KR20240045599A - 촉매 시스템 및 이를 이용한 디알킬 카보네이트로부터 방향족 카보네이트의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 촉매 시스템은 화학식 1로 표시되는 티타늄 화합물 100 몰부; 이온성 액체 5 내지 100 몰부; 및 황산(H2SO4) 10 내지 20,000 몰부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 촉매 시스템은 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 촉매 시스템 및 이를 이용한 디알킬 카보네이트로부터 방향족 카보네이트의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템 및 이를 이용한 방향족 카보네이트의 제조방법에 관한 것이다.
방향족 카보네이트는 폴리카보네이트 제조 등에 유용한 모노머로서, 그 제조에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 종래에는 알칼리의 존재 하에 페놀과 포스겐을 반응시키는 포스겐법으로 방향족 탄산 에스테르를 주로 제조하였다. 그러나, 상기 방법은 맹독성인 포스겐을 사용해야 하고, 반응에 의해 부생되는 중성염을 처리해야 한다는 문제점이 있다.
따라서, 근래에는 포스겐을 사용하지 않는 방향족 탄산 에스테르 제조방법이 다양하게 시도되고 있다. 이러한 제조방법으로는, 방향족 알코올의 일산화탄소에 의한 산화적 카르보닐화 반응을 이용하여 방향족 탄산 에스테르(방향족 카보네이트)를 제조하는 방법이 알려져 있다. 상기 방법은 팔라듐, 망간, 코발트 등의 유기금속 화합물을 촉매로 사용하고 있으나 반응 속도 및 수율이 낮으며, 일산화탄소와 산소의 혼합가스 사용에 의한 폭발 위험성 및 유독한 일산화탄소를 사용한다는 결점을 가지고 있다.
이러한 결점을 해소하기 위하여 디메틸 카보네이트 등의 지방족 탄산 에스테르와 페놀을 반응시켜 방향족 탄산 에스테르를 제조하는 에스테르 교환법이 개발되었다. 이와 같은 에스테르 교환법은 통상 촉매 존재 하에서 진행되며 사용되는 촉매로는 PbO, TiX4(X= 알콕시기 또는 아릴옥시기), SnR2(OPh)2(R= 알킬기) 등이 알려져 있다. 그러나, PbO 촉매의 경우 안정성은 높으나, 촉매의 활성이 낮아 반응속도가 매우 느리다는 단점이 있고, TiX4와 SnR2(OPh)2는 활성은 PbO 촉매 보다는 높으나 여전히 개선의 필요성이 있으며, 상당량의 에테르가 부산물로 얻어진다는 단점이 있다.
따라서, 일산화탄소가 아닌 디알킬 카보네이트를 출발물질로 하여, 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템 및 이를 이용한 방향족 카보네이트의 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 배경기술은 중국 공개특허 CN 106977401호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 촉매 시스템을 이용한 디알킬 카보네이트로부터 방향족 카보네이트의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 한 관점은 촉매 시스템에 관한 것이다. 상기 촉매 시스템은 하기 화학식 1로 표시되는 티타늄 화합물 100 몰부; 이온성 액체 5 내지 100 몰부; 및 황산(H2SO4) 10 내지 20,000 몰부;를 포함한다:
[화학식 1]
TiX4
상기 화학식 1에서, X는 탄소수 1 내지 8의 알콕시기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴옥시기이다.
2. 상기 1 구체예에서, 상기 티타늄 화합물은 티타늄 페녹사이드(Ti(OPh)4), 티타늄 테트라부탄올레이트(Ti(OC4H9)4) 및 티타늄 테트라이소프로판올레이트(Ti(OC3H7)4) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로아세테이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
4. 본 발명의 다른 관점은 디알킬 카보네이트로부터 방향족 카보네이트의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 상기 촉매 시스템의 존재 하에서 방향족 알코올과 디알킬 카보네이트를 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
5. 상기 4 구체예에서 상기 촉매 시스템의 티타늄 화합물은 상기 디알킬 카보네이트 1 몰에 대해 1 × 10-5 내지 2 × 10-3 몰로 사용할 수 있다.
6. 상기 4 또는 5 구체예에서, 상기 반응은 190 내지 280℃의 온도에서 수행할 수 있다.
7. 상기 4 내지 6 구체예에서, 상기 방향족 알코올은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
[화학식 2]
Ar-OH
상기 화학식 2에서, Ar은 탄소수 6 내지 12의 아릴기이다.
8. 상기 4 내지 7 구체예에서, 상기 디알킬 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다:
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
본 발명은 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템 및 이를 이용한 방향족 카보네이트의 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 가진다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에 따른 촉매 시스템은 (A) 티타늄 화합물; (B) 이온성 액체; 및 (C) 황산;을 포함한다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.
또한, 본 명세서에서, "방향족 카보네이트"는 "알킬아릴 카보네이트, 디아릴 카보네이트, 또는 이들의 혼합물"을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
(A) 티타늄 화합물
본 발명의 일 구체예에 따른 티타늄 화합물은 이온성 액체 및 황산과 함께 방향족 카보네이트 제조용 촉매 시스템에 적용되는 것으로서, 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올(방향족 하이드록시 화합물)로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템의 구성 성분이다.
구체예에서, 상기 티타늄 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
TiX4
상기 화학식 1에서, X는 탄소수 1 내지 8의 알콕시기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴옥시기이다.
구체예에서, 상기 티타늄 화합물은 티타늄 페녹사이드(titanium phenoxide, Ti(OPh)4), 티타늄 테트라부탄올레이트(titanium tetrabutanolate, Ti(OC4H9)4) 및 티타늄 테트라이소프로판올레이트(titanium tetraisopropanolate, Ti(OC3H7)4), 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 티타늄 화합물로 티타늄 페녹사이드를 사용할 수 있다.
(B) 이온성 액체
본 발명의 일 구체예에 따른 이온성 액체는 티타늄 화합물 및 황산과 함께 방향족 카보네이트 제조용 촉매 시스템에 적용되는 것으로서, 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올(방향족 하이드록시 화합물)로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템의 구성 성분이다.
구체예에서, 상기 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) 및 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로아세테이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoroacetate), 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 이온성 액체로 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트를 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 이온성 액체는 상기 티타늄 화합물 100 몰부에 대하여, 5 내지 100 몰부, 예를 들면 10 내지 50 몰부의 함량으로 촉매 시스템에 포함될 수 있다. 상기 이온성 액체의 함량이 상기 티타늄 화합물 100 몰부에 대하여, 5 몰부 미만일 경우, 초기 반응성, 수율 등이 저하될 우려가 있고, 100 몰부를 초과할 경우, 선택도, 수율 등이 저하될 우려가 있다.
(C) 황산
본 발명의 일 구체예에 따른 황산(H2SO4)은 티타늄 화합물 및 이온성 액체와 함께 방향족 카보네이트 제조용 촉매 시스템에 적용되는 것으로서, 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올(방향족 하이드록시 화합물)로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있는 촉매 시스템의 구성 성분이다.
구체예에서, 상기 황산은 상기 티타늄 화합물 100 몰부에 대하여, 10 내지 20,000 몰부, 예를 들면 20 내지 11,000 몰부의 함량으로 촉매 시스템에 포함될 수 있다. 상기 이온성 액체의 함량이 상기 티타늄 화합물 100 몰부에 대하여, 10 몰부 미만일 경우, 초기 반응성, 수율 등이 저하될 우려가 있고, 20,000 몰부를 초과할 경우, 선택도, 수율 등이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 따른 디알킬 카보네이트로부터 방향족 카보네이트의 제조방법은 상기 촉매 시스템의 존재 하에서 방향족 알코올과 디알킬 카보네이트를 반응시키는 단계를 포함한다.
구체예에서, 상기 촉매 시스템의 티타늄 화합물은 상기 디알킬 카보네이트 1 몰에 대해 대해 1 × 10-5 내지 2 × 10-3 몰, 예를 들면 대해 1 × 10-4 내지 1 × 10-3 몰로 사용할 수 있다. 상기 범위에서, 초기 반응성, 수율 등이 우수할 수 있다.
구체예에서, 상기 방향족 알코올은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Ar-OH
상기 화학식 2에서, Ar은 탄소수 6 내지 12의 아릴기이다.
구체예에서, 상기 Ar은 페닐기 또는 나프틸기일 수 있으며, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 할로겐기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기 등의 치환기로 치환된 것일 수 있다.
구체예에서, 상기 방향족 알코올로는 페놀, 나프톨, 크레졸, 클로로페놀, 알킬 페놀, 알콕시 페놀, 니트로 페놀, 시아노 페놀 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이중 페놀이 바람직하게 사용될 수 있다.
구체예에서, 상기 디알킬 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
구체예에서, 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 부틸기일 수 있다.
상기 디알킬 카보네이트로는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이중 디메틸 카보네이트가 바람직하게 사용될 수 있다.
구체예에서, 상기 반응은 190 내지 280℃, 예를 들면 210 내지 260℃의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 상기 범위에서, 부반응을 줄이고, 디아릴 카르보네이트를 고수율로 얻을 수 있다.
구체예에서, 상기 반응은 0.1 내지 6 bar의 압력에서, 10초 내지 60분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체예에서, 상기 방향족 알코올과 상기 디알킬 카보네이트의 반응 몰비는 1 : 1 내지 3 : 1일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
실시예 1
항온 유지 가능한 오일 베스(oil bath)에 내용적 20 mL 오토클레이브 반응기(autoclave reactor)를 설치하였다. 상기 반응기에 페놀(phenol, 0.131 mol), 및 디메틸 카보네이트(DMC, 0.065 mol)과 함께, 촉매 시스템(티타늄 화합물(티타늄 페녹사이드, Ti(OPh)4)을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 0.17 mmol 투입, 이온성 액체(1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트, [BMIM]OTf)를 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 0.05 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 0.25 당량) 투입, 황산(H2SO4)을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 0.05 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 0.25 당량) 투입)을 투입 후, 반응기의 온도를 235℃로 올렸다. 상기 온도에서 15분 동안 유지하여, 방향족 카보네이트(메틸페닐 카보네이트)를 제조하였다. 반응기의 온도를 상온으로 내린 후, 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
상기 촉매 시스템 중 황산을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 3.0 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 20 당량) 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
상기 촉매 시스템 중 황산을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 7.5 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 45 당량) 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4
상기 촉매 시스템 중 황산을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 12.1 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 71 당량) 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 5
상기 촉매 시스템 중 황산을 디메틸 카보네이트 1 몰 기준으로 17.2 mmol (티타늄 화합물 1 몰 기준으로 102 당량) 투입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
상기 촉매 시스템 중 티타늄 페녹사이드(Ti(OPh)4)만을 촉매로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
상기 촉매 시스템 중 티타늄 페녹사이드(Ti(OPh)4) 및 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트([BMIM]OTf)을 촉매로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 방향족 카보네이트를 제조하였다. 액체 크로마토그래피를 이용하여, 방향족 카보네이트의 조성 분석 및 전환율과 선택도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
물성 측정 방법
(1) 디알킬 카보네이트 전환율: 하기 식 1에 따라, 디알킬 카보네이트의 전환율(단위: %)을 산출하였다.
[식 1]
디알킬 카보네이트 전환율 = [1 - (미반응 디알킬 카보네이트 몰수 / 투입한 디알킬 카보네이트 몰수)] × 100
(2) 선택도: 하기 식 2에 따라, 선택도(단위: %)를 산출하였다.
[식 2]
선택도 = (생성된 방향족 카보네이트 몰수 / (투입한 디알킬 카보네이트 몰수 - 미반응 디아킬 카보네이트 몰수) × 100
(3) 방향족 카보네이트 수율: 하기 식 3에 따라, 방향족 카보네이트의 수율(단위: %)을 산출하였다.
[식 3]
방향족 카보네이트 수율 = 디알킬 카보네이트 전환율 × 선택도 / 100
촉매 시스템 | 촉매 사용량 (mmol/DMC mol) |
DMC 전환율 (%) |
선택도 (%) | 수율 (%) |
|
실시예 1 | Ti(OPh)4/[BMIM]OTf/H2SO4 | 0.17 / 0.05 / 0.05 | 7.4 | 100 | 7.4 |
실시예 2 | Ti(OPh)4/ [BMIM]OTf/H2SO4 | 0.17 / 0.05 / 3.0 | 15.0 | 92.1 | 13.8 |
실시예 3 | Ti(OPh)4/[BMIM]OTf/H2SO4 | 0.17 / 0.05 / 7.5 | 35.0 | 92.4 | 32.3 |
실시예 4 | Ti(OPh)4/[BMIM]OTf/H2SO4 | 0.17 / 0.05 / 12.1 | 57.0 | 46.9 | 26.7 |
실시예 5 | Ti(OPh)4/[BMIM]OTf/H2SO4 | 0.17 / 0.05 / 17.2 | 70.0 | 45.0 | 31.5 |
비교예 1 | Ti(OPh)4 | 0.17 | 5.8 | 100 | 5.8 |
비교예 2 | Ti(OPh)4/[BMIM]OTf | 0.17 / 0.05 | 5.4 | 100 | 5.4 |
상기 결과로부터, 본 발명의 촉매 시스템은 티타늄 화합물을 단독 적용하거나(비교예 1), 티타늄 화합물 및 이온성 액체를 촉매로 적용하는 경우(비교예 2)에 비하여, 디알킬 카보네이트의 초기 반응성을 높이고, 디알킬 카보네이트와 방향족 알코올로부터 고수율로 방향족 카보네이트를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1로 표시되는 티타늄 화합물 100 몰부;
이온성 액체 5 내지 100 몰부; 및 황산(H2SO4) 10 내지 20,000 몰부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템:
[화학식 1]
TiX4
상기 화학식 1에서, X는 탄소수 1 내지 8의 알콕시기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴옥시기이다.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄 화합물은 티타늄 페녹사이드(Ti(OPh)4), 티타늄 테트라부탄올레이트(Ti(OC4H9)4) 및 티타늄 테트라이소프로판올레이트(Ti(OC3H7)4) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 및 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로아세테이트 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 촉매 시스템의 존재 하에서 방향족 알코올과 디알킬 카보네이트를 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방향족 카보네이트의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 촉매 시스템은 상기 디알킬 카보네이트 1 몰에 대해 1 × 10-5 내지 2 × 10-3 몰로 사용하는 것을 특징으로 하는 방향족 카보네이트의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 반응은 190 내지 280℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방향족 카보네이트의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 방향족 알코올은 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 하는 방향족 카보네이트의 제조방법:
[화학식 2]
Ar-OH
상기 화학식 2에서, Ar은 탄소수 6 내지 12의 아릴기이다.
- 제4항에 있어서, 상기 디알킬 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는 방향족 카보네이트의 제조방법:
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
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