the concentration of nitrobenzene mainly affects the reaction yield, and the appropriate concentration of nitrobenzene is 0.5-2.0 M.
전해 용액내에 수소과전압이 높은 금속 화합물을 소량 첨가하여 전해 과정 중 일전극 표면에 이들 금속이 도금되어 수소 발생 반응을 억제함으로써 반응 수율을 높일 수도 있다. 이때 사용 가능한 금속 화합물은 구리 화합물, 비스무스 화합물, 주석 화합물, 안티몬 화합물, 납화합물, 아연 화합물 등이며, 바람직한 농도는 0.001-0.3 M이다.The reaction yield may be increased by adding a small amount of a metal compound having a high hydrogen overvoltage in the electrolytic solution and plating these metals on the surface of one electrode during the electrolytic process to suppress the hydrogen generation reaction. The metal compound which can be used at this time is a copper compound, a bismuth compound, a tin compound, an antimony compound, a lead compound, a zinc compound, etc., and a preferable density | concentration is 0.001-0.3 M.
전류 밀도는 반응 속도를 나타내는 것으로 전류밀도가 증가함에 따라 생산성이 증가하는 면이 있으나, 반대로 전해전압이 상승하고 반응수율이 다소 저하되는 역효과가 나타나는데 일전극의 바람직한 전류밀도의 범위는 20-200 mA/cm2이며, 최적의 전류밀도는 전해반응 특성 및 반응 조건에 따라 변화하게 된다.The current density indicates the reaction rate, and productivity increases as the current density increases, but on the contrary, there is an adverse effect that the electrolytic voltage increases and the reaction yield decreases slightly. The desirable current density of the one electrode is 20-200 mA. / cm 2 , and the optimum current density is changed depending on the electrolytic reaction characteristics and reaction conditions.
한편, 전극 표면에 흠을 내어 전극 면적을 증대시킬 수 있으며, 또한 이를 통해 용액의 교반 효과를 증대시킬 수 있는 부수적 효과도 있다. 교반기의 회전 속도는 임팰러의 지름이 클수록 회전 속도를 적게 할 수 있는데, 바람직한 회전 속도의 범위는 100-1000 rpm이다.On the other hand, it is possible to increase the electrode area by scratching the surface of the electrode, through which there is a side effect that can increase the stirring effect of the solution. The rotation speed of the stirrer can be made smaller the larger the diameter of the impeller, the preferred range of rotation speed is 100-1000 rpm.
양극 재질은 황산 용액에서 안정한 납전극, 납-은 합금 전극 및 차원 안정화양극(Dimensionally Stable Anode, DSA(Ti/RuO2))이 적절하다.The anode material is preferably a lead electrode stable in a sulfuric acid solution, a lead-silver alloy electrode, and a dimensionally stable anode (DSA (Ti / RuO 2 )).
전해반응은 초기에는 정전류로 전해하나 일정전압에 이르면 정전압으로 전해하는 정전류/정전압 혼용방법이 바람직하며, 전류도 직류, 펄스전류로 행하는 것이 바람직하다.The electrolytic reaction is initially carried out by a constant current, but a constant current / constant voltage mixing method in which the electrolysis is carried out at a constant voltage is preferable, and the current is also preferably performed by direct current or pulse current.
또한, 전해 반응의 완결 여부는 음극실내에 기준전극을 설치하여 음극의 기준 전극에 대한 전위를 측정하거나 반응종료 시점에서의 수소 가스 발생 현상을 관측함으로써 알 수 있는데, 전해반응이 완결되는 경우 음극전위는 음(-)방향으로 급격히 증가하여 어떠한 일정전위에 이르게 된다. 이때 사용되는 기준 전극으로는 황산 용액에 안정한 포화칼로멜전극(SCE)이나 백금 전극이 바람직하다.In addition, the completion of the electrolytic reaction can be determined by installing a reference electrode in the cathode chamber and measuring the potential of the cathode to the reference electrode or observing hydrogen gas generation at the end of the reaction. Is rapidly increased in the negative (-) direction to reach a certain potential. At this time, the reference electrode used is a saturated calomel electrode (SCE) or a platinum electrode stable in sulfuric acid solution.
상기한 바와 같은 본 발명 제조 방법을 사용하여 니트로벤젠으로부터 파라-아미노페놀을 전해합성한 실시예는 아래와 같다.Examples of electrolytic synthesis of para-aminophenol from nitrobenzene using the production method of the present invention as described above are as follows.
<실시예 1><Example 1>
유기 용매나 계면활성제 없이 음극실 용액으로 2M 황산 + 1M 니트로벤젠을 사용하고 양극실 용액으로 2M 황산을 사용하여, 90 ℃에서 흑연 음극과 Pb-Ag 양극으로 교반기 500 rpm, 전류밀도 50 mA/cm2하에서 전해합성을 실시하였다. 전해는 음극 전위가 급격히 증가하였을 때 완결시켰다. 전해후 용액을 분석하여 파라-아미노페놀의 반응 수율을 구한 결과 79%로 나타났고, 아닐린은 19%, 아족시벤젠은 2%로 나타났으며, 전해전압은 4.0 V이었다.Using 2M sulfuric acid + 1M nitrobenzene as cathode chamber solution and 2M sulfuric acid as anode chamber solution without organic solvent or surfactant, stirrer 500 rpm with graphite cathode and Pb-Ag anode at 90 ° C, current density 50 mA / cm Electrolytic synthesis was carried out under 2 . Electrolysis was completed when the cathode potential rapidly increased. After electrolytic solution analysis, the reaction yield of para-aminophenol was found to be 79%, 19% for aniline, 2% for azoxybenzene, and 4.0V for electrolytic voltage.
<실시예 2><Example 2>
용액 조건과 양극은 실시예 1과 동일하게 하고, 음극으로 비스무스가 피복된 흑연 전극을 사용하여 교반기 500 rpm, 전류 밀도 50 mA/cm2로 전해합성을 실시하였다. 전해는 음극전위가 급격히 증가하였을 때 완결시켰다. 전해후 용액을 분석하여 파라-아미노페놀의 반응 수율을 구한 결과 85%로 나타났고, 아닐린은 15%, 아족시벤젠은 거의 나타나지 않았다. 전해전압은 3.7 V이었다.The solution conditions and the positive electrode were the same as in Example 1, and electrolytic synthesis was carried out using a graphite electrode coated with bismuth as a negative electrode at a stirrer 500 rpm and a current density of 50 mA / cm 2 . Electrolysis was completed when the cathode potential rapidly increased. After electrolytic solution analysis, the reaction yield of para-aminophenol was found to be 85%. Aniline was 15% and azoxybenzene was almost absent. The electrolytic voltage was 3.7 V.
<실시예 3><Example 3>
유기 용매나 계면활성제 없이 음극실 용액으로 2M 황산 + 1M 니트로벤젠 + 0.01M CuSO4를 사용하고 양극실 용액으로 2M 황산을 사용하여, 90 ℃에서 흑연 음극과 Pb-Ag 양극으로 교반기 500 rpm, 전류밀도 50 mA/cm2하에서 전해합성을 실시하였다. 전해는 음극전위가 급격히 증가하였을 때 완결시켰다. 전해후 용액을 분석하여 파라-아미노페놀의 반응 수율을 구한 결과 82%로 나타났고, 아닐린은 16%, 아족시벤젠은 2%로 나타났으며, 전해전압은 4.0 V이었다.Using 2M sulfuric acid + 1M nitrobenzene + 0.01M CuSO 4 as cathode chamber solution and 2M sulfuric acid as anode chamber solution without organic solvent or surfactant, stirrer 500 rpm, current with graphite cathode and Pb-Ag anode at 90 ° C Electrolytic synthesis was carried out under a density of 50 mA / cm 2 . Electrolysis was completed when the cathode potential rapidly increased. After electrolytic solution analysis, the reaction yield of para-aminophenol was found to be 82%, aniline was 16%, azoxybenzene was 2%, and the electrolytic voltage was 4.0V.
<실시예 4><Example 4>
유기용매나 계변활성제 없이 음극실 용액으로 2M 황산 + 1M 니트로벤젠 + 0.01M CuSO4를 사용하고 양극실 용액으로 2M 황산을 사용하여, 90 ℃에서 흑연 음극과 Pb-Ag 양극으로 교반기 500 rpm, 펄스전류(100 mA/cm210 msec, 0 mA/cm210 msec) 하에서 전해합성을 실시하였다. 전해는 음극전위가 급격히 증가하였을 때 완결시켰다. 전해후 용액을 분석하여 파라-아미노페놀의 반응 수율을 구한 결과 85%로 나타났고, 아닐린은 15%로 나타났으며, 전해전압은 4.0 V이었다.Using 2M sulfuric acid + 1M nitrobenzene + 0.01M CuSO 4 as cathode chamber solution without organic solvent or deactivator and 2M sulfuric acid as anode chamber solution, agitator 500 rpm, pulse with graphite anode and Pb-Ag anode at 90 ° C Electrolytic synthesis was carried out under current (100 mA / cm 2 10 msec, 0 mA / cm 2 10 msec). Electrolysis was completed when the cathode potential rapidly increased. After electrolytic solution analysis, the reaction yield of para-aminophenol was found to be 85%, aniline was 15%, and the electrolytic voltage was 4.0V.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 니트로벤젠의 용해나 분산을 위한 별도의 유기 용매나 계면활성제를 사용함이 없이 니트로벤젠을 분산시켜 전해합성할 수 있으므로, 유기 용매나 계면활성제의 분리, 회수 단계가 필요치 않아 공정을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이와 더불어 고가의 계면활성제를 사용하지 않음으로써 얻어지는 비용상의 절감 효과를 얻을 수 있으므로, 그의 산업상 이용 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.As described above, according to the present invention, since nitrobenzene can be dispersed and electrolyzed without using a separate organic solvent or surfactant for dissolving or dispersing nitrobenzene, the separation and recovery step of the organic solvent or surfactant may be performed. Not only is it unnecessary, it is possible to shorten the process, and at the same time, it is possible to obtain a cost-saving effect obtained by not using an expensive surfactant, and thus, the industrial applicability thereof is very high.
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