KR20230174879A - Manufacturing method of alkylbicyclo[2.2.2]octanes and hydrocarbon fuel composition including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인의 제조 방법 및 이를 포함하는 탄화수소 연료 조성물에 관한 것으로, 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매 하에 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 고수율로 제조할 수 있고, 이를 기존에 사용되고 있는 연료와 혼합하여 지속가능한 항공유로서 활용할 수 있다.The present invention relates to a method for producing alkylbicyclo[2.2.2]octane and a hydrocarbon fuel composition containing the same, wherein alkylbicyclo[2.2.2]octane can be produced in high yield under a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst. It can be used as sustainable aviation fuel by mixing it with existing fuel.

Description

알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인의 제조방법 및 이를 포함하는 탄화수소 연료 조성물{MANUFACTURING METHOD OF ALKYLBICYCLO[2.2.2]OCTANES AND HYDROCARBON FUEL COMPOSITION INCLUDING THE SAME}Method for producing alkylbicyclo[2.2.2]octane and hydrocarbon fuel composition containing the same {MANUFACTURING METHOD OF ALKYLBICYCLO[2.2.2]OCTANES AND HYDROCARBON FUEL COMPOSITION INCLUDING THE SAME}

본 발명은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인의 제조 방법 및 이를 포함하는 탄화수소 연료 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing alkylbicyclo[2.2.2]octane and a hydrocarbon fuel composition containing the same.

고에너지 밀도 탄화수소 연료는 높은 체적기준 순발열량(volumetric net heat of combustion)을 기반으로 한정된 크기의 연료탱크를 수반하는 미사일과 로켓 등의 비행체 연료로 활용되고 있으나 재생 가능한 원료로부터의 합성에 대한 연구는 미흡한 실정이다.High energy density hydrocarbon fuels are used as fuel for aircraft such as missiles and rockets with limited-sized fuel tanks based on their high volumetric net heat of combustion, but research on synthesis from renewable raw materials is limited. It is inadequate.

탄화수소의 체적기준 순발열량은 중량기준 순발열량(gravimetric net heat of combustion)과 밀도의 곱으로 나타내며, 고에너지 밀도 탄화수소를 합성하기 위해 탄화수소의 밀도를 증가시키려는 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 탄화수소의 경우, 고리 구조의 수가 증가할수록 밀도가 높아지며, 이는 체적기준 순발열량의 증대에 기인하므로 고에너지 밀도 탄화수소 연료로서 고리 구조의 탄화수소에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 그러나 고리 구조를 이룸에 따라 수소 대 탄소(H/C) 비율이 낮아지므로 중량기준 순발열량은 감소한다.The volume-based net calorific value of hydrocarbons is expressed as the product of the gravimetric net heat of combustion and density, and research is being conducted to increase the density of hydrocarbons in order to synthesize high energy density hydrocarbons. In general, in the case of hydrocarbons, the density increases as the number of ring structures increases, and this is due to an increase in net calorific value based on volume. Therefore, research on ring-structured hydrocarbons as high energy density hydrocarbon fuels is attracting attention. However, as the ring structure is formed, the hydrogen to carbon (H/C) ratio decreases, so the net calorific value by weight decreases.

고리 구조에 의한 감소된 H/C 비율을 보완하기 위해 연소 중 변형 에너지가 추가로 방출될 수 있는 변형된 고리 구조(strained ring structure)를 포함하는 탄화수소가 고안되었다. 예시로, 시몬스-스미스 반응(Simmons-Smith cyclopropanation)을 통한 사이클로프로판 구조를 부여함으로써 연소 시 고리 변형 에너지(ring strain energy)를 추가로 발생시킬 수 있는 연료가 개발되었으나, 촉매 매개 반응이 아니라는 한계가 있었다. 또 다른 예시로, 케이지 형태의 탄화수소, 쿠반(cubane)과 아다만탄(adamantane)을 고에너지 밀도 탄화수소 연료로 개발하고자 하는 연구가 이루어졌다. 쿠반과 아다만탄은 비정상적으로 높은 녹는점으로 인해 액체 연료로의 활용도가 전무하다는 한계가 있었다.To compensate for the reduced H/C ratio caused by the ring structure, hydrocarbons containing a strained ring structure that can release additional strain energy during combustion have been designed. For example, a fuel that can generate additional ring strain energy during combustion has been developed by giving a cyclopropane structure through the Simmons-Smith cyclopropanation, but the limitation is that it is not a catalyst-mediated reaction. there was. As another example, research has been conducted to develop cage-type hydrocarbons, cubane and adamantane, as high energy density hydrocarbon fuels. Cuban and adamantane had limitations in that they had no utility as liquid fuels due to their abnormally high melting points.

한국공개특허 제2014-0023906호Korean Patent Publication No. 2014-0023906

본 발명은 수소화반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매를 사용하여 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 고수율로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a method for producing alkylbicyclo[2.2.2]octane in high yield using a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst.

본 발명은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 포함하는 탄화수소 연료 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a hydrocarbon fuel composition containing alkylbicyclo[2.2.2]octane.

1. 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매 하에 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 수소화하는 단계를 포함하는 화학식 3의 화합물의 제조 방법:1. Method for producing a compound of Formula 3, comprising the step of hydrogenating a compound of Formula 1 or Formula 2 under a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst:

[화학식 1] [Formula 1]

(R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH이거나, 서로 연결되어 에스터기 또는 무수물기를 포함하는 탄소수 3 내지 8의 고리를 형성할 수 있음)(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH, or are connected to each other to form an ester group or anhydride group Can form a ring containing 3 to 8 carbon atoms)

[화학식 2][Formula 2]

(R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임)(R is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et)

[화학식 3][Formula 3]

(R1 및 R2는 각각 H 또는 Me임).(R 1 and R 2 are H or Me, respectively).

2. 위 1에 있어서, 상기 수소화 반응 촉매는 Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C 및 Cu/C로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.2. The method of producing a compound of Formula 3 in 1 above, wherein the hydrogenation reaction catalyst is one selected from the group consisting of Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C, and Cu/C.

3. 위 1에 있어서, 상기 헤테로폴리산 촉매는 포스포몰리브덴산(phosphomolybdic acid), 포스포텅스텐산(phosphotungstic acid), 실리코몰리브덴산(silicomolybdic acid), 실리코텅스텐산(silicotungstic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.3. In 1 above, the heteropoly acid catalyst is one selected from the group consisting of phosphomolybdic acid, phosphotungstic acid, silicomolybdic acid, and silicotungstic acid. Method for preparing a compound of formula (3).

4. 위 1에 있어서, 상기 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매는 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물 100중량부 대비 각각 40 내지 60중량부로 포함되는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법.4. In 1 above, the hydrogenation reaction catalyst and the heteropoly acid catalyst are each included in an amount of 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound of Formula 1 or Formula 2.

5. 위 1에 있어서, 상기 수소화는 탄소수 5 내지 12의 포화탄화수소를 포함하는 용매 하에 수행되는 화학식 3의 화합물의 제조 방법.5. The method for producing the compound of Formula 3 according to 1 above, wherein the hydrogenation is performed in a solvent containing a saturated hydrocarbon having 5 to 12 carbon atoms.

6. 위 1에 있어서, 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:6. In 1 above, the compound of Chemical Formula 1 is a method of producing a compound of Chemical Formula 3, which is a compound represented by the following Chemical Formula 1-1 or 1-2:

[화학식 1-1][Formula 1-1]

(R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH임)(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH)

[화학식 1-2][Formula 1-2]

. .

7. 위 1에 있어서, 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:7. In 1 above, the compound of Chemical Formula 2 is a method of producing a compound of Chemical Formula 3, which is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1:

[화학식 2-1][Formula 2-1]

(R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임).(R is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et).

8. 위 1에 있어서, 화학식 3의 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-4로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:8. In 1 above, the compound of Chemical Formula 3 is a compound represented by the following Chemical Formulas 3-1 to 3-4. Method for producing a compound of Chemical Formula 3:

[화학식 3-1][Formula 3-1]

[화학식 3-2][Formula 3-2]

[화학식 3-3][Formula 3-3]

[화학식 3-4][Formula 3-4]

. .

9. 위 1에 있어서, 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 5 또는 화학식 6 중 하나의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법:9. The method for producing a compound of Formula 3 according to 1 above, further comprising reacting a compound of Formula 4 below with a compound of Formula 5 or Formula 6 to produce a compound of Formula 1 or Formula 2:

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 5][Formula 5]

(R1은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et; R2는 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임)(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et)

[화학식 6][Formula 6]

(R1 및 R2는 각각 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임).(R 1 and R 2 are CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et, respectively).

10. 위 9에 있어서, 상기 화학식 4의 화합물은 α-펠란드렌(α-phellandrene) 또는 α-터피넨(α-terpinene)인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.10. The method for producing a compound of Formula 3 in 9 above, wherein the compound of Formula 4 is α-phellandrene or α-terpinene.

11. 위 9에 있어서, 상기 화학식 5의 화합물은 아크릴산, 아크릴산 에스터, 말레산 및 말레산 에스터로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.11. The method of producing a compound of Formula 3 according to 9 above, wherein the compound of Formula 5 is one selected from the group consisting of acrylic acid, acrylic acid ester, maleic acid, and maleic acid ester.

12. 위 9에 있어서, 상기 화학식 6의 화합물은 푸마르산 또는 푸마르산 에스터인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.12. The method for producing a compound of Formula 3 according to 9 above, wherein the compound of Formula 6 is fumaric acid or fumaric acid ester.

13. 위 1에 있어서, 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 7의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법:13. The method for producing a compound of Formula 3 according to 1 above, further comprising reacting a compound of Formula 4 and a compound of Formula 7 to produce a compound of Formula 1:

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 7][Formula 7]

. .

14. 위 13에 있어서, 상기 화학식 4의 화합물은 α-펠란드렌(α-phellandrene) 또는 α-터피넨(α-terpinene)인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.14. The method for producing a compound of Formula 3 according to 13 above, wherein the compound of Formula 4 is α-phellandrene or α-terpinene.

15. 화학식 3의 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 조성물:15. Hydrocarbon fuel composition comprising a compound of formula 3:

[화학식 3] [Formula 3]

(상기 화학식 3에서 R1 및 R2는 각각 H 또는 Me임).(In Formula 3, R 1 and R 2 are each H or Me).

16. 위 15에 있어서, Jet A, Jet A-1, JP-8(Jet Propellant-8), JP-10(Jet Propellant-10), RJ-4 연료, RJ-5 연료, 바이오디젤 및 합성 항공유로 이루어진 군에서 선택된 하나를 더 포함하는 탄화수소 연료 조성물.16. In item 15 above, Jet A, Jet A-1, JP-8 (Jet Propellant-8), JP-10 (Jet Propellant-10), RJ-4 fuel, RJ-5 fuel, biodiesel and synthetic aviation fuel A hydrocarbon fuel composition further comprising one selected from the group consisting of.

본 발명의 제조 방법은 혼합 촉매를 사용해 고밀도 특성을 지닌 탄화수소를 고수율로 합성할 수 있다.The production method of the present invention can synthesize hydrocarbons with high density characteristics in high yield using a mixed catalyst.

본 발명의 탄화수소 연료 조성물은 고에너지 밀도 탄화수소를 포함하여 종래 연료의 부족한 밀도 또는 연소 특성을 개선시킬 수 있다.The hydrocarbon fuel composition of the present invention can improve the insufficient density or combustion characteristics of conventional fuels by including high energy density hydrocarbons.

도 1은 화학식 1 내지 3의 화합물을 혼합 촉매 하에서 수소화처리 하여 얻은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물을 가스크로마토그래피-질량분석기(GC-MS)로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 화학식 1 내지 3의 화합물을 혼합 촉매 하에 수소화처리시켜 얻은 탄소수 12 내지 14의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인에 대한 질량 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물과 Jet A-1 항공유의 부피혼합비에 따른 중량기준 순발열량(NHOCG)과 체적기준 순발열량(NHOCV)을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물과 Jet A-1 항공유의 부피혼합비에 따른 밀도를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물과 Jet A-1 항공유의 부피혼합비에 따른 어는점을 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물과 Jet A-1 항공유의 부피혼합비에 따른 온도별 동점도(kinematic viscosity)를 그래프로 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the results of analysis by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) of an alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture obtained by hydrogenating compounds of formulas 1 to 3 under a mixed catalyst.
Figure 2 shows the mass spectrum of alkylbicyclo[2.2.2]octane having 12 to 14 carbon atoms obtained by hydrogenating compounds of formulas 1 to 3 under a mixed catalyst.
Figure 3 is a graph showing the net calorific value by weight (NHOC G ) and net calorific value by volume (NHOC V ) according to the volume mixing ratio of the alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture and Jet A-1 aviation fuel.
Figure 4 is a graph showing the density according to the volume mixing ratio of the alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture and Jet A-1 aviation fuel.
Figure 5 is a graph showing the freezing point according to the volume mixing ratio of the alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture and Jet A-1 aviation fuel.
Figure 6 is a graph showing the kinematic viscosity at temperature according to the volumetric mixing ratio of the alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture and Jet A-1 aviation fuel.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매 하에 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 수소화하는 단계를 포함하는 화학식 3의 화합물의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a compound of Formula 3, comprising the step of hydrogenating a compound of Formula 1 or Formula 2 below under a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst.

[화학식 1][Formula 1]

R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH이거나, 서로 연결되어 에스터기 또는 무수물기를 포함하는 탄소수 3 내지 8의 고리를 형성할 수 있다.R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 may be CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et, or CH 2 OH, or may be connected to each other to form a ring having 3 to 8 carbon atoms including an ester group or an anhydride group.

[화학식 2][Formula 2]

R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et이다.R is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et.

[화학식 3] [Formula 3]

R1 및 R2는 각각 H 또는 Me이다.R 1 and R 2 are each H or Me.

본 발명의 제조 방법에 있어 수소화는 유기화합물의 이중 결합 또는 삼중 결합을 환원시키는 반응(hydrogenation) 및 유기화합물을 수소와 반응시켜 산소를 제거하는 수소처리(hydrotreating)를 포함할 수 있다.In the production method of the present invention, hydrogenation may include a reaction to reduce the double bond or triple bond of an organic compound (hydrogenation) and a hydrotreating reaction to remove oxygen by reacting the organic compound with hydrogen.

상기 수소화는 회분식 공정(batch process)으로 수행될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니며 반회분식 공정, 반연속식 공정 또는 연속식 반응기에서도 수행될 수 있다.The hydrogenation may be performed as a batch process, but is not limited thereto, and may also be performed in a semi-batch process, a semi-continuous process, or a continuous reactor.

상기 수소화는 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매 하에 이루어질 수 있다.The hydrogenation may be carried out under a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst.

상기 수소화 반응 촉매는 당업계에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 또는 구리(Cu) 같은 금속 촉매 또는 탄소, 실리카, 알루미나, 마그네시아 등과 같은 담체에 상기 금속 촉매를 담지하고 있는 촉매일 수 있고, 구체적으로는 Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C 또는 Cu/C 촉매일 수 있다.The hydrogenation reaction catalyst may be used without limitation as long as it is commonly used in the art. For example, metal catalysts such as nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthenium (Ru) or copper (Cu) or the metal catalyst on a carrier such as carbon, silica, alumina, magnesia, etc. It may be a catalyst supporting, and specifically, it may be a Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C or Cu/C catalyst.

상기 헤테로폴리산 촉매는 당업계에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면 인(P), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 비소(As), 붕소(B) 또는 코발트(Co)를 중심원소로 하고 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 또는 니오브(Nb)를 배위원소로 하는 헤테로폴리산 촉매일 수 있고, 구체적으로는 포스포몰리브덴산(phosphomolybdic acid), 포스포텅스텐산(phosphotungstic acid), 실리코몰리브덴산(silicomolybdic acid) 또는 실리코텅스텐산(silicotungstic acid) 촉매일 수 있다.The heteropoly acid catalyst can be used without limitation as long as it is commonly used in the art. For example, phosphorus (P), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), boron (B), or cobalt (Co) are the central elements, and tungsten (W), molybdenum (Mo), and vanadium (V) are used as central elements. ) or a heteropoly acid catalyst with niobium (Nb) as a coordination element, specifically, phosphomolybdic acid, phosphotungstic acid, silicomolybdic acid, or silicotungstic acid ( silicotungstic acid) may be a catalyst.

수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매는 혼합되어 있는 것일 수 있다.The hydrogenation reaction catalyst and the heteropoly acid catalyst may be mixed.

수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매는 반응물 100중량부 대비 각각 5 내지 150중량부, 10 내지 130중량부, 15 내지 115 중량부, 20 내지 100중량부, 25 내지 85중량부, 30 내지 70중량부, 40 내지 60중량부의 비율로 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogenation reaction catalyst and the heteropoly acid catalyst are used in an amount of 5 to 150 parts by weight, 10 to 130 parts by weight, 15 to 115 parts by weight, 20 to 100 parts by weight, 25 to 85 parts by weight, 30 to 70 parts by weight, and 40 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of the reactant. It can be used in a ratio of 60 to 60 parts by weight, but is not limited thereto.

또한 상기 두 촉매는 수소화 반응 이후 생성물과의 분리가 용이할 수 있으며, 재사용할 수 있다.Additionally, the above two catalysts can be easily separated from the product after the hydrogenation reaction and can be reused.

수소화는 용매 하에 수행될 수 있다.Hydrogenation can be carried out under solvent.

상기 용매는 예를 들어 탄소수 5 내지 12개의 포화탄화수소를 포함할 수 있다. 용매는 상온에서 액상일 수 있다. 상기 포화탄화수소는 직쇄형 또는 분지형 사슬, 고리형 포화탄화수소를 포함한다. 고리형 포화탄화수소는 직쇄형 또는 분지형 사슬로 치환 또는 비치환된 것일 수 있다.The solvent may include, for example, a saturated hydrocarbon having 5 to 12 carbon atoms. The solvent may be liquid at room temperature. The saturated hydrocarbons include linear or branched chain and cyclic saturated hydrocarbons. Cyclic saturated hydrocarbons may be substituted or unsubstituted with straight or branched chains.

상기 용매는 예를 들면, 노말-펜테인, 이소-펜테인, 노말-헥세인, 2-메틸펜테인, 3-메틸펜테인, 2,2-다이메틸뷰테인, 2,3-다이메틸뷰테인, 노말-헵테인, 2-메틸헥세인, 3-메틸헥세인, 2,4-다이메틸펜테인, 2,3-다이메틸펜테인, 2,2-다이메틸펜테인, 3,3-다이메틸펜테인, 3-에틸펜테인, 2,3,3-트리메틸뷰테인, 옥테인, 노말-데케인, 사이클로펜테인, 사이클로헥세인, 사이클로옥테인 등의 단일 포화탄화수소; 또는 석유 에테르(petroleum ether)와 같이 상기 단일 포화탄화수소 중 적어도 2종 이상의 혼합 포화탄화수소일 수 있다. 구체적인 예시로는 노말-펜테인(n-pentane), 노말-헥세인(n-hexane) 또는 사이클로헥세인(cyclohexane)일 수 있고, 이 경우 수소화 후 증류 공정을 통해 용매의 회수 및 재사용이 용이할 수 있다.The solvent is, for example, n-pentane, iso-pentane, n-hexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, 2,2-dimethylbutane, 2,3-dimethylbutane. Theine, normal-heptane, 2-methylhexane, 3-methylhexane, 2,4-dimethylpentane, 2,3-dimethylpentane, 2,2-dimethylpentane, 3,3- Monosaturated hydrocarbons such as dimethylpentane, 3-ethylpentane, 2,3,3-trimethylbutane, octane, normal-decane, cyclopentane, cyclohexane, and cyclooctane; Alternatively, it may be a mixed saturated hydrocarbon of at least two of the above single saturated hydrocarbons, such as petroleum ether. Specific examples may be n-pentane, n-hexane, or cyclohexane, in which case the solvent can be easily recovered and reused through a distillation process after hydrogenation. You can.

상기 용매는 반응물 대비 0.01 내지 0.9%(v/w), 0.03 내지 0.8%, 0.05 내지 0.7%, 0.08 내지 0.6%, 0.1 내지 0.5%, 0.15 내지 0.4%, 0.2 내지 0.3%의 양으로 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may be used in amounts of 0.01 to 0.9% (v/w), 0.03 to 0.8%, 0.05 to 0.7%, 0.08 to 0.6%, 0.1 to 0.5%, 0.15 to 0.4%, and 0.2 to 0.3% relative to the reactant. It is not limited to this.

본 발명의 제조 방법에 있어 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표시되는 화합물일 수 있다.In the production method of the present invention, the compound of Formula 1 may be a compound represented by the following Formula 1-1 or 1-2.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH일 수 있다. 구체적으로 R1 및 R2가 CO2Me 또는 CH2OH일 수 있다.R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 may be CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH. Specifically, R 1 and R 2 may be CO 2 Me or CH 2 OH.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

본 발명의 제조 방법에 있어 상기 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물일 수 있다.In the production method of the present invention, the compound of Formula 2 may be a compound represented by the following Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et일 수 있다.R may be H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et.

본 발명의 제조 방법에 있어 상기 화학식 3의 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-4로 표시되는 화합물일 수 있다.In the production method of the present invention, the compound of Formula 3 may be a compound represented by the following Formulas 3-1 to 3-4.

[화학식 3-1][Formula 3-1]

[화학식 3-2][Formula 3-2]

[화학식 3-3][Formula 3-3]

[화학식 3-4][Formula 3-4]

화학식 3의 화합물은 바이사이클로[2.2.2]옥테인(bicyclo[2.2.2]octane)을 기본 골격으로 하여 2 내지 4개의 알킬기를 갖는 탄소수 12 내지 14의 탄화수소일 수 있다.The compound of Formula 3 may be a hydrocarbon with 12 to 14 carbon atoms having 2 to 4 alkyl groups with bicyclo[2.2.2]octane as the basic skeleton.

본 발명의 제조 방법의 수소화 반응 온도는 100 내지 450℃, 120 내지 430℃, 140 내지 400℃, 150 내지 380℃, 160 내지 350℃, 180 내지 300℃, 190 내지 280℃, 195 내지 260℃, 200 내지 250℃일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogenation reaction temperature of the production method of the present invention is 100 to 450°C, 120 to 430°C, 140 to 400°C, 150 to 380°C, 160 to 350°C, 180 to 300°C, 190 to 280°C, 195 to 260°C, It may be 200 to 250°C, but is not limited thereto.

예를 들어, 화학식 1 또는 2의 화합물에 알코올 작용기가 존재하는 경우, 160 내지 240℃, 바람직하게는 180 내지 220℃에서 반응을 수행할 수 있고, 화학식 1 또는 2의 화합물에 카보닐 작용기가 존재하는 경우, 210 내지 290℃, 바람직하게는 230 내지 270℃에서 반응을 수행할 수 있다.For example, if an alcohol functional group is present in the compound of Formula 1 or 2, the reaction can be performed at 160 to 240°C, preferably 180 to 220°C, and if a carbonyl functional group is present in the compound of Formula 1 or 2 In this case, the reaction may be performed at 210 to 290°C, preferably 230 to 270°C.

상기 수소화 반응은 수소분압 0.1 내지 100 bar, 0.5 내지 90 bar, 1 내지 80 bar, 2 내지 70 bar, 3 내지 60 bar, 5 내지 50 bar, 7 내지 40 bar, 9 내지 35 bar, 10 내지 30 bar, 12 내지 25 bar, 15 내지 20 bar에서 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogenation reaction is performed at a hydrogen partial pressure of 0.1 to 100 bar, 0.5 to 90 bar, 1 to 80 bar, 2 to 70 bar, 3 to 60 bar, 5 to 50 bar, 7 to 40 bar, 9 to 35 bar, 10 to 30 bar. , can be performed at 12 to 25 bar, 15 to 20 bar, but is not limited thereto.

상기 수소화 반응은 0.5 내지 50시간, 1 내지 40시간, 2 내지 35시간, 3 내지 30시간, 3.5 내지 25시간, 4 내지 20 시간, 4 내지 15시간 동안 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogenation reaction may be performed for 0.5 to 50 hours, 1 to 40 hours, 2 to 35 hours, 3 to 30 hours, 3.5 to 25 hours, 4 to 20 hours, and 4 to 15 hours, but is not limited thereto.

예를 들어, 화학식 1 또는 2의 화합물에 알코올 작용기가 존재하는 경우, 0.5 내지 25시간, 1 내지 20시간, 1.5 내지 15시간, 2 내지 10시간, 3 내지 8.5시간, 3.5 내지 7시간, 4 내지 5시간 동안 수소화 반응이 수행될 수 있고, 화학식 1 또는 2의 화합물에 카보닐 작용기가 존재하는 경우, 4 내지 30시간, 4.5 내지 25시간, 5 내지 20시간, 5.5 내지 18시간, 6 내지 15 시간, 6.5 내지 13시간, 8 내지 12시간, 9 내지 11시간 동안 수소화 반응이 수행될 수 있다.For example, when an alcohol functional group is present in the compound of Formula 1 or 2, the reaction time is 0.5 to 25 hours, 1 to 20 hours, 1.5 to 15 hours, 2 to 10 hours, 3 to 8.5 hours, 3.5 to 7 hours, 4 to The hydrogenation reaction can be carried out for 5 hours, and if a carbonyl function is present in the compound of formula 1 or 2, 4 to 30 hours, 4.5 to 25 hours, 5 to 20 hours, 5.5 to 18 hours, 6 to 15 hours. , the hydrogenation reaction can be performed for 6.5 to 13 hours, 8 to 12 hours, and 9 to 11 hours.

본 발명의 제조 방법은 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 5 또는 화학식 6 중 하나의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The production method of the present invention may further include the step of producing a compound of Formula 1 or Formula 2 by reacting a compound of Formula 4 below with a compound of Formula 5 or Formula 6.

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 5][Formula 5]

R1은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et; R2는 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et이다.R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et.

[화학식 6][Formula 6]

R1 및 R2는 각각 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et이다.R 1 and R 2 are CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et, respectively.

화학식 4의 화합물은 공액 사이클로헥사디엔 구조를 갖는 모노테르펜일 수 있다. 예를 들어 α-펠란드렌(α-phellandrene) 또는 α-터피넨(α-terpinene)일 수 있다.The compound of Formula 4 may be a monoterpene with a conjugated cyclohexadiene structure. For example, it may be α-phellandrene or α-terpinene.

α-펠란드렌 또는 α-터피넨은 천연적으로 얻어진 것이거나 합성된 것일 수 있다. 합성은 예를 들어 염화알루미늄, 인산 또는 실리카-산화알루미늄계 고체산과 같은 산 촉매에 의해 α-피넨(α-pinene), β-피넨(β-pinene), 리모넨(limonene), 터피놀렌(terpinolene) 또는 γ-터피넨(γ-terpinene) 등이 공액 사이클로헥사디엔 구조로 이성질화되는 것일 수 있다.α-Phellandrene or α-terpinene may be obtained naturally or synthetically. The synthesis is carried out by acid catalysts such as aluminum chloride, phosphoric acid or silica-aluminum oxide solid acids to form α-pinene, β-pinene, limonene and terpinolene. Alternatively, γ-terpinene or the like may be isomerized into a conjugated cyclohexadiene structure.

화학식 5 및 6의 화합물은 1 내지 2개의 카르복실기를 포함하는 탄소수 3 내지 8의 산 또는 에스터일 수 있다. 화학식 5는 예를 들어 아크릴산, 말레산, 아크릴산 에스터 또는 디메틸말리에이트(dimethyl maleate)를 포함하는 말레산 에스터일 수 있고, 화학식 6은 예를 들어 푸마르산 또는 디메틸푸마레이트(dimethyl fumarate)를 포함하는 푸마르산 에스터일 수 있다.Compounds of formulas 5 and 6 may be acids or esters having 3 to 8 carbon atoms and containing 1 to 2 carboxyl groups. Formula 5 may be, for example, acrylic acid, maleic acid, acrylic acid ester or maleic acid ester including dimethyl maleate, and Formula 6 may be, for example, fumaric acid or fumaric acid including dimethyl fumarate. It could be an ester.

상기 반응은 탄소로 이루어진 고리형 분자를 생성하는 반응이면 당업계에서 통상적으로 사용되는 반응을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어 디엘스-알더 반응(Diels-Alder reaction)일 수 있고, 이 경우 상기 화학식 4의 화합물은 컨쥬게이티드 다이엔(conjugated diene), 상기 화학식 5 및 6의 화합물은 친다이엔체(dienophile)로 사용된다.The reaction commonly used in the art can be used without limitation as long as it produces a ring-shaped molecule made of carbon. For example, it may be a Diels-Alder reaction, in which case the compound of Formula 4 is a conjugated diene, and the compounds of Formulas 5 and 6 are dienophiles. It is used as.

본 단계는 상기 반응에 의해 생성된 물질을 락톤화하는 것을 포함할 수 있다.This step may include lactonizing the material produced by the reaction.

본 발명의 제조 방법은 하기의 화학식 4의 화합물과 화학식 7의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The production method of the present invention may further include the step of reacting a compound of Formula 4 below with a compound of Formula 7 to produce a compound of Formula 1.

[화학식 4][Formula 4]

[화학식 7][Formula 7]

화학식 4의 화합물은 전술한 범위 내의 것일 수 있다.The compound of Formula 4 may be within the above-mentioned range.

상기 반응은 전술한 범위 내의 반응일 수 있다.The reaction may be a reaction within the above-mentioned range.

본 발명은 화학식 3의 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon fuel composition comprising a compound of formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

R1 및 R2는 각각 H 또는 Me이다.R 1 and R 2 are each H or Me.

본 발명의 연료 조성물은 휘발유, 경유, LPG, 항공용 가솔린, 제트 연료, 로켓 추진제 등으로 사용될 수 있으며, 구체적으로는 항공용 가솔린이나 제트 연료와 같은 항공유로 사용될 수 있다.The fuel composition of the present invention can be used as gasoline, diesel, LPG, aviation gasoline, jet fuel, rocket propellant, etc., and specifically, can be used as aviation fuel such as aviation gasoline or jet fuel.

상기 조성물은 종래 사용되고 있는 석유계 유래 경유, 항공유, 액체 탄화수소 로켓 추진제 등의 연료를 더 포함할 수 있다. 예를 들면 경유, 등유(kerosene), Jet A, Jet A-1, JP-8(Jet Propellant-8) 등의 항공유, JP-10(Jet Propellant-10), RJ-4 연료, RJ-5 연료 등의 액체 탄화수소 로켓 추진제, 바이오디젤 또는 합성 항공유 등을 포함할 수 있다.The composition may further include conventionally used fuels such as petroleum-derived diesel fuel, aviation fuel, and liquid hydrocarbon rocket propellant. For example, diesel fuel, kerosene, aviation fuel such as Jet A, Jet A-1, JP-8 (Jet Propellant-8), JP-10 (Jet Propellant-10), RJ-4 fuel, RJ-5 fuel. It may include liquid hydrocarbon rocket propellants, biodiesel, or synthetic aviation fuel.

상기 연료 조성물은 연료의 용도에 따라 각 연료에서 요구하는 물성을 모두 만족하는 범위 내에서 화학식 3의 화합물과 종래 사용되고 있는 연료의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 화학식 3의 화합물과 종래 연료를 1:4 내지 3:1의 비율, 바람직하게는 1:3 내지 3:2의 비율로 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 상세한 물성은 ASTM D7566 부록을 참고할 수 있다. 예를 들어, 경유, 등유(kerosene), Jet A, Jet A-1, JP-8(Jet Propellant-8) 등의 항공유, JP-10(Jet Propellant-10), RJ-4 연료, RJ-5 연료 등의 액체 탄화수소 로켓 추진제, 바이오디젤 또는 합성 항공유, 구체적으로는 Jet A, Jet A-1, JP-8(Jet Propellant-8) 등의 항공유, JP-10(Jet Propellant-10), RJ-4 연료, RJ-5 연료, 보다 구체적으로는 Jet A-1과 혼합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The fuel composition may include a mixture of the compound of Formula 3 and a conventionally used fuel within a range that satisfies all the physical properties required for each fuel depending on the use of the fuel. For example, the compound of Formula 3 and conventional fuel may be included in a ratio of 1:4 to 3:1, preferably 1:3 to 3:2, but are not limited thereto. For more detailed properties, please refer to the ASTM D7566 appendix. For example, diesel fuel, kerosene, aviation fuel such as Jet A, Jet A-1, JP-8 (Jet Propellant-8), JP-10 (Jet Propellant-10), RJ-4 fuel, RJ-5 Liquid hydrocarbon rocket propellants such as fuel, biodiesel or synthetic aviation fuel, specifically Jet A, Jet A-1, JP-8 (Jet Propellant-8), JP-10 (Jet Propellant-10), RJ- It can be mixed with 4 fuel, RJ-5 fuel, more specifically Jet A-1, but is not limited thereto.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

실시예 1. 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인의 합성Example 1. Synthesis of alkylbicyclo[2.2.2]octane

촉매 혼합물의 생성물(알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인, ABCOs) 수율을 확인하기 위해 촉매의 조건을 달리한 비교실험(반응 1 내지 3)을 함께 실시하였다. 각 반응에서 반응물로는 하기의 화학식 Ⅰ 내지 Ⅲ의 화합물 중 하나를 사용하였으며, 반응 조건은 하기에 자세히 기술하였다.To confirm the yield of the product (alkylbicyclo[2.2.2]octane, ABCOs) of the catalyst mixture, comparative experiments (Reactions 1 to 3) were conducted under different catalyst conditions. In each reaction, one of the compounds of Formulas I to III below was used as a reactant, and the reaction conditions are described in detail below.

[화학식 Ⅰ][Formula Ⅰ]

[화학식 Ⅱ][Formula Ⅱ]

[화학식 Ⅲ][Formula Ⅲ]

(1) 실험방법(1) Experimental method

1) 반응 11) Reaction 1

수소압 15바, 반응온도 250℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기(batch reactor)에 촉매를 첨가하지 않고, 화학식 Ⅰ의 화합물 100mg, 사이클로헥산(cyclohexane) 20mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.Without adding a catalyst, 100 mg of the compound of Formula I and 20 mL of cyclohexane were added to a 50 mL high-temperature and high-pressure batch reactor at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 250°C, and stirred at 600 rpm for 4 hours. While doing so, a hydrogenation reaction was performed.

2) 반응 22) Reaction 2

수소압 15바, 반응온도 250℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 화학식 Ⅰ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.At a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 250°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 100 mg of the compound of Formula I, and 20 mL of cyclohexane were added to a 50 mL batch reactor for high temperature and high pressure, and hydrogenation was performed while stirring at 600 rpm for 4 hours. A treatment reaction was performed.

3) 반응 33) Reaction 3

수소압 15바, 반응온도 250℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅰ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.At a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 250°C, 50 mg of heteropoly acid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of the compound of formula I, and 20 mL of cyclohexane were added to a 50 mL high-temperature and high-pressure batch reactor and incubated at 600 rpm for 4 hours. Hydrogenation reaction was performed while stirring.

4) 반응 44) Reaction 4

수소압 15바, 반응온도 200℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅰ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.In a high-temperature, high-pressure batch reactor with a capacity of 50 mL at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 200°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 50 mg of heteropolyacid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of the compound of formula I, and cyclohexane. Hydrogenation reaction was performed by adding 20 mL and stirring at 600 rpm for 4 hours.

5) 반응 55) Reaction 5

수소압 15바, 반응온도 220℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅰ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.In a high-temperature, high-pressure batch reactor with a capacity of 50 mL at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 220°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 50 mg of heteropolyacid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of the compound of formula I, and cyclohexane. Hydrogenation reaction was performed by adding 20 mL and stirring at 600 rpm for 4 hours.

6) 반응 66) Reaction 6

수소압 15바, 반응온도 220℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅱ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.In a high-temperature, high-pressure batch reactor with a capacity of 50 mL at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 220°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 50 mg of heteropolyacid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of compound of formula II, and cyclohexane. Hydrogenation reaction was performed by adding 20 mL and stirring at 600 rpm for 4 hours.

7) 반응 77) Reaction 7

수소압 15바, 반응온도 230℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅱ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 10시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.In a 50 mL high-temperature and high-pressure batch reactor at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 230°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 50 mg of heteropolyacid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of compound of formula II, and cyclohexane. Hydrogenation reaction was performed by adding 20 mL and stirring at 600 rpm for 10 hours.

8) 반응 88) Reaction 8

수소압 15바, 반응온도 200℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg, 화학식 Ⅲ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하여 4시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.In a high-temperature, high-pressure batch reactor with a capacity of 50 mL at a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 200°C, 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C), 50 mg of heteropolyacid (phosphotungstic acid, HPW), 100 mg of compound of formula III, and cyclohexane. Hydrogenation reaction was performed by adding 20 mL and stirring at 600 rpm for 4 hours.

9) 반응 99) Reaction 9

수소압 15바, 반응온도 230℃에서 50mL 용량의 고온 고압용 회분식 반응기에 화학식 Ⅱ의 화합물 100 mg, 사이클로헥산 20 mL를 투입하고 수소화촉매(Pd/C) 50 mg, 헤테로폴리산(포스포텅스텐산, HPW) 50 mg은 재사용하여 10시간 동안 600rpm으로 교반하면서 수소화처리 반응을 수행하였다.At a hydrogen pressure of 15 bar and a reaction temperature of 230°C, 100 mg of the compound of formula II and 20 mL of cyclohexane were added to a 50 mL high-temperature and high-pressure batch reactor, and 50 mg of hydrogenation catalyst (Pd/C) and heteropoly acid (phosphotungstic acid, HPW) 50 mg was reused and a hydrogenation reaction was performed while stirring at 600 rpm for 10 hours.

(2) 실험결과(2) Experiment results

각각의 반응에서의 탄화수소 수율은 노말-데칸(n-decane)을 내부표준물질로 하여 가스크로마토그래피-불꽃이온화검출기(Gas Chromatography-Flame Ionization Detector, GC-FID)의 내부표준법을 이용하여 분석하였다. 칼럼은 DB-5ms로 하였고, 운반 가스로 2mL/분의 유량의 헬륨을 사용하였으며, 오븐 온도 40℃에서 2분, 7℃/분으로 320℃까지 온도를 상승시키며 40분, 320℃에서 2분 동안 분석하였다.The hydrocarbon yield in each reaction was analyzed using the internal standard method of Gas Chromatography-Flame Ionization Detector (GC-FID) using n-decane as an internal standard. The column was DB-5ms, helium was used at a flow rate of 2 mL/min as a carrier gas, and the oven temperature was 40°C for 2 minutes, the temperature was raised to 320°C at 7°C/min for 40 minutes, and 320°C for 2 minutes. analyzed during.

두 가지 촉매 혹은 한 가지 촉매가 결여된 조건 하에 수소화처리 반응을 시킨 반응 1 내지 3(비교실험) 및 두 가지 촉매가 함께 있는 조건 하에 수소화처리 반응을 시킨 반응 4 내지 9의 반응물 종류, 용매, 반응 온도, 반응 시간 등의 반응 조건에 따른 탄화수소 수율을 표 1에 나타내었다.Reactant types, solvents, and reactions of Reactions 1 to 3 (comparative experiment), in which a hydrogenation reaction was carried out under conditions in which two catalysts or one catalyst was absent, and in Reactions 4 to 9, in which a hydrogenation reaction was carried out in the presence of two catalysts. Hydrocarbon yields according to reaction conditions such as temperature and reaction time are shown in Table 1.

구분division 반응물reactant 촉매catalyst 용매menstruum 수소압 (바)Hydrogen pressure (bar) 반응온도
(℃)
reaction temperature
(℃)
반응시간
(시)
reaction time
(city)
탄화수소 수율 (%)Hydrocarbon yield (%)
반응 1reaction 1 화학식 ⅠChemical formula Ⅰ -- 사이클로헥산cyclohexane 1515 250250 44 00 반응 2reaction 2 화학식 ⅠChemical formula Ⅰ Pd/CPD/C 사이클로헥산cyclohexane 1515 250250 44 00 반응 3reaction 3 화학식 ⅠChemical formula Ⅰ Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 250250 44 00 반응 4reaction 4 화학식 ⅠChemical formula Ⅰ Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 200200 44 40.740.7 반응 5reaction 5 화학식 ⅠChemical formula Ⅰ Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 220220 44 54.954.9 반응 6reaction 6 화학식 ⅡFormula II Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 220220 44 65.565.5 반응 7reaction 7 화학식 ⅡFormula II Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 230230 1010 100.8100.8 반응 8reaction 8 화학식 ⅢFormula III Pd/C-HPWPd/C-HPW 사이클로헥산cyclohexane 1515 200200 44 99.399.3 반응 9reaction 9 화학식 ⅡFormula II Pd/C-HPW (재사용)Pd/C-HPW (reusable) 사이클로헥산cyclohexane 1515 230230 1010 101.3101.3

상기 표 1의 탄화수소 수율은 다음을 고려하여 결정한 것이다. 반응물이 가지는 산소 작용기의 종류에 따라 수소화처리 과정에서 수소화, 수첨탈카르복실화, 수첨탈산소화 반응이 수반되어 생성물의 탄소수의 차이가 발생하게 된다. 반응물에 카보닐 작용기가 있을 경우, 상기의 수소 분압 조건에서 수소화 반응보다 수첨탈카르복실화 반응이 더욱 우세하여 수소화처리 시, 생성물의 탄소수가 감소하게 된다.The hydrocarbon yield in Table 1 above was determined considering the following. Depending on the type of oxygen functional group in the reactant, hydrogenation, hydrodecarboxylation, and hydrodeoxygenation reactions are involved during the hydrogenation process, resulting in differences in the number of carbons in the product. When there is a carbonyl functional group in the reactant, the hydrodecarboxylation reaction is more dominant than the hydrogenation reaction under the above hydrogen partial pressure conditions, so that the carbon number of the product decreases during hydrogenation treatment.

[반응식 1][Scheme 1]

이에 따라 상기 반응식 1에 나타난 것처럼, 반응물이 화학식 Ⅰ 또는 화학식 Ⅱ의 화합물인 경우 탄소수 12 또는 탄소수 13의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인, 화학식 Ⅲ의 화합물인 경우 탄소수 14의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인이 이론적으로 합성될 수 있고, 이의 이론적 수율을 기준으로 상기 표 1의 탄화수소 수율을 계산하였다.Accordingly, as shown in Scheme 1, if the reactant is a compound of Formula I or Formula II, alkylbicyclo[2.2.2]octane having 12 or 13 carbon atoms, and alkylbicyclo[2.2.2]octane having 14 carbon atoms if the reactant is a compound of Formula III. 2.2.2] Octane can be synthesized theoretically, and the hydrocarbon yield in Table 1 was calculated based on its theoretical yield.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 수소화처리 반응에서 두 가지 촉매 또는 한 가지 촉매가 결여된 조건인 반응 1 내지 3에서는 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 얻을 수 없었으며, 수소화촉매(Pd/C)와 헤테로폴리산(HPW)을 물리적으로 혼합한 촉매를 사용한 경우인 반응 4 내지 9에서 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.As shown in Table 1, alkylbicyclo[2.2.2]octane could not be obtained in reactions 1 to 3, which were conditions in which two catalysts or one catalyst were missing in the hydrogenation reaction, and the hydrogenation catalyst (Pd/ It was confirmed that alkylbicyclo[2.2.2]octane could be obtained in reactions 4 to 9 when a catalyst physically mixed with C) and heteropoly acid (HPW) was used.

반응물에 포함된 산소 작용기에 따라 수소화처리 반응의 가혹도가 달라질 수 있으며, 반응 9에서처럼 불균일계 촉매(Pd/C-HPW)를 재사용하였을 경우에도 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인의 수율이 유지되어 촉매를 회수하여 재사용할 수 있음을 확인하였다.The severity of the hydrogenation reaction may vary depending on the oxygen functional group contained in the reactant, and even when the heterogeneous catalyst (Pd/C-HPW) is reused as in reaction 9, the yield of alkylbicyclo[2.2.2]octane is low. It was confirmed that the catalyst was maintained and could be recovered and reused.

상기 반응 4 내지 9를 통해 합성된 탄소수 12 내지 14의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물을 가스크로마토그래피-질량분석기(GC-MS)로 분석하여(도 1) 각각의 질량 스펙트럼을 확인한 결과(도 2), 탄소수 12의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인은 m/z = 166, 123 에서, 탄소수 13의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인은 m/z = 180, 137에서, 탄소수 14의 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인은 m/z = 194, 151에서 특징적인 피크가 검출되었다.The alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture having 12 to 14 carbon atoms synthesized through reactions 4 to 9 was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) (FIG. 1) to confirm the respective mass spectra. As a result (Figure 2), alkylbicyclo[2.2.2]octane with 12 carbon atoms has m/z = 166, 123, and alkylbicyclo[2.2.2]octane with 13 carbon atoms has m/z = 180, 137. In alkylbicyclo[2.2.2]octane with 14 carbon atoms, characteristic peaks were detected at m/z = 194, 151.

실시예 2. 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인을 포함하는 항공유 혼합물의 물성 확인Example 2. Confirmation of physical properties of aviation fuel mixture containing alkylbicyclo[2.2.2]octane

상기 실시예 1의 반응 4 내지 9를 통해 합성된 알킬바이사이클로[2.2.2]옥테인 혼합물(ABCOs)을 공지된 항공유인 Jet A-1과 혼합하여 부피혼합비에 따라 순발열량, 밀도, 어는점, 동점도를 확인하였다.The alkylbicyclo[2.2.2]octane mixture (ABCOs) synthesized through reactions 4 to 9 of Example 1 was mixed with Jet A-1, a known aviation fuel, to obtain net calorific value, density, freezing point, and Kinematic viscosity was confirmed.

항공유로서의 물성 확인에 사용한 Jet A-1:ABCOs 부피혼합비는 표 2에 나타내었다.The Jet A-1:ABCOs volume mixing ratio used to confirm the physical properties of aviation fuel is shown in Table 2.

구분division 1One 22 33 44 Jet A-1Jet A-1 100100 7575 5050 00 ABCOsABCOs 00 2525 5050 100100

(1) 상기 혼합물들의 중량기준 순발열량(NHOCG) 및 체적기준 순발열량(NHOCV)을 측정한 결과(도 3), ABCOs를 50%의 부피비까지 혼합하더라도 항공유로서 만족해야 하는 Jet A-1의 중량기준 순발열량 하한선인 42.8 MJ/kg은 만족하는 것을 볼 수 있었고 체적기준 순발열량은 혼합되는 ABCOs 부피비가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인하였다.(1) As a result of measuring the net calorific value based on weight (NHOC G ) and net calorific value based on volume (NHOC V ) of the above mixtures (Figure 3), Jet A-1 must be satisfied as aviation fuel even if ABCOs are mixed up to a volume ratio of 50%. It was found that the lower limit of net calorific value based on weight, 42.8 MJ/kg, was satisfied, and the net calorific value based on volume was confirmed to increase as the volume ratio of mixed ABCOs increased.

(2) 상기 혼합물들의 밀도를 측정한 결과(도 4), ABCOs를 50%의 부피비까지 혼합하더라도 항공유로서 만족해야 하는 Jet A-1의 밀도 범위인 0.775 g/mL 내지 0.84 g/mL의 범위 내의 밀도를 가지는 것을 확인하였다.(2) As a result of measuring the density of the above mixtures (FIG. 4), even if ABCOs were mixed up to a volume ratio of 50%, the density was within the range of 0.775 g/mL to 0.84 g/mL, which is the density range of Jet A-1 that must be satisfied as aviation fuel. It was confirmed that it had density.

(3) 상기 혼합물들의 어는점을 측정한 결과(도 5), ABCOs를 50%의 부피비까지 혼합하여도 항공유로서 만족해야 하는 Jet A-1의 어는점 상한선인 -47℃를 넘지 않는 것을 확인하였다.(3) As a result of measuring the freezing points of the above mixtures (FIG. 5), it was confirmed that even if ABCOs were mixed up to a volume ratio of 50%, it did not exceed -47°C, which is the upper freezing point limit of Jet A-1, which must be satisfied as aviation fuel.

(4) 상기 혼합물들의 온도별 동점도(kinematic viscosity)를 측정한 결과(도 6), ABCOs를 25%의 부피비까지 혼합하여도 -40℃ 기준에서 항공유로서 만족해야 하는 상한 기준인 12mm2/s를 만족하였고, ABCOs를 50%의 부피비까지 혼합하여도 -20℃ 기준에서의 상한 기준인 8mm2/s를 만족하는 것을 확인하였다.(4) As a result of measuring the kinematic viscosity of the mixtures at each temperature (FIG. 6), even if ABCOs were mixed up to a volume ratio of 25%, the upper limit standard that must be satisfied as aviation fuel at -40℃ was 12mm 2 /s. It was satisfied, and it was confirmed that even when ABCOs were mixed up to a volume ratio of 50%, the upper limit standard of 8mm 2 /s at -20℃ was satisfied.

Claims (16)

수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매 하에 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 수소화하는 단계를 포함하는 화학식 3의 화합물 제조 방법:
[화학식 1]

(R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH이거나, 서로 연결되어 에스터기 또는 무수물기를 포함하는 탄소수 3 내지 8의 고리를 형성할 수 있음)
[화학식 2]

(R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임)
[화학식 3]

(R1 및 R2는 각각 H 또는 Me임).
A method for producing a compound of Formula 3, comprising the step of hydrogenating a compound of Formula 1 or Formula 2 below under a hydrogenation reaction catalyst and a heteropoly acid catalyst:
[Formula 1]

(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH, or are connected to each other to form an ester group or anhydride group Can form a ring containing 3 to 8 carbon atoms)
[Formula 2]

(R is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et)
[Formula 3]

(R 1 and R 2 are H or Me, respectively).
청구항 1에 있어서, 상기 수소화 반응 촉매는 Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C 및 Cu/C로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the hydrogenation reaction catalyst is one selected from the group consisting of Ni/C, Pt/C, Pd/C, Ru/C, Rh/C, and Cu/C.
청구항 1에 있어서, 상기 헤테로폴리산 촉매는 포스포몰리브덴산(phosphomolybdic acid), 포스포텅스텐산(phosphotungstic acid), 실리코몰리브덴산(silicomolybdic acid), 실리코텅스텐산(silicotungstic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the heteropoly acid catalyst has a chemical formula selected from the group consisting of phosphomolybdic acid, phosphotungstic acid, silicomolybdic acid, and silicotungstic acid. Method for preparing the compound of 3.
청구항 1에 있어서, 상기 수소화 반응 촉매 및 헤테로폴리산 촉매는 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물 100중량부 대비 각각 40 내지 60중량부로 포함되는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the hydrogenation reaction catalyst and the heteropoly acid catalyst are each included in an amount of 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound of Formula 1 or Formula 2.
청구항 1에 있어서, 상기 수소화는 탄소수 5 내지 12의 포화탄화수소를 포함하는 용매 하에 수행되는 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the hydrogenation is performed in a solvent containing a saturated hydrocarbon having 5 to 12 carbon atoms.
청구항 1에 있어서, 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:
[화학식 1-1]

(R1은 H, CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH; R2는 CO2H, CO2Me, CO2Et 또는 CH2OH임)
[화학식 1-2]
.
The method of claim 1, wherein the compound of Formula 1 is a compound represented by the following Formula 1-1 or 1-2:
[Formula 1-1]

(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me, CO 2 Et or CH 2 OH)
[Formula 1-2]
.
청구항 1에 있어서, 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:
[화학식 2-1]

(R은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임).
The method of claim 1, wherein the compound of Formula 2 is a compound represented by the following Formula 2-1: Method for producing a compound of Formula 3:
[Formula 2-1]

(R is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et).
청구항 1에 있어서, 화학식 3의 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-4로 표시되는 화합물인 화학식 3의 화합물의 제조 방법:
[화학식 3-1]

[화학식 3-2]

[화학식 3-3]

[화학식 3-4]
.
The method of claim 1, wherein the compound of Formula 3 is a compound represented by the following Formulas 3-1 to 3-4:
[Formula 3-1]

[Formula 3-2]

[Formula 3-3]

[Formula 3-4]
.
청구항 1에 있어서, 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 5 또는 화학식 6 중 하나의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법:
[화학식 4]

[화학식 5]

(R1은 H, CO2H, CO2Me 또는 CO2Et; R2는 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임)
[화학식 6]

(R1 및 R2는 각각 CO2H, CO2Me 또는 CO2Et임).
The method of claim 1, further comprising reacting a compound of Formula 4 with a compound of Formula 5 or Formula 6 to produce a compound of Formula 1 or Formula 2:
[Formula 4]

[Formula 5]

(R 1 is H, CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et; R 2 is CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et)
[Formula 6]

(R 1 and R 2 are CO 2 H, CO 2 Me or CO 2 Et, respectively).
청구항 9에 있어서, 상기 화학식 4의 화합물은 α-펠란드렌(α-phellandrene) 또는 α-터피넨(α-terpinene)인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 9, wherein the compound of Formula 4 is α-phellandrene or α-terpinene.
청구항 9에 있어서, 상기 화학식 5의 화합물은 아크릴산, 아크릴산 에스터, 말레산 및 말레산 에스터로 이루어진 군에서 선택된 하나인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 9, wherein the compound of Formula 5 is one selected from the group consisting of acrylic acid, acrylic acid ester, maleic acid, and maleic acid ester.
청구항 9에 있어서, 상기 화학식 6의 화합물은 푸마르산 또는 푸마르산 에스터인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 9, wherein the compound of Formula 6 is fumaric acid or fumaric acid ester.
청구항 1에 있어서, 하기 화학식 4의 화합물과 화학식 7의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 화합물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 화학식 3의 화합물의 제조 방법:
[화학식 4]

[화학식 7]
.
The method of claim 1, further comprising reacting a compound of Formula 4 with a compound of Formula 7 to produce a compound of Formula 1:
[Formula 4]

[Formula 7]
.
청구항 13에 있어서, 상기 화학식 4의 화합물은 α-펠란드렌(α-phellandrene) 또는 α-터피넨(α-terpinene)인 화학식 3의 화합물의 제조 방법.
The method of claim 13, wherein the compound of Formula 4 is α-phellandrene or α-terpinene.
화학식 3의 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 조성물:
[화학식 3]

(R1 및 R2는 각각 H 또는 Me임).
Hydrocarbon fuel composition comprising a compound of formula 3:
[Formula 3]

(R 1 and R 2 are H or Me, respectively).
청구항 15에 있어서, Jet A, Jet A-1, JP-8(Jet Propellant-8), JP-10(Jet Propellant-10), RJ-4 연료, RJ-5 연료, 바이오디젤 및 합성 항공유로 이루어진 군에서 선택된 하나를 더 포함하는 탄화수소 연료 조성물.
The method of claim 15, comprising Jet A, Jet A-1, JP-8 (Jet Propellant-8), JP-10 (Jet Propellant-10), RJ-4 fuel, RJ-5 fuel, biodiesel and synthetic aviation fuel. A hydrocarbon fuel composition further comprising one selected from the group.
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