KR20150080095A - 트리스(히드록시메틸)포스핀의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 안정제나 유기인계 난연제 또는 그 중간체로 유용한 트리스(히드록시메틸)포스핀(THP, tris(hydroxymethyl)phosphine)의 새로운 제조방법에 관한 것으로, 이전의 기술들이 산성 상태에서 반응시켜 일부 분해된 부산물들을 함유하거나 출발물질인 THPC가 일부 남고, 용매제거 과정에서 THP가 THPO로 변형되고, 부산물로 생성된 formaldehyde가 함유되어 있는 방법인들데 비해, 본 발명에서 THPC를 메틸알코올에 녹인 후 KOH를 가하여 KCl을 충분히 형성시킨 후, 촉매량의 ZnCl2 존재하에서 소디움설파이트(Na2SO3) 와 반응시키는 방법으로 순수한 THP 제조방법을 제공함으로써 THP를 필요로하는 자외선 안정제, 인계 난연제, 의약 등 관련 정밀화학 산업발전에 크게 기여할것이다.
Description
본 발명은 자외선 안정제나 유기인계 난연제 또는 그 중간체로 유용한 트리스(히드록시메틸)포스핀(THP, tris(hydroxymethyl)phosphine)의 새로운 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 주로 고분자 수지에 응용해온 난연제는 할로겐, 그중에서도 브롬(Br)이 포함되어 있는 Br계 난연제가 주로 사용되어 왔다. 이들의 난연성은 만족스러웠지만 연소시 유독가스 발생과 다이옥신이나 벤조퓨란과 같은 유해물질 발생등 환경에 대한 문제점이 대두 되었고, 수지와의 좋지 못한 상용성 등으로 인해 비 할로겐 난연제의 필요성이 점차 요구되어졌으며 이 방면의 연구가 다방면에서 활발하게 전개되어왔다. 비 할로겐 난연제로서는 무기수화물, 질소화합물, 인계 난연제 및 유기인계 난연제를 들 수 있는데, 무기 수화물의 경우는 바람직한 난연효과를 얻기 위해 너무 많은 양의 무기수화물을 사용해야 하고 그로 인해 성형가공성이 불량해지는 단점이 지적되고 있다. 질소산화물을 난연제로 사용하는 경우는 난연효과가 다소 미흡할뿐만 아니라 연소시의 유독가스도 문제점으로 대두되고 있는 상황이며, 적인을 주로 사용하는 인계 난연제는 수지의 기본 물성을 저하시킬 뿐만 아니라 적인 자체가 열이나 마찰충격에 민감하여 취급이나 저장, 혼합 등이 위험하고 작업환경이 양호하지 못한 단점이 있다. 유기인계 난연제는 여전히 개선되어야할 점들이 있기는 하지만 할로겐계 난연제를 대체할 수 있는 가장 바람직한 대안으로 인식되어 가장 활발한 연구가 진행되어 왔다.
본 발명에서는 유기인계 난연제를 합성하는 중간체로 유용할뿐만 아니라 자외선 안정제나 그 중간체로도 유용한 하기의 일반식 (I)으로 표기되는 트리스(히드록시메틸)포스핀 (THP, tris(hydroxymethyl)phosphine)의 새로운 제조방법을 제공한다.
Alfred Hoffman은 1921년 Journal of American Chemical Society 43권 1684쪽과 1930년 같은 journal 52권 2995쪽에 발표한 논문에서 하기의 일반식 (II)로 표기되는 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )를 NaOH와 반응시켜 THPO ( tris(hydroxymethyl)phosphine oxide)와 formaldehyde 및 NaCl혼합물을 얻는 방법을 발표하였다.
Alfred Hoffman의 방법을 이론적으로 살펴보면 THPC로부터 THP를 거쳐 THPO로 진행되었음을 알수 있다.
유용한 화합물들을 얻을 수 있는 중간체의 반응성 측면에서 THP가 THPO보다 더 유용함에도 불구하고 합성과정에서 THP를 거쳐서 THPO로 진행되었지만 THP대신 THPO의 합성법을 먼저 확립한 것은 THP 단계에서 반응을 멈추게하고 THP만을 순수하게 얻는 방법을 확립하기 어려웠기 때문이다.
1966년 미국특허 3,257,460 에서 처음으로 산업적인 이용가능성이 있는 THP합성의 방법이 제시 되었는데, 물을 용매로 섭시 50도로 가열하여 THPC를 물에 용해시킨 후 소디움설파이트(Na2SO3)와 진한 염산(HCl)을 가하여 pH 약 5의 산성의 상태에서 섭시 50도의 온도조건에서 THP를 합성하였다. 이때 합성된 THP는 부산물인 NaCl 및 formaldehyde와 sulfite 반응부산물의 혼합수용액 상태로 얻어 지는데, 이것을 진공증류하여 물을 제거하고 얻은 고체혼합물에 알코올류를 가하여 생성된 무기염들을 여과하여 제거하고 얻은 알코올용액을 증류하여 THP를 얻는 방법이다. 이방법은 산성조건에서 반응을 진행시켜 일부 분해된 부산물이 썩이게되고 용매로 사용한 물을 제거하는 과정에서 일부 THP가 THPO로 산화되어 순수한 THP를 얻기어렵다는 단점이 있다.
국제특허 PCT Int. Appl., 2011063501호에는 펩타이드류 합성에 필요한 중간체로서의 THP합성법을 제시하고 있는데, THPC를 isopropyl alcohol에 녹인 후, 이용액에 KOH수용액을 실온에서 투입해주고 반응시켜 THP를 합성하고, 생성된 KCl을 여과하여 제거한 후 THP용액상태로 보관하다 필요한 경우 그 상태로 다음반응에 사용하는 것으로 기재되어 있는데, 이경우 이 용액속에는 부산물로 생성된 formaldehyde가 전혀 제거되지 않은 상태로 THP와 혼합물로 존재하고 있다.
한편, 대한민국 공개특허공보 10-2012-0100931에 기재된 THP합성방법은 THPC를 물에 녹여 섭시 5 내지 15도로 냉각시킨 후, 8% NaOH수용액을 같은 온도에서 3시간동안 투입해주고 섭시 10도에서 12시간 반응시켜 THP를 합성한 후, 부산물로 생성된 formaldehyde와 용매로 사용한 물을 진공증류시키고 다시 아직 남아 있는 formaldehyde를 제거하기 위해 에탄올을 가하여 다시 증류하며 formaldehyde를 제거하고 침점물인 NaCl을 제거하는 번거로운 과정을 거치고 있지만, 반응이 완벽하게 진행되지 않아 THPC가 일부 남게되고 용매로 사용한 물의 증류제거 과정에서 THP가 THPO로 산화되어 결국 최종 얻은 결과물에는 THP가 THPC와 THPO를 함유하는 혼합물 상태로 얻어지고 있고 formaldehyde도 상당량 함유되어 있는 상태로 얻어진다..
2012년 Doud, Michael등이 Organometallics 31권 3호 779쪽에 발표한 논문에서는 금속 Coordination에 필요한 리간드(Ligand)로서 THP를 합성하는 방법을 제시하고 있는데, 건조된 THPC를 과량의 트리에틸아민을 용매로 반응시켜 부산물로 생성된 triethylammonium hydrochloride를 여과하여 제거한 후 용매인 트리에틸아민을 증류 제거하고 메탄올과 에테르를 사용하여 정제하여 THP를 얻고 있는데 수율이 48%로 매우 낮아 산업적 적용가능성이 떨어진다.
앞에서 기술한 바와 같이 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 유용성이 인식되고 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )로부터 THP를 합성하고자 하는 노력이 오랜동안 경주되었음에도 불구하고 지금까지의 기술들은 산성 상태에서 반응시켜 일부 분해된 부산물들을 함유하거나 출발물질인 THPC가 일부 남고, 용매제거 과정에서 THP가 THPO로 산화되고, 부산물로 생성된 formaldehyde가 함유되어 있는 방법들이어서 순수한 THP를 얻는 방법이 사실상 아직 존재하지 않는 상태이다. 이와 같은 문제점들을 예의 주시해온 본 발명자들은 특수 촉매 조건하에서 THPC로부터 THP로 전환이 수월하게 진행되어 반응 후 출발물질인 THPC가 남아 있지 않으면서, 용매제거 과정에서도 THP가 THPO로 변형되지 않고 부산물인 formaldehyde도 함유하지 않는 순수한 THP 합성방법을 확립함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 하기 일반식 (II)로 표시되는 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )를 메틸알코올에 녹인 후 KOH를 가하여 KCl을 충분히 형성시킨 후 촉매량의 ZnCl2 존재하에서 소디움설파이트 (Na2SO3) 와 반응시킴을 특징으로 하는 하기 일반식 ( I )로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 새로운 제조방법을 제공한다.
이 방법으로 합성한 THP는 출발물질인 THPC가 남아 있지 않으며, 반응 완료 후 고체부산물들을 여과하여 제거하고 메틸알코올을 증류제거하는 과정에서 THPO도 거의 생성되지 않으며, 부산물로 생성된 formaldehyde는 sodium hydroxymethane sulfonate형태의 고체로 완벽하게 제거되어 거의 순수한 THP를 얻을 수 있다.
이전의 방법들이 산성 상태에서 반응시켜 일부 분해된 부산물들을 함유하거나 출발물질인 THPC가 일부 남고, 용매제거 과정에서 THP가 THPO로 산화되고, 부산물로 생성된 formaldehyde가 함유될 수 밖에 없었던 기술들인데 비해 본 발명은 순수한 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine) 제조방법을 제공함으로써 THP를 필요로하는 자외선 안정제, 인계 난연제, 의약 등 관련 정밀화학 산업발전에 크게 기여할것이다.
본 발명은 하기 일반식 (II)로 표시되는 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )를 메틸알코올에 녹인 후 KOH를 가하여 KCl을 충분히 형성시키고 촉매량의 ZnCl2 를 투입한 후 소디움설파이트 (Na2SO3)와 반응시킴을 특징으로 하는 하기 일반식 ( I )로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 새로운 제조방법을 제공한다.
산성 상태에서 반응을 진행시키면 출발물질인 THPC 또는 생성물인 THP로 부터 유도된 것으로 추정되는 분해된 부산물들이 생성되는 경향이 있어서, 본 발명에서는 염기성 상태에서 반응이 진행되도록 조건이 확립되었다. 이때 사용가능한 반응용매와 염기의 종류를 조합하며 최적조건을 찾은 결과, 물과 극성이 가장 가까이 있는 메틸알코올을 용매로 사용하며 KOH를 염기로 사용한 경우 만이, 생성된 THP와 더불어 반응이 진행되면서 필수적으로 생성되는 KCl, NaCl, HOCH2SO3Na, 그리고 반응이 끝날때까지 조금 잉여로 남도록 사용한 소디움설파이트(Na2SO3)를 포함하는 혼합물이 엉기지 않고 교반을 원활하게 하며 반응을 완결 시킬수 있었다. 예로서 KOH대신 NaOH를 사용하면 약 30% 반응진행 될 때까지는 원할하게 교반이 되면서 바람직한 반응이 진행되지만, 그 후 부터는 생성된 NaCl과 HOCH2SO3Na 고체가 아직 반응에 참여하지 않은 Na2SO3 와 엉기게 되면서 더 이상 반응이 진행되지 못할정도로 반응기벽에 엉겨붙게된다. 반응용매를 메틸알코올 대신 에틸알코올 이나 이소프로필알코올 처럼 탄소수가 2개, 3개 이상되는 알코올을 사용하는 경우에도 마찬가지로 고체가 엉기는 현상을 피할 수 없다.
촉매로 사용하는 염화아연(ZnCl2)은 루이스산 촉매역활을 하는 것으로 염화아연 외에 ZnBr2, AlCl3, FeCl3 등과 같은 다른 루이스산 촉매를 사용 가능하지만 염화아연외의 다른 루이스산들은 반응완결 후에 생성물의 색상을 변하게하는 황변현상이 발생하여 바람직하지 않다. 염화아연의 사용량은 THPC 대비 0.01몰배 내지 0.2몰배 사용가능하며, 바람직하게는 0.02내지 0.1몰배를 사용한다. 반응메카니즘을 추론해보면 다음 그림과 같이 4개의 히드록시메틸기중 하나에 루이스산으로 작용하며 THP 생성을 빠르게 하는것으로 추정된다.
이때 염기로 사용하는 KOH는 사용한 THPC 대비 0.1 내지 1.0몰배 사용 가능하며, 바람직하게는 0.2내지 0.4몰배를 사용한다. 최적 조건으로 KOH를 0.25몰배를 사용하는 것이 가장 바람직 한것으로 확인되었는데, 이때는 KOH와 반응하지 않고 남아 있는 75%의 THPC는 다음과 같은 메카니즘으로 ZnCl2 및 소디움설파이트 (Na2SO3)와 반응이 진행되는 것으로 추정된다.
이렇게 생성된 formaldehyde와 sodium bisulfite(NaHSO3)는 다음과 같이 반응하여 sodium hydroxymethane sulfonate 부산물을 생성시키며 formaldehyd를 남아있지 않게한다.
본 발명에서 사용하는 소디움설파이트 (Na2SO3)는 THPC 대비 0.8 내지 1.5몰배 사용가능하며, 바람직하게는 1.1 내지 1.4몰배를 사용한다.
반응온도는 섭시 10 내지 50도 에서 반응시키며, 바람직하게는 섭시 15내지 40도에서 반응시키는 것이 바람직하다.그러나 처음부터 40도 내외의 고온에서 반응시키는 경우 역시 메틸알콜외의 탄소수 2개 이상의 알코올들을 용매로 사용해서 반응시켰던 결과들과 마찬가지로 반응을 완결시키기 어렵다. 섭시 25도 내외에서 반응하기 시작해서 그 온도에서 반응을 완결 시키는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예에 명시된 방법들에 국한되는 것은 아니다.
100 mL 플라스크에 80% THPC 4.674g(20 mmole)과 메틸알코올 12mL 그리고 극성을 증대시키기위해 물 1.1g을 투입하고 섭시 15도로 냉각하며 교반한다. 여기에 30% KOH 0.95g (5 mmole)을 투입하고 15 내지 20도에서 10분간 교반하며 KCl이 충분히 생성되게한다. 여기에 촉매로서 염화아연(ZnCl2) 68 mg(0.5 mmole)과 소디움설파이트(Na2SO3) 2.773g( 22 mmole)을 투입하고 섭시 25도로 내부온도를 조절하여 그 온도에서 10시간 이상 교반하며 반응을 진행시킨다. 얇은막크로마토그라피(Thin layer chromatography, TLC)분석을 이용해서 THPC가 남아있지 않는 반응완결점을 확인하고 메틸알코올 15 mL를 추가로 투입한다.
부산물로 생성된 KCl, NaCl, HOCH2SO3Na, 및 잉여사용으로 소량 남아있는 소디움설파이트(Na2SO3)가 고체로 석출되어 교반되고 있는데, 이들 고체를 여과하여 제거하고 메틸알코올 10 mL로 세척하여 원액과 합쳐준다. 이렇게 얻은 THP가 녹아 있는 메틸알코올 용액을 섭시 30도 이하의 온도에서 감압증류하여 용매를 제거하면 순수한 THP 2.42g을 얻는다.(수율 97.5%)
이렇게 얻은 THP를 일부 취하여 31P-NMR 분석을 시행한 결과, THPC 는 1% 미만 남아있고 THPO 약 1.5% 생성되어 있는 약 98%의 순도를 갖는 THP 상태이다.
100 mL 플라스크에 80% THPC 4.674g(20 mmole)과 메틸알코올 12mL 그리고 극성을 증대시키기위해 물 1.1g을 투입하고 섭시 15도로 냉각하며 교반한다. 여기에 30% KOH 0.95g (5 mmole)을 투입하고 15 내지 20도에서 10분간 교반하며 KCl이 충분히 생성되게한다. 여기에 촉매로서 염화아연(ZnCl2) 68 mg(0.5 mmole)과 소디움설파이트(Na2SO3) 2.773g( 22 mmole)을 투입하고 섭시 25도로 내부온도를 조절하여 그 온도에서 4시간 이상 교반한 후 내부 온도를 40도로 올려 그 온도에서 5시간 이상 반응을 진행시킨다. 얇은막크로마토그라피(Thin layer chromatography, TLC)분석을 이용해서 THPC가 남지 않는 반응완결점을 확인하고 메틸알코올 15 mL를 추가로 투입한다.
그 후에는 실시예 1 에서와 같은 방법을 시행하여 순수한 THP 2.38g을 얻는다.(수율 95.9%)
이렇게 얻은 THP를 일부 취하여 31P-NMR 분석을 시행한 결과, THPC 는 1% 미만 남아있고 THPO 약 2.0% 생성되어 있는 약 97%의 순도를 갖는 THP 상태이다.
실시예 1 에서 소디움설파이트(Na2SO3) 2.773g을 사용하는 대신 소디움설파이트(Na2SO3) 3.277g( 26 mmole)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 시행하여 순수한 THP 2.44g을 얻는다.(수율 98.3%)
이렇게 얻은 THP를 일부 취하여 31P-NMR 분석을 시행한 결과, THPC 는 1% 미만 남아있고 THPO 약 1.5% 생성되어 있는 약 98%의 순도를 갖는 THP 상태이다.
( 비교예 1)
100 mL 플라스크에 80% THPC 4.674g(20 mmole)과 메틸알코올 12mL 그리고 극성을 증대시키기위해 물 1.1g을 투입하고 섭시 15도로 냉각하며 교반한다. 여기에 실시예 1에서 사용했던 KOH 대신 30% NaOH 0.67g (5 mmole)을 투입하고 15 내지 20도에서 10분간 교반하며 NaCl이 충분히 생성되게한다. 여기에 촉매로서 염화아연(ZnCl2) 68 mg(0.5 mmole)과 소디움설파이트(Na2SO3) 2.773g( 22 mmole)을 투입하고 섭시 25도로 내부온도를 조절하여 그 온도에서 교반하며 반응을 진행시킨다
약 2시간이 경과하면 흰색 고체가 엉기게되면서 교반이 원할하지 않고 반응이 멈추어 버린다. 이 상태에서 TLC분석을 하면 THPC약 70% 남아 있고 THP는 약 30% 생성되어 있음을 확인가능하다.
(비교예 2)
100 mL 플라스크에 80% THPC 4.674g(20 mmole)과 실시예 1에서 사용했던 메틸알코올 12m대신에 이소프로필알코올 12 mL와 극성을 증대시키기위해 물 1.1g을 투입하고 섭시 15도로 냉각하며 교반한다. 여기에 30% KOH 0.95g (5 mmole)을 투입하고 15 내지 20도에서 10분간 교반하며 KCl이 충분히 생성되게한다. 여기에 촉매로서 염화아연(ZnCl2) 68 mg(0.5 mmole)과 소디움설파이트(Na2SO3) 2.773g( 22 mmole)을 투입하고 섭시 25도로 내부온도를 조절하여 그 온도에서 교반하며 반응을 진행시킨다.
약 1시간이 경과하면 흰색 고체가 엉기게 되면서 교반이 원할하지 않고 반응이 멈추어 버린다. 이상태에서 TLC분석을 하면 THPC약 90% 남아 있고 THP는 trace 만큼만 생성되어 있음을 확인가능하다.
Claims (3)
- 하기 일반식 (II)로 표시되는 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )로부터 하기 일반식 (I)로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)를 제조하는 방법에 있어서,
1)THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride )를 메틸알코올에 녹인 후 KOH를 가하여 KCl을 충분히 형성시킨 후.
2)촉매량의 염화아연( ZnCl2 )을 투입하고 소디움설파이트 (Na2SO3)와 반응시킴을 특징으로 하는 일반식 (I)로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 촉매로 사용하는 염화아연을 THPC (tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride ) 사용량 대비 0.01몰배 내지 0.2몰배 사용하는 것을 특징으로 하는 일반식 (I)로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 소디움설파이트 (Na2SO3)는 THPC (tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride) 사용량 대비 0.8몰배 내지 1.5몰배를 사용하는 것을 특징으로 하는 일반식 (I)로 표시되는 THP (tris(hydroxymethyl)phosphine)의 제조방법.
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