KR20230081892A - 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트로부터 다이카복실산 전구체를 형성한다. 상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리하여 다이카복실산 염을 형성한다. 상기 다이카복실산 염을 산 처리하여 4,4’-옥시디벤조산(4,4’-dibenzoic acid)을 형성한다. 따라서, 폐기물 발생이 적고 비용이 적게 드는 다이카복실산의 제조 방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 4,4'-옥시디벤조산(4,4'-dibenzoic acid) 또는 그의 염의 제조방법에 관한 것이다.
다이카복실산(Dicarboxylic acid)은 두개의 카복실산 작용기를 갖는 유기화합물을 의미한다. 4,4'-옥시디벤조산(4,4'-dibenzoic acid)은 다이카복실산에 포함되는 유기화합물로서 고분자 중합 등에 다양하게 사용된다.
기존에 알려진 4,4'-옥시디벤조산을 제조 공정들은 고가의 원료를 사용하거나 수율이 낮아 저가로 화합물을 제조하기 어렵고, 제조 과정에서 사용되는 강산화제 등의 폐기물처리비용도 제조원가를 높이는 요소가 되어 원가절감된 4,4'-옥시디벤조산의 제조 방법이 필요하다.
본 발명의 일 과제는 폐기물 발생이 적고 원가가 절감된 고수율의 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법을 제공하는 것이다.
1. p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 반응시켜 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계; 및
상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리하는 단계를 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
2. 위 1에 있어서, 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법:
[화학식 1]
(화학식 1 중, 불소 원자(F) 또는 염소 원자(Cl)임).
3. 위 1에 있어서, 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법:
[화학식 2]
(화학식 2 중, R1은 탄소수 1 내지 4의 알킬기임).
4. 위 1에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법:
[화학식 3]
(화학식 3 중, R2는 탄소수 1 내지 4의 알킬기임).
5. 위 1에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계는 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 용제에 용해시켜 반응 용액을 제조하는 단계; 및
상기 반응 용액에 알칼리 금속 염기를 첨가하는 단계를 더 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
6. 위 1에 있어서, 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리는 동시에 수행되는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
7. 위 6에 있어서, 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리는 상기 다이카복실산 전구체를 과산화수소 및 알칼리 금속 염기와 혼합하는 것을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
8. 위 5 또는 7에 있어서, 상기 알칼리 금속 염기는 NaOH, KOH, Na2CO3 및 K2CO3 중 적어도 하나인, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
9. 위 7 있어서, 상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리한 후, 유기산 또는 무기산과 혼합하여 다이카복실산 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
10. 위 9에 있어서, 상기 유기산 또는 무기산은 염산 및 황산 중 적어도 하나인, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
11. 위 9에 있어서, 상기 다이카복실산 혼합물을 여과, 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
12. 위 1에 있어서, 상기 다이카복실산 또는 그의 염은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법:
[화학식 4]
(화학식 4 중, Y는 수소 원자 또는 알칼리금속임).
예시적인 실시예들에 따른 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법은 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트로부터 다이카복실산 전구체를 경유하여 효과적으로 다이카복실산 또는 그의 염이 제조될 수 있다. 따라서, 저가의 원료를 사용하여 친환경적으로 4,4'-옥시디벤조산(4,4'-dibenzoic acid)을 제조할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 다이카복실산의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 화학식 4-2로 표시되는 화합물의 1H-NMR 그래프이다.
도 3은 화학식 3-1로 표시되는 화합물의 1H-NMR 그래프이다.
도 2는 화학식 4-2로 표시되는 화합물의 1H-NMR 그래프이다.
도 3은 화학식 3-1로 표시되는 화합물의 1H-NMR 그래프이다.
본 발명의 실시예들은 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트로부터 친환경적인 고수율의 다이카복실산의 제조 방법을 제공한다. 예를 들면, 상기 다이카복실산은 4,4'-옥시디벤조산(4,4'-dibenzoic acid)일 수 있다.
본 명세서에서, 화학식들은 각 화학식으로 표시되는 구조뿐만 아니라 각 화학식으로 표시되는 단량체, 반복단위, 화합물의 이성질체까지 포함한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 반응시켜 다이카복실산 전구체를 형성할 수 있다(예를 들면, S10 단계).
일부 실시예들에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체는 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트 및 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드의 친핵성 방향족 치환 반응(Nucleophilic Aromatic Substitution)에 의해 형성될 수 있다.
예를 들면, 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드의 할로겐 원자는 후술하는 친핵성 방향족 치환 반응에서 Leaving Group으로서 이탈될 수 있고, 할로겐 원자를 기준으로 para 자리에 위치한 알데하이드기는 EWG(Electron Withdrawing Group)으로 작용하여 치환 반응의 안정성을 부여할 수 있다.
예를 들면, 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트는 하이드록시기가 해리되어 친핵체로서 상기 친핵성 방향족 치환 반응에 참여할 수 있고, 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드 분자 내 할로겐 원자의 이탈을 유도할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
화학식 1 중, X는 불소 원자(F) 또는 염소 원자(Cl)일 수 있다. 친핵성 방향족 치환 반응의 반응성 측면에서 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드의 할로겐 원자는 불소 원자(F)인 것이 더욱 바람직할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
화학식 2 중, R1은 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다. 예를 들면, R1은 탄소수 1 내지 4의 직쇄 알킬기 또는 탄소수 3 내지 4의 분지쇄 알킬기일 수 있다. 후술하는 가수분해의 반응속도 측면에서 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트의 알킬은 직쇄인 것이 바람직할 수 있고, 탄소수가 적은 것이 바람직할 수 있다. 상기 화학식 2 중, R1는 메틸기인 것이 가장 바람직할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 다이카복실산 전구체는 하기 화학식 3로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 3]
화학식 3 중, R2는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다. 예를 들면, R2는 탄소수 1 내지 4의 직쇄 알킬기 또는 탄소수 3 내지 4의 분지쇄 알킬기일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계는 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 용제에 용해시켜 반응 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 용제는 비양성자성 극성 용제를 포함할 수 있다.
비양성자성 극성 용제의 구체적인 예로는, N-메틸 피롤리돈(NMP), N-에틸 피롤리돈 등의 피롤리돈계 화합물; 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 1,3-디프로필-2-이미다졸리디논 등의 이미다졸리디논계 화합물; γ―부티로락톤 등의 락톤계 화합물; 디메틸술폭사이드(DMSO), 술폴란 등의 설폭사이드 화합물; 트리에틸포스페이트, 트리부틸포스페이트 등의 포스페이트계 화합물; 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이토 등의 카보네이트계 화합물; 포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드(DMF), 아세트아미드, N-메틸아세트아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-(2-히드록시에틸)아세트아미드, 3-메톡시-N,N-디메틸프로피온아미드, 3-(2-에틸헥실옥시)-N,N-디메틸프로피온아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로피온아미드 등의 아미드계 화합물 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트는 동일한 몰비로 용제에 투입되는 것이 바람직하나, 제조 조건 등에 따라 일부가 과량으로 투입될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계는 상기 반응 용액에 알칼리 금속 염기를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
알칼리 금속 염기는 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트 분자 내 하이드록시기의 해리를 유도하여, 친핵성 방향족 치환 반응이 보다 용이하게 수행되도록 할 수 있다. 이에 따라, 부산물의 생성을 방지하고 다이카복실산 전구체를 높은 수율로 제조할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 친핵성 방향족 치환 반응은 온도 50℃ 내지 120℃, 상압 하에서 수행될 수 있다
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법은 상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리하는 단계를 포함 할 수 있다(예를 들면, S20 단계).
일부 실시예들에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체의 알데하이드기는 상기 산화 처리에 의해 카복실기로 변환될 수 있고, 상기 다이카복실산 전구체의 에스터 결합은 상기 가수분해 처리에 의해 에스터 결합의 알콕시기가 이탈하여 카복실기로 변환될 수 있다. 이 경우, 상기 다이카복실산 전구체가 산화 및 가수분해되어 다이카복실산 또는 그의 염이 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산화 처리는 상기 다이카복실산 전구체를 산화제와 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 산화제는 과산화수소일 수 있고, 과산화수소를 산화제로 사용함에 따라 다이카복실산의 수율이 향상될 수 있다. 또한, 원료가 저렴하여 제조원가절감에 도움이 되고, 폐기물 처리가 용이하여 친환경적인 제조 공정이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 과산화수소는 다이카복실산 전구체에 대하여 1 내지 5의 몰비로 혼합될 수 있다. 상기 범위 내에서 불순물의 생성을 저하시키고 다이카복실산 또는 그의 염을 고수율로 제조할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가수분해 처리는 상기 다이카복실산 전구체를 알칼리 금속 염기와 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 알칼리 금속 염기는 상기 다이카복실산 전구체의 가수분해 반응을 유도하여 다이카복실산 또는 그의 염 제조 공정의 효율을 높일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 알칼리 금속 염기는 NaOH, KOH, Na2CO3 및 K2CO3 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들면, 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계(예를 들면, S10 단계)에 투입되는 알칼리 금속 염기는 Na2CO3 및/또는 K2CO3일 수 있고, 가수분해 처리 단계(예를 들면, S20 단계)에서 투입되는 알칼리 금속 염기는 NaOH 및/또는 KOH일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체가 상기 알칼리 금속 염기와 혼합되어 가수분해 되는 경우, 상기 다이카복실산 전구체는 다이카복실산 염의 형태로 변환될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리는 동시에 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산화처리 및 상기 가수분해 처리를 동시에 수행하는 것은 상기 다이카복실산 전구체를 과산화수소 및 알칼리 금속 염기와 함께 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
이 경우, 알칼리 금속 염기는 상기 과산화수소에 의한 상기 다이카복실산 전구체 산화반응의 촉매로서 작용할 수 있고, 동시에 상기 산화반응에서 발생한 물 및 상기 알칼리 금속 염기가 상기 다이카복실산 전구체의 가수분해를 촉진할 수 있다.
예를 들면, 과산화수소는 알칼리 금속 염기 존재 하에서 하기 반응식 1에 따라 분해가 촉진될 수 있으며, 상기 다이카복실산 전구체가 과산화수소 및 알칼리 금속 염기와 혼합될 경우 상기 다이카복실산 전구체의 산화 속도가 향상될 수 있다.
[반응식 1]
이 경우, 산화와 동시에 수행되는 가수분해의 속도는 가수분해 처리만 독립적으로 수행되는 경우보다 향상된 것일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 과산화수소 및 알칼리 금속 염기를 사용하여 산화 처리 및 가수분해 처리를 동시에 수행함에 따라, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 공정 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 유해한 공정 폐기물의 발생을 낮추어 친환경적인 제조 공정이 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산화 처리 및 가수분해 처리는 온도 50℃ 내지 120℃, 상압 하에서 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 다이카복실산 전구체는 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리된 후 유기산 또는 무기산과 혼합되어 다이카복실산 혼합물을 형성할 수 있다(예를 들면, S30 단계). 일부 실시예들에 있어서, 상기 유기산 또는 무기산은 염산 및 황산 중 적어도 하나일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 다이카복실산 전구체는 산화 처리 및 가수분해 처리되어 다이카복실산 염을 형성할 수 있고, 상기 다이카복실산 염은 산 처리에 의해 다이카복실산을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 다이카복실산 또는 그의 염은 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 4]
화학식 4 중, Y는 수소 원자 또는 알칼리금속일 수 있다. 상기 화학식 4는 상기 Y가 수소 원자인 경우 다이카복실산의 화학식을 나타낼 수 있고, Y가 알칼리금속인 경우 다이카복실산 염의 화학식을 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 다이카복실산 전구체는 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리된 후 유기산 또는 무기산과 혼합되어 다이카복실산 혼합물을 형성할 수 있다(예를 들면, S30 단계). 일부 실시예들에 있어서, 상기 유기산 또는 무기산은 염산 및 황산 중 적어도 하나일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 다이카복실산의 제조 방법은 상기 다이카복시산 혼합물을 여과, 세척 및 건조하여 다이카복실산을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다(예를 들면, S40 단계).
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예를 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1: 4,4'-옥시디벤조산(4,4'-dibenzoic acid)의 제조
(1) methyl 4-(4-formylphenoxy)benzoate의 제조
100ml의 DMF에 3.1g(1eq)의 p-플루오로 벤즈알데하이드(4-fluorobenzaldehyde), 3.8g(1eq)의 메틸 p-하이드록시벤조에이트(methyl 4-hydroxybenzoate) 및 3.5g(1eq)의 K2CO3(potassium carbonate)를 혼합하여 준비한다. DMF가 환류되도록 가열하면서, p-플루오로 벤즈알데하이드가 GC(6500GC, yl instruments)상에서 확인되지 않을 때까지 교반하였다. 반응 종료 후 상온에서 물을 투입하여 10분 교반한 다음 10~15 torr에서 감압 여과 하였다. 얻어진 여과물을 Dichloromethane에 용해시킨 후 MgSO4를 투입하여 30분 교반한 다음, 10~15 torr에서 감압 여과 하였다. 이 혼합물을 70℃에서 감압 건조한 후 60℃에서 12시간 동안 열풍 건조하여 하기 화학식 3-1로 표시되는 화합물 4.8g을 얻었다(수율:76%). 수득된 화합물은 NMR(JNM-ECZ400S/L1, Jeol)를 통해 확인하였으며, 데이터는 하기와 같다.
[화학식 3-1]
상기 얻어진 화학식 3-1의 디옥시벤조산 전구체 화합물을 1H-NMR로 분석하였다. 1H-NMR 분석 데이터는 하기 도 3와 같다.
(2) sodium 4,4'-oxydibenzoate의 제조
60g의 에탄올 용제에 6.4g(1eq)의 methyl 4-(4-formylphenoxy)benzoate, 0.9g(1eq)의 H2O2(Hydrogen Peroxide) 및 1.0g(1eq)의 NaOH(Sodium hydroxide)를 혼합하여 에탄올 용제가 환류되도록 가열하면서, 3시간 교반한 다음 냉각 후 10~15 torr에서 감압 여과하였다. 얻어진 여과물을 50mL 메탄올로 세척한 후 60℃에서 12 시간 동안 열풍 건조하여 하기 화학식 4으로 표시되는 화합물 6.8g을 얻었다(수율: 90%).
[화학식 4-1]
(3) 4,4'-dibenzoic acid의 제조
70 g의 에탄올 용제에 7.6g(1eq)의 sodium 4,4'-oxydibenzoate 및 2.45g(1eq)의 H2SO4(Sulfuric acid)를 첨가하였다. 50℃에서 교반한 다음 GC(6500GC, yl instruments)로 원료가 다 소모되는 것을 확인한 후, 냉각 후 10~15 torr에서 감압 여과하였다. 여과물을 50% 메탄올 수용액 100mL에 가하여 2시간 가열 환류교반 한 후에 감압 여과하고 메탄올 50mL로 세척하였다. 이를 다시 DMF 500mL에 첨가하고 가열 교반 및 여과한 다음, 50mL 메탄올로 세척하고 감압건조하여 하기 화학식 4-2로 표시되는 화합물 5.38g을 얻었다.(수율: 83%).
[화학식 4-2]
상기 얻어진 화학식 4-2의 디옥시벤조산 화합물을 1H-NMR로 분석하였다. 1H-NMR 분석 데이터는 하기 도 2와 같다.
Claims (12)
- p-할로겐 벤즈알데하이드 및 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 반응시켜 다이카복실산 전구체를 형성하는 단계; 및
상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리하는 단계를 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체를 제조하는 단계는 상기 p-할로겐 벤즈알데하이드 및 상기 알킬 p-하이드록시벤조에이트를 용제에 용해시켜 반응 용액을 제조하는 단계; 및
상기 반응 용액에 알칼리 금속 염기를 첨가하는 단계를 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리는 동시에 수행되는, 다이카복실산 또는 그 염의 제조 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 산화 처리 및 상기 가수분해 처리는 상기 다이카복실산 전구체를 과산화수소 및 알칼리 금속 염기와 혼합하는 것을 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 5 또는 청구항 7에 있어서, 상기 알칼리 금속 염기는 NaOH, KOH, Na2CO3 및 K2CO3 중 적어도 하나인, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 다이카복실산 전구체를 산화 처리 및 가수분해 처리한 후, 유기산 또는 무기산과 혼합하여 다이카복실산 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 유기산 또는 무기산은, 염산 및 황산 중 적어도 하나인, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 다이카복실산 혼합물을 여과, 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는, 다이카복실산 또는 그의 염의 제조 방법.
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