KR20140076304A - A process for preparing 1,5-pentanediol and δ-valerolactone from tetrahydrofurfuryl alcohol - Google Patents

A process for preparing 1,5-pentanediol and δ-valerolactone from tetrahydrofurfuryl alcohol Download PDF

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Abstract

The present invention provides a method to manufacture 1,5-pentanediol under mild reaction conditions using a copper nanocomposite oxide catalyst without chromium or to manufacture δ-valerolactone by directly making tetrahydrofurfuryl alcohol react not via 1,5-pentanediol under the same catalyst, and a catalyst being used therefor.

Description

테트라하이드로퍼푸릴알콜로부터의 1,5-펜탄디올과 δ-발레르락톤의 제조방법 {A PROCESS FOR PREPARING 1,5-PENTANEDIOL AND δ-VALEROLACTONE FROM TETRAHYDROFURFURYL ALCOHOL}[0001] The present invention relates to a process for the preparation of 1,5-pentanediol and < RTI ID = 0.0 > 8-valerolactone < / RTI > from tetrahydroperfuryl alcohol,

본 발명은 바이오유래 원료인 테트라하이드로퍼푸릴 알콜(Tetrahydrofurfuryl alcohol, 이하 THFA로 지칭함)로부터 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 직접 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크롬을 함유하지 않은 구리 나노복합체 산화물촉매를 이용하여 온화한 반응 조건하에서 1,5-펜탄디올을 제조하거나, 또는 δ-발레르락톤의 제조를 위해 동일 촉매하에서 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고, 테트라하이드로퍼푸릴 알콜을 직접 반응시켜 δ-발레르락톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for directly producing 1,5-pentanediol and? -Valerolactone from a bio-derived feedstock, tetrahydrofurfuryl alcohol (hereinafter referred to as THFA), and more particularly to a process for producing 1,5- Pentanediol under gentle reaction conditions using a copper nanocomposite oxide catalyst, or without using 1,5-pentanediol under the same catalyst for the preparation of < RTI ID = 0.0 > 8-valerolactone, Valerolactone by direct reaction with an alcohol.

디올은 고분자 합성의 중간체로써 폴리에스테르, 폴리우레탄, 코팅제, 접착제 및 섬유 등에 사용되는 중요한 원료물질이며, 다양한 화학 산업에 있어서 수요가 많은 물질이다. 또한, 디올은 락톤을 제조하기 위한 원료물질로 사용된다. 락톤은 지방족 폴리에스테르계 생분해성 고분자인 폴리락톤의 단량체로 특히 환경산업으로부터 많은 관심을 받고 있다. 생분해성 고분자는 박테리아, 곰팡이, 녹조류 등과 같은 자연에 존재하는 미생물의 활동에 의해 분해가 가능한 고분자로서 주목받고 있다. 이와 더불어, 락톤 유도체 화합물을 이용한 다양한 화학 반응을 통해 유도체를 합성할 수 있고, 락톤으로부터 유도된 화합물은 의약, 합성섬유, 감광성 수지, 필름 등 다양분야에 사용되는 물질이다. 특히, 락톤으로부터 합성되는 탄소수가 4 ~ 6인 락톤화합물은 나일론의 원료가 되며, δ-발레르락톤으로부터 제조되는 δ-발레르락탐은 5-나일론의 단량체이다.Diols are intermediates for the synthesis of polymers and are important raw materials for use in polyester, polyurethane, coatings, adhesives and fibers, and are in high demand in various chemical industries. Diols are also used as raw materials for producing lactones. Lactone is a monomer of polylactone which is an aliphatic polyester-based biodegradable polymer, and is attracting much attention from the environmental industry in particular. Biodegradable polymers are attracting attention as polymers capable of decomposing by the action of microorganisms existing in nature such as bacteria, fungi, and green algae. In addition, derivatives can be synthesized through various chemical reactions using lactone derivative compounds, and compounds derived from lactones are used in various fields such as medicines, synthetic fibers, photosensitive resins, and films. In particular, the lactone compound having 4 to 6 carbon atoms synthesized from lactone serves as a raw material for nylon, and the δ-valerolactam produced from δ-valerolactone is a monomer of 5-nylon.

석유화학 공정에서 일반적 디올 화합물을 제조하는 일반적인 방법은 디카르복실산을 메탄올, 에탄올, 부탄올 등 탄소수가 1 내지 8개로 구성된 알코올류로 에스테르화하고 얻어진 에스테르화물을 구리 함유 촉매 또는 귀금속을 포함하는 촉매를 이용한 수소화 반응을 통해 디올 화합물을 제조한다.A common method for preparing general diol compounds in petrochemical processes is to esterify dicarboxylic acid with alcohols having 1 to 8 carbon atoms, such as methanol, ethanol, butanol, and to obtain the obtained esterified product with a catalyst containing copper or a noble metal To prepare a diol compound.

바이오 원료로부터 수급이 용이한 THFA를 이용하여 1,5-펜탄디올을 제조하는 방법으로 구리-크로마이트계 촉매를 사용하여 1,5-펜탄디올을 제조하는 방법이 하기 선행기술 문헌에 발표되었다.A method for producing 1,5-pentanediol using a copper-chromite catalyst by a method for producing 1,5-pentanediol using THFA which is easily supplied and received from a bio raw material is disclosed in the following prior art documents.

논문 "1,5-PENTANEDIOL"; Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p.693 (1955); Vol. 26, p.83 (1946) 에서는 THFA(tetrahydrofurfuryl alcohol)을 반응물로 사용하고, 반응온도가 250 ℃, 수소압력 3200 psi를 상외하는 조건하에서 1,5-펜탄디올을 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 미국등록특허 제2,768,978호에서는 THFA(tetrahydrofurfuryl alcohol)을 온도 250 ℃, 수소압력 4200 psi를 상외하는 조건의 고정층 액상반응기에 장착된 구리-크로마이트 촉매계에 수소와 함께 공급시킴으로써 연속적으로 1,5-펜탄디올을 제조하는 방법을 개시하고 있다.Paper "1,5-PENTANEDIOL"; Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p.693 (1955); Vol. 26, p. 83 (1946) discloses a method for producing 1,5-pentanediol under the condition that THFA (tetrahydrofurfuryl alcohol) is used as a reactant and the reaction temperature is 250 ° C and the hydrogen pressure is higher than 3200 psi. In US 2,768,978, tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA) is fed continuously with hydrogen to a copper-chromite catalyst system mounted in a fixed-bed liquid-phase reactor at a temperature of 250 ° C and a hydrogen pressure of 4200 psi, Diol. ≪ / RTI >

또한, "Preparation of Dihydropyran, δ-Hydroxyvaleraldehyde and 1,5-Pentanediol from Tetrahydrofurfuryl Alcohol"; J. Am. Chem. Soc. 68(8), 1646-1648 에서 THFA(tetrahydrofurfuryl alcohol)을 반응물을 300 ~ 350 ℃에서 디히드로피란을 생성하고, 산촉매 하에서 반응시켜 δ-히드록시발레르알데히드를 생성하고, 이를 구리-크로마이트 촉매 하에 반응시켜 1,5-펜탄디올을 2 단계의 공정을 통해 제조하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 상기 언급된 선행기술에서 사용하는 구리-크로마이트 촉매는 중금속 물질인 크롬(Cr)을 함유한다. 촉매 제조 시 또는 폐촉매의 처리 시 사용된 크롬(Cr)을 처리하는 문제가 있고, 크롬(Cr)은 전이금속 중 고가의 금속에 속하므로 촉매 제조비용이 많이 소요된다. 또한, 구리-크로마이트 촉매를 사용할 시 상기 언급한 바와 같이 매우 높은 수소압력을 필요로 하기 때문에 공정 안정성을 유지하기 위해서는 설비 투자비 및 공정 운전비용이 많이 소요된다. THFA를 반응물로 하여 1,5-펜탄디올을 제조하는 방법에 사용되는 귀금속 촉매로 Rh-MOx/SiO2 [M=Mo, Re, W, Ag, Cr, Mn, V, Zr]가 일본공개특허 제2009-046417호에 개시되어 있고, Rh-MOx/SiO2 [M=Mo, Re, W]가 "Selective Hydrogenolysis of Polyols and Cyclic Ethers over Bifunctional Surface Sites on Rh-Re Catalysts"; J. Am. Chem. Soc. 133(32), 12675 ~ 12689 에 개시되어 있다. 최근에는 값이 상대적으로 비싼 로듐을 대체할 수 있는 귀금속 촉매로 Ir-MOx/Support [M=Re, Mo, V이고, Support=Al2O3, SiO2, Carbon] 촉매가 일본공개특허 제2012-098070호와 "CO bond hydrogenolysis of cyclic ethers with OH groups over rhenium-modified supported iridium catalysts"; Journal of Catalysis 294 (2012) 171-183에 개시되어 있다. 상기 선행기술들은 높은 선택도로 1,5-펜탄디올을 제조하지만, 촉매에 포함된 귀금속 물질은 고가이므로 상업화에 있어서 많은 비용을 초래한다. 또한, 상기 기술들의 실시태양에서 회분식 반응을 통해 1,5-펜탄디올을 제조하는데 그치고 있고, 촉매의 비활성화에 대한 설명이 없다."Preparation of Dihydropyran, δ-Hydroxyvaleraldehyde and 1,5-Pentanediol from Tetrahydrofurfuryl Alcohol"; J. Am. Chem. Soc. Tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA) at 68 (8), 1646-1648 to produce dihydropyran at 300 to 350 ° C. and react under an acid catalyst to produce δ-hydroxyvaleric aldehyde, which is reacted under a copper- To give 1,5-pentanediol in a two-step process. However, the copper-chromite catalyst used in the above-mentioned prior art contains chromium (Cr) which is a heavy metal substance. There is a problem in that chromium (Cr) used in the production of the catalyst or in the treatment of the spent catalyst is treated, and since the chromium (Cr) belongs to the expensive metal among the transition metals, In addition, when a copper-chromite catalyst is used, as mentioned above, a very high hydrogen pressure is required. Therefore, in order to maintain process stability, a capital investment cost and a process operation cost are required. As the noble metal catalyst used in the method for producing 1,5-pentanediol using THFA as a reactant, Rh-MOx / SiO 2 [M = Mo, Re, W , Ag, Cr, Mn, V, Zr] is and is disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-046417 arc, Rh-MOx / SiO 2 [M = Mo, Re, W] is "Selective Hydrogenolysis of Polyols and Cyclic Ethers over Bifunctional Surface Sites on Rh-Re Catalysts"; J. Am. Chem. Soc. 133 (32), 12675-12689. In recent years, Ir-MOx / Support [M = Re, Mo, V, Support = Al 2 O 3 , SiO 2 , Carbon] catalyst has been proposed as a noble metal catalyst capable of replacing rhodium, -098070 and "CO bond hydrogenolysis of cyclic ethers with OH groups over rhenium-modified supported iridium catalysts "; Journal of Catalysis 294 (2012) 171-183. The above prior arts produce 1,5-pentanediol at a high selectivity, but the noble metal material contained in the catalyst is expensive, resulting in high costs in commercialization. In addition, in the embodiments of the above techniques, only 1,5-pentanediol is produced through a batch reaction and there is no description of deactivation of the catalyst.

한편, 락톤을 생성하기 위한 일반적인 방법은 디올화합물을 촉매 하에서 탈수소화 반응을 통해 제조하는 방법이다. "A catalytic method for synthesis of γ-butyrolactone, ε-caprolactone and 2-cumaranone in the presence of Preyssler's anion, [NaP5W30O110]14-, as a green and reusable catalyst"; J. Mol. Catal. A. Chem. 252 (2006) 90-95 에서는 친환경적이고 재사용이 가능한 Preyssler 촉매를 사용하는 경우 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올 및 1,2-벤젠 디메탄올을 각각 γ-부티로락톤, ε-카프로락톤 및 2-쿠마라논으로 높은 수율로 락톤화할 수 있다는 연구결과를 개시하고 있지만, 상기 촉매 하에서 대량으로 락톤화합물을 제조하는데 한계가 있으며, 촉매의 특성상 제조가 어렵고 가격이 비싸다. On the other hand, a general method for producing lactone is a method of producing a diol compound through a dehydrogenation reaction under a catalyst. "A catalytic method for synthesis of γ-butyrolactone, ε-caprolactone and 2-cumaranone in the presence of Preyssler's anion, [NaP 5 W 30 O 110 ] 14- , as a green and reusable catalyst"; J. Mol. Catal. A. Chem. 252 (2006) 90-95 suggests that 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol and 1,2-benzenedimethanol are used as γ-butyrolactone, ε-capro Lactone and 2-coumaranone in a high yield. However, it is difficult to produce a large amount of a lactone compound under the above catalyst, and it is difficult to manufacture due to the characteristics of the catalyst and the cost is high.

미국공개특허 제2011-0237806호에서는 a) 비활성 기체 스트림 하에 1,5-펜탄디올을 증발시키는 단계, b) 산화 촉매 등으로부터의 2 개 이상의 상이한 구리계 촉매를 포함하는 촉매층에 1,5-펜탄디올을 포함하는 비활성 기체 스트림을 통과시키는 단계 및 c) 상기 단계 b) 로부터 수득되는 기체 혼합물의 반응 생성물을 축합하는 단계를 포함하는 δ-발레르락톤의 제조방법을 개시하고 있다. 하지만, 상기 방법은 두 가지의 촉매를 동시에 사용해야 하는 문제점을 가지고 있다. U.S. Published Patent Application No. 2011-0237806 discloses a process comprising the steps of: a) evaporating 1,5-pentanediol under an inert gas stream, b) contacting a catalyst layer comprising two or more different copper- Passing an inert gas stream comprising a diol, and c) condensing the reaction product of the gas mixture obtained from said step b). However, this method has a problem in that two catalysts must be used simultaneously.

상기 선행기술에서 언급한 바와 같이 일반적으로 락톤을 제조하기 위해서 디올을 반응 원료로 사용해야 한다. 하지만, 디올 물질은 그 활용범위가 다양하고 가격적으로 고가이기 때문에 락톤을 제조하기 위해 원료로 직접 사용하기에는 상업적인 이용 또는 가격 측면에서 불리한 점이 있다.
As mentioned in the above-mentioned prior art, in general, a diol should be used as a reaction raw material in order to produce a lactone. However, since the diol substance is widely used and expensive, there is a disadvantage in terms of commercial use or price in direct use as a raw material for producing lactone.

본 발명자는 상술한 디올 또는 락톤을 제조하기 위한 종래기술의 문제점을 해결하고자 연구를 거듭하였다. 그 결과 본 발명자들은 바이오유래 원료인 THFA를 이용하여 온화한 조건하에서 1,5-펜탄디올을 제조할 수 있으며, 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고 직접 THFA를 이용하여 δ-발레르락톤을 제조할 수 있는 종래 알려지지 않은 δ-발레르락톤의 새로운 제조 방법을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors have repeatedly studied to solve the problems of the prior art for preparing the above-mentioned diol or lactone. As a result, the present inventors have found that 1,5-pentanediol can be produced under mild conditions using THFA, which is a bio-derived raw material, and δ-valerolactone can be prepared directly using THFA without passing through 1,5-pentanediol Valerolactone, which has not been previously known, which can be used as a starting material, to complete the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 크롬을 함유하지 않은 구리 나노복합체 산화물촉매를 이용하여 온화한 반응 조건하에서 1,5-펜탄디올을 제조하거나, 또는 동일한 촉매 하에 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고 테트라하이드로퍼푸릴 알콜을 직접 반응시켜 δ-발레르락톤을 제조하는 방법 및 이에 사용되는 촉매를 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a process for producing 1,5-pentanediol under mild reaction conditions using a chromium-free copper nanocomposite oxide catalyst, or a process for producing 1,5-pentanediol under the same catalyst, Valerolactone by directly reacting ropur furyl alcohol and a catalyst used therefor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 촉매의 존재하에, THFA 함유 공급물질로부터 수소화 개환반응에 의해 1,5-펜탄디올을 제조하고, THFA 함유 공급물질로부터 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고 직접 δ-발레르락톤을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a process for producing 1,5-pentanediol from a THFA-containing feed material by the hydrogenation ring-opening reaction in the presence of a catalyst represented by the following formula 1 or 2, , A process for producing [delta] -valerolactone directly without passing through 5-pentanediol.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CuO(a)SiO2(d) CuO (a) SiO 2 (d )

상기 식에서 (a) 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 % 및 10 ~ 50 % 범위임.Wherein (a) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90% and from 10 to 50%, respectively.

[화학식 2](2)

CuO(a)M1(b)M2(c)SiO2(d)CuO (a) M 1 (b) M 2 (c) SiO 2 (d)

상기 식에서,In this formula,

M1은 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;M1 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mn, Ag and Ru;

M2는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se) 으로 이루지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;M2 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), tellurium (Te) and selenium (Se);

(a), (b), (c), 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 %, 0 ~ 15 %, 0 ~ 5% 및 5 ~ 40% 범위임.
(a), (b), (c) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90%, 0 to 15%, 0 to 5% and 5 to 40%, respectively.

본 발명은 바이오유래 원료인 THFA를 이용하여 온화한 조건하에서 1,5-펜탄디올을 제조할 수 있으며, 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고 직접 THFA를 이용하여 δ-발레르락톤을 제조하는 새로운 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따라, 기존의 δ-발레르락톤 제조 공정에서 필요한 1,5-펜탄디올을 경유하는 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 생성된 δ-발레르락톤을 수소화 개환반응을 통해 1,5-펜탄디올의 제조가 가능하고, 또는 필요시 1,5-펜탄디올로부터 탈수소화 반응에 의해 δ-발레르락톤을 제조할 수 있음으로 시장의 요구 및 상황 변화에 효과적으로 대처할 수 있다. 또한, 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 촉매의 구성 성분에 크롬(Cr)을 함유하지 않은 점에서 친환경적이고 경제적인 촉매 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 발명에 의해 THFA로부터 직접 δ-발레르락톤을 제조함으로써 δ-발레르락톤 제조를 위해 원료 물질로 투입되는 고가의 1,5-펜탄디올을 가격적으로 더 유리한 THFA로 대체함으로써 생산 제품의 가격 경쟁력에 있어서 우위를 점할 수 있고, 바이오 유래 원료를 사용하여 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 제조하기 때문에 친환경적인 공정으로 인식될 수 있다. 본 발명에 따른 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤의 제조 방법은 공정에 투입되는 시설비용, 운전비용, 원료비용, 환경 비용을 절감함으로써 상업적 생산 적용에 있어 우수하다는 장점을 갖는다.
The present invention relates to a novel production process for producing 1,5-pentanediol by using THFA as a bio-derived raw material under mild conditions and for producing δ-valerolactone directly using THFA without passing through 1,5-pentanediol ≪ / RTI > According to the present invention, it is possible to simplify the process via 1,5-pentanediol required in the existing δ-valerolactone production process. In addition, 1,5-pentanediol can be prepared through the hydrogenation ring-opening reaction of the resulting δ-valerolactone or, if necessary, δ-valerolactone can be prepared from 1,5-pentanediol by dehydrogenation reaction It can cope effectively with market demand and situation change. In addition, since Cr is not contained in the components of the catalyst represented by Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2, it is possible to provide an environmentally-friendly and economical catalyst production method. Further, by replacing the expensive 1,5-pentanediol charged as a raw material for producing δ-valerolactone with THFA, which is more advantageous in price, by producing δ-valerolactone directly from THFA by the present invention, , And 1,5-pentanediol and? -Valerolactone are produced using a bio-derived raw material, so that it can be recognized as an environment-friendly process. The method for preparing 1,5-pentanediol and δ-valerolactone according to the present invention has an advantage that it is excellent in commercial production application by reducing facility cost, operation cost, raw material cost and environmental cost to be inputted into the process.

이하, 본 발명을 자세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 바이오메스의 헤미셀룰로스(hemicelluloses)에서 용이하게 얻을 수 있는 퍼퓨랄(Furfural)의 수소화에 의해 얻어진 테트라히드로퍼퓨릴알코올((Tetrahydrofurfuryl alcohol, 이하 THFA)을 이용하여 1,5-펜탄디올을 제조함에 있어서, 종래의 구리-크로마이트 촉매의 문제점을 개선하기 위해서 온화한 반응 조건하에서도 하기 반응식 1의 반응경로 (a)에 나타난 바와 같이 THFA로부터 1,5-펜탄디올을 제조할 수 있고, 또한 하기 반응식 1의 반응경로 (b)에 나타난 바와 같이 1,5-펜탄디올을 경유하지 않고 THFA로부터 δ-발레르락톤을 직접 제조할 수 있는 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤 제조방법 및 이에 사용되는 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a process for the preparation of 1,5-pentanediol using Tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA) obtained by hydrogenation of furfural which can be easily obtained from hemicellulose hemicelluloses In order to improve the problems of conventional copper-chromite catalysts, 1,5-pentanediol can be prepared from THFA as shown in the reaction path (a) of Scheme 1 below under mild reaction conditions, Pentanediol and 隆 -valerolactone, which can directly produce 隆 -valerolactone from THFA without passing through 1,5-pentanediol as shown in the reaction path (b) of Scheme 1 below, and To the catalyst used.

또한, 본 발명에 따라 동일한 촉매하에 하기 반응식 1의 반응경로 (c)에 나타난 바와 같이 생성된 δ-발레르락톤을 수소화 개환반응을 통해 1,5-펜탄디올 제조가 가능하고, 또는 필요시 1,5-펜탄디올로부터 탈수소화 반응에 의해 δ-발레르락톤을 제조할 수 있다.According to the present invention, it is also possible to prepare 1,5-pentanediol by the hydrogenation ring-opening reaction of δ-valerolactone produced as shown in the reaction path (c) of the following reaction scheme 1 under the same catalyst,隆 -valerolactone can be prepared from 5-pentanediol by dehydrogenation reaction.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에 따라 THFA로부터 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 제조하는 방법에서 사용되는 촉매는 하기 화학식 1로 표시된다.The catalyst used in the process for preparing 1,5-pentanediol and 隆 -valerolactone from THFA according to the present invention is represented by the following formula (1).

[화학식1][Chemical Formula 1]

CuO(a)SiO2(d) CuO (a) SiO 2 (d )

상기 식에서 (a) 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 % 및 10 ~ 50 % 범위임.Wherein (a) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90% and from 10 to 50%, respectively.

본 발명에 따른 THFA로부터 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 제조하는 반응에서 구리와 실리카 성분을 함유하는 상기 조성범위의 CuO-SiO2 촉매로도 THFA의 수소화-탈수소화 촉매로 유용하며, 이를 사용하여 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤의 제조가 가능하다.It is also useful as a hydrogenation-dehydrogenation catalyst of THFA in the composition range of CuO-SiO 2 catalysts containing copper and silica components in the reaction for preparing 1,5-pentanediol and 隆 -valerolactone from THFA according to the invention , It is possible to prepare 1,5-pentanediol and? -Valerolactone.

본 발명에서는 바람직하게는 촉매 성능을 개선하여 반응의 선택도 및 안정성을 확보하기 위한 목적으로 상기 촉매를 개량하여 하기 화학식 2로 표시되는 촉매를 사용한다.In the present invention, a catalyst represented by the following formula (2) is preferably used to improve the catalytic performance and to improve the selectivity and stability of the reaction.

[화학식 2](2)

CuO(a)M1(b)M2(c)SiO2(d)CuO (a) M 1 (b) M 2 (c) SiO 2 (d)

상기 식에서,In this formula,

M1은 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;M1 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mn, Ag and Ru;

M2는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se) 으로 이루지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;M2 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), tellurium (Te) and selenium (Se);

(a), (b), (c), 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 %, 0 ~ 15 %, 0 ~ 5% 및 5 ~ 40% 범위임.(a), (b), (c) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90%, 0 to 15%, 0 to 5% and 5 to 40%, respectively.

상기 화학식 2로 표시되는 촉매와 같이 추가 촉매 활성 성분으로서 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물(화학식 1에서 M1)을 사용하고, 또한 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 텔루륨(Te) 및 셀레륨(Se)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물(화학식 1에서 M2)을 사용하여 개량하는 경우, THFA로부터 δ-발레르락톤을 직접 제조하는 경우 우수한 선택성이 나타내며, 촉매의 내구성을 향상시킴으로써 장기 반응 활성에 있어서 유리한 점이 확인되었다.A catalyst selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), manganese (Mn), silver (Ag) and ruthenium (Ru) At least one metal selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), tellurium (Te) and selenium (Se) (M2 in the formula (1)), excellent selectivity is exhibited when the δ-valerolactone is directly produced from THFA, and the advantage of the long-term reaction activity is confirmed by improving the durability of the catalyst.

이 경우, 상기 화학식 2로 표시되는 촉매에서 M1 성분은 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서 0 ~ 15 %, 바람직하게는 1 ~ 12 % 의 범위 내에서 첨가하여 개량하는 것이 효과적이다. 이보다 적은 경우 개량효과가 작고, 많을 경우 촉매활성이 오히려 떨어질 수 있다. 상기 화학식 2로 표시되는 촉매에서 M2 성분은 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서 0 ~ 5 %, 바람직하게는 0.05 ~ 3 % 의 범위 내에서 첨가하여 개량하는 것이 효과적이다. 이보다 적을 경우 개량효과가 작고, 많을 경우 촉매활성이 낮아질 수 있다.In this case, it is effective to improve the M1 component in the catalyst represented by the above formula (2) by adding the catalyst in a range of 0 to 15%, preferably 1 to 12%, as a percentage based on the weight of the catalyst. If the amount is less than this, the effect of improvement is small, and if it is large, the activity of the catalyst may be lowered. In the catalyst represented by Formula 2, it is effective to improve the M2 component by adding the catalyst in a range of 0 to 5%, preferably 0.05 to 3%, as a percentage based on the weight of the catalyst. If the amount is smaller, the effect of modifying is small, and if it is large, the activity of the catalyst may be lowered.

이론에 구애받는 것은 아니나, 상술한 M1, M2 성분의 개량효과에 대해서는 상기 성분들의 첨가에 따른 촉매 특성 개선으로 부반응을 억제시켜 선택성을 높이거나, 탄소 침착속도나 구리성분의 성분 이동을 완화 또는 억제시킴으로써 성능 및 내구성을 개선시키는 것으로 판단된다. 상술한 바와 같은 조성 및 조성비 하에서 제조된 상기 화학식 2의 촉매는 높은 활성과 선택도 및 반응 안정성을 나타내었고, 이에 따라 공업용 촉매로서 활용성을 높일 수 있었다.Although not wishing to be bound by theory, the improvement effect of the M1 and M2 components described above can be attained by increasing the selectivity by suppressing the side reaction by the improvement of the catalyst characteristics by the addition of the above components, or by alleviating or suppressing the carbon deposition rate or the component movement of the copper component To improve performance and durability. The catalyst of Formula 2 prepared under the above composition and composition ratio exhibited high activity, selectivity and reaction stability, and thus it was possible to enhance the utility as an industrial catalyst.

상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 조성을 갖는 촉매에서 구리 성분은 수소화-탈수소화 반응을 견인해주는 주 활성 성분으로, 그 함량은 산화구리를 기준으로 50 ~ 90 %, 바람직하게는 60 ~ 85 % 이다. 상기 촉매에서 구리의 함량이 적을 경우 촉매의 활성이 제대로 나타나지 않아, 전환율이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있고, 구리의 함량이 너무 많을 경우 열적 안정성을 확보할 수 없음으로써 미세 구리입자들의 소결 현상을 막지 못해 부반응이 진행되거나 반응물질의 접촉 경로인 기공(pore)을 차폐하여, 비활성화가 급격히 발생할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 구리성분을 함유한 복합촉매에서 구리 산화물의 입자 크기(diameter)가 50 nm 이하, 바람직하게는 25 nm 이하의 크기를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다. In the catalyst having the composition represented by Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2, the copper component is the main active component for inducing the hydrogenation-dehydrogenation reaction, and its content is 50 to 90%, preferably 60 to 85% based on copper oxide . If the content of copper in the catalyst is small, the activity of the catalyst may not be exhibited properly and conversion rate may be lowered. If the content of copper is too high, thermal stability may not be secured, thereby preventing sintering of fine copper particles. The side reaction may proceed or the pore which is the contact path of the reaction material may be shielded, so that the deactivation may occur rapidly. In this case, in order to achieve the object of the present invention, it is preferable to produce copper oxide having a particle size of 50 nm or less, preferably 25 nm or less in a composite catalyst containing a copper component.

상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 촉매에서 실리카(SiO2)는 나노 사이즈의 구리 입자의 열 안정성을 확보하기 위한 주요 성분으로서, 나노 사이즈의 실리카 입자를 나노 사이즈의 구리입자 사이에 복합화 되도록 함으로써 열화에 의한 구리 입자 사이의 소결(sintering)을 막아주거나 억제시킬 수 있다. 이에 따라, 사용되는 실리카는 4 ~ 50 nm, 바람직하게는 25 nm 이하의 입자 크기를 가질 수 있고, 함량은 5 ~ 40 %, 바람직하게는 10 ~ 30 % 범위일 수 있다. 상기 실리카 함량이 이보다 적을 경우 효과가 작고, 많을 경우 실리카 성분에 의해 촉매 활성 성분인 구리 입자의 차폐에 의해 활성이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.The silica (SiO 2 ) in the catalyst represented by the above Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 is a main component for securing the thermal stability of the nano-sized copper particles, and the nano-sized silica particles are compounded between the nano- It is possible to prevent or suppress the sintering between the copper particles by the copper particles. Accordingly, the silica used may have a particle size of 4 to 50 nm, preferably 25 nm or less, and the content may range from 5 to 40%, preferably from 10 to 30%. If the amount of the silica is less than the above range, the effect is small, and if the amount is too large, the silica component may lower the activity due to the shielding of the copper particles as the catalytically active component.

상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 조성을 갖는 THFA의 수소화-탈수소화 반응에 유용한 촉매는, 구리성분을 함유한 복합촉매에서 촉매의 주성분인 구리 산화물의 입자 크기가 50 nm 이하로 조절되어 제조된다는 전제 하에서 어떤 방법으로도 제조 가능하나, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 다원성분의 균질성이 유지되어야 하며, 특히, 구리 입자와 실리카 입자의 균일한 복합화가 중요하므로 공침법으로 제조하는 것이 바람직하다.The catalyst useful for the hydrogenation-dehydrogenation reaction of the THFA having the composition represented by the above Chemical Formula 1 or 2 is prepared by adjusting the particle size of the copper oxide, which is the main component of the catalyst, in the complex catalyst containing the copper component to be controlled to 50 nm or less However, in order to achieve the object of the present invention, the homogeneity of the multi-component should be maintained, and in particular, it is preferable to prepare by coprecipitation because uniform homogeneity of the copper particles and silica particles is important.

본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 화학식 2 에서 구리, M1 및 실리카 성분은 각 성분이 함유된 수용액(A, B)을, 공침제로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액을 사용하여 공침시키고 수득된 슬러리를 수열 숙성시킨 후, 세정하는 과정에 의하여 제조될 수 있다. 여기에서, 구리 및 M1 성분은 질산염, 염산염 및 황산염 등의 수용성 염을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 질산염을 사용할 수 있다(수용액A). 실리카는 나트륨 또는 암모늄이온으로 안정화된 25 nm 이하의 입자 크기를 갖는 콜로이달 실리카를 사용할 수 있다(수용액B). 이때, 산화구리 결정은 막대형으로 제조되며, 입자크기나 모양 등을 조절하기 위해 형상 조절제를 사용할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the copper, M1 and silica components in the formula (2) are prepared by coprecipitating aqueous solutions (A, B) containing the respective components by using sodium hydroxide or potassium hydroxide aqueous solution as a co- Followed by hydrothermal aging, followed by washing. Herein, the copper and M1 components may be water-soluble salts such as nitrate, hydrochloride and sulfate, preferably nitrate (aqueous solution A). Silica can be colloidal silica having a particle size of 25 nm or less stabilized with sodium or ammonium ions (aqueous solution B). At this time, the copper oxide crystals are produced in the form of a rod, and a shape regulating agent can be used to control the particle size, shape and the like.

상기 화학식 2로 표시되는 촉매에서 M2 성분 화합물은 물에 용해성을 어느 정도 가지므로 공침 과정에 의해 동시에 제조되지 못하고, 세정이 끝난 구리, M1 산화물 및 실리카 성분이 함유된 슬러리에 M2 성분 수용액을 혼합한 후, 분무 건조하는 등의 방법에 의해 제조될 수 있다. 이 경우, 마그네슘, 칼슘, 바륨 등의 성분은 질산염이나 초산염을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 초산염을 사용하고, 텔루륨이나 셀루륨 성분은 암모늄염이나 산 화합물 [예: 암모늄 텔루레이트, 암모늄 셀레네이트, 텔루륨산, 아셀레늄산(selenious acid) 등]을 사용할 수 있다.In the catalyst represented by the above formula (2), the M2 component compound can not simultaneously be prepared by coprecipitation because it has some solubility in water, and the M2 component aqueous solution is mixed with the slurry containing the washed copper, M1 oxide and silica component Followed by spray drying, and the like. In this case, components such as magnesium, calcium and barium can be nitrate or acetate, preferably nitrate, and tellurium and cerium are ammonium salts or acid compounds such as ammonium tellurate, ammonium selenate, Tellurium acid, selenious acid, etc.] can be used.

건조된 촉매 분말은 통상적인 성형방법, 예를 들어 압출법, 타정법, 담지법 등에 의해 성형가능하며, 촉매 형태는 구형, 막대형, 펠렛형, 중공실린더형(hollow cylinder type) 등 어떤 모양으로도 성형할 수 있다. 이후, 성형된 촉매를 공기 분위기 하에서 300 ~ 1000℃, 바람직하게는 400 ~ 900 ℃로 소성할 수 있다.The dried catalyst powder can be formed by a conventional molding method such as an extrusion method, a pressing method, a loading method, and the catalyst form can be formed into any shape such as a spherical shape, a rod shape, a pellet shape, a hollow cylinder type Can also be molded. Thereafter, the formed catalyst can be calcined at 300 to 1000 캜, preferably 400 to 900 캜, in an air atmosphere.

상기 화학식 2 의 촉매를 상술한 방법으로 제조하는데 있어서, 본 발명의 목적을 효과적으로 달성하기 위해서는 공침제로 사용한 나트륨 또는 칼륨 성분이 촉매에 잔류되는 것을 최소화할 수 있도록 세정하는 것이 바람직하며, 촉매에 잔류하는 상기 알칼리 금속의 함량이 500 ppm 이하, 바람직하게는 200 ppm 이하가 되도록 조절할 필요가 있다. 그 이상일 경우 촉매의 내구성이 떨어질 수 있고, 전환율이 감소할 수 있으며, 반응에 있어서 부 생성물이 증가할 수 있다.In order to effectively achieve the object of the present invention in the production of the catalyst of the above formula 2 by the above-mentioned method, it is preferable to clean the catalyst so that the sodium or potassium component used as the co-precipitant remains in the catalyst to a minimum, It is necessary to adjust the content of the alkali metal to not more than 500 ppm, preferably not more than 200 ppm. If it is higher than that, the durability of the catalyst may be deteriorated, the conversion rate may be decreased, and the byproduct may increase in the reaction.

본 발명에서 사용되는 촉매의 제조방법을 화학식 2로 표시되는 촉매를 중심으로 설명하였으나, 이를 참조하여 화학식 1로 표시되는 촉매를 제조하는 방법은 당업자에게 자명한 것이다.The method of preparing the catalyst used in the present invention has been described with reference to the catalyst represented by the formula (2). However, the method of preparing the catalyst represented by the formula (1) will be apparent to those skilled in the art.

본 발명에서 사용되는 상술한 촉매를 이용하여 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 제조하는 경우 환경적 및 상업적으로 더 유리한 장점을 갖는다.The preparation of 1,5-pentanediol and < RTI ID = 0.0 > 8-valerolactone < / RTI > using the catalysts described herein has the advantage of being more environmentally and commercially advantageous.

본 발명에 따른 촉매는 수소 기체 또는 수소함유 불활성 기체의 흐름 하에서 액체 또는 기체상태의 THFA-함유 공급물을 수소화-탈수소화 반응에 의해 1,5-펜탄디올을 및 δ-발레르락톤을 제조할 수 있다. 본 발명의 목적에 부가되는 사항으로 상기 화학식 2의 조성을 갖는 촉매상에서, δ-발레르락톤을 반응물로하여 수소화 반응을 진행할 경우 고수율의 1,5-펜탄디올을 제조할 수 있으며, 반대로 1,5-펜탄디올로부터 탈수소화 반응을 통해 δ-발레르락톤의 제조도 가능함으로 부가적으로 응용될 수 있는 부분이다.The catalyst according to the invention can be prepared by hydrogenation-dehydrogenation of a liquid or gaseous THFA-containing feed under a flow of hydrogen gas or hydrogen-containing inert gas to produce 1,5-pentanediol and 隆 -valerolactone have. In addition to the object of the present invention, 1,5-pentanediol having a high yield can be prepared by carrying out a hydrogenation reaction using δ-valerolactone as a reactant on a catalyst having the composition of Formula 2, -Pentanediol can also be used additionally because it is possible to prepare? -Valerolactone through dehydrogenation reaction.

상기 반응은, 우선 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 촉매를 고정상 반응기에 충진하고, 수소 기체 또는 수소-함유 기체를 이용하여 150 ℃ 내지 300 ℃에서 1 내지 20 시간 정도 활성화시키는 공정을 수행한 후, 목적 생성물에 따라 THFA-함유, δ-발레르락톤-함유 또는 1,5-펜탄디올-함유 반응물을 반응기로 공급한다. 상기 반응물은 순수한 형태로 공급해도 되며, 필요시 용매와 혼합하여 사용가능하다. The above reaction is carried out by first charging the catalyst represented by the above formula (1) or (2) into a fixed-bed reactor and activating the catalyst at 150 to 300 ° C for about 1 to 20 hours using hydrogen gas or hydrogen- , A THFA-containing, 隆 -valerolactone-containing or 1,5-pentanediol-containing reaction is fed into the reactor depending on the desired product. The reactants may be supplied in pure form or may be mixed with a solvent if necessary.

용매는 반응온도와 압력에서 안정한 물질이 좋고, 분리가 용이한 물질이 좋다. 예를 들어, 1,3-디옥산, 1,4-디옥산, 탄소수 1~4개 사이의 알코올, 에테르 및 헤테로고리 화합물 등의 유기물 또는 물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 1,4-디옥산을 사용하는 것이 좋다. The solvent is preferably a substance which is stable at the reaction temperature and pressure, and is preferably a substance which can be easily separated. For example, organic substances such as 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, alcohols having 1 to 4 carbon atoms, ether and heterocyclic compounds, or water can be used, and 1,4- It is better to use oxalic acid.

상기 반응에서 반응물을 운반시키는 역할을 하거나, 촉매표면의 탄소침적을 방지하기 위한 목적으로 수소 또는 수소-함유기체를 사용에 있어서 크게 제한되지 않으나, 수소-함유기체의 경우 질소, 아르곤, 헬륨 등 불활성 기체에 수소가 함유된 것이 바람직하며, 가격적으로 질소에 수소가 함유된 기체를 이용하는 것이 바람직하다.In the reaction, hydrogen or a hydrogen-containing gas is used for the purpose of transporting reactants or preventing carbon deposition on the surface of the catalyst. However, in the case of a hydrogen-containing gas, inert gas such as nitrogen, argon, It is preferable that the gas contains hydrogen, and it is preferable to use a gas containing hydrogen in the amount of nitrogen.

THFA로부터 1,5-펜탄디올 또는 δ-발레르락톤을 제조하는 반응 조건을 자세히 설명하면 아래와 같다.The reaction conditions for producing 1,5-pentanediol or 隆 -valerolactone from THFA will be described in detail as follows.

[수학식1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

1) THFA로부터 1,5-펜탄디올의 제조1) Preparation of 1,5-pentanediol from THFA

반응온도는 180 ~ 300 ℃ 범위가 바람직하며, 더 바람직하게는 210 ~ 280 ℃ 범위가 바람직하다. 반응압력은 15 ~ 50 bar 범위이며, 바람직하게는 20 ~ 40 bar 범위이다. 상기 수학식 1에 따른 무게공간속도(WHSV, h-1)는 0.1 ~ 2 h-1 범위이며, 바람직하게는 0.2 ~ 1 h-1 범위이다. THFA가 함유된 반응물과 반응기로 공급되는 수소-함유 기체의 경우, H2/THFA의 몰비가 10 ~ 100 범위이며, 바람직하게는 20 ~ 70 범위에서 공급되는 것이 바람직하다.
The reaction temperature is preferably in the range of 180 to 300 ° C, more preferably 210 to 280 ° C. The reaction pressure is in the range of 15 to 50 bar, preferably in the range of 20 to 40 bar. The weighted space velocity (WHSV, h -1 ) according to Equation ( 1 ) is in the range of 0.1 to 2 h -1 , preferably in the range of 0.2 to 1 h -1 . In the case of the THFA-containing reactant and the hydrogen-containing gas fed to the reactor, the molar ratio of H 2 / THFA is preferably in the range of 10 to 100, preferably 20 to 70.

2) THFA로부터 δ-발레르락톤의 제조2) Preparation of 隆 -valerolactone from THFA

반응온도는 220 ~ 350 ℃ 범위가 바람직하며, 더 바람직하게는 250 ~ 300 ℃ 범위가 바람직하다. 반응압력은 상압 ~ 15 bar 범위이며, 바람직하게는 상압 ~ 5 bar 범위이다. 상기 수학식 1에 따른 무게공간속도(WHSV, h-1)는 0.1 ~ 2 h-1 범위이며, 바람직하게는 0.2 ~ 1 h-1 범위이다. THFA가 함유된 반응물과 함께 반응기로 공급되는 수소-함유 기체의 경우, H2/THFA의 몰비가 10 ~ 50 범위이며, 바람직하게는 15 ~ 40 범위에서 공급되는 것이 바람직하다.The reaction temperature is preferably in the range of 220 to 350 ° C, more preferably 250 to 300 ° C. The reaction pressure ranges from atmospheric pressure to 15 bar, preferably atmospheric pressure to 5 bar. The weighted space velocity (WHSV, h -1 ) according to Equation ( 1 ) is in the range of 0.1 to 2 h -1 , preferably in the range of 0.2 to 1 h -1 . In the case of the hydrogen-containing gas supplied to the reactor together with the THFA-containing reactant, the molar ratio of H 2 / THFA is preferably in the range of 10 to 50, preferably in the range of 15 to 40.

동일 촉매상에서, 1,5-펜탄디올로부터 δ-발레르락톤을 제조하거나, 또는 δ-발레르락톤에서 1,5-펜탄디올의 제조하는 방법은 통상적으로 상술한 구리계 촉매에서 수행되는 반응온도, 압력, 무게공간속도(h-1), H2/반응물의 몰비 조건에서 실시할 수 있다.The process for preparing δ-valerolactone from 1,5-pentanediol on the same catalyst or for producing 1,5-pentanediol from δ-valerolactone is usually carried out at a reaction temperature, pressure , Weight space velocity (h -1 ), and H 2 / mole ratio of reactants.

발명은 아래의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며, 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention will be more clearly understood from the following examples, which are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.

이하, 촉매의 각 구성성분의 함량은 촉매 전체 중량을 기준으로 한 중량 %를 의미함.
Hereinafter, the content of each component of the catalyst means a weight% based on the total weight of the catalyst.

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제조예Manufacturing example 1:  One: CuOCuO (80)/(80) / SiOSiO 22 (20)(20)

탈이온수 200 ml 에 질산구리 [Cu(NO3)23H2O] 24.29 g 을 녹여 용액 A 를 준비하였다. 탈이온수 80 ml 에 수산화나트륨 용액을 가해 pH 를 9.2 로 맞추고 여기에 콜로이달 실리카 Ludox AS-30 (Grace Davision 사 제품) 6.667 g 을 녹인 용액 B 를 준비하고, 탈이온수 200 ml 에 수산화나트륨 8.41 g 을 녹여 용액 C 를 준비하였다. 1 L 비커에 탈이온수 100 ml 를 가한 후, 교반시키면서 상기 용액 A, B, C 를 동시에 가하여 20 ℃ 이하에서 공침과정을 수행하였다. 이때, 용액 C 의 공급량을 조절하여 pH 를 맞추고, 공침 완료 후 슬러리액의 최종 pH 를 9.3 으로 맞추었다. 여기에 평균 분자량 1 만인 폴리비닐피롤리돈 0.5 중량% 수용액 2.08 g 을 가하고, 천천히 승온하여 85 ℃에서 6 시간 동안 수열 숙성시킨 후, 결과 용액의 pH 가 7 임을 확인하고, 수득된 슬러리액을 탈이온수로 충분히 세척하고, 여과한 뒤 침전물을 회수하였다. 상기 얻어진 침전물을 상온에서 충분히 건조하고 120 ℃에서 4시간 건조하여 수분을 제거하였다. 상기 분말을 타정하고 분쇄하여 20 ~ 40 메쉬 사이의 크기로 분리하였다.Solution A was prepared by dissolving 24.29 g of copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 3H 2 O] in 200 ml of deionized water. To 80 ml of deionized water, a sodium hydroxide solution was added to adjust the pH to 9.2, and 6.667 g of colloidal silica Ludox AS-30 (manufactured by Grace Davision) was dissolved therein. To 200 ml of deionized water was added 8.41 g of sodium hydroxide Solution C was prepared. 100 ml of deionized water was added to a 1 L beaker, and the solutions A, B and C were simultaneously added thereto while stirring, and the coacervation process was performed at 20 ° C or less. At this time, the pH was adjusted by adjusting the supply amount of solution C, and the final pH of the slurry solution after completion of coprecipitation was adjusted to 9.3. To this was added 2.08 g of a 0.5 wt% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone having an average molecular weight of 10,000, and the temperature was slowly raised. After hydrothermal aging at 85 캜 for 6 hours, the pH of the resulting solution was found to be 7, Washed thoroughly with ionized water, filtered and the precipitate was recovered. The obtained precipitate was thoroughly dried at room temperature and dried at 120 DEG C for 4 hours to remove moisture. The powder was compressed and pulverized and separated into a size of 20 to 40 mesh.

그 후, 300 ℃에서 1 차 소성하고, 공기 흐름 하에서 600 ℃로 6 시간 동안 소성하여 산화물 상태의 촉매를 얻었다.Thereafter, the mixture was firstly calcined at 300 ° C and calcined at 600 ° C for 6 hours under air flow to obtain a catalyst in an oxide state.

상기 촉매의 산화구리 입자 크기는 X-선 회절기 선폭-넓힘 방법 (XRD line broadening method) 에 의해 측정한 결과 6.5 nm 이었다. 또한, 촉매에 잔류된 나트륨 성분 함량은 원소분석 결과(ICP-MS) 43 ppm 이었다.
The copper oxide particle size of the catalyst was 6.5 nm as measured by the X-ray diffraction method (XRD line broadening method). In addition, the content of sodium component remaining in the catalyst was 43 ppm as determined by elemental analysis (ICP-MS).

제조예Manufacturing example 2:  2: CuOCuO (74.28)(74.28) CoOCoO (3.0)(3.0) ZnOZnO (0.2)(0.2) CaOCaO (0.25)(0.25) MgOMgO (0.25)(0.25) TeOTeO 22 (0.02)(0.02) SiOSiO 22 (22)(22)

탈이온수 10 L 에 질산구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 3,500 g, 질산코발트 [Co(NO3)2·6H2O] 180.8 g, 질산아연[Zn(NO3)2·6H2O] 1137.6 g 을 녹여 용액 A 를 준비하였다. 탈이온수 4 L 에 수산화나트륨 용액을 가해 pH 를 9.2 로 맞추고 여기에 콜로이달 실리카 Ludox AS-30 (Grace Davision 사 제품) 1137.6g 을 녹인 용액 B 를 준비하고, 탈이온수 10 L 에 수산화나트륨 1212 g 을 녹여 용액 C 를 준비하였다. 교반기가 부착된 50 L 반응기에 탈이온수 10 L 를 가한 후, 교반시키면서 상기 용액 A, B, C 를 동시에 가하여 20 ℃ 이하에서 공침과정을 수행하였다. 이때, 용액 C 의 공급량을 조절하여 pH 를 맞추고, 공침 완료 후 슬러리액의 최종 pH 를 9.3 으로 맞추었다. 여기에 평균 분자량 1 만인 폴리비닐피롤리돈 0.5 중량% 수용액 300 g 을 가하고, 천천히 승온하여 85 ℃에서 6 시간 동안 수열 숙성시킨 후, 결과 용액의 pH 가 7 임을 확인하고, 수득된 슬러리액을 탈이온수로 충분히 세척하고, 여과한 뒤 침전물을 회수하였다. 상기 얻어진 침전물을 탈이온수에 분산시킨 뒤, 여기에 초산칼슘[Ca(OAc)2·H2O] 11.18 g 과 초산마그네슘 [Mg(OAc)2·4H2O] 20.63 g 및 텔루륨산[Te(OH)6] 0.45 g 을 탈이온수에 녹인 수용액을 혼합시킨 다음, 이를 분무건조법으로 1 차 건조시켰다.Deionized water, 10 L of copper nitrate to the [Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O] 3,500 g, of cobalt nitrate [Co (NO 3) 2 · 6H 2 O] 180.8 g, zinc nitrate [Zn (NO 3) 2 · 6H 2 O] (1137.6 g). To 4 L of deionized water, a solution of sodium hydroxide was added to adjust the pH to 9.2, and 1137.6 g of colloidal silica Ludox AS-30 (manufactured by Grace Davision) was dissolved therein. To 10 L of deionized water, 1212 g of sodium hydroxide Solution C was prepared. 10 L of deionized water was added to a 50 L reactor equipped with a stirrer, and the solutions A, B, and C were simultaneously added while stirring, followed by coacervation at 20 ° C or less. At this time, the pH was adjusted by adjusting the supply amount of solution C, and the final pH of the slurry solution after completion of coprecipitation was adjusted to 9.3. 300 g of a 0.5 wt% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone having an average molecular weight of 10,000 was added, and the temperature was slowly raised to hydrothermally aged at 85 캜 for 6 hours. After confirming that the pH of the resulting solution was 7, Washed thoroughly with ionized water, filtered and the precipitate was recovered. After that dispersing the obtained precipitate in deionized water, acetic acid, calcium here [Ca (OAc) 2 · H 2 O] 11.18 g and magnesium acetate [Mg (OAc) 2 · 4H 2 O] 20.63 g and telru ryumsan [Te ( OH) 6 ] in deionized water was mixed and then dried by spray drying.

상기 건조된 분말을 120 ℃에서 12 시간 동안 건조시킨 뒤, 300 ℃에서 1 차 소성하고, 여기에 5 중량% 의 그라파이트 분말을 타정보조제로 혼합하고, 자동타정기에서 펠렛형으로 성형하고, 공기 흐름하에서 600 ℃로 6 시간 동안 소성하여 산화물 상태의 촉매를 얻었다.The dried powder was dried at 120 ° C. for 12 hours, and then calcined at 300 ° C., and 5% by weight of graphite powder was mixed with other additives, molded into a pellet in an automatic tablet machine, And then calcined at 600 DEG C for 6 hours to obtain a catalyst in an oxide state.

상기 촉매의 산화구리 입자 크기는 X-선 회절기 선폭-넓힘 방법 (XRD line broadening method) 에 의해 측정한 결과 5.5 nm 이었다. 또한, 촉매에 잔류된 나트륨 성분 함량은 원소분석 결과(ICP-MS) 75 ppm 이었다.
The copper oxide particle size of the catalyst was 5.5 nm as measured by the X-ray diffraction method (XRD line broadening method). In addition, the content of sodium component remaining in the catalyst was 75 ppm by elemental analysis (ICP-MS).

실시예Example 1 One

20 ~ 40 mesh 크기의 제조예 1에 따라 제조된 촉매를 10 mm의 SUS 재질 고정층 관형반응기 중앙에 2.0 g의 촉매를 충진하며, 반응기의 촉매층 상단과 하단 부분의 빈 공간은 쿼츠섬유(Quartz wool)로 채워주었다. 촉매층의 온도는 퍼니스 자켓과 촉매층 중간에 위치한 온도센서를 통하여 조절하였으며, 가스유량은 질량유량조절기(Mass flow controller)를 통하여 조절하였다. 또한 공급되는 반응물은 반응기 상단으로부터 하단으로 공급되어지며, 생성물은 반응기 하단에 응축기를 통해 시료를 회수하였다. 2.0 g의 촉매가 반응기에 장착된 상태에서 5% H2/N2가 혼합된 가스를 42 ml/min로 유지한 상태에서 촉매의 활성화를 수행하였다. 활성화 온도는 상온에서 시작하여 170 ℃에서 1시간 동안 1차 환원하며, 270 ℃에서 4시간 동안 2차 환원하였다. 승온속도는 1.5 ℃/min 으로 유지하였다. 촉매의 활성화가 완료된 상태에서 반응을 개시하였다. 반응온도를 230 ℃로 고정하고 반응압력을 40 bar의 수소압으로 고정하였다. 이후 THFA/1,4-Dioxane(1/1 vol %) 혼합물을 주입하여 촉매와 접촉하도록 하였다. 이때, 무게공간속도(WHSV)는 0.3 h- 1 이었으며, 공급되는 수소의 경우 H2/THFA의 몰비가 65 몰이 되도록 주입시켰다. The catalyst prepared according to Preparation Example 1 having a size of 20 to 40 mesh was charged with 2.0 g of catalyst in the center of a 10 mm SUS fixed bed tubular reactor and the voids in the upper and lower portions of the catalyst bed in the reactor were quartz wool, . The temperature of the catalyst layer was controlled through a temperature sensor located between the furnace jacket and the catalyst layer. The gas flow rate was controlled through a mass flow controller. Also, the supplied reactant is supplied from the upper end of the reactor to the lower end, and the product is recovered through the condenser at the lower end of the reactor. Catalyst activation was carried out with 2.0 g of catalyst loaded in the reactor while maintaining a gas mixture of 5% H 2 / N 2 at 42 ml / min. The activation temperature starts at room temperature and is first reduced at 170 ° C for 1 hour and then reduced to 270 ° C for 4 hours. The temperature raising rate was maintained at 1.5 캜 / min. The reaction was initiated when the activation of the catalyst was completed. The reaction temperature was fixed at 230 占 폚 and the reaction pressure was fixed at a hydrogen pressure of 40 bar. Then, THFA / 1,4-Dioxane (1/1 vol%) mixture was injected into contact with the catalyst. At this time, the weight hourly space velocity (WHSV) was 0.3 h - 1 , and the supplied hydrogen was injected so that the molar ratio of H 2 / THFA was 65 mol.

반응 개시 20시간 후 THFA의 전환율은 45.1 % 였으며, 선택도의 경우 1,5-펜탄디올 66.3 %, 1-펜탄올 3.2 %, δ-발레르락톤 2.9 % 였으며, 반응 개시 50 시간 후 THFA의 전환율은 42.9 % 였으며, 선택도의 경우 1,5-펜탄디올 66.9 %, 1-펜탄올 3.6 %, δ-발레르락톤 1.6 % 이었다.
After 20 hours from the initiation of the reaction, the conversion of THFA was 45.1%, and in the case of selectivity, 66.3% of 1,5-pentanediol, 3.2% of 1-pentanol and 2.9% of δ- valerolactone, 42.9%. The selectivity was 66.9% for 1,5-pentanediol, 3.6% for 1-pentanol and 1.6% for δ-valerolactone.

실시예Example 2 2

제조예 2에서 제조된 촉매를 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1 과 동일하게 수행하였으며, 그 결과 반응 개시 50시간 후 THFA의 전환율은 47.1 % 였으며, 선택도의 경우 1,5-펜탄디올 73.3 %, 1-펜탄올 0.2 %, δ-발레르락톤 4.9 % 였으며, 반응 개시 100 시간 후 THFA의 전환율은 46.9 % 였으며, 선택도의 경우 1,5-펜탄디올 74.3 %, 1-펜탄올 3.0 %, δ-발레르락톤 4.8 % 이었다.
Except that the catalyst prepared in Preparation Example 2 was used. As a result, the conversion of THFA after 50 hours from the initiation of the reaction was 47.1%, the selectivity was 73.3% for 1,5-pentanediol, Pentafluorobutanol, 0.2% of 1-pentanol, and 4.9% of delta-valerolactone. After 100 hours from the start of the reaction, the conversion of THFA was 46.9%, and in the case of selectivity, Valerolactone was 4.8%.

실시예Example 3 3

상기 실시예 1에서, 반응온도가 260 ℃, 반응압력을 상압으로 하고, 반응물을 순수한 THFA로 무게공간속도(WHSV, h-1)가 0.6 h-1로 되게 공급하였고, 수소의 주입속도를 H2/THFA의 몰비가 17.5가 되도록 한 것을 제외하고 동일하게 수행하였으며, 그 결과 반응 개시 20시간 후 THFA의 전환율은 47.4 %, δ-발레르락톤 선택도는 75.8 % 였으며, 반응 개시 50 시간 후 THFA의 전환율은 40.4 % 였으며, δ-발레르락톤 선택도는 75.6 % 이었다.
(WHSV, h- 1 ) was supplied to the reactor at a reaction temperature of 260 ° C and a reaction pressure of atmospheric pressure, and the reactant was fed to pure THFA at a weight hourly space velocity (WHSV, h -1 ) of 0.6 h -1 . 2 / THFA molar ratio was 17.5. As a result, the conversion of THFA was 47.4% and the selectivity of δ-valerolactone was 75.8% after 20 hours from the initiation of the reaction. The conversion was 40.4% and the δ-valerolactone selectivity was 75.6%.

실시예Example 4 4

상기 실시예 3 에서 제조예 2에서 제조된 촉매를 사용한 것을 제외하고 동일하게 수행하였으며, 그 결과 반응 개시 20시간 후 THFA의 전환율은 58.4 %, δ-발레르락톤 선택도는 87.9 % 였으며, 반응 개시 50 시간 후 THFA의 전환율은 55.4 % 였으며, δ-발레르락톤 선택도는 88.6 % 이었다.
As a result, the conversion of THFA was 58.4% and the selectivity of δ-valerolactone was 87.9% after 20 hours from the initiation of the reaction, and the conversion of 50 After the reaction time, the conversion of THFA was 55.4% and the selectivity of δ-valerolactone was 88.6%.

실시예Example 5 5

상기 실시예 4에서, 반응물로 THFA/1,4-Dioxane (1/1 vol %)을 사용하며 무게공간속도(WHSV)를 0.3 h-1 으로 반응물을 주입하고, H2/THFA의 몰비가 35가 되도록 수소를 공급한 것을 제외하고 동일하게 수행하였으며, 그 결과 반응 개시 20시간 후 THFA의 전환율은 75.4 %, δ-발레르락톤 선택도는 83.5 % 였으며, 반응 개시 50 시간 후 THFA의 전환율은 75.2% 였으며, δ-발레르락톤 선택도는 86.8 % 이었다.
In Example 4, THFA / 1,4-Dioxane (1/1 vol%) was used as a reactant and the reaction was carried out at a weight hourly space velocity (WHSV) of 0.3 h -1 . The molar ratio of H 2 / THFA was 35 The conversion of THFA was 75.4% and the selectivity of δ-valerolactone was 83.5% after 20 hours from the initiation of the reaction. The conversion of THFA was 75.2% after 50 hours from the initiation of the reaction, And the δ-valerolactone selectivity was 86.8%.

상기 실시예 1 내지 실시예 5를 참조하면, 본 발명에 따른 촉매를 사용하여 THFA로부터 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 고선택도로 제조할 수 있음을 알 수 있다.
Referring to the above Examples 1 to 5, it can be seen that 1,5-pentanediol and δ-valerolactone can be selectively prepared from THFA using the catalyst according to the present invention.

본원의 기술적 사상은 전술한 특정 실시태양 및 실시예에 제한되는 것으로 여겨져서는 아니된다. 다양한 예시적인 실시태양 및 실시예 외에도, 당업자라면 본원의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 본원에 개시된 일부 구성의 변형, 치환, 부가 및 그들의 조합이 가능함을 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 후술하는 청구범위들은 본 출원이 개시하는 기술적 사상의 범위 내에서 이러한 모든 변형, 치환, 부가 및 그들의 조합을 포함하는 것으로 해석된다.The technical idea of the present application should not be construed as being limited to the specific embodiments and examples described above. It will be readily appreciated by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. The scope of the following claims is to be construed as including all such modifications, substitutions, additions, and combinations thereof, within the scope of the technical idea disclosed in this application.

Claims (12)

THFA로부터 1,5-펜탄디올 및 δ-발레르락톤을 제조하기 위한 하기 화학식 1로 표시되는 촉매:
[화학식 1]
CuO(a)SiO2(d)
상기 식에서 (a) 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 % 및 10 ~ 50 % 범위임.
A catalyst represented by the following formula (1) for producing 1,5-pentanediol and? -Valerolactone from THFA:
[Chemical Formula 1]
CuO (a) SiO 2 (d )
Wherein (a) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90% and from 10 to 50%, respectively.
제 1 항에 있어서, 상기 촉매는 추가의 촉매 활성 성분을 포함하는 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 촉매:
[화학식 2]
CuO(a)M1(b)M2(c)SiO2(d)
상기 식에서,
M1은 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 망간(Mn), 은(Ag) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;
M2는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se) 으로 이루지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 산화물을 나타내고;
(a), (b), (c), 및 (d)는 촉매의 중량을 기준으로 한 백분율로서, 각각 50 ~ 90 %, 0 ~ 15 %, 0 ~ 5 % 및 5 ~ 40 % 범위임.
A catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is represented by the following formula (2), which further comprises a catalytically active component:
(2)
CuO (a) M 1 (b) M 2 (c) SiO 2 (d)
In this formula,
M1 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mn, Ag and Ru;
M2 represents an oxide of at least one metal selected from the group consisting of magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), tellurium (Te) and selenium (Se);
(a), (b), (c) and (d) are percentages based on the weight of the catalyst, ranging from 50 to 90%, 0 to 15%, 0 to 5% and 5 to 40%, respectively.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매를 구성하는 구리산화물의 입자 크기가 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 촉매.
The catalyst according to claim 1 or 2, wherein the particle size of the copper oxide constituting the catalyst is 50 nm or less.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매를 구성하는 실리카의 입자 크기가 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 촉매.
The catalyst according to claim 1 or 2, wherein the particle size of the silica constituting the catalyst is 50 nm or less.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 촉매의 존재 하에서의 THFA로부터 1,5-헥산디올의 제조방법.
A process for the preparation of 1,5-hexanediol from THFA in the presence of a catalyst according to claim 1 or 2.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 촉매의 존재 하에서의 THFA로부터 δ-발레르락톤의 제조방법.
A process for preparing δ-valerolactone from THFA in the presence of a catalyst according to claim 1 or 2.
제 5 항에 있어서, 반응 개시 전 촉매를 수소 또는 수소-함유불활성 가스를 공급하는 조건에서 150 ~ 300 ℃ 범위의 온도에서 촉매를 활성화하는 단계를 포함하여 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. The process according to claim 5, wherein the reaction is carried out by activating the catalyst at a temperature in the range of 150 to 300 DEG C under the condition of supplying hydrogen or a hydrogen-containing inert gas to the catalyst before initiation of the reaction.
제 6 항에 있어서, 반응 개시 전 촉매를 수소 또는 수소-함유불활성 가스를 공급하는 조건에서 150 ~ 300 ℃ 범위의 온도에서 촉매를 활성화하는 단계를 포함하여 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. The process according to claim 6, wherein the reaction is carried out by activating the catalyst at a temperature in the range of 150 to 300 DEG C under the condition of supplying hydrogen or a hydrogen-containing inert gas to the catalyst before initiation of the reaction.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 반응기에 촉매를 충진하고, 상기 촉매와 반응하는 반응물을 순수한 형태로 공급하거나, 반응물을 물, 1,3-디옥산, 1,4-디옥산, 탄소수를 1 ~ 4개를 갖는 알코올, 에테르 및 헤테로고리 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 용매와 혼합하여 공급하는 특징으로 하는 제조방법.
7. The method according to claim 5 or 6, wherein the reactor is charged with a catalyst, the reactant reacting with the catalyst is supplied in pure form, or the reactant is reacted with water, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, Wherein the solvent is mixed with one or more solvents selected from the group consisting of alcohols having 1 to 4 carbon atoms, ether and heterocyclic compounds, and the like.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, THFA의 무게공간속도(WHSV, h-1)가 0.1 ~ 2 h-1 범위에서 공급되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. Process according to claim 5 or 6, characterized in that the weight hourly space velocity (WHSV, h- 1 ) of THFA is supplied in the range of 0.1 to 2 h &lt; -1 & gt ;.
제 5 항에 있어서, 반응온도가 180 ~ 300 ℃ 범위, 반응압력이 15 ~ 50 bar 범위의 수소압에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. The process according to claim 5, wherein the reaction is carried out at a hydrogen pressure in the range of 180 to 300 DEG C and a reaction pressure in the range of 15 to 50 bar.
제 6 항에 있어서, 반응온도가 220 ~ 350 ℃ 범위, 반응압력이 상압 ~ 5 bar 범위의 수소압에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 6, wherein the reaction is carried out at a hydrogen pressure in the range of 220 to 350 ° C and a reaction pressure in the range of atmospheric pressure to 5 bar.
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