KR20190010201A

KR20190010201A - 사이클로 도데카논의 원-포트 반응을 통한 라우로락탐의 제조방법

Info

Publication number: KR20190010201A
Application number: KR1020170092656A
Authority: KR
Inventors: 최종류; 최인영; 김영규; 김형태; 김남태; 김봉현
Original assignee: 주식회사 제이앤씨사이언스; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-30

Abstract

본 발명은 라우로락탐의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게 설명 하자면, 출발물질인 사이클로도데카논(cyclo dodecanone)에다 하이드록실 암모늄(hydroxyl ammonium) 화합물과 염소계열 촉매를 첨가하여 원-포트 반응(one-pot reaction)으로 라우로락탐을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

사이클로 도데카논의 원-포트 반응을 통한 라우로락탐의 제조방법{The one-port process for laurolactam from cyclododecanone}

라우로락탐(laurolactam) 은 나일론-12나 폴리아미드와 같은 엔지니어링 플라스틱을 제조하는 단량체(monomer)로 주로 사용되며, 분자식 ‘(CH₂)₁₁C(O)NH’로 표시되는 유기화합물이다.

종래 라우로락탐의 공업적인 제조방법은 사이클로 도데카논을 출발물질로 합성한 사이클로 도데카논 옥심(cyclododecanone oxime, C₁₂H₂₃NO) 화합물을 베크만 전위반응(Beckmann rearrangement reaction) 시키는 방법으로, 일본 공고특허 제1977-033118호 및 일본 공개특허 제1993-49640호 등에 제시되어 있다. 상기 사이클로 도데카논 옥심의 베크만 전위반응에는 황산(H₂SO₄) 및 발연황산(Oleum, H₂SO₄.xSO₃)이 촉매로 사용되는데, 이러한 강산류 촉매를 제조하는데 필요한 제조설비와 중화 시 대량의 황산암모늄((NH₄)₂SO₄)을 처리할 수 있는 처리설비가 별도로 필요한 단점이 있다.

또한 사이클로 도데카논을 슈미트 전위반응(Schmidt rearrangement reaction) 시켜 라우로락탐을 합성하는 제조방법도 보고되어 있다(H. Eshghi, et. Al., Journal of Chemical Research, 218-219, 2006). 그러나 이러한 슈미트 전위반응 방법은 반응 도중 다량의 질소가스가 부산물로 발생하여 반응기가 폭발할 위험성이 있으며, 고가의 실리카 진한 황산을 사용해야 하는 단점이 있다.

최근에는 황산 및 발연황산을 이용하지 않는 베크만 전위반응에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 염화시아눌(Cyanuric chloride. C₃Cl₃N₃), 삼염화인(Phosphorus trichloride, PCl₃), 오염화인(Phosphorus pentachloride, PCl₅), 염화티오닐(Thionyl chloride, SOCl₂), 염화 술푸릴 (Sulfuryl chloride, SO₂Cl₂) 등의 촉매가 산업적 사용의 용이성, 저렴한 가격으로 인해 주목받고 있다.

하지만 이러한 촉매들 중에서 염화시아눌과 인 계열 촉매들은 유기용매에서 반응할 경우, 불용 부산물인 시아눌산(Cyanuric aid, C₃H₃N₃O₃)이나 인산(Phosphoric acid, H₃PO₄)으로 각각 변화되고, 인 계열 촉매의 강한 독성은 환경오염을 초래할 수 있어 처리설비가 필요한 단점이 있다.

일본 공고특허 제1977-033118호 일본 공개특허 제1993-49640호

이상 살핀 바와 같이, 종래의 라우로락탐 제조방법은 사이클로 도데카논 옥심을 출발물질로 사용하기 때문에 사이클로 도데카논을 사이클로 도데카논 옥심으로 전환하는 1단계 공정이 추가로 필요하다는 단점이 있다.

이에 본 발명의 목적은 사이클로 도데카논을 출발물질로 사용하여 원-포트 반응(one-pot reaction)으로 라우로락탐을 수득하는 새로운 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 종래의 라우로락탐 제조방법에 비해 전반적인 반응공정이 간단하고 안전하며, 보다 경제적으로 고품질의 라우로락탐을 수득할 수 있는 새로운 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 라우로락탐의 제조방법은, A) 사이클로 도데카논에다, 하이드록실암모늄 황산염, 염화하이드록실 암모늄 중에서 선택된 하이드록실암모늄 화합물과, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 벤젠, 니트로벤젠, 에틸아세테이트, 아세토니트릴 중에서 선택된 반응용매를 첨가하는 단계와; B) 상기 A)단계에서 얻어진 반응용액에 염화시아눌, 염화티오닐, 염화술푸릴, 파라-염화톨루엔 설포닐, 염화아연 중에서 선택된 염소계열 촉매를 첨가하는 단계와; C) 상기 B) 단계에서 얻어진 반응용액을 50 ~ 100 ℃의 온도로 가열 및 교반하는 단계; 를 포함하고, 상기 A) 내지 C) 단계는 원-포트 반응(one-pot reaction)으로 진행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 라우로락탐의 제조방법은, 산촉매의 사용에 따른 부산물을 생성하지 않고, 폭발사고를 유발할 수 있는 가스 부산물이 생성되지 않아서 경제성과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 제조방법에 사용되는 용매와 촉매는 공업적으로 널리 사용되고, 별도의 제조공정 없이 비교적 저렴한 가격으로 구입할 수 있으며, 특히 모든 제조공정을 원-포트 반응으로 진행할 수 있기 때문에 종래의 2단계 공정에 비해 저렴한 비용으로 고수율의 라우로락탐을 제조 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 라우로락탐의 제조방법은, 출발물질인 사이클로 도데카논에 반응용매와 염화하이드록실 암모늄 화합물을 첨가하는 A) 단계와, 상기 A) 단계에서 얻어진 반응용액에 염소계열 촉매를 첨가하는 B) 단계, 그리고 상기 B) 단계에서 얻어진 반응용액을 가열 및 교반하는 C) 단계로 이루어진다.

이때, 상기 A) 단계에서부터 C) 단계의 반응공정은 중간체 분리과정을 거치지 않는 원-포트 반응으로 진행되며, 특히 반응 도중에 강산류를 사용하지 않으며 고압의 가스가 발생하지 않으므로 전반적인 반응공정을 안전하게 수행할 수 있다.

본 발명의 제조방법을 반응식으로 표시하면 다음 반응식 1과 같다. 하기 반응식에서 보는 바와 같이 하이드록실 암모늄이 사이클로도데카논과 반응하여 중간체인 사이클로 도데카논 옥심을 생성하고, 생성된 중간체인 사이클로 도데카논 옥심이 촉매와 반응하여 목표물질인 라우로락탐을 생성한다.

[반응식 1]

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 A) 단계에서 사용되는 반응용매로는 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 벤젠, 니트로벤젠, 에틸아세테이트,아세토니트릴 등과 같은 유기용매를 사용할 수 있고 이 중에서 아세토니트릴을 사용하는 것이 가장 좋다. 상기 아세토니트릴을 반응용매로 사용하면, 다른 반응용매를 사용하는 경우와는 달리 라우로락탐의 수율이 높아지는 장점이 있다.

또한, 하이드록실암모늄 황산염, 염화하이드록실 암모늄 등과 같은 하이드록실 암모늄을 사용할 수 있으며, 그 사용량은 사이클로 도데카논 1 mol에 대하여 1 내지 2 mol의 비율로 사용하는 것이 좋다. 상기 하이드록실 암모늄의 사용량이 1mol 미만이면 사이클로 도데카논 옥심이 이론량 만큼 생성되지 않는 문제가 있고, 2 mol 이상이면 반응용액을 불균일하게 만들어 라우로락탐의 수율이 저하되는 문제가 발생한다.

다음으로 상기 B) 단계의 염소계열 촉매로는 염화시아눌, 염화티오닐, 염화 술푸릴, 파라-염화톨루엔 설포닐, 염화아연 등을 사용할 수 있고, 이 중에서 파라-염화톨루엔 설포닐과 염화아연을 함께 사용하는 것이 바람직하다. 상기 염소계열 촉매의 사용량은 사이클로 도데카논 1 mol에 대하여 각각 0.05 내지 0.1 mol을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 염소계열 촉매의 사용량이 0.05 mol 미만이면, 라우로락탐의 수율이 낮아지는 문제가 있고, 반대로 0.1 mol을 초과하더라도 반응조건 이상의 수율이 얻어지지 않는다.

마지막으로, 상기 C) 단계에서는, 상기 B) 단계에서 얻어진 반응용액을 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 가열 교반한다. 이렇게 생성된 반응물을 감압 증류하여 용매를 제거하고, 염기 수용액으로 중화한 후 유기용매로 추출하여 농축하면 본 발명의 목표물질인 라우로락탐을 수득할 수 있다. 이때, 상기 라우로락탐의 순도를 높이기 위해 통상적인 분리 정제과정, 예를 들어 칼럼 크로마토그래피, 재결정 등을 수행할 수 있다. 상기 C) 단계의 반응온도는 상기 A) 단계에서 첨가되는 반응용매의 종류에 따라 달라진다.

참고로, 일반적인 화학 반응공정을 통해서 목표물질을 제조하기 위해서는 반응 중간단계에서 생성된 중간체를 분리 정제한 다음 반응을 진행해야 하므로 이에 따른 시간과 비용의 손실이 발생한다. 그러나 본 발명은 상기와 같은 중간체의 분리과정 없이 출발물질로부터 원-포트 반응으로 고수율의 목표물질을 제조할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명에 대한 실시예를 들어보면 다음과 같다. 다만, 이들 실시예에 의해서 본 발명의 보호범위가 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

둥근바닥 플라스크 (50 mL)에 무수 아세토니트릴(anhydrous acetonitrile, 10 mL), 사이클로 도데카논(365 mg, 2.0 mmol)과 염화하이드록실 암모늄(167 mg, 2.4 mmol)을 순차적으로 첨가한 후, 질소 조건하에서 10분 동안 혼합 교반한다. 이후, 파라-염화톨루엔 설포닐(TsCl, 19 mg, 0.1 mmol,)과 염화아연(ZnCl₂, 14mg, 0.1 mmol)을 첨가한 다음, 82 ℃ 의 온도에서 12시간 동안 가열 환류 하였다.

반응 종료 후 반응용액을 실온까지 냉각하고, 용매로 사용된 아세토니트릴을 감압조건에서 제거하였다. 농축된 생성물을 에틸아세테이트(20 mL)에 녹이고, 포화탄산수소나트륨 수용액(20 mL)으로 중화시켜서 유기층을 추출하였다.

분리된 물층은 에틸아세테이트(20 mL)로 1회 추가로 추출하여 앞서 추출된 유기층과 합친 후, 황산마그네슘으로 유기층에 잔류한 물을 제거 하였다. 상기 황산마그네슘을 제거하기 위해 소결유리 여과기로 여과하고, 여과액의 에틸아세테이트를 감압 증류하여 제거한 후, 농축된 생성물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피(silica gel column chromatography)를 통해서 정제하여 백색 고체상태의 라우로락탐 333 mg(수율: 84%)을 얻었다.

[실시예 2]

둥근바닥 플라스크 (250 mL)에 무수 아세토니트릴(40 mL), 사이클로 도데카논(7.292 g, 40 mmol)과 염화하이드록실 암모늄(3.336 g, 48 mmol)을 순차적으로 첨가한 후, 질소 조건하에서 10분 동안 혼합 교반한다. 이후, 파라-염화톨루엔 설포닐(TsCl, 0.381 g, 2 mmol,)과 염화아연(ZnCl₂, 0.273g, 2 mmol)을 첨가한 다음, 82℃ 의 온도에서 12시간 동안 가열환류 하였다.

반응 종료 후 반응용액을 실온까지 냉각하고 감압조건에서 용매로 사용된 아세토니트릴을 제거하였다. 농축된 생성물을 에틸아세테이트(200 mL)에 녹이고, 포화 탄산수소나트륨 수용액(200 mL)으로 중화시켜서 유기층을 추출하였다. 분리된물층은 에틸아세테이트(200 mL)로 1회 추가 추출하여 앞서 추출된 유기층과 합친 다음, 황산마그네슘(magnesium sulfate)으로 유기층에 잔류한 물을 제거하였다.

상기 황산 마그네슘을 제거하기 위해 소결유리 여과기로 여과하고, 여과액의 에틸아세테이트를 감압 조건에서 제거한 다음, 농축된 생성물을 아세토니트릴을 사용하여 재결정을 통해 정제하여 백색 고체상태의 라우로락탐 6.858 g (수율: 83%)을 얻었다.

[NMR분석]

상기 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 라우로락탐에 대한 NMR 분석결과는 다음과 같다.

- 1H-NMR(CDCl3, 400 MHz): δ = 6.07(br s, 1 H, N-H), 3.26(dd, 2 H), 2.19-2.16(m, 2 H), 1.68-1.62(m, 2 H), 1.55-1.45(m, 2 H) 1.34-1.27(m, 14 H).

- 13C-NMR(CDCl3, 100 MHz): δ = 173.6, 39.0, 36.8, 28.3, 26.7, 26.3, 26.2, 25.7, 24.9, 25.2, 24.6, 23.9.

[녹는점 측정]

상기 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 라우로락탐에 대한 녹는점(M.P.)은 151 ℃로 측정 되었다.

[순도 측정]

상기 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 라우로락탐에 대해 GCMS로 순도를 측정한 결과, 99.9%로 확인 되었다.

Claims

A) 사이클로 도데카논에다, 하이드록실암모늄 황산염, 염화하이드록실 암모늄 중에서 선택된 하이드록실암모늄 화합물과, 테트라하이드로퓨란, 톨루엔, 벤젠, 니트로벤젠, 에틸아세테이트, 아세토니트릴 중에서 선택된 반응용매를 첨가하는 단계와;
B) 상기 A)단계에서 얻어진 반응용액에 염화시아눌, 염화티오닐, 염화술푸릴, 파라-염화톨루엔 설포닐, 염화아연 중에서 선택된 염소계열 촉매를 첨가하는 단계와;
C) 상기 B) 단계에서 얻어진 반응용액을 50 ~ 100 ℃의 온도로 가열 및 교반하는 단계; 를 포함하고,
상기 A) 내지 C) 단계는 원-포트 반응(one-pot reaction)으로 진행되는 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 A) 단계의 하이드록실암모늄 화합물은 염화하이드록실 암모늄인 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 A) 단계의 반응용매는 아세토니트릴인 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 B) 단계의 염소계열 촉매는 파라-염화톨루엔 설포닐 (TsCl)과 염화아연(ZnCl₂)인 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이드록실암모늄 화합물의 사용량은 상기 사이클로 도데카논 1 mol에 대하여 1 ~ 2 mol의 비율로 사용하는 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 염소계열 촉매 화합물의 사용량은 상기 사이클로 도데카논 1 mol에 대하여 0.05 ~ 0.1 mol의 비율로 사용하는 것을 특징으로 하는 라우로락탐의 제조방법.