KR20160040204A - 트리스-아지리디노메탄을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아지리딘을 클로로포름과 반응시킴으로써 하기 화학식 I의 트리스-아지리디노메탄을 제조하는 방법이며, 여기서 아지리딘 대 클로로포름의 몰비는 3 : 1 이하인 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.
<화학식 I>

Description

트리스-아지리디노메탄을 제조하는 방법 {METHOD FOR PRODUCING TRIS-AZIRIDINOMETHANE}

본 발명은 아지리딘을 클로로포름과 반응시킴으로써 하기 화학식 I의 트리스아지리디노메탄을 제조하는 방법이며, 여기서 아지리딘 대 클로로포름의 몰비는 3 : 1 이하인 방법에 관한 것이다.

<화학식 I>

트리스아지리디노메탄 (TAM)은 WO 03/089476에 기재된 바와 같이, 그의 반응성으로 인해, 예를 들어 화학적 조성물에서 가교제로서 유용한 화합물이다.

아지리딘을 염기의 존재 하에 클로로포름과 반응시킴으로써 TAM을 제조하는 것은 문헌 [W. Funke, Liebigs Ann. Chem. (1969) 725, 15]에 기재되어 있다. 분말 형태의 수산화나트륨, 또는 나트륨 메탄올레이트가 염기로서 사용된다. 이 합성에서, 아지리딘은 1 mol의 클로로포름에 대해 6 mol의 아지리딘의 화학량론적 과량으로 사용된다. 게다가, 아지리딘의 총량은 초기에 충전된다. 반응에서, 매우 반응성인 디클로로카르벤은 클로로포름으로부터 초기에 형성되고, 이 디클로로카르벤은 아지리딘과 반응하여 TAM을 생성한다. 아지리딘의 총량이 초기에 충전되는 이유는 충분한 아지리딘이 가능한 한 신속하게 디클로로카르벤을 트랩핑하는데 항상 이용가능하도록 하기 위함이다. 충분한 양의 아지리딘의 부재 하에, 반응성 디클로로카르벤은 그 자체로 대안적 방식으로 안정화될 것이고, 더 이상 TAM을 생성하는 반응에 이용가능하지 않을 것이다. 이에 따라 수율이 떨어진다.

1970년에, TAM은 또한 코스티아노브스키(Kostyanovskii) 및 동료에 의해 아지리딘의 나트륨 염으로부터 제조되었다 (Russ. Chem. Bull. (1970) 1815, translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Seriya Khimicheskaya, No 8, pp 1918-1919, August 1970). 아지리딘의 나트륨 염은 폭발성이다. 수율은 단지 22%였다.

아지리딘은 매우 반응성인 화합물이고, 따라서 안전성 관심을 일으키는 화합물이다. 따라서, 산업적-규모 합성은 특정한 요건을 충족시켜야 한다. 합성은 안전성에 대한 잠재적 위험성을 배제하여야 하며, 동시에 수행하기에 매우 용이하고 또한 매우 저렴하여야 한다. TAM은 매우 높은 수율로 및 매우 고도의 선택성으로 합성에 의해 수득되어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 산업적 규모에 대한 성능에 적합하며 매우 고도로 상기 요건을 충족시키는 TAM의 제조 방법이었다.

상기 목적은 서두에서 정의된 방법에 의해 달성되는 것으로 밝혀졌다.

TAM은 하기 반응식에 따라 클로로포름 및 아지리딘으로부터 수득된다.

아지리딘 대 클로로포름의 몰비는 3 : 1 이하이며, 즉 상기 반응식에 따른 화학량론적 비에 상응하는 것보다 많지 않은 아지리딘이 사용된다. 특히, 아지리딘은 또한 화학량론적 양보다 적은 양, 예를 들어 1 mol의 클로로포름에 대해 2.9 또는 2.8 mol의 양으로 사용될 수 있다.

바람직하게는, 아지리딘 대 클로로포름의 몰비는 2 : 1 내지 3 : 1이고; 매우 바람직하게는 몰비는 2.25 : 1 내지 2.75 : 1이다.

바람직한 실시양태에서, 반응 용기는 클로로포름이 반응 용기에 공급되기 전에 아지리딘의 총량 중 50% 이하를 포함하며; 즉, 반응에서, 0 내지 50%의 아지리딘은 초기에 충전되고, 반응 용기에의 클로로포름의 첨가가 후속적으로 시작된다.

특히, 상기 반응이 수행되는 반응 용기는 클로로포름의 첨가가 시작되기 전에 아지리딘의 총량 중 0 내지 40%, 매우 바람직하게는 0 내지 30%, 가장 바람직하게는 0 내지 10%를 함유한다.

상응하게, 아지리딘의 총량 중 50% 초과, 특히 아지리딘의 총량 중 60% 초과, 매우 바람직하게는 아지리딘의 총량 중 70% 초과, 가장 바람직하게는 아지리딘의 총량 중 90% 초과는 일단 클로로포름의 첨가가 또한 시작되어야 단지 첨가된다 (또한 하기에 "아지리딘의 후속적으로 공급된 총량"으로 약기됨).

바람직한 실시양태에서, 클로로포름의 총량 및 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량 (즉 아지리딘의 총량 중 50% 초과, 바람직한 실시양태에서, 60% 초과, 70% 초과 또는 90% 초과)은 연속적으로 반응 용기에 연장된 기간에 걸쳐 공급된다.

아지리딘의 후속적으로 공급된 총량의 첨가는 동시에 클로로포름의 첨가와 함께 시작될 수 있다. 대안으로서, 단지 클로로포름의 첨가는 초기에 시작될 수 있고, 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량의 첨가는 이후에 시작될 수 있다.

바람직하게는, 클로로포름의 총량 및 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량은 반응 용기 내 온도가 50℃ 초과로 상승하지 않도록 첨가된다.

바람직한 실시양태에서, 클로로포름의 총량 및 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량은 동일한 기간에 걸쳐 첨가된다. 매우 바람직하게는, 클로로포름 대 아지리딘의 비는 첨가 동안에 일정하게 유지된다. 이어서, 이러한 비는 클로로포름의 총량 대 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량의 몰비에 상응한다.

매우 바람직하게는, 클로로포름의 총량 및 아지리딘의 후속적으로 공급된 총량은 반응 용기 내 온도가 50℃를 초과하지 않고, 특히 48℃를 초과하지 않도록 동일한 기간에 걸쳐 연속적으로 첨가된다.

상기 기간은, 예를 들어 0.1 내지 10시간, 특히 1 내지 5시간일 수 있다. 기간은 당연히 반응 용기의 크기, 사용된 용매의 양, 장치의 설계, 특히 냉각 방식 및 혼합을 달성하기 위한 조치 (교반 수단)에 따라 달라진다.

바람직하게는, 반응은 용매의 존재 하에 수행된다. 용매는 초기에 반응 용기에 충전되거나 또는 반응 동안에 공급될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 용매는 초기에 반응 용기에 충전된다.

바람직하게는, 아지리딘보다 높은 비점을 갖는 용매가 사용된다. 매우 바람직하게는, 아지리딘의 비점보다 적어도 30℃ 높은 비점을 갖는 용매가 사용된다. 상기 비점은 대기압에서의 비점이다. 용매는 또한 상이한 용매의 혼합물일 수 있다.

특히, 용매는 임의의 지방족 또는 방향족 용매일 수 있다. 지방족 또는 방향족 탄화수소 또는 에테르, 특히 지방족 에테르, 예컨대 1,4-디옥산, tert-아밀 메틸 에테르, 시클로펜틸 메틸 에테르, 1,2-디메톡시에탄 (모노글림) 또는 비스(2-메톡시에틸) 에테르 (디글림)가 바람직하다. 방향족 탄화수소, 예를 들어 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠 또는 그의 혼합물이 매우 바람직하다.

용매는 다량으로, 예를 들어 출발 물질 아지리딘 및 클로로포름의 총 부피의 100 부피부당 최대 500 부피부의 양으로 사용될 수 있다. 용매의 양이 많을수록, 반응 동안에 예상되는 열 제거가 보다 유리하고, 전환 및 수율이 보다 우수하다. 그러나, 다량의 용매가 여기서 유리하지 않은 것이 명백해졌다. 따라서, 출발 물질 아지리딘 및 클로로포름의 100 부피부에 대해, 용매의 30 내지 100 부피부가 바람직하고, 용매의 55 내지 75 부피부가 매우 바람직하다.

용매는 바람직하게는 거의 물을 함유하지 않고, 바람직한 실시양태에서 모두 용매의 100 중량부당 최대 5 중량부 미만의 양, 특히 1 중량부 미만의 양, 매우 바람직하게는 0.1 중량부 미만의 양의 물을 포함한다. 매우 바람직한 실시양태에서, 용매는 물을 전혀 포함하지 않는다.

반응은 바람직하게는 염기의 존재 하에 수행된다.

예로서, 알칼리 금속 수산화물 또는 알칼리 토금속 수산화물은 염기로서 사용될 수 있다.

바람직한 실시양태에서, 염기는 수산화나트륨 또는 수산화칼륨이다.

가장 바람직하게는, 염기, 특히 수산화나트륨 또는 수산화칼륨은 분말 형태로 반응 용기에 공급된다. 바람직하게는, 염기는 초기에 용매 및, 임의로, 아지리딘의 상기 언급된 부분과 함께 반응 용기에 충전된다.

모든 출발 물질의 완전한 첨가 후에, 반응은 바람직하게는, 클로로포름 또는 아지리딘의 목적하는 전환이 달성될 때까지 계속된다. 특히, 반응은 90% 초과, 매우 바람직하게는 95% 초과, 가장 바람직하게는 99% 초과의 클로로포름, 특히 클로로포름의 총량이 소비될 때까지 계속된다. 반응을 계속하기 위해, 반응 혼합물의 온도는 바람직하게는 20 내지 50℃, 특히 30 내지 45℃에서 유지된다.

반응의 완결 후에, 미반응 출발 물질, 특히 미반응 아지리딘 및 사용된 임의의 용매, 예를 들어 톨루엔이 수득된 생성물 용액으로부터 증류에 의해 용이하게 제거될 수 있다.

생성물 용액은 고형물, 특히 염을 함유할 수 있다. 이들은, 예를 들어 미반응 염기, 예컨대 KOH 또는 NaOH 분말, 또는 반응 조건 하에 형성될 수 있는 사용된 염기의 양이온의 다른 염, 예를 들어 알칼리 금속 염화물 또는 알칼리 금속 포름산염이다.

이들 고형물은 여과에 의해 생성물 용액으로부터 제거될 수 있다. 아지리딘의 제거 후에 이러한 여과를 수행하는 것이 유리한 것으로 입증되었다 (상기 참조). 아지리딘-포함 생성물 용액이 여과되는 경우에, 아지리딘은 제거된 고형물 (필터 케이크)에 부착되고, 필터 케이크의 처리를 복잡하게 할 수 있다.

바람직하게는, 따라서, 생성물 용액은 미반응 아지리딘의 제거 후에 고형물을 제거하기 위해 여과된다.

TAM을 제조하는, 본 발명에 따른 방법은 산업적 규모에 대한 매우 우수한 성능 적합성을 갖는다. 이는 용이하게, 효율적으로 및 저렴하게 수행될 수 있으며, 안전성 관심을 일으키지 않는다.

상기 방법을 사용하여 높은 수율 및 높은 선택성을 갖는 TAM이 수득된다. TAM의 이러한 높은 수율은 낮은 수준의 출발 물질을 사용하여 달성된다. 특히, 아지리딘은 단지 화학량론적 양 이하의 양으로 사용된다.

실시예

실시예 1 (아지리딘 : 클로로포름 = 3 : 1의 몰비, 초기에 30 중량% 충전된 아지리딘의 양)

무수 톨루엔 (75 ml) 및 KOH 분말 (기술-등급, 85 중량%, 2.1 mol, 139 g)을 초기에 500 ml 3구 플라스크에 충전하였다. 무수 아지리딘의 총량 중 1/3 (26.7 ml, 0.52 mol)을 교반하면서 여기에 한 번에 첨가하였다. 후속적으로, 온도를 모니터링하면서 클로로포름 (41.9 ml, 0.5 mol) 및 나머지 아지리딘 (53.5 ml, 1.04 mol)을 동시에 계량하였다. 온도는 첨가 동안에 48℃ 초과로 상승하지 않았다. 클로로포름 및 아지리딘을 계량하는 비는 첨가의 전체 기간에 걸쳐 대략 일정하였다. 계량 단계의 완결 후, 클로로포름이 대부분 반응될 때까지 반응을 40℃에서 계속하였다 (약 12시간). 후속적으로, 압력을 감소시키고, 미반응 아지리딘 및 일부 톨루엔을 오버헤드 증류시켰다. 후속적으로, 침전된 고형물 (KCl, 포름산칼륨 및 미반응 KOH로 우세하게 이루어짐)를 여과에 의해 제거하고, 폐기하였다. 클로로포름의 전환은 >99%였으며, 아지리딘 전환은 약 79%였다.

톨루엔 중 TAM의 약 25 중량% 용액을 수득하였으며, 이는 2 중량% 미만의 유리 아지리딘을 포함하였다. 클로로포름에 대해, 톨루엔-용해된 TAM의 수율은 65%였다.

실시예 2 (아지리딘 : 클로로포름 = 2.5 : 1의 몰비, 초기에 20 중량% 충전된 아지리딘의 양)

실시예 2는 초기에 충전된 아지리딘의 양이 절반 (13.3 ml, 0.26 mol)인 것을 제외하고는 실시예 1과 유사하게 수행하였다. 모든 다른 양은 동일하게 유지하였다. 클로로포름 전환은 >99%였으며, 아지리딘 전환은 약 77%였다. 미반응 아지리딘의 제거 후에, 톨루엔 중 TAM의 약 35 중량% 용액을 수득하였으며, 2 중량% 미만의 유리 아지리딘을 포함하였다. 클로로포름에 대해, 톨루엔-용해된 TAM의 수율은 60%였다.

실시예 3 (톨루엔 대신에 디글림)

실시예 3은 톨루엔 대신에 비스(2-메톡시에틸) 에테르 (디글림)를 용매로서 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 유사하게 수행하였다. 클로로포름 전환은 >99%였으며, 아지리딘 전환은 약 70%였다. 미반응 아지리딘의 제거 후에, 디글림 중 TAM의 약 45 중량% 용액을 수득하였으며, 2 중량% 미만의 유리 아지리딘을 포함하였다. 클로로포름에 대해, 톨루엔-용해된 TAM의 수율은 73%였다.

비교 실시예 1 (아지리딘 : 클로로포름 = 3.6 : 1의 몰비, 초기에 14 중량% 충전된 아지리딘의 양)

비교 실시예 1은 초기에 충전된 아지리딘의 양을 13.3 ml (0.26 mol)로 최소화하고 적가된 아지리딘의 양을 증가시킨 것 (80.3 ml, 1.56 mol)을 제외하고는 실시예 1과 유사하게 수행하였다. 모든 다른 양은 일정하게 유지하였다. 클로로포름 전환은 >99%였으며, 아지리딘 전환은 약 70%였다. 미반응 아지리딘의 제거 후에, 톨루엔 중 TAM의 약 40% 용액을 수득하였으며, 2% 미만의 유리 아지리딘을 포함하였다. 클로로포름에 대해, 톨루엔-용해된 TAM의 수율은 67%였다.

실시예 1과 비교하여, 상당히 과량의 아지리딘의 사용에도 불구하고, TAM의 수율은 동일하게 유지된 것으로 나타났다. 과량의 아지리딘은 TAM의 합성에 유리하지 않았지만, 단지 후처리와 연관된 비용 및 노력을 증가시켰다. 출발 물질의 반응 동안에, 큰 온도 증가가 발생하였으며, 이는 특히 냉각 시스템을 매우 요구하고 공급 속도의 상당한 저하를 필요로 하여 산업적 규모에 대한 반응의 전체 성능을 저해한다.

실시예 4 (보다 많은 톨루엔)

실시예 4는 톨루엔의 양이 100 ml로 증가된 것을 제외하고는 실시예 1과 유사하게 수행하였다. 모든 다른 양은 동일하게 유지하였다. 클로로포름 전환은 >99%였으며, 아지리딘 전환은 약 73%였다. 미반응 아지리딘의 제거 후에, 톨루엔 중 TAM의 약 37% 용액을 수득하였으며, 2% 미만의 유리 아지리딘을 포함하였다. 클로로포름에 대해, 톨루엔-용해된 TAM의 수율은 62%였다.

보다 희석된 방식의 작업은 유리하지 않았으며; 대조적으로, 보다 많은 톨루엔을 사용하여 용매 순환 스트림을 불필요하게 팽창시키고, 공간-시간 수율을 저하시켰다.

Claims (13)

1. 아지리딘을 클로로포름과 반응시킴으로써 하기 화학식 I의 트리스아지리디노메탄을 제조하는 방법이며, 여기서 아지리딘 대 클로로포름의 몰비는 3 : 1 이하인 방법.
   <화학식 I>
   

   
2. 제1항에 있어서, 아지리딘 대 클로로포름의 몰비가 2 : 1 내지 3 : 1인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응 용기가 클로로포름이 반응 용기에 공급되기 전에 아지리딘의 총량 중 50% 이하를 포함하는 것인 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 용기가 클로로포름이 반응 용기에 공급되기 전에 아지리딘의 총량 중 0 내지 30%를 포함하는 것인 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 아지리딘의 총량 중 50% 초과, 및 또한 클로로포름의 총량이 반응 용기 내 온도가 50℃를 초과하지 않도록 반응 용기 내에 연속적으로 계량되는 것인 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 반응이 용매의 존재 하에 수행되는 것인 방법.
7. 제6항에 있어서, 용매가 방향족 탄화수소인 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 출발 물질 아지리딘 및 클로로포름의 총 부피의 100 부피부당 용매의 55 내지 75 부피부가 사용되는 것인 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 반응이 염기의 존재 하에 수행되는 것인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 염기가 수산화나트륨 또는 수산화칼륨인 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 염기가 분말 형태로 반응 용기에 공급되는 것인 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 미반응 아지리딘이, 수득된 생성물 용액으로부터 증류에 의해 제거되는 것인 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 미반응 아지리딘의 제거 후에, 생성물 용액이 고형물을 제거하기 위해 여과되는 것인 방법.