KR20090014106A - 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논 제조 방법 - Google Patents

시클로알칸올 및/또는 시클로알카논 제조 방법 Download PDF

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마사히로 호시노
노부후미 와타나베
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스미또모 가가꾸 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 양호한 전환으로 시클로알칸을 산화시켜 양호한 선택도로 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
메조포러스 실리카 (mesoporous silica) 의 존재 하에서 산소로 시클로알칸을 산화시키는 것을 포함하는, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논의 제조 방법으로서, 여기서 (1) 메조포러스 실리카는 하나 이상의 전이 금속을 함유하고, (2) 메조포러스 실리카에서 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 25 % 이상인 방법이 기재되어 있다.

Description

시클로알칸올 및/또는 시클로알카논 제조 방법 {PROCESS FOR PRODUCING CYCLOALKANOL AND/OR CYCLOALKANONE}
본 출원은 일본 특허 출원 제 2007-202672 호의 파리 조약 우선권을 청구하여 출원되었고, 이의 전체 내용은 참고로서 본원에 포함된다.
본 발명은 산소로 시클로알칸을 산화시켜 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논을 제조하는 방법에 관한 것이다.
산소로 시클로알칸을 산화시켜 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논을 제조하는 방법으로서, 전이 금속 함유 메조포러스 실리카 (mesoporous silica) 의 존재 하에 산화 반응을 수행하는 방법이 공지되어 있다 (예를 들어, [Applied Catalysis A: General, Netherlands, 2007, Vol. 318, p.128-136]; [Microporous and Mesoporous Materials, Netherlands, 2007, Vol. 99, pp.334-344]; [Journal of Nanoscience and Nanotechnology, U.S.A., 2006, Vol. 6, pp.1758-1764]; [Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Netherlands, 2006, Vol. 246, pp.162-166]; 및 [Catalysis Letters, Netherlands, 2006, Vol. 108, pp.49-54] 참조).
상기 종래의 방법은 종종 시클로알칸의 전환 및 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논의 선택도의 관점에서 불충족스러운 점을 포함한다. 따라서, 본 발명의 목적은 양호한 전환으로 시클로알칸을 산화시켜 양호한 선택도로 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는 비교적 다수의 입자 직경이 큰 메조포러스 실리카 입자, 예를 들어 입자 직경이 20 ㎛ 초과인 메조포러스 입자가 종래의 메조포러스 실라카에 존재한다는 것을 집약적으로 연구하여 발견하였다. 추가의 집약적 연구의 결과로서, 상기 목적이 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 소정의 값 이상인 하나 이상의 전이 금속을 함유한 메조포러스 실리카의 존재 하에 상기 산화 반응을 수행함으로써 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 메조포러스 실리카의 존재 하에 산소로 시클로알칸을 산화시키는 것을 포함하는, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논 제조 방법으로서, 여기서, (1) 메조포러스 실리카는 하나 이상의 전이 금속을 함유하고, (2) 메조포러스 실리카에서 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 25 % 이상인 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논은 양호한 전환으로 시클로알칸을 산화시켜 양호한 선택도로 제조될 수 있다.
이제 본 발명을 상세하게 기재할 것이다. 본 발명에서, 상응하는 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논은 선결된 메조포러스 실리카의 존재 하에 출발 물질로서 사용된 시클로알칸을 산소 (분자 산소) 로 산화시켜 제조된다.
원료로서 시클로알칸의 예에는 고리에 치환기가 없는 모노시클릭 시클로알칸, 예컨대 시클로프로판, 시클로부탄, 시클로펜탄, 시클로헥산, 시클로헵탄, 시클로옥탄, 시클로데칸 및 시클로옥타데칸; 폴리시클릭 시클로알칸, 예컨대 데칼린 및 아다만탄, 및 고리에 치환기가 있는 시클로알칸, 예컨대 메틸시클로펜탄 및 메틸시클로헥산이 포함되고, 또한 필요한 경우, 이 중 2 이상의 종류가 사용될 수 있다.
산소-함유 기체는 통상적으로 산소원으로서 사용된다. 이러한 산소-함유 기체는 예를 들어 공기, 순수한 산소, 또는 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 비활성 기체로 희석된 공기 또는 순수한 산소일 수 있다. 공기에 순수한 산소를 첨가함으로써 수득된 산소 풍부 공기가 또한 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 산화 반응은 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 소정의 값 이상인 하나 이상의 전이 금속을 함유한 메조포러스 실리카의 존재 하에 수행된다. 이러한 메조포러스 실리카를 사용하여, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논은 양호한 전환으로 시클로알칸을 산화시켜 양호한 선택도로 제조될 수 있 다.
메조포러스 실리카에 함유되는 전이 금속의 예에는 상기 산화 반응에 대한 촉매 활성이 있는 전이 금속이 포함된다. 이러한 전이 금속 중에서, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 루테늄 및 팔라듐이 바람직하고, 코발트가 더욱 바람직하다. 필요한 경우, 이러한 전이 금속 중 2 이상의 종류가 사용될 수 있다. 전이 금속의 함량은 메조포러스 실리카에 대한 금속의 중량비의 관점에서 통상적으로 0.01 내지 20 %, 바람직하게는 0.05 내지 10 %, 더욱더 바람직하게는 0.1 내지 5 %이다.
본 발명의 메조포러스 실리카는 통상적으로 2 내지 50 nm 의 거의 균일한 크기를 갖는 포어 (pore) 를 함유한 소위 메조포러스 구조를 갖고, 이의 표면적은 통상적으로 약 600 내지 1,500 m2/g 이다. 금속은 메조포러스 구조를 이루는 실리카 골격에 혼입될 수 있거나, 포어에 혼입될 수 있거나, 실리카 골격의 표면에서 지지될 수 있다. 메조포러스 실리카의 예에는 MCM-41 형 메조포러스 실리카, MCM-48 형 메조포러스 실리카, FSM-16 형 메조포러스 실리카, SBA-15 형 메조포러스 실리카 및 HMS 형 메조포러스 실리카가 포함되고, 이 중에서 MCM-41 형 메조포러스 실리카가 바람직하다. 메조포러스 구조의 존재 또는 부재는 XRD (X-선 회절) 측정에서 피크 2θ = 0.2 내지 4.0°의 존재 또는 부재에 의해 확인될 수 있다.
본 발명은 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 소형 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 25 % 이상인 특징을 가진다. 상기와 같이, 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 소정의 양 이상인 메조포러스 실리카를 상기 산화 반응에서 사용하는 경우, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논은 양호한 전환으로 시클로알칸을 산화시켜 양호한 선택도로 제조될 수 있다. 이러한 비율은 바람직하게는 35 % 이상, 더욱 바람직하게는 45 % 이상이다.
상기 비율은 시판되는 레이저 회절/산란 입자 직경 분포 분석기를 사용하여 메조포러스 실리카의 입자 직경 분포를 측정하여 결정된 후, 부피를 기초로 표현할 수 있다. 특히, 메조포러스 실리카는 물 (분산 매질) 에서 분산되고, 분산된 메조포러스 실리카 입자는 레이저 빔으로 조사되고, 이어서 수득된 광도 분포 패턴을 분석하여 광도 분포 데이터를 수득한다. 수득된 데이터를 기초로 하여, 입자 직경 분포, 즉 상이한 함량으로 상이한 크기를 갖는 입자의 분포는 프라운호퍼 (Fraunhofer) 회절 이론 또는 미 (Mie) 산란 이론에 의해 계산된 후, 부피를 기초로 표현된다. 이어서, 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율은 부피를 기초로 표현된 입자 직경 분포로부터 결정될 수 있다.
이제 본 발명의 메조포러스 실리카의 제조 방법이 기술될 것이다. 메조포러스 구조를 갖는 실리카의 제조 방법의 예에는 (1) 테트라알콕시실란, 구조-유도제, 암모니아, 알코올 및 물을 혼합하고 수득된 고체를 소성하는 단계, 및 (2) 테트라알콕시실란, 구조-유도제, NaF 및 물을 혼합하고 수득된 고체를 소성하는 단계가 포함된다. 이러한 방법 중에서, 상기 언급된 방법 (1) 이 바람직하다.
상기 언급된 방법 (1) 중의 테트라알콕시실란의 예에는 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 및 테트라부톡시실란이 포함되고, 또한 필요한 경우 이의 2 종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 실란 중에서, 테트라에톡시실란이 바람직하다.
상기 언급된 방법 (1) 중의 구조-유도제의 예에는 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 브로마이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드, 헵타데실트리메틸암모늄 브로마이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 브로마이드; 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 클로라이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드, 헵타데실트리메틸암모늄 클로라이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 클로라이드; 및 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 히드록사이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 히드록사이드, 헵타데실트리메틸암모늄 히드록사이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 히드록사이드가 포함되고, 또한 필요한 경우 이의 2 종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 구조-유도제 중에서, 알킬트리메틸암모늄 브로마이드가 바람직하고, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드가 더욱 바람직하다.
상기 언급된 방법 (1) 에서, 테트라알콕시실란, 구조-유도제, 암모니아, 알코올 및 물을 혼합한다. 상기 기재된 바와 같이, 테트라알콕시실란, 구조-유도제 및 물에 더해 암모니아 및 알코올을 혼합하고, 테트라알콕시실란의 가수분해 반응 및 실리카의 합성 반응을 수행하여, 입자 직경 20 ㎛ 이하의 소형 메조포러스 입자를 소정의 양 이상 함유하는 메조포러스 실리카를 제조할 수 있다.
방법 (1) 중의 암모니아로서, 액체 암모니아, 기체 암모니아 또는 암모니아수가 사용될 수 있다. 암모니아수가 바람직하게 사용된다. 상기 언급된 방법 (1) 중의 알코올은 통상 탄소수 1 내지 6 의 지방족 알코올일 수 있고, 이의 구체적인 예에는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 헥산올이 포함된다. 또한 필요한 경우 이의 2 종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 알코올 중에서, 에탄올이 바람직하다.
상기 언급된 방법 (1) 에서 사용된 구조-유도제의 양은 테트라알콕시실란 1 몰에 대해, 통상적으로 0.1 내지 1.0 몰, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 몰이다. 상기 언급된 방법 (1) 에서 사용된 암모니아의 양은 테트라알콕시실란 1 몰에 대해, 통상적으로 1 내지 50 몰, 바람직하게는 2 내지 25 몰이다. 상기 언급된 방법 (1) 에서 사용된 물의 양은 테트라알콕시실란 1 중량부에 대해, 통상적으로 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 15 중량부이다. 상기 언급된 방법 (1) 에서 사용된 알코올의 양은 테트라알콕시실란 1 중량부에 대해, 통상적으로 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 15 중량부이다.
상기 언급된 방법 (2) 중의 테트라알콕시실란의 예에는 상기 언급된 방법 (1) 에서와 유사하게, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 및 테트라부톡시실란이 포함되고, 또한 필요한 경우 이의 2 종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 실란 중에서, 테트라에톡시실란이 바람직하다.
상기 언급된 방법 (2) 중의 구조-유도제의 예에는, 상기 언급된 방법 (1) 에 서와 유사하게, 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 브로마이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드, 헵타데실트리메틸암모늄 브로마이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 브로마이드; 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 클로라이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드, 헵타데실트리메틸암모늄 클로라이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 클로라이드; 및 탄소수 19 내지 21 의 알킬트리메틸암모늄 히드록사이드, 예컨대 헥사데실트리메틸암모늄 히드록사이드, 헵타데실트리메틸암모늄 히드록사이드, 및 옥타데실트리메틸암모늄 히드록사이드가 포함되고, 또한 필요한 경우 이의 2 종 이상이 사용될 수 있다. 이러한 구조-유도제 중에서, 알킬트리메틸암모늄 브로마이드가 바람직하고, 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드가 더욱 바람직하다.
상기 언급된 방법 (2) 에서, 테트라알콕시실란, 구조-유도제, NaF 및 물을 혼합한다. 상기 기재된 바와 같이, 테트라알콕시실란, 구조-유도제 및 물에 더해 NaF 를 혼합하고, 테트라알콕시실란의 가수분해 반응 및 실리카의 합성 반응을 수행하여, 상기 기재된 바와 같은 바람직한 메조포러스 실리카를 제조할 수 있다.
상기 언급된 방법 (2) 에서 사용된 구조-유도제의 양은 테트라알콕시실란 1 몰에 대해, 통상적으로 0.1 내지 1.0 몰, 바람직하게는 0.2 내지 0.5 몰이다. 상기 언급된 방법 (2) 에서 사용된 NaF 의 양은 테트라알콕시실란 1 몰에 대해, 통상적으로 0.5 내지 8 몰, 바람직하게는 1 내지 4 몰이다. 상기 언급된 방법 (2) 에서 사용된 물의 양은 테트라알콕시실란 1 중량부에 대해, 통상적으로 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 15 중량부이다.
상기 언급된 방법 (1) 및 (2) 에서의 혼합 온도는 통상적으로 20 내지 200℃, 바람직하게는 25 내지 150℃ 이다. 혼합 시간은 통상적으로 0.1 내지 400 시간, 바람직하게는 1 내지 200 시간이다.
상기 기재된 바와 같이 혼합에 의해 고체를 제조한다. 수득 고체를 여과에 의해 단리하고, 건조 후 소성시켰다. 건조는 통상적으로 공기 분위기 하에서 수행한다. 건조 온도는 약 40 내지 120℃ 이고, 건조 시간은 약 2 내지 24 시간이다.
소성은 통상적으로 공기 분위기 하에서 수행된다. 소성 온도는 통상적으로 450 내지 650℃, 바람직하게는 500 내지 600℃ 이고, 소성 시간은 통상적으로 4 내지 12 시간, 바람직하게는 6 내지 10 시간이다.
본 발명의 메조포러스 실리카는 상기 언급된 메조포러스 구조를 함유하는 실리카이고, 하나 이상의 전이 금속을 추가로 함유한다. 메조포러스 구조를 가진 실리카 내로의 금속의 혼입 방법의 예에는, 메조포러스 구조를 가진 실리카의 제조 방법 중 혼합의 경우 금속 화합물, 예컨대 할로게네이트, 니트레이트, 술페이트, 카르복실레이트, 옥소-산 염 또는 금속의 히드록사이드를 첨가하는 방법; 메조포러스 구조를 가진 실리카를 상기 금속 화합물 용액으로 함침시키는 방법; 금속 화합물 용액 중에 메조포러스 구조를 가진 실리카를 담그어, 금속 화합물을 실리카에 흡수시키는 방법; 및 금속 화합물의 금속 양이온을 실리카의 양이온과 이온-교환시키는 방법이 포함된다. 사용된 금속 화합물의 양은 상기 언급된 금속의 함량을 수득하기 위해 조절되도록 적합하게 조정된다.
전이 금속의 원료로서, 바나듐 화합물, 예컨대 바나듐 브로마이드, 바나듐 클로라이드, 바나듐 플루오라이드 및 바나듐 나프테이트; 크롬 화합물, 예컨대 크롬 클로라이드, 크롬 니트레이트, 크롬 술페이트, 크롬 아세테이트 및 크롬 나프테이트; 망간 화합물, 예컨대 망간 브로마이드, 망간 클로라이드, 망간 플루오라이드, 망간 니트레이트, 망간 암모늄 술페이트, 망간 술페이트, 망간 아세테이트 및 망간 나프테이트; 철 화합물, 예컨대 철 브로마이드, 철 클로라이드, 철 플루오라이드, 철 니트레이트, 철 술페이트, 철 아세테이트 및 철 나프테이트; 코발트 화합물, 예컨대 코발트 브로마이드, 코발트 클로라이드, 코발트 플루오라이드, 코발트 니트레이트, 코발트 술페이트, 코발트 아세테이트, 코발트 나프테이트 및 코발트 히드록사이드; 루테늄 화합물, 예컨대 루테늄 브로마이드 및 루테늄 클로라이드; 및 팔라듐 화합물, 예컨대 팔라듐 브로마이드, 팔라듐 클로라이드, 팔라듐 니트레이트, 팔라듐 술페이트 및 팔라듐 히드록사이드를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 화합물 중에서, 코발트 화합물이 바람직하다.
효과적으로, 본 발명의 메조포러스 실리카는 유기규소 화합물과 접촉 처리된 것이다. 유기규소 화합물은 바람직하게는 메조포러스 실리카와 반응하여 표면에 결합할 수 있고, 전형적으로는 하기 화학식 (I) 로 표시될 수 있다:
[화학식 I]
Si(R1)x(R2)4-x
(식 중, R1 은 알콕시기, 히드록시기 또는 할로겐 원자를 나타내고, R2 는 알콕시기, 알킬기, 알릴기, 아릴기 또는 아르알킬기를 나타내고, x 는 1 내지 3 의 수를 나타냄).
R1 및 R2 로 표시되는 알콕시기의 예에는 메톡시기, 에톡시기, 프로폭시기 및 부톡시기가 포함되고, R2 로 표시되는 알킬기의 예에는 메틸기, 에틸기, 프로필기 및 부틸기가 포함된다. R2 로 표시되는 아릴기의 예에는 페닐기, 나프틸기 및 톨릴기가 포함되고, R2 로 표시되는 아르알킬기의 예에는 벤질기 및 페네틸기가 포함된다.
화학식 (I) 로 나타내는 유기규소 화합물로서, 트리알콕시알킬실란 및 테트라알콕시실란이 더욱 바람직하게 이용된다.
유기규소 화합물과 접촉 처리시키는 방법은, 예를 들면, 금속을 함유하거나 함유하지 않는 메조포러스 실리카를 유기규소 화합물을 함유하는 액체 내에 침지시키는 방법; 및 유기규소 화합물을 포함하는 기체를 금속을 함유하거나 함유하지 않는 메조포러스 실리카와 접촉시키는 방법을 포함한다.
상기 금속이 없는 메조포러스 구조를 갖는 실리카를 접촉 처리시키는 경우, 접촉 처리시키는 실리카를 금속 화합물의 용액에 의해 침투시키거나, 접촉 처리시키는 실리카를 금속 화합물의 용액 내에 침지시킴으로써 상기와 유사한 금속을 함침시키는 것이 가능하다.
이용된 유기규소 화합물의 양은, 접촉 처리되기 전의 실리카 100 중량부에 대해, 통상 1 내지 10,000 중량부, 바람직하게는 5 내지 2,000 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 1,500 중량부이다.
접촉 처리 온도는 통상 0 내지 300 ℃, 및 바람직하게는 30 내지 250 ℃ 이다. 접촉 처리 시간은 통상 0.1 내지 50 시간, 및 바람직하게는 1 내지 20 시간이다.
이처럼, 원하는 메조포러스 실리카가 수득될 수 있다. 그후, 시클로알칸이 메조포러스 실리카의 존재 하에 산소로 산화된다. 산화 반응에서 이용되는 메조포러스 실리카의 양은, 시클로알칸 100 중량부에 대해, 통상 0.0001 내지 50 중량부, 및 바람직하게는 0.001 내지 10 중량부이다.
산화 반응의 온도는 통상 0 내지 200 ℃, 및 바람직하게는 50 내지 170 ℃ 이고, 반응 압력은 통상 0.01 내지 10 MPa, 및 바람직하게는 0.1 내지 2 MPa 이다. 반응 용매가 임의로 이용될 수 있고, 예를 들면, 니트릴 용매 예컨대 아세토니트릴 또는 벤조니트릴, 및 카르복실산 용매 예컨대 아세트산 또는 프로피온산이 이용될 수 있다.
산화 반응 후의 후-처리는 특별히 제한되지 않고, 그 예는 반응 혼합물을 여과시킴으로써 촉매를 분리하고, 이어서 물로 세정하고 추가 증류시키는 방법을 포함한다. 개시 물질로서 시클로알칸에 상응하는 시클로알킬 히드로퍼옥시드가 반응 혼합물 내에 함유된 경우, 그것은 알칼리 처리 또는 환원 처리에 의해 목적하는 시클로알칸올 및 시클로알카논으로 전환될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명이 실시예를 참조하여 기술되나, 본 발명이 그에 한정되지는 않는다. 반응 용액 내의 시클로헥산, 시클로헥사논, 시클로헥산올 및 시클로헥실 히드로퍼옥시드를 기체 크로마토그래피에 의해 분석하고, 시클로헥산의 전환 뿐만 아니라 시클로헥사논, 시클로헥산올 및 시클로헥실 히드로퍼옥시드 각각의 선택도를 분석 결과로부터 계산했다.
참조예 1
(A) 코발트-함유 메조포러스 실리카의 제조
9.56 g 의 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제), 175.82 g 의 물, 231.18 g 의 에탄올(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제), 0.40 g 의 코발트(II) 아세테이트 테트라히드레이트(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제), 64.84 g 의 25 중량% 암모니아수(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제) 및 18.21 g 의 테트라에톡시실란(에틸 오르토실리케이트, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제)을 1 L 비커 내에 충전하고, 실온에서 16 시간 동안 교반한 후 90 ℃ 에서 7 일 동안 열수 합성했다. 수득된 혼합물을 여과하고, 잔류물을 물로 세정한 후 100 ℃ 에서 12 시간 동안 건조시켰다. 수득된 건조 생성물을 공기 흐름 하에 550 ℃ 에서 7 시간 동안 소성했다. 소성에 의해 수득된 분말에 대해, 구리 Kα 선을 이용하여 XRD 측정을 수행했다. 결과로서, 메조포러스 구조 특유의 피크가 약 2θ=2.3°에서 관찰되고 코발트-함유 메조포러스 실리카가 생성됨을 확인했다. XRD 패턴을 도 1 에 나타냈다.
(B) 입자 직경 분포의 측정
참조예 1(A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카에 대해, 입자 직경 분포를 하기와 같이 측정했다.
레이저 회절/산란 입자 직경 분포 분석기 [HORIBA, LTD. 사제 "Laser Scattering Size Distribution Analyzer LA-920"] 를 측정 장치로서 이용했고, 623.8 nm He-Ne 레이저 1mW 및 텅스텐 램프 50 W 를 레이저 빔의 광원으로서 이용했고, 75 구획으로 분할된 고리-형상의 규소 포토다이오드 및 규소 포토다이오드를 검출기로서 이용했다.
첫째로, 분산 매질로서의 약 250 mL 의 물을 Tempax 유리로 만들어진 샘플 셀 내에 충전했다. 공 측정 후, 참조예 1(A) 에서 수득된 30 mg 의 코발트-함유 메조포러스 실리카를 샘플 셀 내에 충전하고, 5 분 동안 분산시키고 레이저 빔으로 조사한 후, 65 내지 80 % 범위 내의 투과도에서 측정을 수행했다. 상대 굴절률이 1.50 이라고 가정하여, 수득된 광도 분포 데이터를 분석하여 부피를 기초로 표현되는 입자 직경 분포를 수득했다. 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율을 계산했다. 결과로서, 그것은 47 % 였다. 입자 직경 분포를 도 2 에 나타냈다.
(C) 적외선 흡수 스펙트럼의 측정
참조예 1 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카를 촉매성 셀(Diffuse Reflectance Heat Chamber, Model HC900, SPECTRA-TECH Co. 사제) 내에 충전하고, 적외선 흡수 스펙트럼 측정용 기구(Magna 760-ESP, NICOLET Co. 사제) 내에 배치하고, 0.1 Torr(13 Pa) 하에 200 ℃ 에서 1 시간 동안 탈기시킨 후, 적외선 흡수 스펙트럼을 측정했다. 측정 조건은 하기와 같았다: 측정 온도 200 ℃, 측정 압력 0.1 Torr(13 Pa), 측정 범위 400 내지 4,000 ㎝-1, 및 분해능 4 ㎝-1. 백그라운드와 동일한 방식으로 브롬화칼륨의 적외선 흡수 스펙트럼을 측정함으로써 수득된 데이터를 이용하여, 수득된 데이터를 쿠벨카-뭉크 전환(Kubelka-Munk Conversion) 처리했다. 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼의 측정 결과를 도 3 에 나타냈다.
참조예 2
(A) 코발트-함유 메조포러스 실리카의 트리메톡시프로필실란과의 접촉 처리
참조예 1(A) 에서 수득된 1.0 g 의 코발트-함유 메조포러스 실리카 및 10.0 g 의 트리에톡시프로필실란(Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd. 사제)을 플라스크 내에 충전한 후 질소 대기 하에 90 ℃ 에서 7.5 시간 동안 교반했다. 수득된 혼합물을 실온으로 냉각시키고 에탄올을 첨가하고, 이어서 교반 및 추가 여과했다. 잔류물을 에탄올로 세정하고, 0.1 Torr(13 Pa) 하에 40 ℃ 에서 1 시간 동안 건조시킨 후 100 ℃ 에서 건조시켰다. 이처럼, 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리시킨 코발트-함유 메조포러스 실리카를 수득했다.
(B) 적외선 흡수 스펙트럼의 측정
참조예 2(A) 에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리시킨 코발트-함 유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 참조예 1(C) 와 동일한 방식으로 측정했다. 결과를 도 4 에 나타냈다.
도 3 에 나타난 바와 같이, 참조예 1(A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카에서 소위 말단 실라놀기에 귀속되는 피크를 약 3,740 ㎝-1 에서 관찰했고, 한편, 도 4 에 나타난 바와 같이, 참조예 2(A) 에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리시킨 코발트-함유 메조포러스 실리카에서 동일한 피크를 관찰하지 않았고, 말단 실라놀기가 트리메톡시프로필실란으로 실릴화된 것으로 여겨진다.
참조예 3
(A) 코발트-함유 메조포러스 실리카의 제조
5.44 g 의 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제), 56.25 g 의 물, 14.59 g 의 7.5 중량% 수산화나트륨 수용액(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제), 20.72 g 의 테트라에톡시실란(에틸 오르토실리케이트, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제) 및 3.00 g 의 15 중량% 코발트(II) 아세테이트 테트라히드레이트 수용액(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 사제)을 200 mL 비커 내에 충전하고, 실온에서 16 시간 동안 교반한 후 90 ℃ 에서 7 일 동안 열수 합성했다. 수득된 혼합물을 여과하고, 잔류물을 물로 세정한 후 100 ℃ 에서 12 시간 동안 건조시켰다. 수득된 건조 생성물을 공기 흐름 하에 550 ℃ 에서 7 시간 동안 소성시켰다. 소성에 의해 수득된 분말에 대해, 구리 Kα 선을 이용하여 XRD 측정을 수행했다. 결과로서, 메조포러스 구조 특유의 피크가 약 2θ=2.3°에서 관찰되고 코발트-함유 메조포러스 실리카가 생산됨을 확인했다. XRD 패턴을 도 5 에 나타냈다.
(B) 입자 직경 분포의 측정
참조예 3(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카에 대하여, 부피를 기초로 표현된 입자 직경 분포를 참조예 1(B)와 동일한 방식으로 수득하였다. 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 μm 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율을 계산하였다. 결과는 22 %였다. 입자 직경 분포를 도 6에 나타냈다.
(C) 적외선 흡수 스펙트럼의 측정
참조예 3(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 참조예 1(C)에서와 동일한 방식으로 측정하였다. 결과를 도 7에 나타냈다.
참조예 4
(A) 코발트-함유 메조포러스 실리카의 트리메톡시프로필실란과의 접촉 처리
참조예 3(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카 1.0 g 및 트리메톡시프로필실란 (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd. 사제) 10.0 g을 플라스크에 충전하고, 이어서 질소 기체 하에 90℃에서 7.5 시간 동안 교반하였다. 수득된 혼합물을 실온으로 냉각시키고, 에탄올을 첨가한 후, 교반하고 추가로 여과하였다. 잔류물을 에탄올로 세정하고, 0.1 Torr (13 Pa) 하 40℃에서 한 시간 동안 건조한 후, 100℃에서 건조하였다. 따라서, 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 코발트- 함유 메조포러스 실리카를 수득하였다.
(B) 적외선 흡수 스펙트럼의 측정
참조예 4(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 참조예 1(C)에서와 동일한 방식으로 측정하였다. 결과를 도 8에 나타내었다.
도 7에 나타낸 것과 같이, 소위 말단 실라놀기의 피크는 참조예 3(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카에서 약 3740 cm-1로 관찰되는 반면, 도 8에서 나타낸 것과 같이, 동일한 피크는 참조예 4(A)에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 코발트-함유 메조포러스 실리카에서는 관찰되지 않고, 그것은 말단 실라놀기가 트리메톡시프로필실란으로 실릴화된 것으로 고려된다.
실시예 1
1 L의 오토클레이브에, 시클로헥산 278 g (3.3 mol) 및 참조예 1(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카 0.28 g을 충전했다. 질소를 사용하여 실온에서 0.93 MPa로 시스템 내 압력을 증가시킨 후, 140℃로 가열하고, 반응을 15 부피%의 산소 농도를 갖는 기체의 흐름 하에 2.5시간 동안 수행하였다.
반응의 시작 후 1.5 시간에, 시클로헥산의 전환은 6.4 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 31.6 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 47.5 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 3.0 % (총 선택도: 82.1 %) 이었다. 반응의 시작 후 2 시간에, 시클로헥산의 전환은 8.5 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 35.0 %이고, 시클 로헥산올의 선택도는 43.6 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 1.8 % (총 선택도: 80.4 %) 이었다. 반응의 시작 후 2.5 시간에 (완료될 때), 시클로헥산의 전환은 10.9 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 37.9 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 40.1 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 1.5 % (총 선택도: 79.5 %) 이었다.
실시예 2
참조예 2(A)에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 코발트-함유 메조포러스 실리카가 참조예 1(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카를 대신하여 사용되는 것을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 과정으로 수행하였다.
반응의 시작 후 1.5 시간에, 시클로헥산의 전환은 6.7 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 32.1 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 44.3 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 6.5 % (총 선택도: 82.9 %) 이었다. 반응의 시작 후 2 시간에, 시클로헥산의 전환은 8.8 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 35.8 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 40.8 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 5.3 % (총 선택도: 81.9 %) 이었다. 반응의 시작 후 2.5 시간에 (완료될 때), 시클로헥산의 전환은 11.0 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 38.4 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 38.6 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 3.0 % (총 선택도: 80.0 %) 이었다.
비교예 1
참조예 3(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카가 참조예 1(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카를 대신하여 사용되는 것을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 과정으로 수행하였다.
반응의 시작 후 1.5 시간에, 시클로헥산의 전환은 5.7 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 32.2 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 44.9 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 4.7 % (총 선택도: 81.8 %) 이었다. 반응의 시작 후 2 시간에, 시클로헥산의 전환은 7.9 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 35.1 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 42.3 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 2.3 % (총 선택도: 79.7 %) 이었다. 반응의 시작 후 2.5 시간에 (완료될 때), 시클로헥산의 전환은 10.1 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 37.5 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 38.2 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 2.1 % (총 선택도: 77.8 %) 이었다.
비교예 2
트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 참조예 4(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카가 참조예 1(A)에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카를 대신하여 사용되는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 과정으로 수행하였다.
반응의 시작 후 1.5 시간에, 시클로헥산의 전환은 6.1 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 32.2 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 46.1 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 2.9 % (총 선택도: 81.2 %) 이었다. 반응의 시작 후 2 시간에, 시클로헥산의 전환은 8.2 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 35.6 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 42.7 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 1.7 % (총 선택도: 80.0 %) 이었다. 반응의 시작 후 2.5 시간에 (완료될 때), 시클로헥산의 전환은 10.4 %이고, 시클로헥사논의 선택도는 38.0 %이고, 시클로헥산올의 선택도는 38.7 %이고, 시클로헥실 히드로퍼옥시드의 선택도는 1.7 % (총 선택도: 78.4 %) 이었다.
본 발명의 주요 구현예 및 바람직한 구현예를 하기에 열거하였다.
[1] 메조포러스 실리카의 존재 하에 산소로 시클로알칸을 산화시키는 것을 포함하는, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논의 제조 방법으로서, 여기서,
(1) 메조포러스 실리카는 하나 이상의 전이 금속을 함유하고,
(2) 메조포러스 실리카에서 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 μm 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율은 25 % 이상인 방법.
[2] 전이 금속이 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 루테늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 [1]에 따른 방법.
[3] 전이 금속이 코발트인 [1]에 따른 방법.
[4] 메조포러스 실리카가 MCM-41 형 메조포러스 실리카인 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 따른 방법.
[5] 메조포러스 실리카가 테트라알콕시실란, 구조-유도제, 암모니아, 알코올 및 물을 혼합하고 수득된 고체를 소성시켜 수득되는 메조포러스 실리카인 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 따른 방법.
[6] 메조포러스 실리카가 유기규소 화합물과 접촉 처리된 것인 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 따른 방법.
[7] 유기규소 화합물이 하기 화학식 (I) 로 나타나는 [6]에 따른 방법:
[화학식 I]
Si(R1)x(R2)4-x
(식 중, R1은 알콕시기, 히드록시기 또는 할로겐 원자를 나타내고, R2는 알콕시기, 알킬기, 알릴기, 아릴기 또는 아르알킬기를 나타내고, x는 1 내지 3의 수를 나타냄).
[8] 유기규소 화합물이 트리알콕시알킬실란 또는 테트라알콕시실란인 [6]에 따른 방법.
[9] 시클로알칸이 시클로헥산인 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 따른 방법.
도 1 은 참조예 1 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 2 는 참조예 1 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 입자 직경 분포 (부피를 기초로 표현됨) 를 나타내는 그래프이다.
도 3 은 참조예 1 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4 는 참조예 2 (A) 에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 참조예 3 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6 은 참조예 3 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 입자 직경 분포 (부피를 기초로 표현됨) 를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 참조예 3 (A) 에서 수득된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 참조예 4 (A) 에서 수득된 트리메톡시프로필실란과 접촉 처리된 코발트-함유 메조포러스 실리카의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

  1. 메조포러스 실리카 (mesoporous silica) 의 존재 하에 산소로 시클로알칸을 산화시키는 것을 포함하는, 시클로알칸올 및/또는 시클로알카논의 제조 방법으로서,
    (1) 메조포러스 실리카가 하나 이상의 전이 금속을 함유하고,
    (2) 메조포러스 실리카에서 전체 메조포러스 실리카 입자의 총 부피에 대한, 입자 직경이 20 ㎛ 이하인 메조포러스 실리카 입자의 총 부피의 비율이 25 % 이상인 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 전이 금속이 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 루테늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 전이 금속이 코발트인 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 메조포러스 실리카가 MCM-41 형 메조포러스 실리카인 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 메조포러스 실리카가 테트라알콕시실란, 구조-유도제, 암모니아, 알코올 및 물을 혼합하고 수득된 고체를 소성 시켜 수득된 메조포러스 실리카인 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 메조포러스 실리카가 유기규소 화합물과 접촉 처리된 것인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 유기규소 화합물이 하기 화학식 (I) 로 나타나는 방법:
    [화학식 I]
    Si(R1)x(R2)4-x
    (식 중, R1 은 알콕시기, 히드록시기 또는 할로겐 원자를 나타내고, R2 는 알콕시기, 알킬기, 알릴기, 아릴기 또는 아르알킬기를 나타내며, x 는 1 내지 3 의 수를 나타냄).
  8. 제 6 항에 있어서, 유기규소 화합물이 트리알콕시알킬실란 또는 테트라알콕시실란인 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 시클로알칸이 시클로헥산인 방법.
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