KR20040013625A - 메톡시페닐하이드라진의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메톡시페닐아민 또는 그 유도체로부터 산에 의한 중화와 아질산염으로 산화되어 만들어진 메톡시페닐디아조늄염의 환원시약으로 아황산염과 아황산수소염을 순차적으로 사용하여 일정조건하에서 환원반응시켜 메톡시페닐하이드라진을 제조함으로써, 가격이 저렴한 환원시약과 온화한 반응조건 및 중금속 폐기물의 발생이 없어 환경친화적이며 저렴한 생산공정으로 의약, 염료, 농약, 항산화제, 플라스틱첨가제 등의 정밀화학산업에 유용하게 사용할 수 있는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 관한 것이다.

Description

메톡시페닐하이드라진의 제조방법{Preparation method of Methoxyphenylhydrazine}
본 발명은 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메톡시페닐아민 또는 그 유도체로부터 산에 의한 중화와 아질산염으로 산화되어 만들어진 메톡시페닐디아조늄염의 환원시약으로 아황산염과 아황산수소염을 순차적으로 사용하여 일정조건하에서 환원반응시켜 메톡시페닐하이드라진을 제조함으로써, 가격이 저렴한 환원시약과 온화한 반응조건 및 중금속 폐기물의 발생이 없어 환경친화적이며 저렴한 생산공정으로 의약, 염료, 농약, 항산화제, 플라스틱첨가제 등의 정밀화학산업에 유용하게 사용할 수 있는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 일반적인 유기화합물의 환원방법에 대하여 밀로스 후들리스키(Milos Hudlisky)의 문헌[Reduction in Organic Chemistry, John Willey & Sons, 1984, Page 76]에 따르면 디아조늄염으로부터 하이드라진의 합성방법에 대하여 설명되어 있다.
또한, 문헌[Fischer E., Ann Chem. 190, 67∼188, 1878; Reychler A., Chem. Ber. 20, 2463∼2089, 1887]에서는 페닐 및 페닐유도체인 디아조늄의 환원방법, 즉 아닐린(Aniline) 혹은 니트로페닐아민(Nitrophenylamine)으로부터 디아조화하여 환원하고 하이드라진을 합성하는 방법에 대하여 상세히 기술되어 있다. 상기 문헌에서는 페닐 및 페닐유도체인 디아조늄의 환원방법으로, 환원제로서 아황산칼륨(K2SO3) 혹은 아황산나트륨(Na2SO3)를 단독으로 이용하여 환원하여 하이드라진 유도체 화합물을 만드는 것과 아연(Zn)과 아세트산(CH3COOH)을 이용하여 수소환원하는 방법으로 하이드라진 유도체를 합성하는 방법이 기술되어 있다. 이러한 환원방법은 현재도 이용되고 있는 유명한 환원방법이나 페닐에 메톡시기가 붙은 유도체에서는 이러한 방법으로 환원이 되지 않는다.
따라서 파라메톡시페닐하이드라진 합성방법[JCS 125(1), 313, 1924]은 파라메톡시페닐아민(p-anisidine)을 강염산 용액에 적하하여 염을 만들고 아질산나트륨 수용액으로 메톡시페닐디아조늄염을 만든 다음 여기에 환원제로서 고가시약인 염화주석(II)(SnCl2)을 이용하여 저온에서 환원하여 파라메톡시페닐하이드라진을 만들었다. 이 방법은 올소, 메타, 혹은 파라 위치에 있는 메톡시페닐아민(o-Anisidine, m-Anisidine 및 p-Anisidine)으로부터 만들어지는 알콕시페닐아민도 위와 같은 방법으로 환원을 하지 않으면 만들기 어렵다. 따라서 종래의 일반적인 방법은 메톡시페닐디아조늄의 열적 불안정성으로 인하여 일반적으로 사용하는 아황산나트륨(Na2SO3)이나 차아황산나트륨(Na2S2O4)으로 단독으로 사용하여 환원되지 않으므로, 저온, 강산성 하에서 중금속인 2가 주석의 환원작용을 이용한 것이다. 이 저온 환원 반응은 환원과정 중에 생성되는 염화주석(IV)의 침전으로 인하여 반응기 내부의 용액이 슬러리화 되거나 고화되어 교반기의 동력에 무리한 부하를 주거나 혹은 교반효과가 급격히 떨어져 반응수율에 영향을 미치기도 한다. 또한 중화 후에 부산물로 나오는 산화주석의 중금속으로 인하여 발생되는 폐기물처리로 산업화에 대한 문제점과, 다른 환원시약에 비하여 고가인 점으로 제조비용이 증대되어 경쟁력이 떨어져 상업화에 걸림돌이 되었다.
또 다른 방법은 공업화된 방법은 아니지만 전기환원법[J. Electrochemical Science and technology, Olivier Orange, etc, Vol.128, No.9, 1889-1894, 1981]으로서 파라메톡시디아조늄염에 소디움헥사플로로보레이트(NaBF6)로서 음이온인 염소를 헥사플로로보레이트 이온으로 치환하여 염을 안정화시키고 이 수용액을 수은전극을 이용한 전기화학적 환원방법을 사용하여 파라메톡시하이드라진을 만드는 방법이다. 이 방법은 디아조늄염산염을 안정화 시키기 위하여 사용한 소디움헥사플로로보레이트는 고가의 시약이며 회수하여 재사용하기 힘든 공정으로 구성되어 있다. 뿐만 아니라 전기화학적인 방법을 사용하기 위해서는 매우 낮은 농도(10-4mol) 부근으로 만들어 사용해야 하고 수율도 최대 65%정도이며 이 조건은 매우 산화가 일어나기 쉬운 조건으로 공업화에 문제가 있다.
한편, 메톡시기가 없는 아닐린(Aniline)으로부터 페닐하이드라진(Phenylhydrazine)을 제조하는 기존의 환원방법[Org syn coll vol1, pp 442-445 혹은 Mann & Saunders, Practical Organic Chemistry, 3rd Ed]인 아황산염을 이용하여 알콕시페닐하이드라진을 합성할 경우 다음과 같은 문제점으로 인하여 효과적으로 제조하지 못한다. 알콕시페닐하이드라진의 제조는 페닐하이드라진의 합성과는 물리화학적인 성질이 달라서 알콕시페닐디아조늄염에 아황산나트륨으로서 알콕시페닐디아조아황산염을 만들고 강염산과 가열 혹은 열충격에 의한 가수분해 환원방법으로 알콕시페닐하이드라진이 만들어지지 않는다. 그 이유는 알콕시기는 전자끌개 역활과 낮은 에너지결합으로서 알콕시페닐디아조염은 산과 열에 매우 약하므로 알콕시페닐디아조아황산나트륨염을 가열하여 완전히 녹인 다음, 통상의 환원방법으로 강염산을 투입하여 환원하려 한다면 알콕시페닐디아조아황산나트륨염은 염산과 중화하여 더욱 안정된 불용성의 알콕시디아조아황산수소염으로 침전되어 버리거나 혹은 약산성 하에서는 질소의 발생과 함께 분해되어 tar가 형성되고 환원은 이루어지지 않는다[Ber. R.Huisgen and R. Lux, Jahrg. 93, 1960, pp 540∼544]. 다른 한 방법으로 60 ∼ 90 ℃의 뜨거운 수용액에 알콕시페닐디아조아황산나트륨 수용액을 떨어뜨리면 부분 환원과 분해가 동시에 일어나 타르(tar)가 형성되므로 하이드라진의 수율이 최대 35%이상 높아지지 않는다.
메톡시기가 없는 아닐린으로부터 페닐하이드라진을 제조하는 또 다른 방법으로서 통상적으로 많이 사용하는 유기화합물의 환원으로 촉매에 의한 직접수소환원이나, 강산과 금속에 의한 환원방법이 있으나 알콕시페닐디아조화합물의 금속에 의한 디아조의 분해와 열적 불안정으로 인하여 타르의 형성이 많아 사용되지 않는다.
이와같이, 의약, 농약, 염료, 플라스틱 첨가제 등의 중간체로 사용되는 메톡시페닐하이드라진 혹은 그 유도체는 새로운 특성을 가진 신규물질의 중간체로서 사용량이 증가함에도 불구하고 아직 상업적인 대량생산에 이르지 못하여 고가의 중간체 시약으로 유통되고 있어 신규제품의 상업화 등, 정밀화학산업 발전에 걸림돌이 되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 메톡시페닐아민(Anisidine) 또는 그 유도체로부터 산에 의한 중화와 아질산염으로 산화되어 만들어진 메톡시페닐디아조늄염의 환원을 아황산염으로 pH 6 ∼ 10로 조절하여 메톡시페닐디아조아황산염을 제조한 후, 이를 아황산수소염으로 pH 5 ∼ 7로 조절하여 아황산수소염의 반응과 함께 가수분해 환원에 의하여 메톡시페닐하이드라진아황산염을 제조한 다음, 염산으로 가수분해하여 환원하는 방법으로 메톡시페닐하이드라진염산염을 만든 후, 상기 메톡시페닐하이드라진염산염을 가성소다로 중화하여 메톡시페닐하이드라진을 제조함으로써, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 메톡시페닐하이드라진의 합성에 있어 친환경적이고 저렴한 환원제를 사용하여 환경친화적이고 경제적일뿐만 아니라 반응조건이 온화하여 높은 수율로 메톡시페닐하이드라진을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 메톡시페닐아민 또는 그 유도체로부터 메톡시페닐아민염산염, 메톡시페닐디아조늄염, 메톡시페닐하이드라진아황산염 및 메톡시페닐하이드라진염산염의 제조단계를 거쳐 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 있어서, 상기 메톡시페닐디아조늄염의 환원시약으로 아황산염(M2SO3; M은 Na 또는 K)과 아황산수소염(MHSO3; M은 Na 또는 K)을 순차적으로 사용하여 환원반응 시켜 메톡시페닐하이드라진을 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.
이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 페닐유도체의 디아조늄염은 온도에 매우 약하여 분해가 쉽게 일어난다. 특히 페닐기에 친전자성 라디칼인 옥시, 메톡시, 할로겐기가 있을 경우 그 디아조늄염은 질소를 배출하며 더욱 분해되기 쉬운 경향을 지니고 있으므로 통상적인 방법으로 환원하여 하이드라진 화합물로 만들기 어렵다.
따라서, 본 발명은 메톡시페닐아민 또는 그 유도체로부터 산에 의한 중화와 아질산염으로 산화되어 만들어지는 메톡시페닐디아조늄염의 환원에 일반적으로 사용되는 아황산염으로 특정 pH 및 특정 온도에서 메톡시페닐디아조아황산염의 침전을 만들어 안정화시킨 다음, 다시 아황산수소염 수용액을 첨가한 후 pH 및 반응 온도를 조절하여 메톡시페닐하이드라진아황산염을 만들어 이를 가수분해 반응 및 중화반응시켜 메톡시페닐하이드라진을 제조함으로써, 디아조화합물의 분해가 없어 타르의 형성이 없으며 수율도 매우 높으며 환경친화적일 뿐만 아니라 반응조건이 온화하여 저렴하게 메톡시페닐하이드라진을 제조할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 메톡시페닐하이드라진을 제조하는 방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 1 단계로 메톡시페닐아민 또는 그 유도체와 염산은 반응하여 다음 반응식 1에 따라 메톡시페닐아민염산염(1)을 형성한다.
상기 반응식에서 R1은 메톡시(OCH3) 라디칼을 나타낸다(이하 R1은 같다).
상기 반응은 메톡시페닐아민 또는 그 유도체를 0 ∼ 20 ℃, 바람직하게는 5 ∼ 10 ℃ 정도(메톡시페닐아민의 융점부근)의 저온에서 강염산 수용액에 천천히 적하하여 메톡시페닐아민염산염을 제조한다.
2 단계로, 상기 메톡시페닐아민염산염은 아질산염과 반응하여 다음 반응식 2에 따라 메톡시페닐디아조늄염(2)을 형성한다.
상기 반응은 메톡시페닐아민염산염에 아질산염 수용액을 0 ∼ 20 ℃, 바람직하게는 0 ∼ 10 ℃로 반응온도를 유지하며 적하하여 산화시켜 메톡시페닐디아조늄염을 만든다. 이때 화학 양론적으로 염산이 1.0 mol배 더 반응에 참가하므로염산의 양을 충분히 반응 시작하기 전에 투입한다. 반응이 끝나면 심청색의 용액이 된다.
3 단계로, 메톡시페닐디아조늄염은 아황산염과 반응하여 다음 반응식 3에 따라 메톡시페닐디아조아황산염(3)을 형성한다.
상기 반응은 반응기의 온도를 상온이하, 바람직하게는 0 ∼ 10 ℃로 유지시킨다. 그리고, 아황산나트륨(Na2SO3)을 메톡시페닐디아조늄염에 대해 1 ∼ 1.5 몰비로 계량하여 상온에서 포화용액이 되도록 증류수를 부어 완전히 녹인다. 이 수용액을 다른 반응기로 옮겨 반응기의 온도를 0 ∼ 20 ℃, 바람직하게는 0 ∼ 10 ℃로 내린다. 만일, 반응온도가 0 ℃ 미만이면 원료의 결정화로 반응속도가 느려지며 완전한 반응이 어렵고 또한 과냉으로 전력의 과소비를 초래하는 문제가 있고, 20 ℃를 초과하면 디아조늄염의 분해로 타르가 형성되어 수율이 낮아지는 문제가 있다. 이때 반응기내의 포화된 아황산나트륨 수용액은 과포화상태가 되어 흰색의 침전이 생성되나 이에 관계없이 반응기의 온도는 그대로 계속 저온상태를 유지한다. 그리고나서, 상기 반응식 2의 메톡시페닐디아조늄염을 과포화된 아황산나트륨의 수용액에 투입하면서 수시로 pH지 혹은 pH 메타로서 반응 혼합용액의 pH가 중성 혹은 약알칼리성(pH 6 ∼ 10), 바람직하게는 pH를 7 ∼ 9로 조절하여 메톡시페닐디아조아황산염인 황색의 침전을 얻는다. 만일 pH가 6 미만이면 열에 안정하고 불용인 메톡시페닐디아조아황산수소염이 만들어져 원하지 않은 반응으로 진행되어 수율을 저하 시키는 문제가 있고, pH가 10을 초과하면 디아조늄염은 알칼리에 매우 약해 분해되어 타르가 생성되는 문제가 있다. 혼합이 끝나면 반응기의 온도를 상온으로 올려 반응이 완결되도록 1 ∼ 3시간 유지시켜, 메톡시페닐디아조아황산염을 얻는다.
4 단계로, 메톡시페닐디아조아황산염은 아황산수소염과 반응하여 다음 반응식 4에 따라 메톡시페닐하이드라진아황산염(4)을 형성한다.
상기 반응은 아황산수소나트륨(NaHSO3)을 메톡시페닐디아조늄염에 대해 1 ∼ 1.5 몰비로 정량하여 상온에서 포화상태가 되도록 증류수를 가하여 녹인 다음 이 수용액을 앞에서 만든 메톡시페닐디아조아황산염에 가하며 수시로 pH를 측정하여 용액의 pH가 약산성, 바람직하게는 pH를 5 ∼ 7로 조절한 후 천천히 열을 가하여 50 ∼ 95 ℃, 바람직하게는 침전물이 완전히 용해되는 온도까지 올려 반응을 진행시키면 메톡시페닐디아조아황산염은 완전히 용해되어 아황산수소나트륨과 반응한다. 만일 pH가 5 미만이면 열에 안정하고 물에 불용인 메톡시페닐디아조늄아황산수소염의 침전이 생성되는 문제가 있고, pH가 7을 초과하면 아황산수소나트륨의 농도가 낮아져 반응수율을 급격히 저하시키는 문제가 있다. 반응온도가 50 ℃ 미만이면 메톡시페닐디아조늄아황산염이 녹지 않아 반응속도가 매우 느린 문제가 있고, 95 ℃를 초과하면 열에 약한 디아조늄염 혹은 생성된 하이드라진염이 열에 의하여 분해, 타르가 형성되어 수율을 저하시키며 정제에 어려운 문제가 있다. 이 반응은 매우 빠르게 일어나며, 여기서 만들어진 중간 생성물은 다음 물 한 분자에 의하여 가수분해에 의한 환원으로 메톡시페닐하이드라진아황산나트륨(4)이 생성되어 투명한 연한 적황색 용액으로 변한다. 가수분해에 의한 환원반응은 매우 느린 반응으로서 70 ∼ 80 ℃사이의 온도에서 보통 2 ∼ 4시간사이에 약 90% 이상 반응이 진행된다. HPLC로서 반응의 진행을 관찰하여 반응율이 90%이상이고 반응이 더 진행되지 않으면 용액을 상온으로 냉각한다. 냉각후의 반응용액인 메톡시페닐하이드라진아황산나트륨은 침전이 없는 투명한 적황색을 띈다.
5 단계로, 메톡시페닐하이드라진아황산염은 다음 반응식 5에 따라 메톡시페닐하이드라진염산염(5)을 형성한다.
상기 반응은 반응식 4의 메톡시페닐하이드라진아황산나트륨 수용액에 진한 염산을 메톡시페닐디아조늄염에 대해 약 5 ∼ 10 몰비, 바람직하게는 7 ∼ 9 몰비로 정량하여 교반하며 천천히 가하여 10 ∼ 65 ℃에서 교반시키면 메톡시페닐하이드라진아황산나트륨은 빠르게 물 한 분자와 가수분해에 의한 환원반응으로 메톡시페닐하이드라진염산염이 된다. 이때, 염산의 농도를 진하게 하면 가수분해 환원반응속도가 빨라지고 만들어진 하이드라진염의 열에 대한 안정성도 높아지나 중화를 위한 알칼리의 양이 많아지므로 제조비용이 높아진다. 염산의 농도가 낮으면 가수분해 환원속도가 느려지며 분해되기 쉬워 타르생성이 많아지고 수율도 떨어진다. 또한 가수분해 환원의 온도가 10 ℃ 미만이면 가수분해에 의한 환원반응 속도가 느려 완결시간이 느려지며, 65 ℃를 초과하면 가수분해 환원반응의 진행이 빨라지나, 분해도 촉진되어 타르의 생성도 빨라져 수율을 낮추고 불순물의 농도를 높여 정제하는데 어려움이 가중된다. 강염산에 의한 가수분해 환원반응이 끝나면 반응기의 온도를 0 ∼ 10 ℃로 내린다.
6 단계로, 메톡시페닐하이드라진염산염은 다음 반응식 6에 따라 메톡시페닐하이드라진(6)을 형성한다.
상기 반응은 반응식 5의 메톡시페닐하이드라진염산염 수용액에 강알칼리(가성소다)를 첨가하여 0 ∼ 20 ℃, 바람직하게는 0 ∼ 10 ℃를 유지하며 중화반응시켜 수용액의 pH를 약알칼리, 바람직하게는 pH 10 ∼ 12로 조절하여 메톡시페닐하이드라진을 얻는다. 제조된 메톡시페닐하이드라진은 수용액 상층에 붉은색의 오일형태로 분산되어 있으므로 물에 불용인 유기용매 즉 톨루엔, 벤젠, 헥산, 에틸아세테이트 등으로 2 ∼ 4회 추출하여 다음 반응에 이용하거나 혹은 용매를 저온에서 진공증류하여 회수한다. 이때의 용매에 추출된 메톡시페닐하이드라진은 HPLC 분석으로 95% 이상의 순도를 보인다. 또는 상기 추출용액에 메칠클로로포메이트로서 반응을 진행시켜 회수한 결정형 메톡시페닐하이드라진의 수율은 85% 이상 되어 다른 여타의 합성방법에 비하여 매우 경제적인 제조방법이라 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. Na 2 SO 3 와 NaHSO 3 에 의한 환원
1000 ml 2중 자켓 반응기에 교반기와 온도계를 부착하고 진한 염산(37%) 85 ml를 투입하여 반응기의 외부자켓으로 냉각수를 순환시켜 반응기의 온도를 5 ℃이하로 내려놓았다. 여기에 오르소메톡시페닐아민(o-Anisidine, 99+% aldrich) 49.96 g(0.4057 mol)을 천천히 투입하여 흰색결정의 o-Anisidine·HCl 염(1) 슬러리용액을 만들었다. 미리 아질산나트륨(NaNO2; 97%, Aldrich) 30.30 g(0.4057 mol)을 물 56 ml에 넣어 녹여 준비한 용액을 천천히 반응기에 주입하여 o-Anisidine·HCl 염과 반응시켜 심청색의 2-메톡시-페닐 디아조늄염(2)을 만들었다. 2-메톡시-페닐 디아조늄염 수용액을 다른 용기로 옮겨 5 ℃이하로 보관하였다. 아황산나트륨(Na2SO3; 98% Aldrich) 61.99 g(0.4665 mol)을 물 250 ml에 녹인 후, 둘로 나누어 약 67% 정도의 용액은 반응기에 넣고 나머지 33% 용액은 진한염산으로 pH를 약 9부근으로 맞춘 후 다른 용기에 두었다. 반응기의 온도를 0 ℃로 내리면 아황산나트륨의 흰색 침전이 발생되나 이에 상관없이 앞서 만든 2-메톡시-페닐 디아조늄염 수용액을 넣어 pH를 약 7로 맞추면서 투입하고, 나머지 아황산나트륨 수용액을 넣어 pH를 약 8로 맞추었다. 2-메톡시-페닐 디아조늄염 수용액은 아황산나트륨과 반응하여 황금색 침전, 즉 2-메톡시-페닐 디아조늄아황산염(3)이 만들어졌다. 반응이 끝난 후, 반응기의 온도를 상온으로 올리고 약 1시간정도 유지하였다. 아황산수소나트륨(NaHSO3; 58.5% Samchun chemical) 83.08 g(0.4671 mol)을 물 150 ml에 녹인 후 이 수용액을 반응기에 투입하고 진한 염산으로 pH를 약 6으로 맞춘 후 서서히 가열하였다. 반응기의 침전물이 녹기 시작하면서 반응이 일어나며 반응도중 pH는 5 ∼ 7를 유지하도록 조절하였다. 반응물이 녹는 온도 즉 약 70 ℃ 부근에서 2시간 정도 지나면 반응은 HPLC 분석으로 약 93% 이상 진행됨을 확인하였으며, 그 후 반응속도가 급격히 줄어들며, 용액은 투명한 적황색을 띄었다. 생성물, 즉 2-메톡시-페닐 하이드라진아황산염(4)의 농도가 더 이상 올라가지 않으면 반응기의 온도를 상온으로 내리고 이를 둘로 나누어 진한염산(디아조늄염에 대하여 5 몰비)을 사용하여 상온에서 약 8시간 가수분해 환원시켜 2-메톡시-페닐 하이드라진염산염(5) 얻은 후, 온도를 0 ℃부근으로 냉각하여 50% 가성소다로 중화시켰다. 용액의 pH가 약 12정도 되었을 때, 알칼리의 주입을 중단하고 교반기를 멈추면 붉은 색의 2-메톡시-페닐 하이드라진(6)의 기름층이 상층에 떠다니는 것을 볼 수 있었다. 생성된 2-메톡시-페닐 하이드라진을 톨루엔 500 ml로서 4회에 걸쳐 추출하고, 추출한 2-메톡시-페닐 하이드라진을 메틸클로로포메이트(CH3OCOCl)로 알칼리 존재하에 10 ∼ 20 ℃에서 반응시켜 얻어진 2-메톡시-페닐 하이드라진 메틸카바메이트 결정의 수율은 각각 85.2% 및 82.94% 이고 HPLC 순도는 모두 99.% 이상이었다.
실시예 2 ∼ 3.
실시예 1과 동일한 방법으로 2-메톡시-페닐 하이드라진을 제조하되, 가수분해 환원반응시 사용한 염산의 농도만 다음 표 1과 같이 달리하였다.
염산의 양을 증가시키면 가수분해 환원이 증가되고 또한 열안정성이 우수하여 수율도 증가한다. 그러나 만들어진 2-메톡시-페닐 하이드라진 염산염을 중화 할 때 많은 양의 알칼리가 소요되어 원가의 상승을 가져오므로 경제적 관점에서 적절한 양의 염산이 필요하다.
출발원료 환원제 I 환원제 II 염산(mol/mol-원료) 수율(%)* HPLC(%)
실시예 2 o-Anisidine Na2SO3 NaHSO3 7 84.01 93.97
실시예 3 " " " 10 86.55 93.29
* 하이드라진을 만든 후 메틸클로로포메이트로 합성하여 얻어진 2-메톡시-페닐 하이드라진메틸카바메이트 결정의 수율.
실시예 4 ∼ 5.
실시예 1과 동일한 방법으로 2-메톡시-페닐 하이드라진을 제조하되, 가수분해 환원반응시 사용한 염산의 농도는 7로 하고, 원료물질을 다음 표 2와 같이 달리하고 메칠클로로포메이트로 반응시켜 결정을 얻어 분석한 결과이다. 생성된 물질은 각각 파라-메톡시-페닐 하이드라진 메칠 카바메이트와 메타-메톡시-페닐 하이드라진 메칠 카바메이트로서 수율과 순도는 실시예 1과 같이 오르소-메톡시-페닐 하이드라진의 수율보다 낮았다.
출발원료 환원제 I 환원제 II 염산(mol/mol-원료) 수율(%) HPLC(%)
실시예 4 p-Anisidine Na2SO3 NaHSO3 7 50.98 62.58
실시예 5 m-Anisidine " " 7 46.78 55.13
비교예 1. SnCl 2 에 의한 환원
1000 ml 2중 자켓 반응기에 교반기와 온도계를 부착하고 진한 염산(37%) 122 ml와 물 255 ml를 투입하여 반응기의 외부자켓으로 냉각수를 순환시켜 반응기의 온도를 5 ℃ 이하로 내려놓았다. 여기에 오르소메톡시페닐아민(o-Anisidine, 99+%, 알드리치) 52.09 g(0.4230 mol)을 반응기에 천천히 투입하여 흰색결정의 o-Anisidine·HCl 염을 만들었다. 반응은 중화반응으로 반응기내의 온도가 올라가므로 10 ℃ 이상 넘지 않도록 주의하여야 한다. 주입을 끝낸 후 약 30분 정도 유지하여 반응을 완결시켰다. 그리고 나서, 미리 아질산나트륨(NaNO2; 97%, 알드리치) 30.64 g(0.4441 mol)을 물 55 ml에 넣어 녹여 준비한 용액을 천천히 반응기에 주입하여 o-Anisidine·HCl 염과 반응시켜 2-메톡시-페닐 디아조늄염을 만들었다. 이때, 디아조늄 생성반응은 발열반응이며 생성물은 온도에 매우 민감하여 분해하기 쉬우므로 반응온도를 0 ℃정도로 유지하였다. 반응이 완료되어 생성된 2-메톡시-페닐 디아조늄염은 완전히 용해된 심청색 수용액이었다. 이 2-메톡시-페닐 디아조늄염을 환원하기 위하여 염화주석(II)(SnCl2·2H2O; 93%, 알드리치) 205.2 g(0.8459 mol)을 진한 염산 100 ml에 완전히 녹인 용액을 천천히 반응기에 주입하며 반응온도를 5 ℃이하로 유지하였다. 반응물이 주황색에서 연노랑색, 흰색으로 색상이 변하며 슬러리 상에서 고상으로 변화되어 교반이 여의치 못하였다. 주입이 끝난 후 약 2시간정도 유지하며 상온에서 교반한 후 다시 반응기의 온도를 0 ℃ 부근으로 내려 진한 가성소다용액(50% NaOH)로서 생성물을 중화시켰다. 알칼리로 중화시에 고체상의 반응물은 알칼리의 주입에 따라 점차 녹기시작한다. 계속하여 알칼리를 주입하면 pH 약 3 ∼ 7범위에서 다시 반응물은 수산화주석(IV)로 고형화되며 교반이 어렵고 교반동력에 부하가 걸린다. 그러나 계속 알칼리를 주입하면 수산화주석(IV)은 알칼리영역에서 다시 서서히 용해된다. 용액의 pH가 약 12정도 되었을 때, 알칼리의 주입을 중단하고 교반기를 멈추면 붉은 색의 o-메톡시페닐하이드라진의 기름층이 상층에 떠다니는 것을 볼 수 있었다. 생성된 o-메톡시페닐하이드라진은 톨루엔 125 ml로서 4회에 걸쳐 추출하고 NaOH 10 g으로서 수분을 제거한 후 여과하고 진공증류로서 용매(500 ml)를 제거하여 o-메톡시페닐하이드라진 53.13 g(수율 90.9%)을 얻었다. 또한 톨루엔으로 추출한 o-메톡시페닐하이드라진을 메틸클로로포메이트(CH3OCOCl)로 알칼리 존재하에 10 ∼ 20 ℃에서 반응시켜 얻어진 3-(2-메톡시페닐)하이드라진 메틸카바메이트 결정은 71.68 g(HPLC 순도 99.2%)으로서 수율 86.4%를 나타내었다. 비교예 1에서 만들어진 오르소메톡시페닐하이드라진 및 2-메톡시-페닐 하이드라진 메틸카바메이트 결정의 수율과 순도는 실시예 1 ∼ 3과 차이가 없었으며 또한 IR, H1-NMR, C13-NMR, 및 원소분석 결과와 일치하였다. 따라서 실시예 1 ∼ 3에서 실시한 Na2SO3와 NaHSO3에 의한 환원은 비교예 1 보다 환경친화적이며 공정화가 쉬운 제법임이 확인되었다.
비교예 2. 아황산나트륨(Na 2 SO 3 )에 의한 환원
1000 ml 2중 자켓 반응기에 교반기와 온도계를 부착하고 진한 염산(37%) 85 ml를 투입하여 반응기의 외부자켓으로 냉각수를 순환시켜 반응기의 온도를 5 ℃이하로 내려놓았다. 여기에 오르소메톡시페닐아민(o-Anisidine, 99+% aldrich) 49.96 g(0.4057 mol)을 천천히 투입하여 흰색결정의 o-Anisidine·HCl 염(1)을 만들었다. 미리 아질산나트륨(NaNO2; 97%, Aldrich) 30.30 g(0.4057 mol)을 물 56 ml에 넣어 녹여 준비한 용액을 천천히 반응기에 주입하여 o-Anisidine·HCl 염과반응시켜 2-메톡시-페닐 디아조늄염을 만들었다. 이를 다른 용기로 옮겨 5 ℃ 이하로 보관하였다. 아황산나트륨(Na2SO3; 98% Aldrich) 122.7 g(0.9736 mol)을 물 450 ml에 녹인 후, 이 용액의 반을 반응기에 넣고 진한염산으로 pH를 약 9부근으로 맞춘 후 반응기의 온도를 0 ℃로 내리면 흰색 침전이 발생되나 이에 상관없이 앞서 만든 2-메톡시-페닐 디아조늄염 수용액을 넣어가며 pH를 약 7로 맞추었다. 디아조 수용액은 아황산나트륨과 반응하여 황금색 침전이 만들어졌다. 반응기의 온도를 상온으로 올리고 약 1시간정도 유지한 다음 나머지 아황산나트륨 수용액 나머지 반을 투입하고 진한 염산으로 pH를 6 정도로 맞춘 후 서서히 가열하였다. 반응기의 침전물이 녹기 시작하면서 반응이 일어나며 pH의 변동이 있을 때 진한염산이나 50% 가성소다 수용액으로 pH를 6부근으로 맞추었다. 반응온도 약 65 ℃에서 침전물은 완전히 용해하고 약3시간 경과 후 반응은 HPLC 분석으로 약94% 진행되었음을 확인하였다.
반응기의 온도를 상온으로 내리고 이를 둘로 나누어 가수분해시 염산의 농도에 따른 하이드라진의 생성량을 시험하였다. 가수분해 환원방법은 열 충격에 의한 방법으로 염산을 투입한 수용액을 약 65 ℃로 가열된 반응기에 신속히 떨어지게 하고 곧바로 온도를 내려 하이드라진 염산염을 얻는 방법이다. 진한염산으로 디아조늄 mol에 대하여 1등가 mol을 사용했을때, 대부분의 생성물질은 타르(Tar)로 변화여 폐기처분하였다. 그러나 진한염산으로 3등가 mol을 사용하여 가수분해환원을 행한 결과 타르(Tar)가 생성되어 불순물이 많았지만 메틸클로로포메이트 반응이 끝난 후 생성물은 30.51 g(HPLC 순도 94.03%)으로서 76.68%의 수율을 얻었다. 실시예 1에서 얻어진 합성은 아황산나트륨 수용액의 pH에 따라서 수용액 중에 존재하는 음이온의 종류로서 반응이 진행된 것으로 본다. 즉 pH가 7이상일 경우 SO3 -2, 7이하일 경우 HSO3 -1이온으로 존재하므로 가능하다.
비교예 3.
비교예 2와 같은 방법으로 디아조늄염 수용액을 만들고 아황산나트륨을 사용하는 방법은 동일하나 단지 황금색 침전인 2-메톡시페닐디아조아황산나트륨염과 아황산나트륨(Na2SO3)수용액과의 현탁액의 pH를 7이상 8 ∼ 9부근으로 맞추고 70 ℃로 가열하여 반응시키면 반응물은 잘 녹지 않고 황토색의 현탁액으로 부유한다. 이 용액을 상온으로 냉각하여 진한 염산용액으로 가수분해에 의한 환원반응은 진행되지 않는다. 이 결과는 아황산나트륨 수용액의 환원반응에서 반응성이 pH에 매우 의존됨을 보여준다.
비교예 4.
비교예 2와 같은 방법으로 디아조늄염 수용액을 만들고 아황산나트륨을 사용하는 방법은 동일하나 단지 황금색 침전인 2-메톡시페닐디아조아황산나트륨염과 아황산나트륨(Na2SO3)수용액과의 현탁액의 pH를 7이하 2 ∼ 3부근으로 맞추고 70℃로 가열하여 반응시키면 반응물은 잘 녹고 중간체의 반응 진행이 빨라 일부 하이드라진이 만들어져 타르(Tar)가 만들어지기도 하며 부반응인 2-메톡시페닐디아조아황산수소염의 안정한 황색침전이 형성되어 현탁액으로 부유한다. 이 용액을 상온으로 냉각하여 진한 염산용액으로 가수분해 환원반응시키면 반응은 진행되지 않는다. 이 결과는 아황산나트륨 수용액의 환원반응에서 pH에 반응성이 매우 의존됨을 보여준다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 메톡시페닐하이드라진의 제조방법은 메톡시페닐디아조늄염의 환원시약으로 아황산염과 아황산수소염을 순차적으로 사용하여 환원반응 시켜 디아조늄염을 안정화시킨 후 환원반응을 시킴으로써, 디아조화합물의 분해가 없어 타르의 형성이 없으며 수율도 매우 높으며 환경친화적일 뿐만 아니라 반응조건이 온화하여 저렴하게 메톡시페닐하이드라진을 제조할 수 있어, 메톡시페닐하이드라진을 사용하는 의약, 농약, 염료, 항산화제, 플라스틱첨가제 등의 정밀화학 공업에 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 메톡시페닐아민 또는 그 유도체로부터 메톡시페닐아민염산염, 메톡시페닐디아조늄염, 메톡시페닐하이드라진아황산염 및 메톡시페닐하이드라진염산염의 제조단계를 거쳐 메톡시페닐하이드라진의 제조방법에 있어서, 상기 메톡시페닐디아조늄염의 환원시약으로 아황산염(M2SO3; M은 Na 또는 K)과 아황산수소염(MHSO3; M은 Na 또는 K)을 순차적으로 사용하여 환원반응 시키는 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 메톡시페닐하이드라진의 제조방법은
    메톡시페닐아민 또는 그 유도체와 염산을 반응시켜 메톡시페닐아민염산염을 형성하는 1 단계;
    메톡시페닐아민염산염과 아질산염을 반응시켜 메톡시페닐디아조늄염을 형성하는 2 단계;
    메톡시페닐디아조늄염은 아황산염과 반응시켜 메톡시페닐디아조아황산염을 형성하는 3 단계;
    메톡시페닐디아조아황산염은 아황산수소염과 반응시켜 메톡시페닐하이드라진아황산염을 형성하는 4 단계;
    메톡시페닐하이드라진아황산염은 염산으로 가수분해 환원반응시켜 메톡시페닐하이드라진염산염을 형성하는 5 단계; 및
    메톡시페닐하이드라진염산염은 가성소다로 중화반응시켜 메톡시페닐하이드라진을 형성하는 6 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 3단계의 반응에 있어 반응용액의 pH가 6 ∼ 10이고, 반응온도가 0 ∼ 20 ℃인 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 3단계의 반응에 있어 아황산염은 메톡시페닐디아조늄염에 대해 1 ∼ 1.5 몰비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 4단계의 반응에 있어 반응용액의 pH가 5 ∼ 7인 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 4단계의 반응에 있어 아황산수소염은 메톡시페닐디아조늄염에 대해 1 ∼ 1.5 몰비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 5단계의 반응에 있어 염산은 메톡시페닐디아조늄염에 대해 5 ∼ 10 몰비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 5단계의 반응온도는 10 ∼ 65 ℃인 것을 특징으로 하는 메톡시페닐하이드라진의 제조방법.
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