KR20200142731A - Heteroleptic Fe Complex Catalyst And Preparing Method Of Cyclic Carbonates Using Fe Complex - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이종 리간드 철 착물 촉매 및 상기 촉매를 이용한 환형 카보네이트 제조방법에 관한 것으로 친핵성 할라이드이온을 제공하는 조촉매가 추가된 것으로 온화한 조건에서 환형 카보네이트의 수율 및 선택성에서 효과적인 특징이 있다. The present invention relates to a hetero-ligand iron complex catalyst and a method for producing a cyclic carbonate using the catalyst. A cocatalyst providing a nucleophilic halide ion is added, and it is effective in the yield and selectivity of the cyclic carbonate under mild conditions.
산업적으로 매력적인 화학 물질, 플라스틱 전구체 및 연료의 생산을 위한 화학 원료로 CO2를 재활용할 수 있는 화학 반응을 조사하는 것은 대기 중에 방출되는 인위적 CO2의 총양을 줄이는 데 기여할 수 있는 실용적인 방법으로 간주되어 왔다.Investigating chemical reactions that can recycle CO 2 as a chemical raw material for the production of industrially attractive chemicals, plastic precursors and fuels is considered a practical way to contribute to reducing the total amount of anthropogenic CO 2 released into the atmosphere. come.
에폭사이드의 첨가 반응으로 환형 카보네이트의 합성은 CO2를 사용하는 몇 가지 공정 중 하나를 대표하며, 이 반응은 에폭시드의 개환으로 고리-변형 에너지를 방출하므로 열역학적으로 선호된다.Synthesis of cyclic carbonates by the addition of epoxides represents one of several processes using CO 2 , and this reaction is thermodynamically preferred because the ring-opening of the epoxide releases the ring-transformation energy.
또한 포름산, 메탄올, 우레아(ureas), 카르복실레이트류, 폴리카보네이트류 및 폴리우레탄류와 같은 유용한 화합물로의 상기 이산화탄소(CO2)의 효율적 변환(transformation)은, CO2가 유기 합성에서 잠재적으로 저렴하며 풍부한 C1 빌딩 블록(building block)이기 때문에 매우 매력적이다. In addition, the efficient transformation of the carbon dioxide (CO 2 ) into useful compounds such as formic acid, methanol, ureas, carboxylates, polycarbonates and polyurethanes is the potential for CO 2 to be in organic synthesis. It is very attractive because it is an inexpensive and abundant C1 building block.
이러한 화합물들 중에서, 에폭사이드에 대한 CO2의 고리화 첨가반응(cycloaddition)에 의하여 생성된 환형 카보네이트류는 매력적인 화학물질이다.Among these compounds, cyclic carbonates produced by cycloaddition of CO 2 to epoxides are attractive chemicals.
이러한 화합물들은 리튬-이온 배터리에서의 전해질 성분, 극성 비양자성 용매(polar aprotic solvent), 및 화학적 중간체로서 흔히 사용된다. 통상적으로, 이러한 화합물들은 포스젠(phosgene)과 같은 독성이며 위험한 시약을 이용하여 합성된다. These compounds are commonly used as electrolyte components, polar aprotic solvents, and chemical intermediates in lithium-ion batteries. Typically, these compounds are synthesized using toxic and dangerous reagents such as phosgene.
그러므로, 이산화탄소의 변환을 위한 상기 효율적인 촉매의 수요가 증가되고 있다. 다양한 금속-기반 촉매들이 에폭사이드와 이산화탄소의 커플링에 대한 활성을 나타내었다. Therefore, the demand for the efficient catalyst for the conversion of carbon dioxide is increasing. Various metal-based catalysts have shown activity for the coupling of epoxides to carbon dioxide.
환형 카보네이트 합성을 위한 촉매 시스템에서, 금속-유기 착체 또는 수소 결합 공여체와 같은 루이스 산성 화합물은 반응 속도의 현저한 촉진으로 에폭사이드 고리 개방을 활성화시킨다. 동시에, 4차 암모늄 또는 포스포늄염 및 이온성 액체 내의 친핵성 상대 음이온은 친핵성 공격에 의해 에폭시드 개환을 진행시킨다.In catalyst systems for cyclic carbonate synthesis, Lewis acidic compounds such as metal-organic complexes or hydrogen bond donors activate the epoxide ring opening with a significant acceleration of the reaction rate. At the same time, the quaternary ammonium or phosphonium salt and the nucleophilic counter anion in the ionic liquid advance the epoxide ring opening by nucleophilic attack.
개환(ring-opening)의 협동단계(cooperative step)에 이어서, CO2는 금속 알콕사이드 결합을 삽입하여 고리화가 환형 카보네이트 생성물을 산출하는 알콕시 카보네이트 중간체를 제공한다. 결과적으로, 에폭사이드에 대한 이산화탄소의 고리첨가(cycloaddition)를 위한 대부분의 촉매는 루이스 산성분 ("촉매")과 친핵성 성분 ("조촉매제")으로 구성된 이원계로 알려져왔다. Following the cooperative step of ring-opening, CO 2 provides an alkoxy carbonate intermediate in which cyclization yields a cyclic carbonate product by inserting a metal alkoxide bond. Consequently, most catalysts for the cycloaddition of carbon dioxide to epoxides have been known as binary systems consisting of Lewis acids ("catalyst") and nucleophilic components ("cocatalyst").
지금까지는 Al, Cr, Mn, Co 또는 Zn의 메탈로살렌계착물(metalosalen complexes)은 살렌-리간드(salen-ligand)의 근본적인 특징, 즉 반응용이성, 대부분의 금속 이온에 의한 킬레이트 가능성 및 축방향에 에폭사이드 활성화를 위한 빈 공간을 갖는 평면 지오메트리(geometry)에 관하여 많은 주목을 끌었다. Until now, metalosalen complexes of Al, Cr, Mn, Co, or Zn are fundamental characteristics of salen-ligands, namely the ease of reaction, the possibility of chelation by most metal ions, and the axial direction. Much attention has been drawn to the planar geometry with empty space for epoxide activation.
한편, 금속이 함유되지 않은 시스템의 사용도 광범위하게 연구되어 왔으며, 현재 상업적으로 사용되는 환형 탄산염 합성촉매는 4차 암모늄 또는 포스포늄을 갖는 수소결합 공여체(R-OH, R-NH2 및 이의 양성자화된 화학종)염류에 기반을 두고 있다.On the other hand, the use of a metal-free system has also been extensively studied, and currently commercially used cyclic carbonate synthesis catalysts are hydrogen bond donors having quaternary ammonium or phosphonium (R-OH, R-NH 2 and their protons It is based on salts.
그러나 유기물을 이용한 시스템은 고온상태 및 고농도의 기질이 필요하기 때문에 보다 온화한 조건에서 반응을 수행하기 위해 강한 루이스 산도를 보이는 금속 기반 시스템에 대한 지속적인 연구가 진행되었으며, 최근 몇 년간, 루이스 산성 및 친핵성 성분을 모두 보여주는 다기능 단일 성분 촉매의 연구는 온화한 조건에서 CO2 전환에 대한 지속 가능한 접근법인 것으로 간주되어 왔다.However, since systems using organic substances require high temperature and high concentration of substrates, continuous research has been conducted on metal-based systems showing strong Lewis acidity in order to carry out the reaction under milder conditions. In recent years, Lewis acidity and nucleophilicity The study of multifunctional single component catalysts showing all components has been considered a sustainable approach to CO2 conversion under mild conditions.
금속계 단일 성분 촉매에 관해서, 널리 개발된 방법으로는 리간드에 연결된 4차 오늄염(onium salt)으로서 친핵성 성분을 도입하는 것이다. 암모늄 또는 피리디늄 할라이드를 갖는 이관능성 Al(salen), Co(salen) 및 Zn(salpyr) 착체는 이원촉매 유사체와 비교하여 보다 활성인 것으로 보고되었다. 브롬화된 암모늄(ammonium bromide), 포스포늄(phosphonium bromide) 또는 이미다졸리움 염(imidazolium bromide)을 갖는 Mg 및 Zn의 금속포르피린(Metalloporphyrin)은 또한 임의의 조촉매 없이 더 높은 촉매 활성을 나타내기 위해 개발되었다.As for the metal-based single component catalyst, a widely developed method is to introduce a nucleophilic component as a quaternary onium salt linked to a ligand. Bifunctional Al (salen), Co (salen) and Zn (salpyr) complexes with ammonium or pyridinium halides have been reported to be more active compared to the binary catalyst analogs. Metalporphyrins of Mg and Zn with ammonium bromide, phosphonium bromide or imidazolium bromide are also developed to show higher catalytic activity without any cocatalyst. Became.
또한, 비스이미다졸-관능화된 코발트-포르피린(bisimidazole-functionalized cobalt-porphyrin)계에서 이미다졸(imidazole)이 금속 중심을 공격함으로써 금속에 배위된 친핵성 염화물의 해리를 촉진시켰다. 중성 친핵체로서, N-메틸호모피페라진 잔기의 3차 지방족 아민은 Al(살렌)계 리간드에 도입되어 에폭사이드를 직접 공격하도록 고안되었다. In addition, in the bisimidazole-functionalized cobalt-porphyrin system, imidazole attacked the metal center, thereby promoting the dissociation of the nucleophilic chloride coordinated to the metal. As a neutral nucleophile, the tertiary aliphatic amine of the N-methylhomopiperazine residue was designed to be introduced into the Al (salen)-based ligand to directly attack the epoxide.
에폭사이드 활성화를 위한 멀티 사이트(multiple sites)가 도입되었을 때 상승효과가 관찰되었다. 페놀성 수산기, N-H기, 양성자화된 3차 암모늄기와 같은 다양한 수소 결합 공여체가 추가 브뢴스테드 산 성분을 공급하고 촉매 성능을 향상시키는 데 참여했다.A synergistic effect was observed when multiple sites for epoxide activation were introduced. Various hydrogen bond donors, such as phenolic hydroxyl groups, N-H groups, and protonated tertiary ammonium groups, have been involved in supplying additional Bronsted acid components and improving catalyst performance.
수소 결합 공여체와 관련된 연구는 유기 촉매계에서 깊이 개발되었지만, 금속-리간드 복합체의 적용은 거의 연구되지 않았다. 또한 철 촉매에 대한 관심이 증가하고 있음에도 불구하고 도전할 만한 가치가 있는 이산화탄소 전환에 대한 지속 가능하고 탄소 균형을 이룬 접근법(carbon-balanced approach)에 대한 기능화 철-리간드 시스템에 관한 보고는 거의 없었다.Studies related to hydrogen bond donors have been developed in depth in organic catalyst systems, but the application of metal-ligand complexes has rarely been studied. In addition, despite the growing interest in iron catalysts, there have been few reports of functionalized iron-ligand systems for a sustainable, carbon-balanced approach to carbon dioxide conversion worth the challenge.
본 발명에서 다기능 및 지속 가능한 Fe 촉매의 사용은 50℃ 및 5bar 압력의 온화한 조건에서도 에폭사이드 및 이산화탄소로부터 환형 탄산염을 형성시키는 촉매에 대한 발명이다. 본 발명에서는 최적의 촉매를 위해 에폭사이드 고리 개방을 활성화시키는 할라이드 상대 음이온(counter anion) 및 수소 결합 공여체를 보유하고, 조촉매 및 단일 성분 촉매 시스템을 제공하는 것이다. The use of a multifunctional and sustainable Fe catalyst in the present invention is an invention for a catalyst that forms cyclic carbonates from epoxides and carbon dioxide even under mild conditions of 50°C and 5 bar pressure. In the present invention, a halide counter anion and a hydrogen bond donor for activating epoxide ring opening are provided for an optimal catalyst, and a cocatalyst and a single component catalyst system are provided.
본 발명의 목적은 철 중심금속에 다양한 작용기를 가진 이종 리간드를 도입하여 다기능성 촉매를 제조하고, 추가로 친핵성 할라이드 이온을 제공하는 조촉매와 함께 CO2와 에폭사이드의 고리첨가반응의 촉매로 이용하여 환형 카보네이트 화합물을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to prepare a multifunctional catalyst by introducing heterologous ligands having various functional groups to the iron core metal, and as a catalyst for the cyclic addition reaction of CO 2 and epoxide together with a cocatalyst that provides additional nucleophilic halide ions. It is to provide a method for preparing a cyclic carbonate compound by using.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은 TBAB, TBAI, TPPI, TBD-HI 중 어느 하나의 조촉매가 첨가제로 추가 구성된 하기 화학식(1)~(3)의 중 어느 하나인 이종 리간드 철 착물 촉매를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a heterogeneous ligand iron complex catalyst of any one of the following formulas (1) to (3), wherein any one of TBAB, TBAI, TPPI, and TBD-HI is additionally configured as an additive. Provides.
화학식(1)Formula (1)
[Fe(BIPR)(dhbpy)X]X[Fe(BIP R )(dhbpy)X]X
화학식(2)Formula (2)
[Fe(tpy)(bpy)X]X[Fe(tpy)(bpy)X]X
화학식(3)Formula (3)
[Fe(tpy)(dhbpy)X][Fe(tpy)(dhbpy)X]
여기서,here,
BIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridineBIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridine
tpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridinetpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridine
R = EtOH, PrOH, Pr(OH)2,PrIm(propyl-1H-imidazole)R = EtOH, PrOH, Pr(OH) 2 ,PrIm(propyl-1 H -imidazole)
X = Cl, Br, I X = Cl, Br, I
TBAB = tetrabutylammonium bromideTBAB = tetrabutylammonium bromide
TBAI = tetrabutylammonium iodideTBAI = tetrabutylammonium iodide
TPPI = tetraphenylphosphonium iodideTPPI = tetraphenylphosphonium iodide
TBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-eneTBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-ene
또한 본 발명은 이종 리간드 철 착물 촉매하에서, 1치환기 또는 2치환기 옥사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응에 의하여 탄소수 3 내지 4의 환형 카르보네이트 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for producing a cyclic carbonate having 3 to 4 carbon atoms by a cyclization addition reaction of a mono- or di-substituted oxide and CO 2 under a hetero-ligand iron complex catalyst.
또한 본 발명은 상기 1치환기 옥사이드는 스티렌 옥사이드(styrene oxide), 파라 클로로 스티렌 옥사이드(p-chloro oxide), 파라 브로모 스티렌 옥사이드(p-bromo oxide), 탄소수가 1 내지 10개의 알킬 또는 알킬렌 옥사이드, 글리시돌(glycidol), 페닐 글리시딜 에테르(phenyl glycidyl ether), 알릴 글리시딜 에테르(Allyl glycidyl ether), 메타아크릴레이트 옥사이드(methacrylate oxide), 클로로메틸 옥사이드(chloromethyl oxide)인 것에 특징이 있는 환형 카보네이트류 제조 방법을 제공한다. In addition, in the present invention, the monosubstituted oxide is styrene oxide, para chloro styrene oxide, p-bromo oxide, alkyl or alkylene oxide having 1 to 10 carbon atoms. , Glycidol (phenyl glycidyl ether), allyl glycidyl ether (Allyl glycidyl ether), methacrylate oxide (methacrylate oxide), chloromethyl oxide (chloromethyl oxide) It provides a method for producing cyclic carbonates.
또한 본 발명은 상기 2치환기 옥사이드는 사이클로펜텐 옥사이드(cyclopentene oxide) 또는 사이클로헥센 옥사이드(cyclohexene oxide)인 것에 특징이 있는 환형 카보네이트류 제조 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for producing cyclic carbonates characterized in that the disubstituted oxide is cyclopentene oxide or cyclohexene oxide.
본 발명은 철 중심금속에 다양한 작용기를 가진 이종 리간드를 도입한 다기능성 촉매와 친핵성 할라이드 이온을 제공하는 조촉매를 이용하여 CO2 전환을 위한 균일 유기금속 촉매 기술 확보 및 자원화된 탄소 원료를 이용한 고부가가치 탄소화합물 생산방법에 있어서 효율적이다. The present invention secures a uniform organometallic catalyst technology for CO 2 conversion using a multifunctional catalyst in which heterogeneous ligands having various functional groups are introduced into the iron core metal and a cocatalyst providing nucleophilic halide ions, It is efficient in the production method of high value-added carbon compounds.
도 1은 본 발명의 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물에 대한 리간드의 기능 및 화학구조식에 대한 설명이다.
도 2는 (a) 에폭사이드 배위결합된 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물[Fe(BIPR)(dhbpy)I]I의 예상 구조도, (b) 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물 및 조촉매로 구성된 이종 철 착물 촉매를 이용한 환형 카보네이트류 제조 방법에 대한 메카니즘 설명도이다. 1 is a description of the function and chemical structure of the ligand for the heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex of the present invention.
Figure 2 is (a) a predicted structure of a heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex [Fe(BIP R )(dhbpy)I]I coupled with an epoxide coordination, (b) a heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex and a cocatalyst It is a diagram illustrating the mechanism of a method for producing cyclic carbonates using a heterogeneous iron complex catalyst composed of.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. First, in describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.The terms'about','substantially', etc. of the degree used in the present specification are used at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are presented, and are used in the sense of the present invention. To assist, accurate or absolute figures are used to prevent unfair use of the stated disclosure by unscrupulous infringers.
본 발명은 TBAB, TBAI, TPPI, TBD-HI 중 어느 하나의 조촉매가 첨가제로 추가 구성된 하기 화학식(1)~(3)의 중 어느 하나인 이종 리간드 철 착물 촉매에 관한 것으로,The present invention relates to a hetero-ligand iron complex catalyst of any one of the following formulas (1) to (3), wherein any one of TBAB, TBAI, TPPI, and TBD-HI is further composed of an additive,
철 중심금속에 다양한 작용기를 가진 리간드를 도입하여 본 발명의 촉매인 다기능성 촉매을 이용하여 CO2 전환을 위한 균일 유기금속 촉매 기술 확보 및 자원화된 탄소 원료를 이용한 고부가가치 탄소화합물 생산 기술 개발에 관한 것이다. The present invention relates to the development of a technology for producing a high value-added carbon compound using a carbon raw material used as a resource and securing a homogeneous organometallic catalyst technology for CO 2 conversion by using a multifunctional catalyst, which is a catalyst of the present invention, by introducing a ligand having various functional groups to the iron core metal .
화학식(1)Formula (1)
[Fe(BIPR)(dhbpy)X]X[Fe(BIP R )(dhbpy)X]X
화학식(2)Formula (2)
[Fe(tpy)(bpy)X]X[Fe(tpy)(bpy)X]X
화학식(3)Formula (3)
[Fe(tpy)(dhbpy)X][Fe(tpy)(dhbpy)X]
여기서,here,
BIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridineBIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridine
tpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridinetpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridine
R = PrOH, Pr(OH)2 ,PrIm(propyl-1H-imidazole)R = PrOH, Pr(OH) 2 ,PrIm(propyl-1 H -imidazole)
X = Cl, Br, I X = Cl, Br, I
TBAB = tetrabutylammonium bromideTBAB = tetrabutylammonium bromide
TBAI = tetrabutylammonium iodideTBAI = tetrabutylammonium iodide
TPPI = tetraphenylphosphonium iodideTPPI = tetraphenylphosphonium iodide
TBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-eneTBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-ene
도 1은 본 발명의 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물에 대한 리간드의 기능 및 화학구조식에 대한 설명이다. 특히 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물은 수소결합공여체(HBD) 및 친핵활성제(nucleophilic activator)의 기능성 리간드(functionalized ligand)를 보유한 점에 특징이 있다. 1 is a description of the function and chemical structure of the ligand for the heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex of the present invention. In particular, the heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex is characterized in that it has a hydrogen bond donor (HBD) and a functionalized ligand of a nucleophilic activator.
상기 촉매의 제조방법은 하기 반응식(1)~(3)과 같다. The method of preparing the catalyst is as shown in Reaction Formulas (1) to (3) below.
반응식(1)Scheme (1)
반응식(2)Scheme (2)
반응식(3)Scheme (3)
먼저, 본 발명은 2-피리딘카르복스알데하이드(2-pyridinecarboxaldehyde, picolinealdehyde) 또는 2,6-피리딘다이카르복스알데하이드(2,6-pyridinedicarboxaldehyde)와 아민과의 축합 반응에 의해 기능화된 이미노피리딘 (iminopyridine, IP) 또는 비스이미노피리딘(BIP) 리간드를 제조한다. First, the present invention is iminopyridine functionalized by the condensation reaction of 2-pyridinecarboxaldehyde (picolinealdehyde) or 2,6-pyridinedicarboxaldehyde (2,6-pyridinedicarboxaldehyde) with an amine. , IP) or bisiminopyridine (BIP) ligand is prepared.
하기 반응식 (4)는 비스이미노피리딘(BIP) 리간드 제조방법의 예이다. The following scheme (4) is an example of a method for preparing a bisiminopyridine (BIP) ligand.
반응식(4)Scheme (4)
여기서 H2NR의 종류는 아래와 같다. Here, the types of H 2 NR are as follows.
반응식 (1)~(3)의 이종(Heteroleptic)리간드 철 촉매는 각각의 리간드를 순차적으로 도입하여 합성한다. Heteroleptic ligand iron catalysts of Schemes (1) to (3) are synthesized by sequentially introducing each ligand.
반응식 (1)은 2,6-피리딘디카르복시알데히드(2,6-pyridinedicarboxaldehyde)와 1차 아민(RNH2)의 축합반응으로 생성된 비스이미노피리딘(BIP) 리간드를 FeX3(X = Cl, Br, I) 와 반응한 후 추가로 다이하이드록시바이피리딘(dihydroxybipyridine, dhbpy) 및 LiX와 반응시키는 것이며,Scheme (1) is a bisiminopyridine (BIP) ligand produced by the condensation reaction of 2,6-pyridinedicarboxaldehyde (2,6-pyridinedicarboxaldehyde) and a primary amine (RNH 2 ) FeX 3 (X = Cl, Br , I) After reacting with, further reacting with dihydroxybipyridine (dhbpy) and LiX,
반응식 (2) 또는 (3)은 테르피리딘(terpyridine, tpy)과 FeX3의 반응에 의한 중간 생성물 Fe(tpy)X3(X = Cl, Br, I)에 바이피리딘(bipyridine, bpy) 또는 다이하이드록시바이피리딘(dihydroxybipyridine, dhbpy)와 추가 반응시키는 것에 특징이 있다. Scheme (2) or (3) is by the reaction of terpyridine (tpy) and FeX 3 The intermediate product Fe(tpy)X 3 (X = Cl, Br, I) is characterized by an additional reaction with bipyridine (bpy) or dihydroxybipyridine (dhbpy).
하나의 세자리 리간드(terpyridine 또는 bisiminopyridine)를 선택적으로 도입한 후에 다이하이드록시바이피리딘(dihydroxybipyridine, dhbpy) 리간드가 착화되어 축 방향 할라이드가 형성되어 루이스 산성 철 중심과 해리 가능한 할라이드 친핵체가 허용된다.After selectively introducing one tridentate ligand (terpyridine or bisiminopyridine), a dihydroxybipyridine (dhbpy) ligand is complexed to form an axial halide, allowing a halide nucleophile that can dissociate from the Lewis acid iron center.
다음은 본 발명인 상기 철 착물 촉매를 이용하여 1치환기 또는 2치환기 옥사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응에 의하여 탄소수 3 내지 4의 환형 카르보네이트를 제조하는 것을 포함하는, 1치환기 또는 2치환기 환형 카보네이트류의 제조 방법에 대한 설명이다. The following is a mono- or di-substituted cyclic carbonate comprising preparing a cyclic carbonate having 3 to 4 carbon atoms by cyclization addition reaction of a mono- or di-substituted oxide and CO 2 using the iron complex catalyst of the present invention. It is a description of the manufacturing method of Ryu.
표 1은 화학식(1)~(3)의 중 어느 하나인 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물(heteroleptic Fe-bisiminopyridine complexes) 또는 이종의 Fe 착물 촉매(Fe(Ⅱ)cat.) 및Table 1 is a heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex (heteroleptic Fe-bisiminopyridine complexes) or a heterogeneous Fe complex catalyst (Fe(II)cat.) of any one of Formulas (1) to (3), and
TBAB, TBAI, TPPI, TBD-HI 중 어느 하나의 조촉매(add)로 구성된 이종 리간드 철 착물 촉매를 이용하여 스티렌 옥사이드의 1치환기 환형 카보네이트류의 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method for preparing mono-substituted cyclic carbonates of styrene oxide using a hetero-ligand iron complex catalyst composed of any one of TBAB, TBAI, TPPI, and TBD-HI.
BIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridineBIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridine
tpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridinetpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridine
R = EtOH, PrOH, Pr(OH)2,PrIm(im(propyl-1H-imidazole))R = EtOH, PrOH, Pr(OH) 2 ,PrIm(im(propyl-1 H -imidazole))
X = Cl, Br, I X = Cl, Br, I
TBAB = tetrabutylammonium bromideTBAB = tetrabutylammonium bromide
TBAI = tetrabutylammonium iodideTBAI = tetrabutylammonium iodide
TPPI = tetraphenylphosphonium iodideTPPI = tetraphenylphosphonium iodide
TBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-eneTBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-ene
기재(반응물질)인 스티렌옥사이드(1a)는 최적화된 철 착물 촉매 및 조촉매하의 무용매 조건에서 촉매량, 조촉매 및 온도 등을 고려할 때 최적의 물질이다. 상기 스티렌옥사이드(1a)을 반응조건으로 60℃ 및 5bar CO2 압력에서 비기능화인(unfunctionalized) Fe촉매([Fe(tpy)(bpy)Br]Br, 0.25 mol%) 및 조촉매 TBAB (0.5 mol%)의 존재하에 반응할 때 환형 카보네이트의 합성에 대하여 수율이 20%이다(항목 1). Styrene oxide (1a), which is a base material (reactant), is an optimal material in consideration of the amount of catalyst, cocatalyst, and temperature under an optimized iron complex catalyst and a solvent-free condition under a cocatalyst. Using the styrene oxide (1a) as a reaction condition, an unfunctionalized Fe catalyst ([Fe(tpy)(bpy)Br]Br, 0.25 mol%) and a cocatalyst TBAB (0.5 mol) at 60° C. and 5 bar CO 2 pressure %), the yield is 20% for the synthesis of cyclic carbonates (item 1).
두 자리(bidentate) bpy 리간드에 두 개의 수소결합 공여체인 히드록시기(OH)를 도입한 dhbpy 리간드는 반응성이 현저하게 향상되고 수율이 78%로 효율적인 반응이 가능하게 된다(항목 2). 할로겐 리간드의 브롬(Br)에서 염소(Cl)로 교환은 환형 카보네이트(2a)의 수율을 49%로 감소시켰는데, 이는 60℃에서 축 방향 할라이드의 해리속도 때문이다(항목 3). The dhbpy ligand, which introduced a hydroxy group (OH), which is two hydrogen bond donors, to a bidentate bpy ligand has a remarkably improved reactivity and an efficient reaction with a yield of 78% (item 2). The exchange of the halogen ligand from bromine (Br) to chlorine (Cl) reduced the yield of cyclic carbonate (2a) to 49%, due to the dissociation rate of the axial halide at 60°C (item 3).
테르피리딘(terpyridine)으로부터 이미노 알킬 사슬을 통해 쉽게 변형될 수 있는 세자리 리간드(tridentate ligand)인 비스이미노피리딘(bisiminopyridine)으로 전환되고 추가 수소 결합 공여체(EtOH, PrOH, Pr(OH)2)가 도입되었다(항목 4~6).It is converted from terpyridine to bisiminopyridine, a tridentate ligand that can be easily modified through an imino alkyl chain, and an additional hydrogen bond donor (EtOH, PrOH, Pr(OH) 2 ) is introduced. Became (items 4-6).
항목 4~6에서 몇몇 모노히드록시 및 디히드록시 그룹을 함유하는 철-리간드 복합체와 조촉매 TBAB에서 반응성을 비교하였고, [Fe(BIPPrOH)(dhbpy)Br]Br가 수율 85%로 반응이 효율적임을 알 수 있다(항목 6). 리간드, 반대이온(counterion) 및 조촉매와 같은 다양한 위치에서 할라이드의 역할이 조사될 때, [Fe(BIPPrOH)(dhbpy)Br]Br에 조촉매 TBAI의 항목 7의 경우 항목 6보다 효율이 우수하고, 또한 요오드화물(I)을 함유하는 Fe착물 ([Fe(BIPPrOH)(dhbpy)I]BI)은 아마도 축 방향 할라이드의 해리 속도 및 유리 할라이드의 친핵성으로 인해 반응성에서 가장 큰 효율을 갖는다(항목 8).In
그러나, [Fe(BIPPrOH)(dhbpy)Br]Br 착체는 다소 흡습성이어서 제조 및 재현성에 문제를 일으킬 수 있는 단점이 있다. However, the [Fe(BIP PrOH )(dhbpy)Br]Br complex is somewhat hygroscopic and has a disadvantage that may cause problems in manufacturing and reproducibility.
따라서 이산화탄소 활성화제로 이미다졸기(midazole group)를 함유한 리간드 BIPPrIm을 합성하였으며 [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I]I은 생성물 환형 카보네이트(2a) 94% 수율로 최적의 착제이다(항목 10~12).Therefore, a ligand BIP PrIm containing an imidazole group as a carbon dioxide activator was synthesized, and [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I]I is the optimal complexing agent with 94% yield of the product cyclic carbonate (2a) (item 10). ~12).
이 반응에 대한 조촉매의 영향을 조사하기 위해 다양한 암모늄, 포스포늄 및 구아니디늄(guanidinium) 염이 시험되었으며 요오드화물 친핵체인 TPPI(tetraphenylphosphonium iodide)는 99% 수율을 제공하는 가장 큰 반응성을 보였다 (항목 11).Various ammonium, phosphonium, and guanidinium salts were tested to investigate the effect of the cocatalyst on this reaction, and the iodide nucleophile, TPPI (tetraphenylphosphonium iodide), showed the greatest reactivity, giving a 99% yield ( Item 11).
상기 항목 11의 [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I] 촉매로 최종 최적화된 조건에서 촉매의 양을 0.25 mol%에서 0.1 mol%로 감소될 수 있음을 보여 주었지만(항목 13), 50℃의 더 낮은 반응 온도에서 1.0 mol% TPPI 조촉매(항목 14)에서도 수율이 82%로 우수함을 알 수 있다.Although the [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I] catalyst of item 11 showed that the amount of catalyst can be reduced from 0.25 mol% to 0.1 mol% in the final optimized condition (item 13), the further 50°C It can be seen that the yield was excellent at 82% even in the 1.0 mol% TPPI cocatalyst (item 14) at a low reaction temperature.
대조 실험(항목 15~17)에서 개별 성분(FeI2, BIPPrIm, dhbpy)은 거의 촉매 활성을 보이지 않았으며, FeI2와 리간드의 물리적 혼합물을 사용한 처리는 철 금속 중심 주위의 다기능 그룹을 먼저 통합하는 것이 중요한 것임을 알 수 있다In control experiments (items 15-17), individual components (FeI 2 , BIP PrIm , dhbpy) showed little catalytic activity, and treatment with a physical mixture of FeI 2 and a ligand first incorporated multifunctional groups around the ferrous metal center. You can see that it is important to do
다음으로 표 2는 다양한 1치환기 또는 2치환기를 갖는 옥사이드에 적합한 이종의 Fe 착물 촉매 및 조촉매와 반응하여 생성된 1치환기 환형 카보네이트류의 종류를 보여주고 있다. Next, Table 2 shows the types of mono-substituted cyclic carbonates produced by reacting with heterogeneous Fe complex catalysts and cocatalysts suitable for oxides having various mono- or di-substituent groups.
a DMF (10M), 80℃ a DMF (10M), 80℃
b [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I]I (0.5 mol %), DMF (10 M), CO2 (10 bar), 100℃ b [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I]I (0.5 mol %), DMF (10 M), CO 2 (10 bar), 100℃
c [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I]I (0.5 mol %), MeCN (10 M), CO2 (10 bar), 100℃ c [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I]I (0.5 mol %), MeCN (10 M), CO 2 (10 bar), 100℃
d [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I]I (0.5 mol %), DMF (10 M), CO2 (10 bar), 100℃ d [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I]I (0.5 mol %), DMF (10 M), CO 2 (10 bar), 100℃
결정된 최적화된 조건의 촉매 및 조촉매를 이용하여 다양한 1치환 또는 2치환기 에폭시드와 이산화탄소와 반응 처리하였고, 기능화된 Fe 복합체의 촉매 적용성을 확인하였다. 아릴 및 알킬 치환된 에폭시드는 중간 정도 내지 양호한 수율로 상응하는 환형 탄산염 2a-d를 제공하는 효과적인 기질을 알 수 있다. The catalyst and cocatalyst of the determined optimized conditions were used to react with various mono- or di-substituted epoxides and carbon dioxide, and the catalyst applicability of the functionalized Fe composite was confirmed. Aryl and alkyl substituted epoxides can be found to be effective substrates providing the corresponding cyclic carbonates 2a-d in moderate to good yields.
긴 알킬 사슬 (1e-g)을 함유 한 에폭사이드는 단순 조건하에서 이질적인 현상으로 인해 아마도 반응성이 감소하였고, 극성 용매(DMF)와 상승된 온도 (80℃ 및 60℃)는 이들의 정량적 전환을 제공하는데 필요했다. 사슬형 알킬에폭사이드, 히드록시메틸 및 그 유도체(1h-k)를 함유하는 에폭사이드는 상응하는 환형 카보네이트를 76 내지 93%의 수율을 얻을 수 있다. Epoxides containing long alkyl chains (1e-g) have reduced reactivity, possibly due to heterogeneity under simple conditions, and polar solvents (DMF) and elevated temperatures (80°C and 60°C) provide their quantitative conversion. Was necessary. Epoxides containing chain alkyl epoxides, hydroxymethyl and their derivatives (1h-k) can yield 76 to 93% of the corresponding cyclic carbonates.
메타크릴레이트 그룹을 가진 에폭시드 1k가 80℃ 이상의 온도에서 중합되더라도, 온화한 조건하에서 고리화 반응이 잘 진행되어 원래의 에스테르와 올레핀 단위를 가진 목적하는 생성물을 얻을 수 있음을 주목할 필요가 있다.It should be noted that even if the epoxide 1k having a methacrylate group is polymerized at a temperature of 80° C. or higher, the cyclization reaction proceeds well under mild conditions, so that a desired product having the original ester and olefin units can be obtained.
클로로메틸옥시란(1l)에 의해, 본 시스템에서 각종 할라이드 성분에 의한 알킬클로라이드의 치환 반응 또는 인접 그룹 참여가 일어나지 않는 것이 관찰되었다.With chloromethyloxirane (1L), it was observed that the substitution reaction of alkyl chloride by various halide components or participation of adjacent groups did not occur in the present system.
내부 에폭사이드는 입체적 제약으로 인해 어려운 기재로 간주되어 MeCN(10M)과 DMF(10M)과 같은 용매 하에서 10bar의 CO2 압력 및 100℃의 고온과 같은 격렬한 조건이 요구되었다. 표 2의 환상 탄산염에 대한 선택도는 모두 99% 이상이었고, 이것은 중합체 및 디올과 같은 임의의 다른 부생성물의 부재를 반영하였다.The internal epoxide was regarded as a difficult substrate due to steric constraints, and intense conditions such as a CO2 pressure of 10 bar and a high temperature of 100°C were required under solvents such as MeCN (10M) and DMF (10M). The selectivity for cyclic carbonates in Table 2 were all at least 99%, reflecting the absence of polymers and any other by-products such as diols.
a 50 mmol of 1a, 80℃, 24h. a 50 mmol of 1a , 80°C, 24h.
표 3에서 [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I]I의 촉매 성능을 이용하기 위해, 촉매/기질(에폭사이드)비는 10bar CO2 압력하에서 점진적으로 감소됨을 보여준다. 60℃의 온화한 조건하에서 0.050 mol%의 촉매로 TON에서 상대적으로 높은 값을 얻었으며 이 작용기의 Fe 복합체는 50mmol 규모의 스티렌옥시드 1a(항목 4)에서도 높은 촉매 활성을 보였다.Table 3 shows that in order to utilize the catalytic performance of [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I]I, the catalyst/substrate (epoxide) ratio is gradually reduced under 10 bar CO 2 pressure. A relatively high value was obtained in TON with 0.050 mol% catalyst under mild conditions at 60°C, and the Fe complex of this functional group showed high catalytic activity even in 50 mmol scale styrene oxide 1a (item 4).
도 2는 (a) 에폭사이드가 배위결합된 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물[Fe(BIPR)(dhbpy)I]I의 예상 구조도, (b) 본 발명의 이종의 Fe-비스이미노피리딘 착물 및 조촉매로 구성된 이종 철 착물 촉매를 이용한 환형 카보네이트류 제조 방법에 대한 메카니즘 설명도이다. Figure 2 is (a) a predicted structure of a heterogeneous Fe-bisiminopyridine complex [Fe(BIP R )(dhbpy)I]I to which an epoxide is coordinated, (b) a heterogeneous Fe-bisiminopyridine of the present invention It is an explanatory diagram of the mechanism of a method for producing cyclic carbonates using a heterogeneous iron complex catalyst composed of a complex and a cocatalyst.
밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)은 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다.Density functional theory (DFT) is one of the theories for calculating the shape and energy of electrons in substances and molecules.
DFT 계산은 이론적인 반응 복합체의 분자 구조를 분석하고 기능화 된 철-리간드 시스템의 실현 가능성을 입증하기 위해 수행되었다. DFT calculations were performed to analyze the molecular structure of the theoretical reaction complex and to demonstrate the feasibility of a functionalized iron-ligand system.
에폭사이드가 배위된 Fe 착체의 제안된 구조는 [Fe(BIPPrIm)(dhbpy)I] 착체 내의 요오드화물이 해리되고 루이스 산성철 중심이 에폭사이드를 활성화시킨 도 2(a)에 제시되어있다. 사전 반응 복합체에 대해 최적화된 구조의 가장 특징적인 특징은 비피리딘(bipyridine) 배위자의 하이드록시 그룹과 철에 배위된 에폭시드 사이의 O-H와 O의 수소결합의 존재이다.The proposed structure of the epoxide-coordinated Fe complex is shown in Fig. 2(a) in which iodide in the [Fe(BIP PrIm )(dhbpy)I] complex is dissociated and the Lewis acid iron center activates the epoxide. The most characteristic feature of the structure optimized for the pre-reaction complex is the presence of hydrogen bonds of OH and O between the hydroxy group of the bipyridine ligand and the epoxide coordinated to iron.
이는 에폭사이드 고리 개방을 촉진시키는 요오드화물은 친핵성 공격에 바람직하다. 또한 이산화탄소 분자는 루이스 염기성 이미다졸(imidazole) 그룹과 에폭시드 가까이에 위치하여 이산화탄소 주입과 할로알콕시 카보네이트 중간체의 형성이보다 실현 가능하다. 이 예비 반응 모델은 이미다졸과 이산화탄소 사이의 거리가 다소 멀지만 3~ 5bar의 이산화탄소 압력의 반응시스템 하에서 여전히 상호 작용을 허용한다는 것을 제시한다. This is because iodide, which promotes epoxide ring opening, is preferred for nucleophilic attack. In addition, the carbon dioxide molecule is located near the Lewis basic imidazole group and the epoxide, so that carbon dioxide injection and the formation of a haloalkoxy carbonate intermediate are more feasible. This preliminary reaction model suggests that although the distance between imidazole and carbon dioxide is rather large, it still allows interaction under a reaction system with a carbon dioxide pressure of 3 to 5 bar.
본 발명은 도 2(b)와 같이 가능성이 있는 반응경로를 제시할 수 있다. 다기능 Fe 촉매의 활성 패턴은 수소결합 공여체, 루이스 염기성 CO2 활성제 및 루이스 산성 철 중심을 통해 합리화될 수 있다. 이미노 또는 요오드 리간드의 해리 후, 에폭시드는 루이스 산성 중심 및 리간드의 히드록시기에 의해 활성화되어, 할라이드의 친핵성 공격에 의해 에폭사이드 고리개방을 촉진시킨다. 루이스 염기성 이미다졸 그룹에 의한 인접한 CO2 활성화는 CO2의 할로 알콕시 음이온 종으로의 이동을 촉진하여 할로 알콕시 카보네이트 중간체를 형성시킨다. 분자내 치환은 5 membered CO2 순환 부하를 방출하고 촉매 시스템에 필요한 Fe 촉매 및 할로겐화물을 회수한다.The present invention can suggest a possible reaction route as shown in Fig. 2(b). The activity pattern of the multifunctional Fe catalyst can be rationalized through a hydrogen bond donor, Lewis basic CO 2 activator and Lewis acidic iron center. After dissociation of the imino or iodine ligand, the epoxide is activated by the Lewis acidic center and the hydroxy group of the ligand, promoting epoxide ring opening by nucleophilic attack of the halide. Activation of adjacent CO 2 by Lewis basic imidazole groups promotes the transfer of CO 2 to the halo alkoxy anionic species to form a halo alkoxy carbonate intermediate. The intramolecular substitution releases the 5 membered CO 2 circulating load and recovers the Fe catalyst and halides required for the catalyst system.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다. The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have the knowledge of
Claims (4)
화학식(1)
[Fe(BIPR)(dhbpy)X]X
화학식(2)
[Fe(tpy)(bpy)X]X
화학식(3)
[Fe(tpy)(dhbpy)X]
여기서,
BIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridine
tpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridine
R = EtOH, PrOH, Pr(OH)2,PrIm(propyl-1H-imidazole)
X = Cl, Br, I
TBAB = tetrabutylammonium bromide
TBAI = tetrabutylammonium iodide
TPPI = tetraphenylphosphonium iodide
TBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-eneTBAB, TBAI, TPPI, TBD-HI any one of the following formulas (1) to (3) of the following formula (1) to (3) further configured as an additive in any one of the cocatalyst is a heterogeneous ligand iron complex catalyst.
Formula (1)
[Fe(BIP R )(dhbpy)X]X
Formula (2)
[Fe(tpy)(bpy)X]X
Formula (3)
[Fe(tpy)(dhbpy)X]
here,
BIP = disubstituted-2,6-bisiminopyridine
tpy = terpyridine, bpy = bipyridine, dhbpy = dihydroxybipyridine
R = EtOH, PrOH, Pr(OH) 2 ,PrIm(propyl-1 H -imidazole)
X = Cl, Br, I
TBAB = tetrabutylammonium bromide
TBAI = tetrabutylammonium iodide
TPPI = tetraphenylphosphonium iodide
TBD = 1,5,7-triazabicyclo[4,4,0]dec-5-ene
1치환기 또는 2치환기 옥사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응에 의하여 탄소수 3 내지 4의 환형 카르보네이트 제조 방법.
Under the hetero-ligand iron complex catalyst of claim 1,
A method for producing a cyclic carbonate having 3 to 4 carbon atoms by a cyclization addition reaction of a mono- or di-substituted oxide and CO 2 .
상기 1치환기 옥사이드는 스티렌 옥사이드(styrene oxide), 파라 클로로 스티렌 옥사이드(p-chloro oxide), 파라 브로모 스티렌 옥사이드(p-bromo oxide), 탄소수가 1 내지 10개의 알킬 또는 알킬렌 옥사이드, 글리시돌(glycidol), 페닐 글리시딜 에테르(phenyl glycidyl ether), 알릴 글리시딜 에테르(Allyl glycidyl ether), 메타아크릴레이트 옥사이드(methacrylate oxide), 클로로메틸 옥사이드(chloromethyl oxide)인 것에 특징이 있는 환형 카보네이트류 제조 방법.
The method of claim 2,
The mono-substituent oxide is styrene oxide, para chloro styrene oxide (p-chloro oxide), para bromo styrene oxide (p-bromo oxide), alkyl or alkylene oxide having 1 to 10 carbon atoms, and glycidol. Cyclic carbonates characterized by being (glycidol), phenyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, methacrylate oxide, and chloromethyl oxide Manufacturing method.
상기 2치환기 옥사이드는 사이클로펜텐 옥사이드(cyclopentene oxide) 또는 사이클로헥센 옥사이드(cyclohexene oxide)인 것에 특징이 있는 환형 카보네이트류 제조 방법.
The method of claim 2,
The bi-substituent oxide is a cyclopentene oxide (cyclopentene oxide) or a cyclohexene oxide (cyclohexene oxide) characterized in that the cyclic carbonate production method.
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