KR20160071179A - Polymer resin-anchored ionic liquid catalyst and preparing method of n,n'-substituted urea using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an ionic catalyst including a nitrogen-containing organic cation chemically immobilized on a polymer resin carrier and an anion thereof and a method for selectively preparing N,N′-substituted urea by reacting an amine compound with carbon dioxide in the presence of the catalyst. The all substituted urea prepared in the present invention can be easily transformed into isocyanate via carbamate and the isocyanate can be used as an important precursor compound which can be transformed into polyurethane through the reaction with polyol. The ionic liquid-based catalyst immobilized on a polymer resin carrier of the present invention is reusable for several times, and is thus economic.

Description

고분자 수지에 고정된 이온성 액체계 촉매 및 이를 이용한 N,N'-치환 우레아의 제조 방법{Polymer resin-anchored ionic liquid catalyst and preparing method of N,N’-substituted urea using the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an ionic liquid-based catalyst fixed to a polymer resin, and a method for preparing N, N'-substituted urea using the same.

본 발명은 이온성 액체계 촉매 및 이 촉매 존재 하에서 아민 화합물 및 이산화탄소를 반응시켜 N,N'-치환 우레아를 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 폴리스티렌 등의 고분자 수지에 화학적으로 고정된 이온성 액체계 촉매 및 이 촉매 존재 하에서 아민 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 단일 용기 내 반응(one-pot reaction)으로 N,N'-치환 우레아를 고선택율로 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for preparing an N, N'-substituted urea by reacting an ionic liquid-phase catalyst and an amine compound and carbon dioxide in the presence of the catalyst. More specifically, the present invention relates to an ionic liquid- Liquid-phase catalyst and a method for producing N, N'-substituted urea in a high selectivity by a one-pot reaction by reacting an amine compound with carbon dioxide in the presence of the catalyst.

일반적으로 치환우레아는 중요한 카르보닐 화합물로서, 농약, 의약품, 합성염료, 가소제, 안정제, 가솔린 산화 방지제, 아미노 수지 첨가제 등 다양한 분야에 널리 사용되는 화합물이다.Generally, substituted urea is an important carbonyl compound and widely used in a variety of fields such as pesticides, pharmaceuticals, synthetic dyes, plasticizers, stabilizers, gasoline antioxidants, and amino resin additives.

종래에, 치환 우레아를 제조하기 위해서는 아민과 포스겐(phosgen)을 반응시키는 방법이 사용되었다. 하지만 포스겐은 맹독성이고 부식성이 커서 취급하기 어려울 뿐 아니라 반응 후에 공해물질인 HCl을 부산물로 다량 발생시켜 환경문제를 야기시키는 단점이 있다. 이에 미국, 일본 및 유럽 등에서는 유해한 포스겐을 사용하지 않고 치환 우레아를 제조하는 방법들이 연구되고 있다.Conventionally, a method of reacting an amine with phosgene has been used to prepare a substituted urea. However, since phosgene is toxic and corrosive, it is difficult to handle, and after the reaction, HCl, which is a pollutant, is produced as a by-product, which causes environmental problems. Therefore, in the United States, Japan, and Europe, methods for producing substituted urea without using harmful phosgene have been studied.

포스겐을 사용하지 않고 일산화탄소나 카보닐설파이드 등을 이용하는 우레아 제조 방법이 연구되었는데, 고온, 고압 하에서 아민을 일산화탄소 및 산소와 반응시켜 N,N'-치환 우레아를 제조하거나(일본 특허 공고 소53-41123호 및 일본 특허 공개 소58-144363호), 아민을 일산화탄소 및 니트로화합물과 반응시켜 우레아를 제조함에 있어서, 로듐 또는 루테늄 등의 촉매를 이용하여 제조하는 방법이 연구되었으며(일본 특허 공개 소62-59253호), 또한, 아민을 카보닐설파이드와 반응시켜 우레아를 제조하는 방법(미국특허 제2,877,268호), 3급 아민을 촉매로 하여 아민을 일산화탄소 및 황과 반응시켜 우레아를 제조하는 방법(J. Org. Chem.(R. A. Franz, 26, p3309, 1961년), 셀레늄 금속 촉매 하에서 니트로 화합물을 물 및 일산화탄소와 반응시켜 우레아를 합성하는 방법(미국특허 제4,052,454호), 셀레늄-탄산 알칼리 촉매계를 이용하여 일산화탄소와 산소의 혼합가스에서 우레아를 제조하는 방법(대한민국 특허공개 2000-0020218호), 이미다졸륨 알킬셀레나이트 촉매계를 이용하여 일산화탄소와 산소의 혼합가스를 이용하여 우레아를 제조하는 방법(대한민국 특허공개 10-2004-0067023호) 등 다양한 방법의 우레아 제조 연구가 진행되었다.A process for producing urea using carbon monoxide or carbonyl sulfide without using phosgene has been studied. An amine is reacted with carbon monoxide and oxygen under high temperature and high pressure to prepare N, N'-substituted urea (Japanese Patent Publication 53-41123 58-144363), a method for producing urea by reacting an amine with carbon monoxide and a nitro compound using a catalyst such as rhodium or ruthenium has been studied (Japanese Patent Publication No. 62-59253 (U.S. Patent No. 2,877,268), a method in which an amine is reacted with carbon monoxide and sulfur using a tertiary amine as a catalyst (J. Org., Supra), and a method in which an amine is reacted with carbonyl sulfide to produce urea (RA Franz, 26, p3309, 1961), a method of synthesizing urea by reacting a nitro compound with water and carbon monoxide under a selenium metal catalyst No. 4,052,454), a method of producing urea in a mixed gas of carbon monoxide and oxygen by using a selenium-carbonic acid alkaline catalyst system (Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-0020218) and a method of mixing a mixture of carbon monoxide and oxygen using an imidazolium alkyl selenide catalyst system (U. S. Patent Application Publication No. 10-2004-0067023), and the like.

하지만, 일산화탄소를 이용하는 방법 역시 일산화탄소의 독성 및 불안정성, 산소가스와 혼합가스로 사용함으로 인한 폭발 가능성 등 여러 위험성을 지니고 있으며, 황을 사용하는 경우는 처리가 곤란한 H2S와 같은 부산물이 생성되는 문제도 있고, 로듐 또는 루테늄 등의 촉매를 사용하는 방법은 높은 반응 온도와 압력으로 인하여 고가의 귀금속 촉매가 쉽게 분해되는 단점이 있다.However, the method of using carbon monoxide also has various risks such as toxicity and instability of carbon monoxide, possibility of explosion due to use of oxygen gas and mixed gas, and the use of sulfur causes a byproduct such as H 2 S And a method using a catalyst such as rhodium or ruthenium has a disadvantage in that expensive noble metal catalyst is easily decomposed due to high reaction temperature and pressure.

이러한 문제점들을 해결하고 친환경적이며 높은 전환율 및 선택율로 치환 우레아를 제조하기 위한 연구들이 계속 진행되고 있는데, 주로 아민 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 치환 우레아를 제조하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어 루테늄 복합체나 트리페닐스티빈 옥사이드(triphenylstibine oxide)를 촉매로 이용하여 아민과 이산화탄소의 반응을 통해 치환 우레아를 제조하는 방법[J. Org. Chem. 56 (1991) 4456; J. Org. Chem. 57 (1992) 7339]을 들 수 있는데, 하지만 이 방법은 치환 우레아의 선택율이 낮고 부산물이 많이 발생하는 단점을 지니고 있었다.Studies for preparing substituted urea with environmentally friendly and high conversion and selectivity have been continuing. However, studies on the production of substituted ureas by reacting mainly amine compounds with carbon dioxide have been actively conducted. For example, a method of preparing a substituted urea by reacting an amine with carbon dioxide using a ruthenium complex or triphenylstibine oxide as a catalyst [J. Org. Chem. 56 (1991) 4456; J. Org. Chem. 57 (1992) 7339), but this method has a disadvantage in that the selectivity of the substituted urea is low and the byproducts are generated in large amounts.

치환 우레아의 전환율 및 선택율을 높이기 위하여 액체를 이용한 촉매 시스템을 통한 치환 우레아의 제조 방법에 대한 연구가 진행되었는데, 이온성 액체를 촉매 및 용매로 이용하고 CsOH를 촉매로 하여 치환 우레아를 제조하는 방법[Angew. Chem. Int. Ed. 42 (2003) 3257; 중국특허 1209347호], Cs+ 이온을 포함하는 염기를 촉매로 이용하는 방법[Green Chem. 9 (2007) 158], 다양한 이온성 액체의 종류를 촉매로 도입하는 방법[Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (2011)6197] 등이 연구되었다. 하지만 이들 방법의 경우에는 치환 우레아의 선택율은 높일 수 있었으나, 촉매의 회수가 쉽지 않고, 촉매의 재사용이 어렵다는 단점을 지니고 있었다. 한편, 종래에 [1-butyl-3-methylimidazolium]OH (이하, [Bmim]OH라고도 함)와 같은 이온성 액체를 촉매로 이용하여 아민 화합물과 이산화탄소의 반응을 통해 치환 우레아를 무용매 하에서 합성하는 방법[Green Chem. 10 (2008) 465] 등도 연구되었으나, 본 발명자의 연구에 의하면 만족할 만한 치환 우레아의 선택율을 얻을 수는 없었으며, 특히 [Bmim]OH, [Bmim]Acetate 및 [Bmim]Cl 촉매의 경우에는 흡습성이 높아 외부에 노출시 쉽게 변하는 특성 및 반응기 내에 물이 존재할 경우 가수분해에 의해 쉽게 분해되는 단점이 존재하였다.In order to increase the conversion and selectivity of substituted urea, a process for preparing substituted urea through a catalyst system using a liquid has been studied. A process for preparing substituted ureas using an ionic liquid as a catalyst and a solvent and using CsOH as a catalyst [ Angew. Chem. Int. Ed. 42 (2003) 3257; Chinese Patent 1209347], a method using a base containing Cs + ions as a catalyst [Green Chem. 9 (2007) 158], a method of introducing various ionic liquids as catalysts [Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (2011) 6197] were studied. However, in these methods, the selectivity of the substituted urea can be increased, but the recovery of the catalyst is not easy and the catalyst is difficult to be reused. On the other hand, conventionally, substituted ureas are synthesized under solvent-free conditions through the reaction of an amine compound with carbon dioxide using an ionic liquid such as [1-butyl-3-methylimidazolium] OH (hereinafter also referred to as [Bmim] OH) Method [Green Chem. (Bmim) Acetate and [Bmim] Cl catalysts have been found to have hygroscopicity in the case of [Bmim] OH, [Bmim] Acetate and [Bmim] Cl catalysts. There is a disadvantage that it is easily decomposed by hydrolysis when water is present in the reactor.

따라서, 치환 우레아의 전환율 및 선택율을 높일 수 있고 안정성이 높으면서 촉매의 회수 및 재사용이 용이한 새로운 촉매 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for development of a new catalyst system capable of increasing the conversion and selectivity of the substituted urea and having high stability and facilitating the recovery and reuse of the catalyst.

본 발명은 높은 전환율 및 선택율로 치환 우레아를 제조할 수 있고, 안정성이 높으면서도 용이하게 분리한 후에 재사용이 가능하며, 재사용의 경우에도 전환율 및 선택율이 현저하게 저감하지 않는 새로운 촉매 시스템 및 이를 이용한 치환 우레아의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a novel catalyst system capable of producing substituted urea at a high conversion and a high selectivity, capable of reuse after separation with high stability, and which does not remarkably reduce conversion and selectivity even in the case of reuse, And a method for producing the urea.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 연구한 결과, 고분자 수지 담지체에 화학적으로 고정된 질소 함유 유기 양이온 및 중탄산 음이온(bicarbonate: HCO3 -)으로 이루어진 이온성 촉매를 아민화합물과 이산화탄소로부터의 치환 우레아의 제조 반응의 촉매로서 사용하면 종래의 경우보다 치환 우레아의 전환율 및 선택율이 높아지고, 안정성이 높으면서도 유기 용매에 용해되지 않는 불균일계 촉매로서 필터 등을 통해 쉽게 분리한 후에 재사용이 가능하며, 재사용시에도 전환율/선택율을 유지할 수 있다는 점을 발견하게 되었다.As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that an ionic catalyst composed of a nitrogen-containing organic cation and a bicarbonate (HCO 3 - ) chemically fixed on a polymer resin carrier is replaced with an amine compound and carbon dioxide Urea, the conversion and selectivity of substituted urea are higher than those in the conventional case, and it is a heterogeneous catalyst which is high in stability and does not dissolve in an organic solvent and can be easily reused after being easily separated through a filter or the like, And that it is possible to maintain the conversion rate / selectivity at the time.

즉, 본 발명은 고분자 수지 담지체에 화학적으로 고정화된 질소 함유 유기 양이온 및 중탄산 음이온을 포함하는 이온성 액체계 촉매를 제공한다:That is, the present invention provides an ionic liquid-based catalyst comprising a nitrogen-containing organic cation chemically immobilized on a polymeric resin carrier and a bicarbonate anion:

상기 질소 함유 유기 양이온은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 양이온 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하며,Wherein the nitrogen-containing organic cation comprises at least one kind of cation represented by the following general formula (1) or (2)

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 2](2)

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 식에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함하는 4급 암모늄, 이미다졸륨, 피리디늄, 피라졸륨, 피페리디늄, 피롤리디늄, 트리아졸륨, 옥사졸륨, 티아졸륨, 피라디늄, 피리미디늄 및 피리다지늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 양이온기이고, n은 1 이상 10 이하의 정수이며,

Figure pat00003
은 고분자 수지 담지체를 나타낸다).Wherein R 1 to R 3 are each independently selected from the group consisting of quaternary ammonium, imidazolium, pyridinium, pyrazolium, piperidinium, pyrrolidinium, triazolium, oxazolium, Thiazolium, pyridinium, pyrimidinium and pyridazinium, n is an integer of 1 or more and 10 or less,
Figure pat00003
Represents a polymer resin carrier).

바람직한 일 구현예에서 상기 이온성 액체계 촉매는 하기 화학식 3 내지 화학식 7로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함한다: In a preferred embodiment, the ionic liquid-based catalyst comprises at least one member selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (3) to (7)

[화학식 3](3)

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

[화학식 7](7)

Figure pat00008
Figure pat00008

(여기서, R4 ~ R17은 각각 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 나타내고, n은 1 이상 6 이하의 정수이며,

Figure pat00009
는 고분자 수지 담지체를 나타낸다).(Wherein R 4 to R 17 each represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, n is an integer of 1 or more and 6 or less,
Figure pat00009
Represents a polymer resin carrier).

상기 화학식 3 내지 화학식 7로 표시되는 화합물의 대표적인 예는 하기 화학식의 화합물들을 들 수 있다:Representative examples of the compounds represented by the above formulas (3) to (7) include the following compounds:

Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
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,
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,

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,
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,
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,
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,

Figure pat00014
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(여기서, Bu는 부틸기를 나타내며,

Figure pat00015
는 고분자 수지 담지체를 나타낸다).(Wherein Bu represents a butyl group,
Figure pat00015
Represents a polymer resin carrier).

바람직한 일 구현예로서, 본 발명의 이온성 액체계 촉매의 제조 시에 사용되는 고분자 수지로서는 수지 담지체의 말단에 관능기가 결합되어서 그 관능기를 통하여 질소함유 유기물이 용이하게 고분자 수지에 고정될 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없다. 상기 고분자 수지는 치환/비치환형 폴리스티렌 또는 그 유도체를 사용할 수 있으며, 이 중에서 클로로메틸화(chloromethylated) 폴리스티렌 수지를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 알킬할라이드 말단의 폴리스티렌 수지 또는 히드록시메틸기 말단의 폴리스티렌 수지를 사용할 수도 있다. As a preferred embodiment, the polymeric resin used in the production of the ionic liquid-based catalyst of the present invention may be a polymeric resin in which a functional group is bonded to the terminal of the resin carrier and nitrogen-containing organic materials can be easily fixed to the polymeric resin through the functional group There are no special restrictions. The polymer resin may be a substituted / unsubstituted polystyrene or a derivative thereof, and it is most preferable to use a chloromethylated polystyrene resin. In addition, a polystyrene resin having an alkyl halide end or a polystyrene resin having a hydroxymethyl terminated end may be used.

또한, 본 발명은 상기 이온성 액체계 촉매를 사용하여 N,N'-치환 우레아를 제조하는 방법에 관한 것인데, 상기 이온성 액체계 촉매 존재 하에서 아민 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 하기 화학식으로 표시되는 N,N'-치환 우레아를 선택적으로 제조하는 방법을 제공한다: The present invention also relates to a process for the preparation of N, N'-substituted ureas using the above ionic liquid system catalyst, wherein an amine compound and carbon dioxide are reacted in the presence of the ionic liquid system catalyst to produce N , ≪ / RTI > N'-substituted ureas:

Figure pat00016
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상기 화학식에서, R은 탄소수 2~10의 지방족 알킬기 또는 탄소수 4~10의 지환족 알킬기이다(이들 알킬기의 말단은 히드록실기, 아실기, 카르복실기, 할로겐 원소 또는 -NH2기로 치환될 수 있다).In the above formula, R is an aliphatic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms or an aliphatic alkyl group having 4 to 10 carbon atoms (the terminal of these alkyl groups may be substituted with a hydroxyl group, an acyl group, a carboxyl group, a halogen atom or an -NH 2 group) .

상기 아민 화합물은 화학식 R1-NH2로 표시되는 화합물이며, 여기에서 R1은 탄소수 2~10의 지방족 알킬기 또는 탄소수 4~10의 지환족 알킬기이고, 이들 알킬기의 말단은 히드록실기, 아실기, 카르복실기, 할로겐 원소 또는 -NH2기로 치환될 수도 있는 화합물이며, 상기 아민 화합물의 예를 들면, 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 부틸아민, 이소부틸아민, 헥실아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 옥타데실아민, 벤질아민, 시클로프로필아민, 시클로부틸아민, 시클로펜틸아민, 시클로헥실아민, 시클로헵틸아민, 시클로옥틸아민, 시클로도데실아민, 1,4-디아미노시클로헥산, 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실아민) 등을 들 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 다만, 시클로부틸아민, 시클로펜틸아민, 시클로헵틸아민 등과 같은 지환족 1급 아민을 사용하는 것이 전환율과 선택율을 보다 높일 수 있다는 점에서 바람직하다.Wherein the amine compound is a compound represented by the formula R 1 -NH 2 wherein R 1 is an aliphatic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms or an aliphatic alkyl group having 4 to 10 carbon atoms and the terminal of the alkyl group is a hydroxyl group, , A carboxyl group, a halogen atom or an -NH 2 group, and examples of the amine compound include methylamine, ethylamine, isopropylamine, butylamine, isobutylamine, hexylamine, dodecylamine, hexa Cyclohexylamine, cycloheptylamine, cyclooctylamine, cyclododecylamine, 1,4-diaminocyclohexane, 4, 4-diaminocyclohexane, 4, 4'-methylenebis (cyclohexylamine), and the like, but are not limited thereto. However, it is preferable to use alicyclic primary amines such as cyclobutylamine, cyclopentylamine, cycloheptylamine and the like in view of higher conversion and selectivity.

고분자 수지 담지체에 화학적으로 고정화된 질소 함유 유기 양이온 및 중탄산 음이온을 포함하는 이온성 액체계 촉매를 사용하여 아민화합물과 이산화탄소를 반응시키면 원하는 N,N'-치환 우레아를 고전환율 및 고선택율로 수득할 수 있다.Reaction of an amine compound with carbon dioxide using an ionic liquid-based catalyst comprising a nitrogen-containing organic cation and a bicarbonate anion chemically immobilized on the polymer resin carrier yields the desired N, N'-substituted urea in a high exchange rate and high selectivity can do.

본 발명의 이온성 액체계 촉매의 존재 하에서 아민 화합물 및 이산화탄소를 반응시킬 때의 바람직한 반응 조건과 관련해서, 치환 우레아의 선택율과 전환율을 향상시키기 위해서는 일정 수준 이상의 반응 온도와 압력이 필요하지만 반응 온도 또는 압력이 너무 높아 버리면 역반응 등에 의해 전환율이 감소되어 버리고, 반응 온도 또는 압력이 너무 높아버리면 고온에서의 역반응에 의한 전환율/선택율 감소 및 고압에 필요한 장비 설치 등의 문제로 공정의 경제적 효율성이 악화되어 버리는 문제가 발생한다. 치환 우레아의 제조방법의 전환율과 선택율을 보다 향상시키기 위해서는 바람직한 온도 범위는 170~190℃, 바람직한 (이산화탄소) 압력 범위는 800~1400psig이다.Regarding the preferable reaction conditions in the reaction of the amine compound and carbon dioxide in the presence of the ionic liquid system catalyst of the present invention, a reaction temperature and pressure higher than a certain level are required to improve the selectivity and conversion of the substituted urea, If the pressure becomes too high, the conversion rate will be reduced due to the reverse reaction. If the reaction temperature or pressure becomes too high, the economical efficiency of the process will deteriorate due to problems such as reduction in conversion / selectivity due to the reverse reaction at high temperature, A problem arises. In order to further improve the conversion and the selectivity of the substituted urea production method, the preferable temperature range is 170 to 190 占 폚, and the preferable (carbon dioxide) pressure range is 800 to 1400 psig.

그리고, 반응 시간은 대략 4~6시간인 경우가 치환 우레아의 전환율과 선택율이 향상된다는 점에서 바람직하다.The reaction time is preferably about 4 to 6 hours because the conversion and the selectivity of the substituted urea are improved.

또한, 상기 아민 화합물과 이온성 액체계 촉매의 몰 비율은 5000:1~50:1, 바람직하게는 2500:1~100:1이다. 상기 몰비율이 지나치게 낮아서 이온성 액체계 촉매를 다량으로 사용하는 경우에는 경제적 측면에서 바람직하지 않으며, 반대로 상기 몰비율이 지나치게 높은 경우에는 전환율이 감소하여서 바람직하지 않다.The molar ratio of the amine compound to the ionic liquid system catalyst is from 5000: 1 to 50: 1, preferably from 2500: 1 to 100: 1. If the molar ratio is too low, it is not economically advantageous to use a large amount of the ionic liquid system catalyst. Conversely, when the molar ratio is excessively high, the conversion rate is undesirably decreased.

또한, 상기 반응은 용매 없이 진행되거나, 탄소수 1~6개의 알코올, 테트라히드로푸란(THF), 디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디메틸프로필렌우레아(DMPU), N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세토니트릴, 톨루엔 및 디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매 존재 하에서 진행되나, 이들에 한정되지는 않으며, 아울러 상기 반응은 단일 용기내 반응(one-pot reaction)으로 실시될 수 있다. 보다 구체적으로, 용매의 존재 하에서 본 발명의 제조 방법을 실시하는 경우, N,N'-디메틸프로필렌우레아(DMPU) 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같이 고온에서 안정하며 극성 비양성자성(polar aprotic) 용매를 사용하는 것이 바람직하다.The reaction may be carried out in the absence of a solvent or in the presence of an alcohol having 1 to 6 carbon atoms such as tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), N, N'-dimethylpropyleneurea (DMPU), N-methylpyrrolidone NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), acetonitrile, toluene, and dioxane, and the reaction is carried out in the presence of a one- pot reaction. More specifically, when the process of the present invention is carried out in the presence of a solvent, it is stable at high temperatures such as N, N'-dimethylpropylene urea (DMPU) or N-methylpyrrolidone (NMP) polar aprotic solvent is preferably used.

본 발명에 의하면 고분자 수지 담지체에 화학적으로 고정된 이온성 액체계 촉매 하에서 아민 화합물 및 이산화탄소를 반응시켜 치환 우레아를 높은 전환율 및 선택율로 제조할 수 있다.According to the present invention, an amine compound and carbon dioxide can be reacted with an ionic liquid-phase catalyst chemically immobilized on a polymeric resin carrier to produce substituted urea with high conversion and selectivity.

본 발명에서 제조되는 치환 우레아들은 모두 카바메이트를 거쳐서 이소시아네이트로 쉽게 전환이 가능하고, 이소시아네이트는 폴리올과의 반응을 통해 폴리우레탄으로 전환될 수 있는 중요한 전구체 화합물로 사용될 수 있다.All of the substituted ureas prepared in the present invention can be easily converted to isocyanate via carbamate, and the isocyanate can be used as an important precursor compound which can be converted to a polyurethane through reaction with a polyol.

한편, 본 발명에서의 고분자 수지에 고정된 이온성 액체계 촉매는 안정적이면서 여러 번 재사용이 가능하므로 경제적이라는 추가적인 장점이 있다.On the other hand, the ionic liquid-based catalyst fixed to the polymer resin in the present invention has an additional advantage of being economical because it is stable and can be reused many times.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are intended to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[[ 제조실시예Manufacturing Example 1~5] 이온성  1 ~ 5] Ionic 액체계Liquid system 촉매의 제조 ( Preparation of Catalyst PSPS -- ILIL , 화합물 1~5), Compounds 1 to 5)

본 발명의 이온성 액체계 촉매 화합물은 시작 물질로서 폴리스티렌 담지체에 Cl 관능기가 결합되어 있는 메리필드 수지(3.5-4.5mmol Cl기/g)를 사용하여 합성하였다. 아래에 본 발명의 이온성 액체계 촉매 화합물(상기 화학식 3 내지 7로 나타낸 화합물 중 대표적인 예)의 합성 단계를 간략하게 표로 정리하였다.The ionic liquid system catalyst compound of the present invention was synthesized by using Merrifield resin (3.5-4.5 mmol of Cl group / g) having a Cl functional group bonded to a polystyrene carrier as a starting material. The synthesis steps of the ionic liquid system catalyst compounds of the present invention (representative examples of the compounds represented by the above formulas 3 to 7) are summarized in the following table.

Figure pat00017
Figure pat00017

화합물 1, 2, 3의 제조방법Preparation of compounds 1, 2 and 3

하기의 3단계로 화합물 1 내지 3을 제조하였다.Compounds 1 to 3 were prepared in the following three steps.

(i) 100mL 둥근 플라스크에 2g의 메리필드 수지(Merrifields' resin)(1% 가교결합됨, 3.5~4.5mmol Cl/g) 및 비스(2-클로로에틸)아민(2.45g, 12mmol)을 투입후 정제된 35mL의 아세토니트릴을 반응용매로 넣어준 다음 12시간 동안 아르곤 분위기 하에서 환류시킨다. 반응이 끝나면 실온에서 냉각시킨 후, 생성물을 여과하여 수집하고, 충분한 양의 메탄올과 아세톤으로 세척하여 진공 오븐에서 80℃에서 건조시켜 황색 고체를 얻었다. (i) Merrifields resin (1% crosslinked, 3.5-4.5 mmol Cl / g) and bis (2-chloroethyl) amine (2.45 g, 12 mmol) were added to a 100 mL round flask Purified 35 mL of acetonitrile is added to the reaction solvent and refluxed in an argon atmosphere for 12 hours. After the reaction was completed, the reaction product was cooled at room temperature, and the product was collected by filtration, washed with a sufficient amount of methanol and acetone, and dried in a vacuum oven at 80 DEG C to obtain a yellow solid.

(ii) 상기 수득한 2g의 황색 고체를 35mL의 디메틸포름아미드에 분산시키고, 1-메틸이미다졸(2.56ml, 32mmol)을 첨가시켰다. 혼합물을 80℃에서 24시간 동안 아르곤 분위기에서 격렬하게 교반시킨 후, 얻어진 고체 생성물을 아세톤으로 세척하여 잔류하는 1-메틸이미다졸을 제거하였다. 상기 1-메틸이미다졸을 제거한 후 수득한 고체를 진공상태에서 80℃의 온도로 건조시켜 황색 고체를 얻었다. (ii) The obtained 2 g of yellow solid was dispersed in 35 mL of dimethylformamide and 1-methylimidazole (2.56 mL, 32 mmol) was added. After stirring the mixture vigorously in an argon atmosphere at 80 < 0 > C for 24 h, the solid product obtained was washed with acetone to remove residual 1-methylimidazole. After removing the 1-methylimidazole, the obtained solid was dried in a vacuum at a temperature of 80 ° C to obtain a yellow solid.

(iii) 클로라이드(chloride) 음이온을 중탄산 종으로 교환하기 위해, 정제된 35mL의 메탄올에 중탄산 나트륨(sodium bicarbonate)(2.69g, 32mmol)과 상기 단계 (ii)에서 수득한 고체를 투입하여 함께 혼합시켰다. 혼합물을 아르곤 분위기 하에 24시간 동안 실온에서 교반시켰다. 이 후, 고체를 여과하고, 중성이 될 때까지 2차 증류수로 세척하여 진공 오븐에서 80℃의 온도로 건조시켜 화합물 1을 합성하였다. 비교실험용으로서, 중탄산 음이온 대신 다른 음이온(Br-, NTf2 -, OMs-, OTs-)을 사용하여 다양한 종류의 음이온을 갖는 화합물 1의 유도체를 추가로 합성하였다. 화합물 2와 화합물 3도 상기와 비슷한 방법으로 제조하되 1-메틸이미다졸 대신 화합물 2는 피리딘을, 화합물 3은 테트라-n-부틸아민을 사용하여 합성하였다.(iii) To replace the chloride anion with a bicarbonate species, sodium bicarbonate (2.69 g, 32 mmol) and the solid obtained in step (ii) were added to 35 mL of purified methanol and mixed together . The mixture was stirred at room temperature for 24 hours under an argon atmosphere. Thereafter, the solid was filtered, washed with secondary distilled water until neutral, and dried in a vacuum oven at a temperature of 80 ° C to synthesize Compound 1. As a comparison experiment, instead of bicarbonate anions other anions were prepared by adding a derivative of Compound 1 with a variety of anions using (Br -, NTf 2 -, OMs - -, OTs). Compound 2 and Compound 3 were also prepared by the same method as above except that Compound 2 was synthesized by using pyridine instead of 1-methylimidazole and Compound 3 was synthesized by using tetra-n-butylamine.

화합물 4, 5의 제조방법Production methods of compounds 4 and 5

(vi) 메리필드 수지(2g) 및 이미다졸(1.1g, 16mmol)을 투입한 후 정제된 35mL 아세토니트릴을 반응용매로 넣어준 다음 혼합물을 아르곤 분위기 하에서 24시간 동안 100에서 환류시켰다. 반응 후 감압 여과하였으며 얻어진 고체를 아세톤, 0.1mol/L의 염산과 이차 증류수로 세척하고, 진공상태에서 80℃의 온도로 건조시켜 노란색 고체를 얻었다. (vi) Merryfield resin (2g) and imidazole (1.1g, 16mmol) were added, and then refluxed with 35mL of acetonitrile as a reaction solvent. Then, the mixture was refluxed at 100 for 24 hours under an argon atmosphere. After the reaction, the reaction mixture was filtered under reduced pressure. The obtained solid was washed with acetone, 0.1 mol / L hydrochloric acid and secondary distilled water, and dried at 80 ° C. under vacuum to obtain a yellow solid.

(vii) 1,4-디브로모부탄(1.45ml, 12mmol) 및 상기 단계 (iv)에서 수득한 노란색 고체 2g을 30mL의 1,4-디클로로메탄에 넣어 교반하고 혼합물을 24시간 동안 아르곤 분위기에서 환류시켰다. 실온에서 냉각시킨 후, 생성물을 여과하여 수집하고, 충분한 양의 메탄올과 아세톤으로 세척하였다. 그 후 진공 오븐에서 80℃로 건조시켜 2g의 어두운 황색 고체를 얻었다. (vii) 1,4-Dibromobutane (1.45 ml, 12 mmol) and 2 g of the yellow solid obtained in the above step (iv) were stirred in 30 ml of 1,4-dichloromethane and the mixture was stirred for 24 hours in an argon atmosphere Lt; / RTI > After cooling to room temperature, the product was collected by filtration and washed with a sufficient amount of methanol and acetone. It was then dried in a vacuum oven at 80 DEG C to give 2 g of a dark yellow solid.

(iv~v) 상기 2g의 고체와 트리부틸아민(tributylamine)(3.82ml, 16mmol)을 35mL의 정제된 디메틸포름아미드에 첨가한 뒤 아르곤 분위기 하에서 24시간 동안 80℃에서 교반하였다. 그 후, 실온에서 냉각시킨 후, 고체를 여과하여 수집하고, 아세톤으로 세척한 후 감압 하에 80℃에서 건조시켜 두 개의 브롬 음이온을 함유하는 생성물을 얻었다. 최종 생성물인 화합물 4는 위에서 상술한 바와 동일한 절차 (iii)에 따라 브로마이드 음이온(Br-)을 중탄산 음이온으로 교환하여 합성할 수 있었다. 위와 같은 방법으로 화합물 5를 제조하되 트리부틸아민 대신 피리딘을 반응시켜 합성하였다.(iv-v) The above 2 g solid and tributylamine (3.82 ml, 16 mmol) were added to 35 mL of purified dimethylformamide and stirred at 80 < 0 > C for 24 h under an argon atmosphere. Thereafter, after cooling at room temperature, the solid was collected by filtration, washed with acetone and dried at 80 ° C under reduced pressure to give a product containing two bromine anions. The final product, Compound 4, could be synthesized by replacing the bromide anion (Br - ) with a bicarbonate anion according to the same procedure (iii) as described above. Compound 5 was prepared in the same manner as above, but was synthesized by reacting pyridine instead of tributylamine.

상기 화합물 1~5의 합성 순서를 상기 표 1과는 달리 한꺼번에 나타내면 아래와 같다.(아래에 표시된 (i~vii) 단계는 상술한 제조방법에서 표기한 단계의 번호와 일치한다) The synthesis procedures of the above compounds 1 to 5 are shown collectively as shown in Table 1 below. (Steps (i to vii) shown below correspond to those of the steps described in the above-mentioned production method)

Figure pat00018
Figure pat00018

[[ 제조비교예Manufacturing Comparative Example 1~2] 촉매합성 ( 1 ~ 2] Catalyst Synthesis SiSi -10, -10, SiSi -11)-11)

하기와 같은 방법으로 실리카계 담지체를 사용한 이온성 액체 촉매를 합성하였다. 실리카계 담지체로는 메조포어 실리카 유형인 MCM-41과 SBA-15(Si-10, 11)를 사용하였으며 상술한 이온성 액체를 고정하였다.An ionic liquid catalyst using a silica-based carrier was synthesized by the following method. Mesoporous silica type MCM-41 and SBA-15 (Si-10, 11) were used as the silica-based support, and the ionic liquid described above was fixed.

(viii) 모든 실리카 물질은 사용 전에 8시간 동안 감압하여 100℃에서 미리 활성화 시켰다. 100mL 둥근 플라스크에 활성화된 2g의 SBA-15(또는 MCM-41)와 클로로프로필트리메톡시실란(chloropropyltrimethoxysilane)(CPTMS)(3ml, 16mmol)을 정제된 톨루엔 35mL에 첨가하여 혼합하였다. 아르곤 분위기 하에 혼합물을 첨가한 후, 실리카를 여과시켜 분리한 뒤 톨루엔과 디클로로메탄으로 세척하였고, 반응하지 않은 CPTMS를 제거하기 위해 24시간 동안 디클로로메탄으로 속슬렛 추출(Soxhlet extraction)하였다. 그 고체를 다시 여과한 뒤, CPTMS/실리카 생성물을 60의 온도로 진공 오븐에서 건조하여 하기와 같은 중간체를 얻었다. 그 후, 상기 폴리스티렌계 촉매의 제조방법(i, ii, iii)을 차용하여 하기와 같은 실리카계 촉매 Si-10 및 Si-11을 얻었다. (viii) All silica materials were pre-activated at 100 DEG C by depressurization for 8 hours before use. To a 100 mL round flask was added 2 g of activated SBA-15 (or MCM-41) and chloropropyltrimethoxysilane (CPTMS) (3 mL, 16 mmol), which had been activated, to 35 mL of purified toluene and mixed. After addition of the mixture under argon atmosphere, the silica was separated by filtration, washed with toluene and dichloromethane, and Soxhlet extracted with dichloromethane for 24 hours to remove unreacted CPTMS. The solid was filtered again and the CPTMS / silica product was dried in a vacuum oven at a temperature of 60 to obtain an intermediate as follows. Thereafter, the following silica-based catalysts Si-10 and Si-11 were obtained by using the production methods (i, ii, iii) of the polystyrene-based catalyst.

Figure pat00019
Figure pat00019

[N,N'-치환 [N, N'-substituted 우레아의Urea 제조] Produce]

N,N'-치환 우레아를 제조하는 반응을 반응식으로 나타내면 하기와 같다.The reaction for preparing N, N'-substituted urea is shown in the following reaction scheme.

[반응식 1] [Reaction Scheme 1]

Figure pat00020
Figure pat00020

상기 반응식 1에서,In the above Reaction Scheme 1,

R은 상기 N,N'-치환 우레아의 화학식에서 설명한 바와 같으며,R is as described in the formula of the N, N'-substituted urea,

cat.은 본 발명의 이온성 액체계 촉매들을 의미하고, T는 반응 온도, P는 압력, t는 반응 시간, S는 유기용매를 나타내는데, 이들 촉매 시스템 및 반응 조건은 전술한 바와 같다.Cat refers to the ionic liquid system catalysts of the present invention, T denotes the reaction temperature, P denotes the pressure, t denotes the reaction time, and S denotes the organic solvent. These catalyst systems and reaction conditions are as described above.

상기 반응식 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본원 발명에서는 출발 물질인 아민 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 N,N'-치환 우레아가 생성됨을 알 수 있다.As can be seen from the above reaction scheme 1, in the present invention, N, N'-substituted urea is produced by reacting carbon dioxide with an amine compound as a starting material.

상기 본 발명에서의 반응이 완료된 후 불용성의 치환 우레아를 여과 건조시킨 후 무게를 측정하여 그 수율을 구하고, 아민 화합물의 전환율은 가스-액체 크로마토그래피로 확인할 수 있다. 또한, 치환 우레아를 분리하고 남은 여액을 가스 크로마토그래피로 분석하여 아민 화합물의 전환율을 계산할 수 있다.After completion of the reaction in the present invention, the insoluble substituted urea is filtered and dried, and the weight is measured to obtain the yield. The conversion of the amine compound can be confirmed by gas-liquid chromatography. In addition, the conversion of the amine compound can be calculated by analyzing the filtrate by gas chromatography after removing the substituted urea.

또한, 본 발명의 반응이 완료되면 여과를 통해 주요 목적화합물인 치환 우레아를 뜨거운 메탄올을 이용해 용해시켜서 불균일 촉매로부터 쉽게 분리해 낼 수 있고, 본 발명의 촉매 또한 대부분의 유기 용매에 용해되지 않는 불균일계 촉매로서 필터를 통해 쉽게 분리한 후 재사용하여 반응을 여러번 진행할 수 있으므로 경제적이다.When the reaction of the present invention is completed, the substituted urea, which is the main target compound, is dissolved by using hot methanol to easily separate from the heterogeneous catalyst through filtration, and the catalyst of the present invention is also dissolved in most organic solvents It can be easily separated through a filter as a catalyst and then reused to carry out the reaction several times, which is economical.

[[ 실시예Example 1] 고압반응에 의한  1] High pressure reaction DCUDCU 제조 Produce

100mL 고압 반응기에 마그네틱 교반기와 시클로헥실아민(CHA, "CyNH2"라고도 함)(4.26g, 43mmol)과, 상기 제조실시예 1에서 제조된 화합물 1(0.25g)과, 용매로서 N-메틸피롤리돈(NMP)(10mL)을 함께 채우고 치환 우레아를 제조하는 대표적인 일반적인 공정 조건 중 하나인 반응 온도 170℃, CO2 압력 1200psig에서 4시간 반응시킨 후 반응 혼합물을 실온으로 냉각하여 외부 표준물(external standard)로 이소옥탄 일정량(2mL)을 투입한 후 고체 생성물을 분리하였다. 이 때 분리된 고체 생성물을 증류수로 2~3회 세척하여 시클로헥실 카바메이트 염(CyNH3 +CyNHCOO-)을 제거하고, THF로 2~3회 추가 세척한 후 진공오븐에서 완전히 건조시켰다. 건조 후 생성된 N,N'-디시클로헥실우레아(N,N'-dicyclohexyl urea, DCU)의 무게를 측정하여 DCU의 생성 수율을 계산하였는데, CHA의 전환율(%)과 DCU의 수율은 다음 수학식 1 및 수학식 2와 같이 산출하였다.(4.26 g, 43 mmol) of cyclohexylamine (CHA, also referred to as "CyNH 2 "), Compound 1 (0.25 g) prepared in Preparation Example 1 and N-methylpiperazine pyrrolidone (NMP) (10mL) and the filled cooling was substituted, one of the typical general process conditions for producing the urea reaction temperature 170 ℃, 4 hours at CO 2 pressures 1200psig reaction mixture was cooled to room temperature with external standards (external standard (2 mL) was added and the solid product was isolated. At this time, the separated solid product was washed with distilled water 2-3 times to remove the cyclohexylcarbamate salt (CyNH 3 + CyNHCOO 3 - ), further washed with THF 2 to 3 times, and then completely dried in a vacuum oven. The yield of DCU was calculated by measuring the weight of N, N'-dicyclohexylurea (N, N'-dicyclohexylurea, DCU) produced after drying. The conversion rate (%) of CHA and the yield of DCU (1) and (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00021
Figure pat00021

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00022
Figure pat00022

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00023
Figure pat00023

한편, 상기 고체생성물을 분리하고 남은 여액을 가스 크로마토그래피로 분석하여 미반응된 CHA를 외부 표준을 이용하여 얻은 정량법으로 전환율을 계산하였다. 상기와 같이 실시 후 FID를 장착한 GC 분석결과 CHA의 전환율은 60.4%, DCU 수율은 59.6%, 선택율은 98.7%로 확인되었다.On the other hand, the solid product was separated and the remaining filtrate was analyzed by gas chromatography, and the conversion ratio was calculated by quantitative analysis using unreacted CHA using an external standard. As a result of the GC analysis using the FID as described above, the CHA conversion was 60.4%, the DCU yield was 59.6%, and the selectivity was 98.7%.

[[ 실시예Example 2~5,  2 to 5, 비교예Comparative Example 1~2] 1-2]

실시예 1과 동일한 조건에서 실험을 진행하되 촉매의 종류를 변화시키면서 실시한 결과를 표 2에 나타내었다.Experiments were carried out under the same conditions as Example 1, but the results are shown in Table 2 while varying the type of catalyst.

구 분division 촉매catalyst CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
DCU
선택율(%)
DCU
Selectivity (%)
실시예 1Example 1 화합물 1(화학식 3)Compound 1 (Formula 3) 60.460.4 98.7 98.7 실시예 2Example 2 화합물 2(화학식 4)Compound 2 (Formula 4) 54.154.1 96.596.5 실시예 3Example 3 화합물 3(화학식 5)Compound 3 (Formula 5) 52.552.5 98.8 98.8 실시예 4Example 4 화합물 4(화학식 6)Compound 4 (Formula 6) 49.549.5 99.299.2 실시예 5Example 5 화합물 5(화학식 7)Compound 5 (Formula 7) 48.048.0 99.5 99.5 비교예 1Comparative Example 1 Si-10Si-10 48.548.5 98.6 98.6 비교예 2Comparative Example 2 Si-11Si-11 49.649.6 98.3 98.3

비교예 1 및 2에서 제조된 Si-10 및 Si-11 촉매에 의한 CHA 전환율은 본 발명의 촉매에 의한 CHA 전환율과 거의 유사한 수준으로 나타났지만, 본 발명자들의 추가 연구에 의하면 Si-10 및 Si-11은 합성하기가 어려울 뿐만 아니라 촉매를 여러 번 사용한 후 재사용을 하는 경우에는 촉매의 활성이 현저하게 저하되는 문제점이 확인되어서 치환우레아 제조용 촉매로는 부적합하다. The conversion of CHA by the Si-10 and Si-11 catalysts prepared in Comparative Examples 1 and 2 was almost similar to the CHA conversion by the catalyst of the present invention. However, according to further studies by the present inventors, 11 is difficult to synthesize, and when the catalyst is reused after the use of the catalyst several times, the activity of the catalyst is remarkably lowered, which is unsuitable as a catalyst for preparing substituted ureas.

[[ 비교예Comparative Example 3~7] 3-7]

상기 제조실시예 1에서 음이온을 달리하여 비교실험용으로 제조한 촉매들에 대하여 실시예 1과 동일한 조건에서 실험한 결과를 표 2에 나타내었다. 표 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 이온성 액체계 촉매를 구성하는 음이온인 [HCO3 -]를 사용한 경우에서 가장 높은 활성을 나타냄을 알 수 있었다.Table 2 shows the results of the experiments conducted under the same conditions as in Example 1 for the catalysts prepared for Comparative Experiment with different anions in Production Example 1. As shown in Table 3, it was found that the highest activity was obtained when [HCO 3 - ], which is an anion constituting the ionic liquid system catalyst of the present invention, was used.

구 분division 음이온Anion CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
DCU
선택율(%)
DCU
Selectivity (%)
실시예 1Example 1 [HCO3 -][HCO 3 - ] 60.460.4 98.798.7 비교예 3Comparative Example 3 [Cl-][Cl -] 30.330.3 98.798.7 비교예 4Comparative Example 4 [OMs-]*1 [OMs - ] * 1 32.532.5 98.598.5 비교예 5Comparative Example 5 [OTs-]*2 [OTs - ] * 2 43.243.2 99.099.0 비교예 6Comparative Example 6 [OAc-]*3 [OAc -] * 3 43.543.5 97.897.8 비교예 7Comparative Example 7 [NTf2 -]*4 [NTf 2 - ] * 4 43.043.0 98.598.5 *1: Mesylate ion
*2: Tosylate ion
*3: Acetate ion
*4: Bis(trifluoromethylsulfonyl)amide ion
* 1: Mesylate ion
* 2: Tosylate ion
* 3: Acetate ion
* 4: Bis (trifluoromethylsulfonyl) amide ion

이하에서는 각각의 반응 조건이 N,N'-치환 우레아의 제조 방법의 효율에 미치는 영향을 살펴본다.Hereinafter, the effect of each reaction condition on the efficiency of the production method of N, N'-substituted urea will be examined.

[[ 실시예Example 6 및 7] 6 and 7]

실시예 1과 동일한 조건에서 실험을 진행하되 반응시간을 변화시키면서 각각의 CHA 전환율을 계산하였다. 대체적으로, 반응시간이 길수록 CHA 전환율 및 치환우레아의 수율/선택율이 높게 나왔지만, 반응시간을 지나치게 길게 하는 경우에는 부산물 생성이 증가하고 공정의 경제성도 악화되는 문제점이 있다. 본 발명의 제조방법의 바람직한 반응 시간의 일 구현에서는 4~6시간 정도로 나타났다. 본 발명자들의 추가 연구 결과에 의하면, 3시간 이하로 반응시키는 경우 CHA 전환율이 현저하게 낮아졌으며, 7시간 이상으로 반응시키는 경우 CHA 전환율이 극대화 되기는 하였지만 부산물 증가 및 공정의 경제성 악화의 문제를 확인할 수 있었다.Experiments were carried out under the same conditions as in Example 1, but the CHA conversion rates were calculated while varying the reaction time. In general, the longer the reaction time, the higher the CHA conversion and the yield / selectivity of the substituted urea. However, if the reaction time is too long, the production of by-products increases and the economical efficiency of the process deteriorates. In one embodiment of the preferred reaction time of the preparation process of the present invention, the reaction time was about 4 to 6 hours. According to the results of further studies conducted by the present inventors, the CHA conversion rate was remarkably lowered when the reaction was conducted for 3 hours or less, and when the reaction was conducted for 7 hours or more, the CHA conversion rate was maximized, but it was confirmed that the byproducts increased and the economical efficiency of the process deteriorated .

구분division 반응시간Reaction time CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
DCU
선택율(%)
DCU
Selectivity (%)
실시예 1Example 1 44 60.460.4 98.798.7 실시예 6Example 6 55 60.860.8 98.998.9 실시예 7Example 7 66 62.462.4 99.299.2

[[ 실시예Example 8~11] 8-11]

반응온도를 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실험을 수행하였는데, 일정 수준 이상의 CHA 전환율 및 DCU 선택율을 확보하기 위한 적정 반응온도 범위는 170~190℃임을 알 수 있었다. 반응온도가 170℃ 미만이면 CHA 전환율이 상대적으로 저감하는 경향을 나타내었으며, 본 발명자들의 추가 연구 결과에 의하면 반응온도가 190℃를 초과하면 역반응 등에 의해 전환율이 오히려 감소하여 바람직하지 않았다.Experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was changed. It was found that an appropriate reaction temperature range for securing a CHA conversion rate and a DCU selectivity higher than a certain level was 170 to 190 ° C. When the reaction temperature is lower than 170 ° C, the CHA conversion rate tends to be relatively decreased. According to the further research results of the present inventors, when the reaction temperature exceeds 190 ° C, the conversion rate is rather reduced due to the reverse reaction or the like.

구분division 온도 (℃)Temperature (℃) CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
DCU
선택율(%)
DCU
Selectivity (%)
실시예 8   Example 8 150150 28.528.5 98.2 98.2 실시예 9   Example 9 160160 40.840.8 99.8 99.8 실시예 1   Example 1 170170 60.460.4 98.7 98.7 실시예 10   Example 10 180180 55.655.6 98.7 98.7 실시예 11   Example 11 190190 57.857.8 99.4 99.4

[[ 실시예Example 12] 12]

용매의 종류를 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실험을 수행하였다. 실시예 1에서 사용한 NMP와 같은 극성 비양성자성(polar aprotic) 용매의 하나인 DMPU(N,N'-Dimethylpropyleneurea)를 사용하여 N,N'-치환 우레아를 제조하였다. 표 6에서 보는 바와 같이, NMP를 사용한 경우와 마찬가지로 높은 CHA 전환율을 나타내었다.Experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that the kind of the solvent was changed. N, N'-substituted urea was prepared using DMPU (N, N'-Dimethylpropyleneurea) which is one of the polar aprotic solvents such as NMP used in Example 1. As shown in Table 6, high CHA conversion was obtained as in the case of using NMP.

구분division 용매menstruum CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
DCU
선택율(%)
DCU
Selectivity (%)
실시예 1   Example 1 NMPNMP 60.460.4 98.798.7 실시예 12   Example 12 DMPUDMPU 56.056.0 97.897.8

[[ 실시예Example 13~17] 13-17]

아민의 종류를 달리 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 그 결과, n-부틸아민과 같은 선형의 지방족 아민 뿐만 아니라 시클로프로필아민, 시클로부틸아민, 시클로펜틸아민과 같이 지환족 아민의 경우에도 전환율과 선택율이 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 다만, 헥사메틸렌디아민과 같은 디아민의 경우에는 분자량 1000~3000의 폴리우레아가 생성되어 버려서 치환우레아의 선택율이 대폭 저하되는 문제점이 발생하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that the kind of amine was changed. As a result, it can be confirmed that not only linear aliphatic amines such as n-butylamine but also alicyclic amines such as cyclopropylamine, cyclobutylamine and cyclopentylamine exhibit excellent conversion and selectivity. However, in the case of a diamine such as hexamethylenediamine, a polyurea having a molecular weight of 1000 to 3000 is generated, and the selectivity of the substituted urea is greatly reduced.

Figure pat00024
Figure pat00024

[[ 실시예Example 18~21] 18 ~ 21]

실시예 1과 동일한 조건에서 실험을 진행하되 촉매를 분리 후 재사용하면서 실시한 결과를 표 8에 나타내었다. 표 8에서 보는 바와 같이 4번의 재사용 후에도 치환우레아의 전환율/선택율이 상당히 높은 수준으로 유지되는 것을 알 수 있다.Experiments were carried out under the same conditions as in Example 1 except that the catalysts were separated and reused. As shown in Table 8, it can be seen that the conversion / selectivity of the substituted urea is maintained at a substantially high level even after four times of reuse.

구분division 재사용 횟수Reuse Count CHA
전환율(%)
CHA
Conversion Rate (%)
치환우레아
선택율(%)
Substituted urea
Selectivity (%)
실시예 18Example 18 1One 59.059.0 99.499.4 실시예 19Example 19 22 55.555.5 99.599.5 실시예 20Example 20 33 55.055.0 99.399.3 실시예 21Example 21 44 53.253.2 99.799.7

Claims (12)

고분자 수지 담지체에 화학적으로 고정화된 질소 함유 유기 양이온 및 중탄산 음이온을 포함하는 이온성 액체계 촉매.An ionic liquid system catalyst comprising a nitrogen containing organic cation and a bicarbonate anion chemically immobilized on a polymeric resin support. 청구항 1에 있어서,
상기 질소 함유 유기 양이온은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 양이온 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체계 촉매:
[화학식 1]
Figure pat00025

[화학식 2]
Figure pat00026

(상기 식에서, R1 내지 R3는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함하는 4급 암모늄, 이미다졸륨, 피리디늄, 피라졸륨, 피페리디늄, 피롤리디늄, 트리아졸륨, 옥사졸륨, 티아졸륨, 피라디늄, 피리미디늄 및 피리다지늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 양이온기이고, n은 1 이상 10 이하의 정수이며,
Figure pat00027
은 고분자 수지 담지체를 나타낸다).
The method according to claim 1,
Wherein the nitrogen-containing organic cation comprises at least one cation selected from the group consisting of the following Chemical Formulas 1 and 2:
[Chemical Formula 1]
Figure pat00025

(2)
Figure pat00026

(Wherein ROne To R3Each independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group containing a quaternary ammonium, imidazolium, pyridinium, pyrazolium, piperidinium, pyrrolidinium, triazolium, oxazolium, thiazolium, pyridinium, pyrimidyl, And n is an integer of 1 or more and 10 or less,
Figure pat00027
Represents a polymer resin carrier).
청구항 1에 있어서,
상기 이온성 액체계 촉매는 하기 화학식 3 내지 화학식 7로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체계 촉매:
[화학식 3]
Figure pat00028

[화학식 4]
Figure pat00029

[화학식 5]
Figure pat00030

[화학식 6]
Figure pat00031

[화학식 7]
Figure pat00032

(여기서, R4 ~ R17은 각각 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 나타내고, n은 1 이상 6 이하의 정수를 나타내며,
Figure pat00033
는 고분자 수지 담지체를 나타낸다).
The method according to claim 1,
Wherein the ionic liquid-based catalyst comprises at least one member selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formulas 3 to 7:
(3)
Figure pat00028

[Chemical Formula 4]
Figure pat00029

[Chemical Formula 5]
Figure pat00030

[Chemical Formula 6]
Figure pat00031

(7)
Figure pat00032

(Wherein R 4 to R 17 each represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, n represents an integer of 1 or more and 6 or less,
Figure pat00033
Represents a polymer resin carrier).
청구항 1에 있어서,
상기 이온성 액체계 촉매는 하기의 화합물들로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체계 촉매:
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
.
(여기서, Bu는 부틸기를 나타내며,
Figure pat00039
는 고분자 수지 담지체를 나타낸다).
The method according to claim 1,
Wherein the ionic liquid-based catalyst comprises at least one member selected from the group consisting of the following compounds:
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
.
(Wherein Bu represents a butyl group,
Figure pat00039
Represents a polymer resin carrier).
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 수지는 치환형 또는 비치환형의 폴리스티렌 및 그 유도체의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체계 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer resin comprises any one of substituted or non-substituted polystyrene and derivatives thereof.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 이온성 액체계 촉매의 존재 하에서 아민 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 하기 화학식으로 표시되는 N,N'-치환 우레아를 선택적으로 제조하는 방법:
Figure pat00040

상기 화학식에서,
R은 탄소수 2~10의 지방족 알킬기 또는 탄소수 4~10의 지환족 알킬기이다(이들 알킬기의 말단은 히드록실기, 아실기, 카르복실기, 할로겐 원소 또는 -NH2기로 치환될 수 있다).
A process for selectively producing an N, N'-substituted urea represented by the following formula by reacting an amine compound with carbon dioxide in the presence of the ionic liquid system catalyst according to any one of claims 1 to 5:
Figure pat00040

In the above formulas,
R is an aliphatic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms or an alicyclic alkyl group having 4 to 10 carbon atoms (the terminal of these alkyl groups may be substituted with a hydroxyl group, an acyl group, a carboxyl group, a halogen atom or an -NH 2 group).
청구항 6에 있어서,
상기 아민 화합물은 화학식 R1-NH2로 표시되는 화합물이며, 여기에서 R1은 탄소수 2~10의 지방족 알킬기 또는 탄소수 4~10의 지환족 알킬기이고, 이들 알킬기의 말단은 히드록실기, 아실기, 카르복실기, 할로겐 원소 또는 -NH2기로 치환될 수도 있는 화합물인 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the amine compound is a compound represented by the formula R 1 -NH 2 wherein R 1 is an aliphatic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms or an aliphatic alkyl group having 4 to 10 carbon atoms and the terminal of the alkyl group is a hydroxyl group, , A carboxyl group, a halogen atom or an -NH 2 group.
청구항 7에 있어서,
상기 아민 화합물은 메틸아민, 에틸아민, 이소프로필아민, 부틸아민, 이소부틸아민, 헥실아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 옥타데실아민, 벤질아민, 시클로프로필아민, 시클로부틸아민, 시클로펜틸아민, 시클로헥실아민, 시클로헵틸아민, 시클로옥틸아민, 시클로도데실아민, 1,4-디아미노시클로헥산 및 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실아민)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 7,
The amine compound may be selected from the group consisting of methylamine, ethylamine, isopropylamine, butylamine, isobutylamine, hexylamine, dodecylamine, hexadecylamine, octadecylamine, benzylamine, cyclopropylamine, cyclobutylamine, cyclopentylamine , At least one member selected from the group consisting of cyclohexylamine, cycloheptylamine, cyclooctylamine, cyclododecylamine, 1,4-diaminocyclohexane and 4,4'-methylenebis (cyclohexylamine) ≪ / RTI > substituted ureas.
청구항 6에 있어서,
상기 반응은 이산화탄소 압력 800~1400psig, 반응 온도 170~190℃, 반응 시간 4~6시간의 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the reaction is carried out under a carbon dioxide pressure of 800 to 1400 psig, a reaction temperature of 170 to 190 ° C, and a reaction time of 4 to 6 hours.
청구항 6에 있어서,
상기 아민 화합물과 상기 이온성 액체계 촉매의 몰 비율은 5000:1~50:1인 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the molar ratio of the amine compound to the ionic liquid system catalyst is from 5000: 1 to 50: 1.
청구항 6에 있어서,
상기 반응은 용매 없이 진행되거나,
탄소수 1~6개의 알코올, 테트라히드로푸란(THF), 디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디메틸프로필렌우레아(DMPU), N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세토니트릴, 톨루엔 및 디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매 존재 하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 6,
The reaction may be carried out without solvent,
(DMF), N, N'-dimethylpropylene urea (DMPU), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), and dimethyl sulfoxide N, N'-substituted ureas in the presence of at least one solvent selected from the group consisting of acetonitrile, toluene and dioxane.
청구항 6에 있어서,
상기 반응은 단일 용기내 반응(one-pot reaction)인 것을 특징으로 하는 N,N'-치환 우레아의 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the reaction is a one-pot reaction. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
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