KR20090090154A - Method for recovering catalysts from a copolymerization process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 촉매를 이용하여 중합 반응을 수행한 후, 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액으로부터 촉매를 분리 회수하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating and recovering a catalyst from a solution in which a copolymer and a catalyst are dissolved after performing a polymerization reaction using a catalyst.
오늄 염을 포함하는 착화합물을 촉매로 사용하여 에폭사이드와 이산화탄소를 공중합하여 폴리카보네이트를 제조하는 방법은 본원과 동일한 발명자에 의해 대한민국특허출원 10-2007-0043417로 출원되어 있다(출원일: 2007.05.04, 발명의 명칭: 두 성분을 한 분자에 가지고 있는 착화합물 및 이를 촉매로 사용한 이산화탄소와 에폭사이드의 공중합에 의한 폴리카보네이트의 제조 방법). 오늄 염을 포함하는 착화합물을 촉매로 사용하면, 촉매가 에폭사이드와 이산화탄소를 공중합하는 중합 반응의 매질 내에서 그 농도에 관계없이 활성이 유지되어 단량체/촉매 비율이 높은 조건 및 고온에서 높은 중합 활성과 선택성을 나타내므로, 촉매의 사용량을 줄일 수 있어 경제적인 이득이 있을 뿐만 아니라, 고분자량의 폴리카보네이트를 제공할 수 있어 상업 공정에 투입하는데 이점이 있다.Method for preparing a polycarbonate by copolymerizing epoxide and carbon dioxide using a complex containing an onium salt as a catalyst has been filed in the Republic of Korea Patent Application 10-2007-0043417 by the same inventor (application date: 2007.05.04, Name of the Invention: A complex compound having two components in one molecule and a method for producing polycarbonate by copolymerization of carbon dioxide and epoxide using the same as a catalyst). When a complex compound containing an onium salt is used as a catalyst, the catalyst is maintained in the polymerization medium in which the epoxide and carbon dioxide are copolymerized, regardless of their concentration, so that the catalyst has a high polymerization activity at a high monomer / catalyst condition and at high temperature. Since the selectivity is reduced, the amount of the catalyst used can be reduced, and there is an economic benefit, and a high molecular weight polycarbonate can be provided, which is advantageous in that it is introduced into a commercial process.
본 발명은 오늄 염을 포함하는 착화합물을 촉매로 사용하여 에폭사이드와 이산화탄소를 공중합하여 폴리카보네이트를 제조할 때 얻어지는 공중합체와 촉매의 혼합 용액으로부터 촉매를 분리 회수하여 재사용할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of separating and recovering a catalyst from a mixed solution of a copolymer and a catalyst obtained when a polycarbonate is prepared by copolymerizing epoxide and carbon dioxide using a complex containing an onium salt as a catalyst. .
균일계 촉매의 가장 큰 단점은 촉매를 회수하여 재사용하기가 용이하지 않다는 것이다. 이러한 균일계 촉매의 단점을 극복하기 위하여 촉매를 실리카와 같은 무기 물질 지지체나 고분자 지지체에 부착시켜 용매에 용해되지 않게 만들어 사용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 이 경우 촉매가 지지체의 세공 안에 놓여 있어 반응 물질의 원활한 접근이 어렵기 때문에 반응 속도나 선택성이 균일계 촉매에 비해 저하되는 현상이 많이 발견된다. The biggest disadvantage of homogeneous catalysts is that they are not easy to recover and reuse. In order to overcome the shortcomings of the homogeneous catalyst, efforts have been made to make the catalyst insoluble in a solvent by attaching the catalyst to an inorganic material support such as silica or a polymer support. In this case, since the catalyst is placed in the pores of the support, it is difficult to smoothly access the reaction material, and thus many reactions have been found in which the reaction rate or selectivity is lower than that of the homogeneous catalyst.
촉매를 회수하여 재사용하는 다른 방법으로 물에 용해되는 촉매, 불소를 많이 포함하는 용매에 용해되는 촉매, 또는 이온성 액체에 용해되는 촉매를 제조하여 그 매질 또는 유기물과의 혼합 매질에서 반응시켜 생성물인 유기물이 물, 불소를 많이 포함하는 용매, 또는 이온성 액체에 용해되지 않는 성질을 이용하여 촉매를 생성물과 분리하여 재순환하는 방법들이 개발되어 일부 상업적으로 이용되고 있다.Another method of recovering and reusing a catalyst is to prepare a catalyst dissolved in water, a catalyst dissolved in a fluorine-containing solvent, or a catalyst dissolved in an ionic liquid and reacted in a medium or a mixed medium with an organic material. Methods of separating and recycling the catalyst from the product using a property in which organic matter does not dissolve in water, a fluorine-containing solvent, or an ionic liquid have been developed and used in some commercial applications.
가장 단순하게는 반응 후 증류, 진공 증류, 침전, 크로마토그래피 등의 다양한 화합물 정제 방법으로 촉매를 생성물과 분리 회수하여 재사용하는 방법이 있다. The simplest method is to separate and recover the catalyst from the product and reuse it by various compound purification methods such as distillation, vacuum distillation, precipitation and chromatography after the reaction.
금속 화합물을 이용하여 고분자를 제조할 때 고분자 물질로부터 촉매를 회수 또는 제거하는 것은 단분자 유기물을 제조한 후 촉매를 회수 또는 제거하는 것에 비해 더 어렵다. 금속 자체가 비싸고 또한 리간드가 단순하지 않을 경우 리간드 합성에도 비용이 많이 들어가므로, 금속 화합물은 대부분 제조 단가가 높아서 회수하여 재사용하지 않으면 수지의 단가가 높아져 상업화에 걸림돌이 된다. 이러한 촉매 비용에 부과하여, 금속 화합물 촉매를 이용하여 고분자를 제조할 경우 촉매를 완벽하게 제거하지 않으면, 대부분 금속 화합물이 가지고 있는 독성 때문에 용도 개발에 문제점을 야기한다. 또한 금속 화합물은 대부분 색을 가지고 있어 이런 전이금속 화합물을 완전히 제거하지 않을 경우 공중합체가 색을 띄어 문제를 야기한다. 극미량의 금속 화합물의 존재는 전자 소재로 사용되는데 치명적일 수 있다. 이러한 이유로 금속을 이용하여 고분자를 제조하는 방법은 학계에서 많이 연구가 진행되고 있지만 상업적으로 이용된 예가 많지 않다. When preparing a polymer using a metal compound, recovering or removing the catalyst from the polymer material is more difficult than recovering or removing the catalyst after preparing the monomolecular organic material. If the metal itself is expensive and the ligand is not simple, the synthesis of the ligand is expensive, and most of the metal compounds are expensive to manufacture, and thus, the cost of the resin increases if the product is not recovered and reused. In addition to these catalyst costs, if a polymer is prepared using a metal compound catalyst, if the catalyst is not completely removed, most of the metal compounds have a toxicity and cause problems in application development. In addition, most of the metal compounds have a color, and if the transition metal compound is not completely removed, the copolymer becomes colored and causes a problem. The presence of trace amounts of metal compounds can be fatal for use as electronic materials. For this reason, many methods have been studied in academia for producing polymers using metals, but there are not many commercially available examples.
금속을 촉매로 사용하는 중합 방법 중의 대표적인 것이 지글러-나타 촉매를 이용한 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 제조이다. 현재 지글러-나타 촉매는 상당히 고활성을 보여 촉매의 회수 또는 제거없이 수지를 제조하고 있으나 초기 활성이 높지 않았을 시기에는 촉매를 제거하는 탈회(deashing) 공정이 있었다. 초기 탈회가 요구되는 공정에서는 지글러-나타 촉매가 상당히 불안정하고, 촉매 제조시 비용이 많이 들지 않았기 때문에 회수하여 재사용하지 않고 제거하여 버렸다.Representative polymerization methods using metal as a catalyst are the production of polyethylene and polypropylene using Ziegler-Natta catalysts. Currently, Ziegler-Natta catalysts are highly active, producing resins without recovering or removing the catalyst, but when the initial activity was not high, there was a deashing process to remove the catalyst. In a process requiring initial deliming, the Ziegler-Natta catalyst was quite unstable and was not expensive to manufacture the catalyst, so it was recovered and removed without reuse.
이산화탄소/에폭사이드의 공중합 촉매 중 최고 활성을 보이는 촉매는 본원 발명자의 대한민국특허출원 10-2007-0043417(출원일: 2007.05.04)에서 제공된 오늄 염을 포함하는 착화합물이다. 하지만, 이의 활성을 지글러-나타 촉매에 비교하면 약 1/100로서 현격히 낮은 상태이다. 현재 구현된 촉매의 최고 활성 수준은 약 1.5 Kg-폴리머/g-촉매 수준으로 중합한 후 촉매를 회수 또는 제거하지 않으면 고분자가 엷은 적색을 띄어 그 자체로 용도 개발이 어렵고, 또한 여러 단계의 유기 합성을 거쳐 촉매를 제조하기 때문에 촉매를 회수하여 재사용하지 않으면 촉매 비용이 많이 들어 상업화에 걸림돌이 된다.The catalyst showing the highest activity among the copolymerization catalysts of carbon dioxide / epoxide is a complex compound comprising an onium salt provided in Korean Patent Application No. 10-2007-0043417 (filed date: 2007.05.04) of the present inventors. However, its activity is significantly lower, about 1/100 of that of Ziegler-Natta catalysts. The highest activity level of the presently implemented catalyst is that the polymer becomes pale red unless it is polymerized to about 1.5 Kg-polymer / g-catalyst level and the catalyst is not recovered or removed. Since the catalyst is manufactured through the catalyst, if the catalyst is not recovered and reused, the cost of the catalyst is high, which impedes commercialization.
본 발명의 목적은 오늄 염을 포함하는 착화합물을 촉매로 사용하여 공중합체를 제조한 후 얻어지는 공중합체와 촉매의 혼합 용액으로부터 촉매를 회수하여 재사용할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for recovering and reusing a catalyst from a mixed solution of a copolymer and a catalyst obtained after preparing a copolymer by using a complex containing an onium salt as a catalyst.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 단계에 의하여 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액으로부터 촉매를 공중합체로부터 분리 회수하는 방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for separating and recovering a catalyst from a copolymer from a solution in which a copolymer and a catalyst are dissolved by the following steps:
공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액을 이 용액에 용해되지 않는 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물과 접촉시켜 상기 고체상의 무기 물질 또는 고분자 물질과 촉매의 복합체를 형성시킴으로써 공중합체를 분리하는 단계; 및Separating the copolymer by contacting the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved with a solid inorganic material, a high molecular material or a mixture thereof, which does not dissolve in the solution to form a complex of the solid inorganic material or the polymer material and the catalyst ; And
상기 고체상의 무기 물질 또는 고분자 물질을 용해시킬 수 없는 매질 속에서, 상기 고체상의 무기 물질 또는 고분자 물질과 촉매의 복합체를 산 또는 비반응성 음이온의 금속 염으로 처리하여 촉매가 상기 매질로부터 용해되어 나오게 함으로써 촉매를 분리 회수하는 단계.In a medium in which the solid inorganic material or the polymer material cannot be dissolved, the complex of the solid inorganic material or the polymer material and the catalyst is treated with a metal salt of an acid or a non-reactive anion so that the catalyst is dissolved out of the medium. Separating and recovering the catalyst.
본 발명에 따른 방법은 공중합체 제조에 사용된 촉매를 분리 회수하여 재사용함으로써 촉매의 비용을 저하시켜 공중합체 제조에 있어서 경제성을 구현할 수 있고, 공중합체로부터 금속 화합물인 촉매를 제거함으로써 순도가 높은 공중합체의 제조를 가능하게 하여 공중합체의 이용 범위를 확대시킨다.The method according to the present invention can reduce the cost of the catalyst by separating and recovering and reusing the catalyst used in the preparation of the copolymer to implement economics in the production of the copolymer, and by removing the catalyst which is a metal compound from the copolymer, It is possible to prepare the copolymer to expand the range of use of the copolymer.
본 발명의 한 양태에서, 상기 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액과 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물의 접촉은 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물을 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액에 첨가한 후 여과하거나, 또는 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액을 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물로 충진된 컬럼으로 통과시킴으로써 실시된다.In one embodiment of the present invention, the contact between the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved and the solid inorganic material, the polymer material, or a mixture thereof is used to dissolve the copolymer and the catalyst in the solid inorganic material, the polymer material or a mixture thereof. This is done by adding to the solution followed by filtration or by passing the solution in which the copolymer and catalyst are dissolved through a column packed with a solid inorganic material, a polymeric material or a mixture thereof.
본 발명의 다른 양태에서, 고체상의 무기 물질은 표면 개질되거나 표면 개질되지 않은 실리카 또는 알루미나이고, 고체상의 고분자 물질은 알콕시 음이온에 의하여 탈양성자 반응이 일어날 수 있는 작용기를 가지고 있는 고분자 물질이다.In another embodiment of the present invention, the solid phase inorganic material is surface modified or unmodified silica or alumina, and the solid phase polymeric material is a polymeric material having a functional group capable of deprotonation reaction by an alkoxy anion.
본 발명의 또 다른 양태에서, 알콕시 음이온에 의하여 탈양성자 반응이 일어 날 수 있는 작용기는 설폰산 기, 카르복실산 기, 페놀 기 또는 알콜 기이다.In another embodiment of the present invention, the functional group from which the deprotonation reaction can take place with an alkoxy anion is a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phenol group or an alcohol group.
본 발명의 또 다른 양태에서, 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액에 포함된 촉매는 오늄 염으로서 하기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 작용기 중 하나 이상을 포함하고 중심 금속이 루이스 산기를 갖는 착화합물이다:In another embodiment of the present invention, the catalyst contained in the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved comprises as onium salt at least one of the functional groups represented by the following formulas (1), (2) and (3) and the central metal has a Lewis acid group. to be:
상기 식에서, Where
Z는 질소 또는 인이고;Z is nitrogen or phosphorus;
X는 할로겐; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 6 내지 20의 아릴옥시, 탄소수 1 내지 20의 카르복시, 탄소수 1 내지 20의 알콕시, 탄소수 1 내지 20의 알킬설포네이토, 또는 탄소수 1 내지 20의 아미도이되, X가 루이스 산기를 갖는 중심 금속에 배위될 수도 있고;X is halogen; Aryloxy of 6 to 20 carbon atoms, carboxyl of 1 to 20 carbon atoms, alkoxy of 1 to 20 carbon atoms, alkylsulfonyl of 1 to 20 carbon atoms, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Earth, or amido having 1 to 20 carbon atoms, wherein X may be coordinated with a central metal having Lewis acid groups;
R11, R12, R13, R21, R22, R23, R24 및 R25는 각각 독립적으로 또는 동시에, 수소; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴, 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬 라디칼; 또는 하이드로카빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이되, R11, R12 및 R13 중 2개 또는 R21, R22, R23, R24 및 R25 중 2개가 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;R 11 , R 12 , R 13 , R 21 , R 22 , R 23 , R 24 and R 25 are each independently or simultaneously hydrogen; C1-C20 alkyl, C2-C20 alkenyl, C7-C20 alkylaryl, or C7-C20 aryl, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Alkyl radicals; Or a metalloid radical of a Group 14 metal substituted with hydrocarbyl, wherein two of R 11 , R 12 and R 13 or two of R 21 , R 22 , R 23 , R 24 and R 25 are connected to each other to form a ring Can form;
R31, R32 및 R33은 각각 독립적으로 또는 동시에, 수소; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴, 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬 라디칼; 또는 하이드로카빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이되, R31, R32 및 R33 중 2개는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;R 31 , R 32 and R 33 are each independently or simultaneously hydrogen; C1-C20 alkyl, C2-C20 alkenyl, C7-C20 alkylaryl, or C7-C20 aryl, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Alkyl radicals; Or a metalloid radical of a Group 14 metal substituted with hydrocarbyl, wherein two of R 31 , R 32 and R 33 can be linked to each other to form a ring;
X'는 산소, 황 또는 N-R(이때, R은 수소; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴, 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬 라디칼)이다.X 'is oxygen, sulfur or NR, wherein R is hydrogen; alkyl having 1 to 20 carbon atoms with or without at least one of halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus, alkenyl having 2 to 20 carbon atoms, Alkylaryl having 7 to 20 carbon atoms or arylalkyl radical having 7 to 20 carbon atoms.
본 발명의 또 다른 양태에서, 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 작용기 중 하나 이상을 포함하고 중심 금속이 루이스 산기를 갖는 착화합물은 하기 화학식 4 의 구조를 갖는다:In another embodiment of the invention, the complex comprising at least one of the functional groups of Formula 1, Formula 2 and Formula 3, wherein the central metal has a Lewis acid group, has a structure of Formula 4:
상기 식에서,Where
M은 전이금속 또는 전형금속이고;M is a transition metal or a typical metal;
X'은 중성 또는 1가 음이온의 리간드이고;X 'is a ligand of neutral or monovalent anion;
A는 산소 또는 황이고;A is oxygen or sulfur;
Q는 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 3 내지 20의 사이클로알킬 다이라디칼, 탄소수 6 내지 30의 아릴 다이라디칼, 또는 탄소수 1 내지 20의 다이옥시 라디칼이고;Q is alkyl having 1 to 20 carbon atoms, cycloalkyl diradical having 3 to 20 carbon atoms, aryl diradical having 6 to 30 carbon atoms, or containing at least one of halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Dioxy radical of 1 to 20;
R1 내지 R10은 각각 독립적으로 또는 동시에 수소; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴, 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬 라디칼; 또는 하이드로카빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이되, R1 내지 R10 중 2개가 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;R 1 to Each R 10 is independently or simultaneously hydrogen; C1-C20 alkyl, C2-C20 alkenyl, C7-C20 alkylaryl, or C7-C20 aryl, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Alkyl radicals; Or a metalloid radical of a Group 14 metal substituted with hydrocarbyl, wherein R 1 to R 10 Two may be linked to each other to form a ring;
R1 내지 R10 중 적어도 하나 이상은 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 작용기 중 하나 이상을 포함하되, 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 X는 루이스 산기를 갖는 중심 금속에 배위될 수도 있다.R 1 to At least one or more of R 10 includes at least one of the functional groups of the formulas (1), (2) and (3), wherein X in formulas (1), (2) and (3) may be coordinated to the central metal having Lewis acid group.
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 착화합물은 하기 화학식 5의 구조를 갖는다:Further, preferably, the complex according to the present invention has the structure of formula (5):
상기 식에서,Where
M'은 코발트이고;M 'is cobalt;
X"은 할로겐, 니트로 기로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 6 내지 20의 아릴옥시, 또는 할로겐으로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 1 내지 20의 카르복시이고;X ″ is aryloxy having 6 to 20 carbon atoms, unsubstituted or substituted with a halogen, nitro group, or carboxy having 1 to 20 carbon atoms, unsubstituted or substituted with halogen;
A'은 산소이고;A 'is oxygen;
Q'은 트랜스-1,2-사이클로헥실렌, 에틸렌 또는 치환된 에틸렌이고;Q 'is trans-1,2-cyclohexylene, ethylene or substituted ethylene;
R'1, R'2, R'4, R'6, R'7 및 R'9는 수소이고;R ' 1 , R' 2 , R ' 4 , R' 6 , R ' 7 and R' 9 are hydrogen;
R'5 와 R'10은 tert-부틸, 메틸 또는 이소프로필이고,R ' 5 and R' 10 are tert-butyl, methyl or isopropyl,
R'3과 R'8 중 적어도 하나 이상은 -[YR41 3-m{(CR42R43)nNR44R45R46}m]X"m 또는 -[PR51R52=N=PR53R54R55]X"이고; At least one of R ' 3 and R' 8 is-[YR 41 3-m {(CR 42 R 43 ) n NR 44 R 45 R 46 } m ] X " m or-[PR 51 R 52 = N = PR 53 R 54 R 55 ] X ";
Y는 탄소 또는 규소이고; Y is carbon or silicon;
R41, R42, R43, R44, R45, R46, R51, R52, R53, R54 및 R55는 각각 독립적으로 또는 동시에 수소; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 1 내지 20의 알킬, 탄소수 2 내지 20의 알케닐, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴 또는 탄소수 7 내지 20의 아릴알킬 라디칼; 또는 하이드로카빌로 치환된 14족 금속의 메탈로이드 라디칼이되, R44, R45 및 R46 중 2개 또는 R51, R52, R53, R54 및 R55 중 2개가 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고;R 41 , R 42 , R 43 , R 44 , R 45 , R 46 , R 51 , R 52 , R 53 , R 54 and Each R 55 is independently or simultaneously hydrogen; C1-C20 alkyl, C2-C20 alkenyl, C7-C20 alkylaryl or C7-C20 arylalkyl, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Radicals; Or a metalloid radical of Group 14 metal substituted with hydrocarbyl, R 44 , 2 of R 45 and R 46 or R 51 , R 52 , R 53 , R 54 and Two of R 55 may be linked to one another to form a ring;
m은 1 내지 3 중 하나의 정수이고;m is an integer of 1 to 3;
n은 1 내지 20 중 하나의 정수이다.n is an integer of 1 to 20.
또한, 더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 착화합물은 하기 화학식 6 내지 10 중 하나의 구조를 갖는다: Further, more preferably, the complex according to the present invention has a structure of one of the following formulas 6 to 10:
상기 식에서,Where
M은 코발트 또는 크롬이고;M is cobalt or chromium;
R61 및 R62는 각각 독립적으로 또는 동시에 수소, 메틸, 이소프로필 또는 tert-부틸이고; R 61 and R 62 are each independently or simultaneously hydrogen, methyl, isopropyl or tert-butyl;
X는 할로겐; 할로겐, 질소, 산소, 규소, 황 및 인 중 하나 이상을 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 6 내지 20의 아릴옥시, 탄소수 1 내지 20의 카르복시, 탄소수 1 내지 20의 알콕시, 탄소수 1 내지 20의 알킬설포네이토, 또는 탄소수 1 내지 20의 아미도이되, X는 루이스 산기를 갖는 중심 금속에 배위될 수도 있고;X is halogen; Aryloxy of 6 to 20 carbon atoms, carboxyl of 1 to 20 carbon atoms, alkoxy of 1 to 20 carbon atoms, alkylsulfonyl of 1 to 20 carbon atoms, with or without halogen, nitrogen, oxygen, silicon, sulfur and phosphorus Earth, or amido having 1 to 20 carbon atoms, wherein X may be coordinated with a central metal having Lewis acid groups;
n은 1 내지 20 중 하나의 정수이다.n is an integer of 1 to 20.
본 발명에 따른 "공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액"은 상기 촉매를 이용하여, 할로겐 또는 알콕시로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 2 내지 20의 알킬렌 옥사이드; 할로겐 또는 알콕시로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 4 내지 20의 사이클로알켄 옥사이드; 및 할로겐, 알콕시 또는 알킬로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 8 내지 20의 스타이렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택된 에폭사이드 및 이산화탄소를 공중합함으로써 제조된다.According to the present invention, "a solution in which a copolymer and a catalyst are dissolved" includes an alkylene oxide having 2 to 20 carbon atoms which may be substituted or unsubstituted with halogen or alkoxy using the catalyst; Cycloalkene oxides having 4 to 20 carbon atoms, optionally substituted with halogen or alkoxy; And it is prepared by copolymerizing epoxide and carbon dioxide selected from the group consisting of styrene oxide of 8 to 20 carbon atoms, optionally substituted with halogen, alkoxy or alkyl.
공중합에 사용될 수 있는 에폭사이드의 구체적인 예로는, 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 부텐 옥사이드, 펜텐 옥사이드, 헥센 옥사이드, 옥텐 옥사이드, 데센 옥사이드, 도데센 옥사이드, 테트라데센 옥사이드, 헥사데센 옥사이드, 옥타데센 옥사이드, 부타디엔 모녹사이드, 1,2-에폭시-7-옥텐, 에피플루오로하이드린, 에피클로로하이드린, 에피브로모하이드린, 아이소프로필 글리시딜 에테르, 부틸 글리시딜 에테르, t-부틸 글리시딜 에테르, 2-에틸헥실 글리시딜 에테르, 알릴 글리시딜 에테르, 사이클로펜텐 옥사이드, 사이클로헥센 옥사이드, 사이클로옥텐 옥사이드, 사이클로도데센 옥사이드, 알파-파이넨 옥사이드, 2,3-에폭시노보넨, 리모넨 옥사이드, 디엘드린, 2,3-에폭시프로필벤젠, 스타이렌 옥사이드, 페닐프로필 렌 옥사이드, 스틸벤 옥사이드, 클로로스틸벤 옥사이드, 디클로로스틸벤 옥사이드, 1,2-에폭시-3-페녹시프로판, 벤질옥시메틸 옥시란, 글리시딜-메틸페닐 에테르, 클로로페닐-2,3-에폭시프로필 에테르, 에폭시프로필 메톡시페닐 에테르, 바이페닐 글리시딜 에테르, 글리시딜 나프틸 에테르 등이 있다.Specific examples of epoxides that can be used for copolymerization include ethylene oxide, propylene oxide, butene oxide, pentene oxide, hexene oxide, octene oxide, decene oxide, dodecene oxide, tetradecene oxide, hexadecene oxide, octadecene oxide, butadiene Monoxide, 1,2-epoxy-7-octene, epifluorohydrin, epichlorohydrin, epibromohydrin, isopropyl glycidyl ether, butyl glycidyl ether, t-butyl glycidyl ether , 2-ethylhexyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, cyclopentene oxide, cyclohexene oxide, cyclooctene oxide, cyclododecene oxide, alpha-pinene oxide, 2,3-epoxynorbornene, limonene oxide, Dieldrin, 2,3-epoxypropylbenzene, styrene oxide, phenylpropylene oxide, stilbene oxy De, chlorostilbene oxide, dichlorostilbene oxide, 1,2-epoxy-3-phenoxypropane, benzyloxymethyl oxirane, glycidyl-methylphenyl ether, chlorophenyl-2,3-epoxypropyl ether, epoxypropyl Methoxyphenyl ether, biphenyl glycidyl ether, glycidyl naphthyl ether and the like.
에폭사이드는 유기 용매를 반응 매질로 하여 중합에 사용될 수 있는데, 상기 용매로는 펜탄, 옥탄, 데칸 및 사이클로헥산 등의 지방족 탄화수소, 벤젠, 톨루엔 및 크실렌 등과 같은 방향족 탄화수소, 클로로메탄, 메틸렌클로라이드, 클로로포름, 카본테트라클로라이드, 1,1-디클로로에탄, 1,2-디클로로에탄, 에틸클로라이드, 트리클로로에탄, 1-클로로프로판, 2-클로로프로판, 1-클로로부탄, 2-클로로부탄, 1-클로로-2-메틸프로판, 클로로벤젠 및 브로모벤젠 등과 같은 할로겐화 탄화수소 중 단독 또는 2개 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 그 자체를 용매로 사용하여 벌크 중합을 수행할 수 있다. Epoxides can be used in polymerizations using organic solvents as reaction media, which include aliphatic hydrocarbons such as pentane, octane, decane and cyclohexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, chloromethane, methylene chloride, chloroform , Carbon tetrachloride, 1,1-dichloroethane, 1,2-dichloroethane, ethylchloride, trichloroethane, 1-chloropropane, 2-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro- It can be used alone or in combination of two or more of halogenated hydrocarbons such as 2-methylpropane, chlorobenzene and bromobenzene. More preferably, bulk polymerization can be carried out using itself as a solvent.
상기 에폭사이드에 대한 사용 용매의 부피비, 즉 용매:에폭사이드 부피비는 0:100 내지 99:1, 바람직하게는 0:100 내지 90:10이다. The volume ratio of solvent used to the epoxide, ie the solvent: epoxide volume ratio, is from 0: 100 to 99: 1, preferably from 0: 100 to 90:10.
에폭사이드 대 촉매의 몰비, 즉 에폭사이드:촉매 몰비는 1,000:1 내지 500,000:1에서 사용이 가능하고, 바람직하게는 10,000:1 내지 100,000:1에서 사용이 가능하다. The molar ratio of epoxide to catalyst, ie epoxide: catalyst molar ratio, can be used at 1,000: 1 to 500,000: 1, preferably at 10,000: 1 to 100,000: 1.
이산화탄소의 압력은 상압에서 100기압까지 가능하며, 바람직하게는 2기압에서 50기압이 적당하다. The pressure of carbon dioxide can be up to 100 atm, preferably at 2 to 50 atm.
중합 온도는 20℃에서 120℃까지 가능하고, 바람직하게는 50℃ 내지 100℃가 적당하다. Polymerization temperature is possible from 20 degreeC to 120 degreeC, Preferably 50 degreeC-100 degreeC is suitable.
폴리카보네이트를 중합하는 방법으로는 회분식 중합법, 반 회분식 중합법 또는 연속식 중합법이 있다. 회분식 또는 반 회분식 중합법을 사용하는 경우에 있어서 반응 시간은 1 내지 24시간, 바람직하게는 1.5 내지 6시간으로 할 수 있다. 연속식 중합법을 사용하는 경우의 촉매의 평균 체류시간도 마찬가지로 1 내지 24시간으로 하는 것이 바람직하다.As a method of polymerizing a polycarbonate, there exist a batch polymerization method, a semi-batch polymerization method, or a continuous polymerization method. In the case of using a batch or semi-batch polymerization method, the reaction time can be 1 to 24 hours, preferably 1.5 to 6 hours. In the case of using the continuous polymerization method, the average residence time of the catalyst is also preferably set to 1 to 24 hours.
"공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액"은 상기 기술한 중합 반응을 수행한 후 반응하지 않고 남아 있는 이산화탄소와 에폭사이드를 제거하지 않은 단계에서 얻어진 용액, 이산화탄소만 제거한 후 얻어진 용액, 또는 중합 반응 후 이산화탄소와 에폭사이드를 모두 제거한 후 후처리를 위하여 다른 용매를 다시 넣어 얻어진 용액일 수도 있다. 후처리를 위하여 사용될 수 있는 용매로는 메틸렌클로라이드, THF 등이 바람직하다. "Solution in which a copolymer and a catalyst are dissolved" is a solution obtained in a step in which carbon dioxide and epoxide which remain unreacted after performing the polymerization reaction described above, a solution obtained by removing only carbon dioxide, or a polymerization reaction It may be a solution obtained by removing all of carbon dioxide and epoxide and then re-adding another solvent for post-treatment. Methylene chloride, THF, etc. are preferable as a solvent that can be used for the workup.
공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액에 용해되지 않는 고체상의 무기 물질은 표면 개질되거나 표면 개질되지 않은 실리카나 알루미나이고, 바람직하게는 실리카이다.The solid inorganic material which is not dissolved in the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved is silica or alumina which is surface-modified or not surface-modified, preferably silica.
공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액에 용해되지 않는 고체상의 고분자 물질은 "알콕시 음이온에 의하여 탈양성자(deprotonation) 반응이 일어날 수 있는 작용기"를 가지고 있는 물질로서 지지체로 작용한다. "알콕시 음이온에 의하여 탈양성자 반응이 일어날 수 있는 작용기"의 대표적인 예로는 설폰산 기, 카르복실산 기, 페놀 기 또는 알콜 기가 있다. 고체상의 고분자 물질은 수평균 분자량이 500 내지 10,000,000으로 가교된 것이 바람직하지만, 가교 되지 않았더라도 공중합체와 촉매를 포함하는 용액에 용해되지 않으면 가능하다. Solid polymer material which is insoluble in a solution in which a copolymer and a catalyst are dissolved serves as a support having a "functional group capable of causing a deprotonation reaction by an alkoxy anion". Representative examples of "functional groups in which deprotonation can occur by alkoxy anions" include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phenol groups or alcohol groups. The solid polymer is preferably crosslinked with a number average molecular weight of 500 to 10,000,000, but is not dissolved in a solution containing a copolymer and a catalyst even if not crosslinked.
"알콕시 음이온에 의하여 탈양성자 반응이 일어날 수 있는 작용기를 가지고 있는 고체상의 고분자 물질"의 보다 구체적인 예로는 고분자 사슬 안에 하기 화학식 11 내지 화학식 15와 같은 단위체를 포함하는 공중합체 또는 이런 단위체로만 구성된 단독중합체(homopolymer)가 있다. 이러한 지지체로서 작용하는 고분자 물질은 상기 기술한 용액에 용해되지 않는 한 가교되지 않은 것도 가능하지만, 용해도를 저하시키기 위하여 적당히 가교된 것이 바람직하다:More specific examples of "a solid polymer material having a functional group capable of deprotonation reaction by an alkoxy anion" include a copolymer including a monomer such as the following Chemical Formulas 11 to 15 in the polymer chain, or a homopolymer composed only of such monomers. (homopolymer). The polymeric material serving as this support may be uncrosslinked as long as it does not dissolve in the above-described solution, but is preferably crosslinked appropriately to reduce solubility:
본 발명에 따른 방법에서, 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물을 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액에 첨가한 후 여과하거나, 또는 공중합체와 촉매가 용해되어 있는 용액을 고체상의 무기 물질, 고분자 물질 또는 이의 혼합물로 충진된 컬럼으로 통과시켜 상기 고체상의 무기 물질 또는 고분자 물질과 촉매의 복합체를 형성시킴으로써 공중합체를 분리할 수 있다.In the process according to the invention, the solid inorganic material, the polymeric material or a mixture thereof is added to the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved and then filtered, or the solution in which the copolymer and the catalyst are dissolved is dissolved in the solid inorganic material, The copolymer can be separated by passing it through a column packed with a polymeric material or mixture thereof to form a complex of the solid inorganic material or polymeric material with a catalyst.
이때, 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3의 작용기 중 하나 이상을 포함하고 중심 금속이 루이스 산기를 갖는 착화합물은 양이온과 음이온으로 구성된 복합 염의 화합물이기 때문에 실리카나 알루미나와 같은 무기 물질로 충진된 컬럼을 통과하지 못하는 반면 공중합체는 상기 컬럼을 통과할 수 있으므로 공중합체와 촉매를 분리할 수 있다.In this case, the complex containing at least one of the functional groups of Formula 1, Formula 2, and Formula 3 and having a Lewis acid group as the central metal is a compound of a complex salt composed of a cation and an anion. On the other hand, the copolymer can pass through the column so that the copolymer and the catalyst can be separated.
상기 착화합물을 촉매로 사용하여 에폭사이드와 이산화탄소를 공중합할 때 오늄 염의 음이온이 루이스 산기를 갖은 중심 금속에 배위되어 활성화된 에폭사이드를 친핵체 공격하여 반응이 개시된다는 것이 일반적으로 받아들여지는 중합 반응 기전이다. 친핵체 공격을 받아 형성된 알콕시 음이온이 이산화탄소와 반응하여 카보네이트 음이온이 되고, 이 음이온이 다시 중심 금속에 배위되어 활성화된 에폭사이드를 친핵체 공격하여 카보네이트 음이온을 형성시키고, 이러한 반응이 반복되어 고분자 사슬이 형성된다. 이러한 경우 중합 반응 후, 촉매에 포함된 오늄 염의 음이온 중 일부 또는 전부가 고분자 사슬을 포함하는 카보네이트 음이온 또는 알콕사이드 음이온으로 변환된다. 중합 반응 후 이산화탄소를 제거하면 카보네이트 음이온은 알콕사이드 음이온으로 변환된다. When copolymerizing epoxide and carbon dioxide using the complex as a catalyst, it is generally accepted that the reaction is initiated by nucleophilic attack of an activated epoxide coordinated with an anion of an onium salt on a central metal having a Lewis acid group. . The alkoxy anion formed upon nucleophilic attack reacts with carbon dioxide to become a carbonate anion, which is then coordinated to the central metal to nucleophile attack the activated epoxide to form a carbonate anion, and the reaction is repeated to form a polymer chain. . In this case, after the polymerization reaction, some or all of the anions of the onium salts contained in the catalyst are converted to carbonate anions or alkoxide anions containing the polymer chain. Removing carbon dioxide after the polymerization reaction converts the carbonate anion to an alkoxide anion.
중합 후 촉매와 공중합체가 용해되어 있는 용액을 상기 "알콕시 음이온에 의하여 탈양성자 반응이 일어날 수 있는 작용기를 가지고 있는 고분자 물질"과 접촉시키면 고분자 물질의 "탈양성자 반응이 일어날 수 있는 작용기"가 오늄 염의 음이온으로 존재하는 고분자 사슬을 포함하는 알콕사이드 음이온과 산-염기 반응하여 고분자 사슬은 양성자를 얻어 중성화되어 용액 중에 용해되고, 고분자 물질과 오늄 염을 포함하는 촉매는 복합체를 형성한다. 이 복합체는 용해성이 없는 이유로 공중합체로부터 여과에 의하여 분리가 가능하다. 하기 반응식 1은 상기 기술한 공중합체로부터 촉매 제거하는 방법의 반응을 구체적으로 설명한다.When the solution in which the catalyst and the copolymer are dissolved after polymerization is brought into contact with the "polymer material having a functional group capable of deprotonation reaction by an alkoxy anion", the "functional group capable of deprotonation reaction" of the high molecular material is obtained. An acid-base reaction with an alkoxide anion containing a polymer chain, which is present as an anion of a salt, causes the polymer chain to be protonated, neutralized, dissolved in a solution, and a catalyst containing a polymer material and an onium salt forms a complex. This complex can be separated by filtration from the copolymer for reasons of insolubility. Scheme 1 below specifically illustrates the reaction of the catalyst removal process from the copolymers described above.
용액을 지지체와 접촉시키기 전에 이산화탄소를 모두 제거할 필요는 없다. 이산화탄소를 제거하지 않으면 상기 반응식 1에서 Y 음이온이 카보네이트 음이온으로 존재할 가능성이 많은데 이 카보네이트 음이온이 상기 지지체에 존재하는 양성자와 반응하여 이산화탄소가 배출되면서 동일한 목적을 달성할 수 있다.It is not necessary to remove all of the carbon dioxide before contacting the solution with the support. If the carbon dioxide is not removed, there is a high possibility that the Y anion is present as a carbonate anion in Scheme 1. The carbonate anion may react with the protons present in the support to release carbon dioxide, thereby achieving the same purpose.
여과에 의해 분리 회수된 촉매-무기 물질 복합체 또는 촉매-고분자 복합체로부터 촉매를 회수하여 재사용할 수 있다. 촉매-무기 물질 복합체 또는 촉매-고분자 복합체는 통상적인 용매에 용해되지 않는다. 그러나, 무기 물질 또는 고분자 물질을 용해시키지 못하는 매질 속에서, 회수된 촉매-무기 물질 복합체 또는 촉매-고분자 복합체에 산 또는 비반응성 음이온의 금속 염을 처리하면 산-염기 반응 또는 염 복분해 반응에 의하여 촉매는 매질에 용해되어 나오게 되고 이를 여과하여 무기 물질 또는 고분자 물질과 촉매를 분리하여 무기 물질 또는 고분자 물질과 촉 매를 회수하여 재사용할 수 있다. 이때 처리해 주는 산의 PKa 값은 지지체에 형성된 음이온의 PKa 값 이하의 값을 가져야 한다. 처리해 주는 산으로 바람직한 것은 그 산의 짝염기가 중합 반응시 활성 구현에 탁월한 성능을 보이는 것으로 선택해야 재사용하는데 유리하다. 이러한 산으로서 바람직한 것는 HCl과 2,4-디니트로페놀이다. Cl 음이온과 2,4-디니트로페놀레이트 음이온은 중합 반응 시 고활성과 고선택성을 보인다고 알려져 있다. 비반응성 음이온의 염으로 바람직한 것은 MBF4 또는 MClO4(이때, M은 Li, Na 또는 K이다)이다. 비반응성 음이온의 염을 처리해 주었을 때에서는 비반응성 음이온을 포함하는 화합물이 용해되어 나온다. 이 비반응성 음이온은 고활성과 고선택성을 보이는 Cl 음이온과 2,4-디니트로페놀레이트 음이온으로 염 복분해 반응에 의하여 변환될 수 있다. 촉매를 회수하는 공정은 촉매는 용해되고 무기 물질 또는 고분자 물질은 용해되지 않는 적당한 용매하에서 수행된다. 이러한 용매로 바람직한 것은 메틸렌클로라이드, 에탄올 또는 메탄올이다. 하기 반응식 2와 반응식 3은 고분자 물질과 촉매의 복합체 또는 무기 물질과 촉매의 복합체로부터 촉매를 회수하는 반응식을 구체적으로 보여 준다. The catalyst can be recovered and reused from the catalyst-inorganic material composite or catalyst-polymer composite separated and recovered by filtration. The catalyst-inorganic material complex or catalyst-polymer complex is not soluble in conventional solvents. However, when a metal salt of an acid or a non-reactive anion is treated to a recovered catalyst-inorganic material complex or catalyst-polymer complex in a medium that does not dissolve an inorganic material or a polymer material, the catalyst may be reacted by an acid-base reaction or a salt metathesis reaction. Is dissolved in the medium and filtered to separate the inorganic material or the polymer and the catalyst, and the inorganic material or the polymer and the catalyst can be recovered and reused. At this time, the PKa value of the treated acid should have a value less than or equal to the PKa value of the anion formed on the support. The preferred acid to be treated is advantageous in that it must be selected so that the counterbase of the acid exhibits excellent performance in realizing the activity in the polymerization reaction. Preferred as such acids are HCl and 2,4-dinitrophenol. Cl anions and 2,4-dinitrophenolate anions are known to exhibit high activity and high selectivity during polymerization. Preferred as salts of non-reactive anions are MBF 4 or MClO 4 , wherein M is Li, Na or K. When the salt of the non-reactive anion is treated, the compound containing the non-reactive anion is dissolved. This non-reactive anion can be converted by salt metathesis into a Cl anion and a 2,4-dinitrophenolate anion showing high activity and high selectivity. The process of recovering the catalyst is carried out under a suitable solvent in which the catalyst is dissolved and the inorganic or polymeric material is not dissolved. Preferred such solvents are methylene chloride, ethanol or methanol. Schemes 2 and 3 below specifically illustrate a scheme for recovering a catalyst from a complex of a polymer material and a catalyst or a complex of an inorganic material and a catalyst.
하기 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니 다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
실시예Example
실시예 1: 50 mL 반응기를 이용한 촉매의 분리 회수 방법을 포함하는 공중합체 제조 공정 Example 1 Copolymer Preparation Process Including a Separation and Recovery Method of Catalysts Using a 50 mL Reactor
제 1 단계: 이산화탄소/프로필렌 옥사이드의 공중합 단계First step: copolymerization of carbon dioxide / propylene oxide
본 발명의 대표적인 촉매로서 상기 화학식 10의 화합물(이때, X는 2,4-디니트로페놀레이트이고, R61 및 R62는 메틸이고, n은 3이다)을 사용하였다. 촉매(7.0 mg)를 프로필렌 옥사이드(9.0 g, 150 mmol)에 용해시킨 후 50 mL 봄 반응기(bomb reactor)에 넣고 반응기를 조립하였다. 미리 온도가 80℃로 조정된 오일 욕에 반응기를 담그고 약 15분간 교반하여 반응기 온도가 욕 온도와 평형을 이루도록 하였다. 20바의 압력으로 이산화탄소를 투입하면서 반응을 30분간 진행시켰다. 이산화탄소 가스를 제거한 후 반응기를 개봉하여 엷은 적색의 점성이 높은 용액을 얻었다. 얻어진 용액은 점성이 높아 교반이 불가능하고 여과가 용이하지 않아서 20 g의 프로필렌 옥사이드를 추가로 첨가하여 교반 및 여과가 가능한 점도가 낮은 용액을 얻었다. 비교를 위하여 아무 처리하지 않은 공중합체 용액으로부터 일부 고분자를 취하고 처리하여 ICP-질량 분석기로 공중합체에 포함된 코발트 양을 분석하였다(표 1). 또한, 모든 용매를 제거한 후 20 mL의 메틸렌클로라이드에 공중합체를 용해시킨 후 자외선-가시광선 분광기(UV-Visible Spectrometer)로 흡광도를 측정하 였다(도 2). 이렇게 제조된 공중합체 용액에서 프로필렌 옥사이드를 진공 감압하에 제거하여 4.1 g의 공중합체를 수득하였다. 이는 TON(Turnover Number)이 13,000이고, TOF(Turnover Frequency)가 26,000인 활성도에 해당한다. As a representative catalyst of the present invention, the compound of Formula 10, wherein X is 2,4-dinitrophenolate, R 61 and R 62 are methyl, and n is 3. The catalyst (7.0 mg) was dissolved in propylene oxide (9.0 g, 150 mmol) and then placed in a 50 mL bomb reactor to assemble the reactor. The reactor was immersed in an oil bath previously adjusted to 80 ° C. and stirred for about 15 minutes so that the reactor temperature was in equilibrium with the bath temperature. The reaction proceeded for 30 minutes while injecting carbon dioxide at a pressure of 20 bar. After removing the carbon dioxide gas, the reactor was opened to obtain a pale red highly viscous solution. The resulting solution was highly viscous, unable to stir and not easily filtered, so that 20 g of propylene oxide was further added to obtain a low-viscosity solution capable of stirring and filtration. For comparison, some polymers were taken from the untreated copolymer solution and processed to analyze the amount of cobalt contained in the copolymer with an ICP-mass spectrometer (Table 1). In addition, after removing all solvents, the copolymer was dissolved in 20 mL of methylene chloride, and the absorbance was measured by an ultraviolet-visible spectrometer (UV-Visible Spectrometer) (FIG. 2). In the copolymer solution thus prepared, propylene oxide was removed under vacuum reduced pressure to obtain 4.1 g of copolymer. This corresponds to an activity with a Turnover Number (TON) of 13,000 and a Turnover Frequency (TOF) of 26,000.
제 2 단계: 공중합체와 촉매의 분리 단계Second Step: Separation of Copolymer and Catalyst
(1) 상기 제조된 공중합체와 촉매를 포함하는 용액에 알드리치사에서 구입한 아크릴산 중합체(PPA; Mv(viscosity average molecular weight)=3,000,000; 0.5 % 가교, 21 mg)를 투입하고 상온에서 2시간 동안 교반하였다. 유리 여과기(glass filter)에 여과를 용이하게 하는 셀라이트(Celite)를 얇게 깔고 교반한 용액을 진공 펌프를 이용해 여과하였다. 대부분의 촉매는 아크릴산 중합체와 복합체를 이루어 고체 형태로 여과기 위에 포집되고 여과된 용액은 여과되지 않은 용액에 비해 색이 상당히 엷어진 상태였다. 여과된 용액에서 일부 공중합체를 취하고 처리하여 ICP-질량 분석기로 공중합체에 포함된 코발트 양을 분석하였다(표 1). 또한, 모든 용매를 제거한 후 20 mL의 메틸렌클로라이드에 공중합체를 용해시킨 후 자외선-가시광선 분광기로 그 흡광도를 측정하였다(도 2).(1) The acrylic acid polymer (PPA; Mv (viscosity average molecular weight) = 3,000,000; 0.5% crosslinking, 21 mg) purchased from Aldrich was added to the solution containing the copolymer and the catalyst prepared above, and at room temperature for 2 hours. Stirred. Celite was thinly coated on a glass filter and the stirred solution was filtered using a vacuum pump. Most catalysts were complexed with acrylic acid polymers, collected in solid form on the filter, and the filtered solution was significantly lighter in color than the unfiltered solution. Some copolymers were taken from the filtered solution and processed to analyze the amount of cobalt contained in the copolymers with an ICP-mass spectrometer (Table 1). In addition, after removing all solvents, the copolymer was dissolved in 20 mL of methylene chloride, and the absorbance thereof was measured by an ultraviolet-visible spectrophotometer (FIG. 2).
(2) 분자량이 작은 아크릴산 중합체(Mv=450,000; 0.5 % 가교, 21 mg)를 이용하여 (1)과 동일하게 처리하였다. 여과된 용액에서 일부 공중합체를 취하고 처리하여 ICP-질량 분석기로 공중합체에 포함된 코발트 양을 분석하였다(표 1). 또한, 모든 용매를 제거하고 20 mL의 메틸렌클로라이드에 공중합체를 용해시킨 후 자외선-가시광선 분광기로 흡광도를 측정하였다(도 2).(2) The same treatment as in (1) was carried out using a small molecular weight acrylic acid polymer (Mv = 450,000; 0.5% crosslinking, 21 mg). Some copolymers were taken from the filtered solution and processed to analyze the amount of cobalt contained in the copolymers with an ICP-mass spectrometer (Table 1). In addition, all solvents were removed, the copolymer was dissolved in 20 mL of methylene chloride, and the absorbance was measured by ultraviolet-visible spectroscopy (FIG. 2).
(3) 유리 여과기 위에 실리카 겔(400 mg, 메르크사 제조, 0.040-0.063 mm 입경(230-400 메쉬)을 얇게 충진한 후 제 1 단계에서 얻어진 공중합체 용액을 통과시켜 여과하였다. 거의 무색의 용액이 얻어지고 실리카 컬럼 상단 부분에 촉매가 포집되어 있음을 볼 수 있었다. 여과된 용액에서 일부 공중합체를 취하고 처리하여 ICP-질량 분석기로 공중합체에 포함된 코발트 양을 분석하였다(표 1). 또한 모든 용매를 제거하고 20 mL의 메틸렌클로라이드에 공중합체를 용해시킨 후 자외선-가시광선 분광기로 흡광도를 측정하였다(도 2).(3) Thinly packed silica gel (400 mg, 0.040-0.063 mm particle size (230-400 mesh), manufactured by Merck Co., Ltd.) on a glass filter, and filtered through a copolymer solution obtained in the first step. It was found that the catalyst was collected on the upper part of the silica column, and some copolymers were taken from the filtered solution and treated to analyze the amount of cobalt contained in the copolymer by an ICP-mass spectrometer (Table 1). All solvents were removed and the copolymer was dissolved in 20 mL of methylene chloride, and then absorbance was measured by ultraviolet-visible spectroscopy (FIG. 2).
(4) 알루미나(1.0 g, 시그마-알드리치사 제조, 중성, 약 150 메쉬)를 이용하여 (3)과 동일하게 처리하였다. 여과된 용액은 거의 무색에 가까우나 일부 용해되지 않는 부유 물질이 여과된 용액 속에 있음을 관찰하였다. 여과된 용액에서 일부 공중합체를 취하고 처리하여 ICP-질량 분석기로 공중합체에 포함된 코발트 양을 분석하였다(표 1). 또한, 모든 용매를 제거하고 20 mL의 메틸렌클로라이드에 공중합체를 용해시킨 후 자외선-가시광선 분광기로 흡광도를 측정하였다(도 2).(4) The same treatment as in (3) was carried out using alumina (1.0 g, manufactured by Sigma-Aldrich, neutral, about 150 mesh). The filtered solution was almost colorless but observed that some insoluble suspended solids were in the filtered solution. Some copolymers were taken from the filtered solution and processed to analyze the amount of cobalt contained in the copolymers with an ICP-mass spectrometer (Table 1). In addition, all solvents were removed, the copolymer was dissolved in 20 mL of methylene chloride, and the absorbance was measured by ultraviolet-visible spectroscopy (FIG. 2).
제 3 단계: 촉매 회수 단계Third Step: Catalyst Recovery Step
제 2 단계의 (1) 및 (2)에 의하여 여과되지 않고 걸러진 고체 화합물을 포집하여 메틸렌클로라이드 용매에 분산시켰다. 아무 처리하지 않았을 때는 아무 것도 용해되어 나오지 않았으나, 2,4-디니트로페놀 14 mg을 넣어 주면 즉시 붉은 색 용액이 되었다. 여과에 의하여 붉은 색 용액을 포집하고 용매를 진공 감압하에 모두 제거하였다. 디에틸 에테르로 잔류하는 2,4-디니트로페놀을 용해시켜 제거하여 분말형의 고체 화합물 5-6 mg을 회수하였다. 이 화합물을 1H NMR 분석하였을 때 촉매 화합물과 동일함을 확인하였고 공중합 반응에도 동일한 활성을 보임을 확인하였다. The solid compound filtered out without filtration by the second step (1) and (2) was collected and dispersed in a methylene chloride solvent. Nothing was dissolved when not treated, but when 14 mg of 2,4-dinitrophenol was added, it immediately became a red solution. The red solution was collected by filtration and the solvents were all removed under vacuum reduced pressure. 2,4-dinitrophenol remaining in diethyl ether was dissolved and removed to recover 5-6 mg of a powdery solid compound. When the compound was analyzed by 1 H NMR, it was confirmed to be the same as the catalyst compound and the same activity was confirmed in the copolymerization reaction.
제 2 단계 (3) 및 (4)의 경우, 실리카-촉매 또는 알루미나-촉매 복합체를 메탄올 용매에 분산시킨 후 동일한 방법으로 촉매를 회수하였다. 회수된 화합물을 1H NMR 분석하였을 때, 코발트 몰당 2몰의 2,4-디니트로페놀레이트를 추가로 포함하는 화합물을 얻었고 이는 초기 촉매 활성의 약 2/3의 중합 활성을 나타냈다. For the second steps (3) and (4), the silica-catalyst or alumina-catalyst complex was dispersed in methanol solvent and then the catalyst was recovered in the same manner. When the recovered compound was subjected to 1 H NMR analysis, a compound further comprising 2 moles of 2,4-dinitrophenolate per mole of cobalt was obtained, which showed a polymerization activity of about 2/3 of the initial catalytic activity.
다음과 같은 방법에 의하여 NMR 스펙트럼 면에서나 공중합 반응 활성도 면에 있어서 초기 촉매 화합물과 동일한 화합물을 회수할 수 있었다. 제 2 단계에서 분리 회수된 실리카-촉매 또는 알루미나-촉매 복합체를 NaBF4로 포화된 메탄올 용액에 분산시키는 경우, 붉은 색 용액이 용해되어 나왔다. 이를 여과하고, NaBF4로 포화된 메탄올 용액으로 용액과 무기 물질이 무색이 될 때까지 1 또는 2회 세척하였다. 용액을 포집하여 용매를 진공 감압하에 제거하였다. 얻어진 고형물에 메틸렌클로라이드를 넣어주면 갈색의 코발트 화합물은 메틸렌클로라이드에 용해되고 NaBF4는 흰색 고체로 용해되지 않아 분리할 수 있었다. 메틸렌클로라이드 용액에 과량의 고체상의 소듐 2,4-디니트로페놀레이트를 투입하여 밤새 교반하고 여과하여 메틸렌클로라이드 용액을 취하고 용매를 제거하여 갈색의 분말을 얻었다. 이렇게 회수된 화합물을 1H NMR 분석하였을 때 촉매 화합물과 동일함을 확인하였고 공중합 반응에도 동일한 활성을 보임을 확인하였다.By the following method, the same compound as the initial catalyst compound was recovered in terms of NMR spectrum and copolymerization activity. When the silica-catalyst or alumina-catalyst complex separated and recovered in the second step was dispersed in a methanol solution saturated with NaBF 4 , the red color solution was dissolved. It was filtered and washed once or twice with methanol solution saturated with NaBF 4 until the solution and inorganic material became colorless. The solution was collected and the solvent was removed under vacuum reduced pressure. When methylene chloride was added to the obtained solid, the brown cobalt compound was dissolved in methylene chloride and NaBF 4 was not dissolved as a white solid, which could be separated. Excessive solid sodium 2,4-dinitrophenolate was added to the methylene chloride solution, stirred overnight, filtered, and the methylene chloride solution was taken, and the solvent was removed to obtain a brown powder. This recovered compound was confirmed to be the same as the catalyst compound when the 1H NMR analysis and showed the same activity in the copolymerization reaction.
실시예 2: 500 mL 반응기를 이용한 촉매의 분리 회수 방법을 포함하는 공중합체 제조 공정 Example 2 Copolymer Preparation Process Including a Separation and Recovery Method of a Catalyst Using a 500 mL Reactor
500 mL 반응기를 이용하여 상기 화학식 10의 화합물(이때, X는 2,4-디니트로페놀레이트이고, R61 및 R62는 메틸이고, n은 3이다) 186 mg, 및 프로필렌 옥사이드 (240 g, 4.13 mol)를 이용하여 동일한 방법으로 공중합을 수행하였다. 1시간 15분간 중합 반응을 수행하였다. 얻어진 용액은 점성이 높아 교반이 안되고 여과가 용이하지 않아 500 g의 프로필렌 옥사이드를 첨가하여 교반 및 여과가 가능한 점도가 낮은 용액을 제조하였다. 이 용액을 20 mL의 실리카(메르크사 제조, 0.040-0.063 mm 입경(230-400메쉬) 컬럼으로 통과시켜 여과하여 무색 투명의 촉매가 제거되고 공중합체만을 포함하는 용액을 얻었다. 용매를 진공 이송(vacuum transfer)하여 플라스크에 포집하여 재사용하고, 공중합체 115 g을 얻었다(TON=13,500; TOF=10,800). 실리카 표층에 모여 있는 적색 고체상을 포집하여 플라스크에 옮기고 메탄올을 가하면 아무 것도 용해되지 않았다. 그러나, 여기에 NaBF4로 포화된 메탄올 용액을 가하면 즉시 붉은 색 용액을 얻을 수 있었다. 여과하고, NaBF4로 포화된 메탄올 용액으로 용액과 무기 물질이 무색이 될 때까지 1 또는 2회 더 세척하였다. 용액을 포집하여 용매를 진공 감압하에 제거하였다. 얻어진 고형물에 메틸렌클로라이드를 넣어주면 갈색의 코발트 화합물은 메틸렌클로라이드에 용해되고 NaBF4는 흰색 고체로 용해되지 않아 분리할 수 있었다. 메틸렌클로라이드 용액에 과량의 고체상의 소듐 2,4-디니트로페놀레이트를 투입하여 밤새 교반하고 여과하여 메틸렌클로라이드 용액을 취하고 용매를 제거하여 갈색의 분말을 얻었다(180 mg, 회수율 97%). 이렇게 회수된 화합물을 1H NMR 분석하였을 때 촉매 화합물과 동일함을 확인하였고 공중합 반응에도 동일한 활성 및 선택성을 보임을 확인하였다.186 mg of the compound of Formula 10 wherein X is 2,4-dinitrophenolate, R 61 and R 62 are methyl and n is 3, using a 500 mL reactor, and propylene oxide (240 g, The copolymerization was carried out in the same manner using 4.13 mol). The polymerization reaction was carried out for 1 hour 15 minutes. The resulting solution was not viscous and easy to filter due to its high viscosity. Thus, 500 g of propylene oxide was added to prepare a low-viscosity solution capable of stirring and filtration. The solution was passed through a 20 mL silica (0.040-0.063 mm particle diameter (230-400 mesh) column manufactured by Merck Co., Ltd. filter) to obtain a solution containing only the copolymer without the colorless transparent catalyst. vacuum transfer) was collected in the flask and reused to obtain 115 g of copolymer (TON = 13,500; TOF = 10,800). The red solid phase collected on the silica surface was collected, transferred to the flask, and methanol was dissolved. To this, methanol solution saturated with NaBF 4 was immediately added to give a red solution, filtered and washed one or two more times with NaBF 4 saturated methanol solution until the solution and inorganic material became colorless. The solution was collected and the solvent was removed under vacuum reduced pressure. Methylene chloride was added to the obtained solid, and the brown cobalt compound was dissolved in methylene chloride. NaBF 4 was not dissolved as a white solid and could be separated by adding an excess of solid sodium 2,4-dinitrophenolate to the methylene chloride solution, stirring overnight, filtering to obtain a methylene chloride solution, and removing the solvent to give a brownish color. A powder was obtained (180 mg, 97% recovery) The recovered compound was confirmed to be the same as the catalyst compound by 1 H NMR analysis and showed the same activity and selectivity in the copolymerization reaction.
도 1은 촉매의 분리 회수 반응식을 설명한다.1 illustrates the separation recovery scheme of the catalyst.
도 2는 제 2 단계 후의 공중합체 용액의 흡광도를 나타낸다.2 shows the absorbance of the copolymer solution after the second step.
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