KR20110131960A - 실릴페로센-htpb 결합체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 제조방법은 페로센 (2)에 부텐기를 도입하여 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제1중간체의 합성단계; 상기 3-부테닐페로센 (3)에 실란기를 도입하여 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 합성하는 제2중간체의 합성단계; 및, 상기 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 히드록시 말단의 폴리부타디엔과 반응시켜 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 합성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 각 단계는 각각 반응 수율이 높을 뿐만 아니라 온화한 조건에서 수행되는 단계들이다. 따라서, 본 발명에 의하여 페로센 (2)을 출발물질로 하여 높은 수율과 저렴한 비용으로 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 대량으로 생산할 수 있다.
본 발명의 각 단계는 각각 반응 수율이 높을 뿐만 아니라 온화한 조건에서 수행되는 단계들이다. 따라서, 본 발명에 의하여 페로센 (2)을 출발물질로 하여 높은 수율과 저렴한 비용으로 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 대량으로 생산할 수 있다.
Description
본 발명은 실릴페로센-HTPB 결합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3-부테닐페로센 및 (4-페로세닐부틸)디메틸실란을 중간체로 사용하여 간단하면서도 제조수율이 높은 실릴페로센-HTPB 결합체의 제조방법에 관한 것이다.
페로센(ferrocene, Fc)은 로켓추진체의 연소조절제로서 사용되는 화합물이다. 그러나, 상기 페로센 만을 로켓추진체의 일 성분으로 사용하는 경우, 장기간 보관시 안정성의 문제가 있어, 단독 사용 대신에 로켓추진체의 또 다른 성분이 되는 히드록시 말단의 폴리부타디엔 (hydroxy-terminated polybutadiene, HTPB)과 실릴페로센이 결합된, 화학식 (1)로 표시되는 결합체(특허문헌 1 참조) 또는 화학식 (1-1)로 표시되는 결합체(특허문헌 2 참조)의 형태로 사용된다.
상기 복합체중 특히, 결합체 (1)은 부타센(ButaceneTM, "Societe Nationale des Poudres et Explosifs"社의 상표)이라는 상품명으로 판매되기도 하나, 군수품으로 전용될 수 있기 때문에 그 중요성에 비하여 합성방법에 대해서 알려진 것은 상대적으로 많지 않다.
상기 복합체 (1)의 합성에 있어, 페로센을 출발물질로 하여 여기에 실란 화합물을 도입하고, 상기 실란 화합물의 활성부위를 이용하여 다시 HTPB의 이중결합에 결합시키는 방법은 복합체 (1)의 구조상 필연적이다. 예컨대, 비특허문헌 1에는 숙신산무수물을 페로센과 반응시켜 탄소수 네 개의 산이 치환된 페로센을 먼저 도입하는 방법으로 하여, 전체 6단계 또는 7단계의 합성과정을 거쳐 최종적으로 복합체 (1)을 합성하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기 방법은 페로센과 최초로 반응하는 물질이 숙신산 무수물로서, 첫 단계에서 생성되는 화합물에 산화도가 높은 카르복시산과 케톤 관능기가 함께 있어, 이를 제거하는데 수율이 낮고, 제조단가도 높은 다단계의 환원과정이 필수적이다. 이는 전체적으로 결합체 (1)의 제조에 낮은 수율과, 이에 따른 원가상승의 원인이 될 수밖에 없다. 이에 상기 화합물들을 저비용이면서도 높은 수율로 합성할 수 있는 제조방법의 개발에 대한 필요성이 지속되고 있다.
이에, 본 발명자는 페로센을 출발물질로 하여 여기에 알켄 이중결합을 도입하고, 상기 알켄 치환체에 순차적으로 실란화합물 및 HTPB를 도입하는 경우, 각 단계의 조건이 비교적 온화하면서도 수율이 매우 높게 실릴페로센-HTPB 결합체를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Pierter J. Swarts et al., S. Afr. Tydskr. Chem., 1997, 50(4), p208-216.
본 발명의 목적은 3-부테닐페로센 및 (4-페로세닐부틸)디메틸실란을 중간체로 사용하여 간단하면서도 제조 수율이 높은 실릴페로센-HTPB 결합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 제조방법은, 하기의 반응식 1에 따라,
페로센 (2)에 부텐기를 도입하여 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제1중간체의 합성단계;
상기 3-부테닐페로센 (3)에 실란기를 도입하여 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 합성하는 제2중간체의 합성단계; 및
상기 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 히드록시 말단의 폴리부타디엔과 반응시켜 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 합성하는 단계;를 포함한다.
[반응식 1]
이때, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 2 에 따라,
페로센 (2)을 4-할로부타노일할라이드와 루이스산 조건에서 반응시켜 4-할로부타노일페로센 (6)을 합성하는 제1단계;
상기 4-할로부타노일페로센 (6)을 LiAlH4와 루이스산 조건에서 반응시켜 화학식 7로 표시되는 4-할로부틸페로센을 (7)을 합성하는 제2단계; 및
상기 4-할로부틸페로센을 (7)을 강염기와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 2]
상기 식에서, X는 할로겐족 원소이다.
또한, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 3에 따라,
페로센 (3)을 화합물을 비 스-(디알킬아미노)메탄 및 포름알데히드와 반응시켜 (페로세닐메틸)디알킬아민 (8)을 합성하는 제1단계;
상기 (페로세닐메틸)디알킬아민 (8)과 알킬할라이드를 반응시켜 화학식 9로 표시되는 (페로세닐메틸)트리알킬암모늄 염 (9)을 합성하는 제2단계; 및
상기 트리알킬(페로세닐메틸)암모늄 염 (9)을 알릴마그네 슘할라이드와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 3]
상기 식에서, R1은 탄소수 1 내지 3의 포화 알킬이고, R2는 탄소수 1 내지 6의 알킬이며, X는 할로겐족 원소이다.
한편, 상기 제2중간체 합성단계는 하기의 반응식 4에 따라,
3-부테닐페로센 (3)을 백금촉매 존재하에 디메틸할로실란과 반응시켜 (4-페로세닐 )디메틸할로실란 (4)을 합성하는 제단계; 및
상기 (4-페로세닐)디메틸할로실란 (4)을 메탈하이드라이드로 환원시켜 반응시켜 (4-페로세닐)디메틸실란 (5)를 합성하는 제2단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 4]
상기 식에서, X는 할로겐족 원소이다.
본 발명의 실릴페로센-HTPB 결합체의 제조방법의 각 단계는 각각 반응 수율이 높을 뿐만 아니라 온화한 조건에서 수행되는 단계들이다. 본 발명에 의하여, 페로센을 출발물질로 하여 높은 수율과 저렴한 비용으로 실릴페로센-HTPB 결합체를 대량으로 생산할 수 있다.
도 1은 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 600MHz NMR 스펙트럼이다.
본 발명에 의한 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 제조방법은, 하기의 반응식 1에 따라,
페로센 (2)에 부텐기를 도입하여 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제1중간체의 합성단계;
상기 3-부테닐페로센 (3)에 실란기를 도입하여 제2중간체인 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 합성하는 제2중간체의 합성단계; 및
상기 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)을 히드록시 말단의 폴리부타디엔과 반응시켜 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 합성하는 단계;를 포함한다.
[반응식 1]
이때, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 2에 따라,
페로센 (2)을 4-할로부타노일할라이드와 루이스산 조건에서 반응시켜 4-할로부타노일페로센 (6)을 합성하는 제1단계;
상기 4-할로부타노일페로센 (6)을 LiAlH4와 루이스산 조건에서 반응시켜 화학식 7로 표시되는 4-할로부틸페로센을 (7)을 합성하는 제2단계; 및
상기 4-할로부틸페로센을 (7)을 강염기와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 2]
상기 식에서, X는 할로겐족 원소이다.
또한, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 3에 따라,
페로센 (3)을 화합물을 비스-(디알킬아미노)메탄 및 포름알데히드와 반응시켜 디알킬(페로세닐메틸)아민 (8)을 합성하는 제1단계;
상기 디알킬(페로세닐메틸)아민 (8)과 알킬할라이드를 반응시켜 화학식 9로 표시되는 트리알킬(페로세닐메 틸)암모늄 염 (9)을 합성하는 제2단계; 및
상기 트리알킬(페로세닐메틸)암모늄 염 (9)을 알릴마그네 슘할라이드와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 3]
상기 식에서, R1은 탄소수 1 내지 3의 포화 알킬이고, R2는 탄소수 1 내지 6의 알킬이며, X는 할로겐족 원소이다.
한편, 상기 제2중간체 합성단계는 하기의 반응식 4에 따라,
3-부테닐페로센 (3)을 백금촉매 존재하에 디메틸할로실란과 반응시켜 (4-페로세닐 )디메틸할로실란 (4)을 합성하는 제단계; 및
상기 (4-페로세닐)디메틸할로실란 (4)을 메탈 하이드라이드로 환원시켜 (4-페로세닐)디메틸실란 (5)를 합성하는 제2단계;로 구성될 수 있다:
[반응식 4]
상기 식에서, X는 할로겐족 원소이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 3-부테닐페로센 (3)의 합성
1.1. 반응식 2에 따른 경로
1.1.1. 4-클로로부타노일페로센 (6-1)의 합성
0℃를 유지하는 10L 반응기에 디클로로메탄 5L를 채운 다음 질소 기체 하에서 400g(2.2mol)의 페로센 (2)과, 320g(2.2mol)의 4-클로로부타노일 클로라이드를 투입하고 용해시켰다. 이후 잘 교반하면서 온도를 유지한 채로 AlCl3(316g, 2.4mol)을 20분 간격으로 두 번에 걸쳐 천천히 가한 다음 실온(16℃)까지 온도를 서서히 올리면서 반응시켰다.
반응 종료 후, 적하관을 이용하여 물을 소량씩 넣어 주면서 AlCl3를 천천히 분해시켰다. 반응의 종료시점은 TLC 플레이트 상에서 반응물이 없어지는 것으로 확인하였다. AlCl3가 완전하게 분해된 것을 확인하고, 추가로 3L의 물을 넣고 교반한 다음 물층을 제거하는 것을 반복하여 물층이 맑은 색이 될 때까지 세척하였다. 이후 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조 처리한 다음 디클로로메탄을 갑압증류하여 4-클로로부타노일페로센 (6-1)을 99%의 수율로 얻었다.
1H-NMR(CDCl3): δ=2.19(m, 2H), 2.94(t, J=6.91, 2H), 3.70(t, J=6.11, 2H), 4.21(d, J=4.08, 5H), 4.52(t, J=1.75, 2H), 4.81ppm(t, J=1.75, 2H)
13C-NMR(CDCl3): δ=27.3, 34.3, 37.4, 69.4, 70.0, 72.5, 78.8, 203.0ppm.
1.1.2. 4-클로로부틸페로센 (7-1)의 합성
3L 반응기에 질소를 주입하면서 디에틸에테르 1L, LiAlH4 20.2g(533mmol), AlCl3 28.4g(213mmol)를 넣고 0℃에서 교반하면서 4-클로로부타노일페로센(6-1), 62g(213mmol)을 절건된 500ml에 녹인 용액을 천천히 적가하였다. 4-클로로부타노일페로센 (6-1)을 모두 적가하고 나서 천천히 반응기의 온도를 상온(16℃)까지 올리면서 1시간 동안 추가로 교반하여 반응을 완료시켰다.
TLC로 반응종료를 확인하고 다시 온도를 0℃로 낮춘 다음, 적하관을 이용해 물을 소량씩 천천히 가하여 미반응 LiAlH4를 분해시켰다. 반응 혼합물을 물로 수차례 세척한 다음 남은 유기층을 MgSO4로 건조하고, 디에틸에테르를 감압증류 방법으로 제거하여 4-클로로부틸페로센 (7-1), 58g(98% 수율)을 얻었다.
1H-NMR(CDCl3): δ=1.61(m, 2H), 1.75(m, 2H), 2.30(t, J=7.57, 2H), 3.49(t, J=3.45, 2H), 4.02(s, 4H), 4.07ppm(s, 5H)
13C-NMR(CDCl3):δ=28.4, 28.9, 32.5, 45.1, 67.4, 68.2, 68.7, 88.7ppm
1.1.3. 3-부테닐페로센 (3)의 합성
3L 용량의 반응기에 4-클로로부틸페로센 (7-1) 276g(1.0mol)을 넣고, 1L의 절건된 THF에 용해시킨 다음, 파우더 상의 t-부톡사이드(t-BuO-K+) 224g(2.0mol)을 투입하였다. 상기 반응 혼합물을 12시간 동안 환류시킨 다음 온도를 낮추고, 용매(THF)를 갑압증류한 다음 물과 헥산을 각각 1L씩 투입하여 교반하였다. 어어 헥산층을 분리한 다음 각각 1L씩의 물로 여러 번 세척하고, MgSO4로 건조한 다음 헥산을 감압증류하여 150g(0.82mol, 수율 82%)의 3-부테닐페로센 (3)을 수득하였다.
1H-NMR (CDCl3): δ=2.27(m, 2H), 2.42(t, 2H), 4.0~4.2(m, 9H), 4.9~5.9ppm(m, 3H)
1.2. 반응식 3에 따른 경로
1.2.1. (페로세닐메틸)디메틸 아민 (8-1)의 합성
3L 용량의 반응기에 비스-(디메틸아미노)메탄(bis-(dimethylamino)methane), 102g(1.0mol), 포르말린(포름알데히드 30wt% 수용액) 100g(포름알데히드 기준 1.0mol)을 빙초산과 혼합한 다음, 서서히 가열하여 빙초산이 완전히 녹은 것을 확인하고, 페로센(2) 372g(2.0mol)을 주입하였다. 이후 130℃에서 5시간 가열하였다.
반응기의 온도를 낮추어 반응을 종료시킨 다음, 100℃에서 감압증류하여 아세트산을 제거하고, 물 1L를 가한 다음 미반응 페로센을 여과하여 제거였다. 이후 여액을 약 500ml의 에틸아세테이트로 4회 추출한 다음, 에틸아세테이트를 감압증류하고 제거하고, 남은 잔사를 2.5mmHg 압력에서 분별증류하여 124 ~ 128℃의 온도범위에서 248g(1.02mol, 51% 수율)의 화합물 8-1을 수득하였다.
1H-NMR (CDCl3): δ=2.3(s, 6H), 3.6(s, 2H), 4.0~4.2(m, 9H)
1.2.2. (페로세닐메틸)부틸메틸틸암모늄 염 (9-1)의 합성
243g(1mol)의 화합물 8-1을 1L의 테트라하이드로퓨란(THF) 용매에 녹인 다음 요드화부탄(CH3(CH2)2CH2-I) 202g(1.1mol)을 가하고, 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 2시간 동안 생성된 염을 가라앉힌 다음 THF와 요드화부탄의 용액을 가만히 따라 버리고, 남은 염을 다시 순수한 THF로 세척한 다음 남은 잔사에서 용매를 증류하여 (페로세닐메틸)부틸디메틸틸암모늄 염 (9-1)을 수득하였다.
1H-NMR (CDCl3): δ=0.96(t, 3H), 1.2~1.5(m, 4H), 2.3(s, 6H), 2.5(t, 2H), 3.6(s, 2H), 4.0~4.2(m, 9H)
1.2.3. 3-부테닐페로센 (3)의 합성
위 반응에서 얻은 (페로세닐메틸)부틸디메틸틸암모늄 염 (9-1)을 정제하지 않은 채로 알릴 마그네슘 클로라이드(allyl magnesium chloride, CH2=CH-CH2MgCl)와 반응시켰다. 알릴 마그네슘 클로라이드는 76.5g(1mol)의 알릴 클로라이드와 60.8g(2.5mol)의 마그네슘 분말을 500mL의 절건된 THF 용매에서 반응시켜 수득한 것을 사용하였다. 화합물 9-1 염과 알릴 마그네슘 클로라이드의 반응은 70℃에서 8시간 동안 환류시키는 조건에서 수행되었다.
반응기의 온도를 상온으로 낮춘 후 1N HCl 수용액 2.7L를 서서히 가하여 반응을 종료시키고 다시 헥산 1.5L로 추출한 다음, 헥산층을 다시 1L의 증류수로 3회 세척을 하고, MgSO4로 건조한 다음, 100℃에서 감압농축을 하여 168g의 3-부테닐페로센 (3)을 얻었다 (화학식 8-1로부터 두 단계 반응의 수율 70%).
2. 클로로(4-페로세닐부틸)디메틸실란 (4-1)을 합성
먼저, 3L 용량의 반응기에서 104g(1.1mol)의 디메틸실릴 클로라이드 ((CH3)2SiClH)와 H2PtCl6 0.2g(0.4mmol)을 가하고 약 30분간 교반한 후 약 1L의 헥산을 가하여 묽혔다. 다음으로, 34 ~ 40℃ 온도에서 상기 반응 혼합물에 3-부테닐페로센 (3)을 4시간에 걸쳐 천천히 주입하고, 주입이 끝난 후 30분에 걸쳐 상온까지 서서히 냉각시켰다.
마지막으로, 상압증류로 헥산과 미반응의 디메틸실릴 클로라이드를 제거한 후, 농축물을 별도의 분리 없이 다음 반응에 그대로 사용하였다.
3. (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)의 합성
먼저, 건조된 THF, 500ml에 LiAlH4 38g(1.0mol)을 투입하여 잘 혼련한 다음, 여기에, 전 반응에서 얻어진 반응 농축물에 건조된 THF 약 500ml을 가한 희석용액을 2시간 동안 천천히, 질소분위기 하에서 적하하였다. 이때, 반응기의 온도는 0℃를 유지하였다.
핵산과 물 각각 2L 씩을 반응기에 투입하여 반응을 종료시키고, 헥산층을 분리하여 MgSO4로 건조한 후 상압증류로 헥산을 제거하고 남은 잔사를, 2mmHg의 압력에서 분별증류하여, 160~162℃의 분획에서 285g의 (4-페로세닐부틸)디메틸실란 (5)를 분리하였다 (화합물 (3)으로부터의 수율 95%).
1 H-NMR (CDCl3): δ=0.08(s, 6H), 0.88(t, 2H), 1.48(m, 2H), 1.84(m, 2H), 2.35(t, 2H), 4.02(s, 4H), 4.07ppm(s, 5H).
IR: ν=2150cm-1(strong, Si-H)
4. 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 합성
히드록시 말단을 갖는 폴리부타디엔(hydroxy terminated polybutadiene, HTPB) 500g과 화합물 5, 450g(1.5mol)을 약 1L의 헥산에 녹인 후, 약 5ml의 에틸아세테이트에 1.0g의 H2PtCl6(2mmol)을 용해시킨 촉매 희석용액을 가한 다음, 72시간 동안 상온의 암소에서 교반하였다. 반응혼합물의 IR 스펙트럼상에서 보이는 2150cm-1의 강한 피크가 완전히 사라지는 것으로 반응의 종료를 확인하였다.
아세톤 3.5L를 반응기에 약 30분간에 걸쳐 적가하면서 반응을 종료시킨 후, 15시간 방치한 다음 아세톤/핵산 용매를 조용히 따라 내었다. 다시 반응기에 아세톤 1L를 가하고 교반한 다음 24시간을 방치하여 다시 아세톤만을 조용히 따라 내고, 이 작업을 2회 더 반복하였다.
최종적으로, 아세톤을 따라낸 후 남은 잔사를 감압농축하여, 포집된 아세톤을 제거하고, 최종적으로 780g의 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)를 얻었다 (87% 수율).
도 1은 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 600MHz NMR 스펙트럼이다. 도 1에서, δ= 1.2~1.6, 1.9~2.1, 4.9~5.7ppm 사이의 시그널들은 HTPB 프레임의 수소들로부터 기원한 것들이며, δ=0.0ppm 이하의 영역과 2.3~2.4, 4.0~4.2ppm의 시그널들은 (4-페로세닐부틸)실란 프레임의 수소들로부터 기원한 것들이다. 도 1의 NMR 스펙트럼으로부터 본 반응에서 실릴페로센-HTPB 결합체가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있다. 원소분석결과, 합성된 실릴페로센-HTPB 결합체의 Fe함량은 8.3wt%이었다.
Claims (4)
- 제1항에 있어서, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 2에 따라
페로센 (2)을 4-할로부타노일할라이드와 루이스산 조건에서 반응시켜 4-할로부타노일페로센 (6)을 합성하는 제1단계;
상기 4-할로부타노일페로센 (6)을 LiAlH4와 루이스산 조건에서 반응시켜 화학식 7로 표시되는 4-할로부틸페로센을 (7)을 합성하는 제2단계; 및
상기 4-할로부틸페로센을 (7)을 강염기와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성된 것을 특징으로 하는
상기 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 제조방법:
[반응식 2]
상기 식에서, X는 할로겐족 원소이다. - 제1항에 있어서, 상기 제1중간체의 합성단계는 하기의 반응식 3에 따라,
페로센 (3)을 화합물을 비스-(디알킬아미노)메탄 및 포름알데히드와 반응시켜 디알킬(페로세닐메틸)아민 (8)을 합성하는 제1단계;
상기 (페로세닐메틸)디알킬아민 (8)과 알킬할라이드를 반응시켜 화학식 9로 표시되는 (페로세닐메틸)트리알킬암모늄 염 (9)을 합성하는 제2단계; 및
상기 트리알킬(페로세닐메틸)암모늄 염 (9)을 알릴마그네슘할라이드와 반응시켜 3-부테닐페로센 (3)을 합성하는 제3단계;로 구성된 것을 특징으로 하는
상기 실릴페로센-HTPB 결합체 (1)의 제조방법:
[반응식 3]
상기 식에서, R1은 탄소수 1 내지 3의 포화 알킬이고, R2는 탄소수 1 내지 6의 알킬이며, X는 할로겐족 원소이다.
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