WO2013105708A1 - α-메틸렌락톤의 제조 방법 - Google Patents

α-메틸렌락톤의 제조 방법 Download PDF

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WO2013105708A1
WO2013105708A1 PCT/KR2012/005821 KR2012005821W WO2013105708A1 WO 2013105708 A1 WO2013105708 A1 WO 2013105708A1 KR 2012005821 W KR2012005821 W KR 2012005821W WO 2013105708 A1 WO2013105708 A1 WO 2013105708A1
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WO
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lactone
methylene
methylene lactone
butyrolactone
enoleate
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PCT/KR2012/005821
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이명렬
김선대
전인식
이원기
안성희
홍상현
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제일모직주식회사
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
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    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/56—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/58—One oxygen atom, e.g. butenolide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/26—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member
    • C07D307/30—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/32—Oxygen atoms
    • C07D307/33—Oxygen atoms in position 2, the oxygen atom being in its keto or unsubstituted enol form

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing ⁇ -methylene lactone. More specifically, the present invention relates to a process for preparing an enolate intermediate from lactone and reacting the enolate intermediate with p-formaldehyde to produce ⁇ -methylene lactone in high yield.
  • ⁇ -methylene lactones have been the subject of important synthetic studies.
  • the ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone is a ⁇ -butyrolactone compound having an exomethylene group and has various physiological activities such as antitumor, antibacterial and antifungal properties. It is therefore an important compound in the pharmaceutical industry.
  • the copolymer of ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone has excellent heat resistance, transparency, high refractive index, and excellent thermal and optical stability, so it is considered as a comonomer with acryl-based or styrene-based monomers. Has been going on.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2001-247560 discloses a method for producing ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone by reacting ⁇ -butyrolactone with methanol under a manganese / magnesium oxide (Mn / MgO) catalyst.
  • Mn / MgO manganese / magnesium oxide
  • this method uses methanol in the reactor as a source of formaldehyde, which is difficult to use commercially due to the low conversion rate of formaldehyde.
  • Another method for producing ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone is to react homopropazyl alcohol and carbon monoxide under a nickel or palladium catalyst.
  • a nickel catalyst side reactions such as acetylene polymerization and double bond transfer proceed and the yield is low, and thus it is difficult to apply to industrial production.
  • a palladium catalyst the yield can be improved to 90% or more, but there is a disadvantage that the recovery of the catalyst is difficult because of using a homogeneous catalyst (J. Am. Chem. Soc. 1981, Vol. 103 p7520).
  • the conventional methods described above have the advantage of a one-step process, but the reaction life of the high temperature and high pressure shorten the life of the catalyst, the reaction using expensive raw materials such as noble metal catalyst, homopropazol alcohol, etc. There is a disadvantage that it is not easy to apply to industrial production.
  • ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone may be produced by a two-step process in addition to a one-step process.
  • the two-step process is a step of preparing an intermediate oleate by reacting ⁇ -butyrolactone and ethyl formate under NaH, and reacting ⁇ -methylene- ⁇ -buty by reacting the enolate with paraformaldehyde. It is divided into two stages of producing rockactone.
  • filtering is most important because the solid salt precipitates in the solvent.
  • no reports have been made on the filtration rate and the particle size of the oleate salt.
  • an excessive amount of paraformaldehyde is used, but there is a problem that the reactor may be contaminated by paraformaldehyde, which is not suitable for mass production.
  • the present inventors have developed a method of the present invention capable of producing ⁇ -methylene lactone in a high yield by using different catalysts and different reaction conditions.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing ⁇ -methylene lactone having excellent process efficiency.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing ⁇ -methylene lactone in high yield.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing ⁇ -methylene lactone to minimize reactor contamination.
  • the present invention comprises the steps of (A) reacting the lactone and alkyl formate in the presence of an alkoxide base to prepare an enoleate intermediate; And (B) provides a method for producing ⁇ -methylene lactone consisting of the reaction step of the enolate intermediate and paraformaldehyde.
  • the enoleate intermediate may be prepared by a reaction represented by Scheme 1 below, and the ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone may be prepared by a reaction represented by Scheme 2 below.
  • Step (A) of preparing the enoleate intermediate is preferably 1 to 1.5 equivalents of alkylformate and 0.7 to 1.5 equivalents of alkoxide base, based on 1 equivalent of lactone.
  • lactone and the solvent may be used in a weight ratio of 1: 5 to 1:10.
  • the enolate production step (A) is preferably reacted at a temperature of 10 to 40 °C and a stirring speed of 50 to 150 rpm in a reactor of 1 to 100 L size, when the reactor size exceeds 100 L, It is preferable to react at a temperature of 10 to 40 ° C. and a stirring speed of 30 to 80 rpm.
  • paraformaldehyde is preferably used in an amount of 1 to 4 equivalents based on 1 equivalent of the oleate intermediate.
  • the enoleate intermediate of the ⁇ -methylene lactone manufacturing step (B) and the solvent may be used in a weight ratio of 1: 7 to 1:15.
  • the reaction temperature of the ⁇ -methylene lactone manufacturing step (B) is preferably 10 to 40 °C.
  • 1 is a diagram showing a 1 H-NMR peak for the intermediate enolate intermediate of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing 1 H-NMR peaks for ⁇ -methylene lactone as a final product of the present invention.
  • Figure 3 shows the particle size analysis results for Example 1 of the present invention.
  • Figure 4 shows the particle size analysis results for Example 2 of the present invention.
  • Figure 5 shows the particle size analysis results for Example 3 of the present invention.
  • Figure 6 shows the particle size analysis results for Comparative Example 1 of the present invention.
  • the present invention relates to a method for preparing ⁇ -methylene lactone, wherein an enoleate intermediate is prepared from lactone and reacted with an enoleate intermediate and p-formaldehyde to produce ⁇ -methylene lactone in high yield. It is about.
  • the present invention comprises the steps of (A) reacting the lactone and alkyl formate in the presence of an alkoxide base to prepare an enoleate intermediate; And (B) reacting the enoleate intermediate with paraformaldehyde.
  • the ⁇ -methylene lactone of the present invention may be prepared by a reaction represented by the following Scheme 3 as an embodiment.
  • the enoleate intermediate is prepared by reacting lactone and alkylformate in the presence of an alkoxide base.
  • the lactone may be a 5- or 6-ring ring, it is preferable to use ⁇ -butyrolactone.
  • the final material produced using ⁇ -butyrolactone is ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone.
  • an alkoxide base may be used as a base for removing ⁇ -hydrogen of the lactone, and sodium ethoxide (NaOEt) is preferably used.
  • an alkyl formate may be used as a precursor for introducing a methylene group at the ⁇ position of the lactone, and preferably ethyl formate.
  • the enolate intermediate is prepared by the reaction represented by the following Scheme 1.
  • the reaction according to Scheme 1 uses ⁇ -butyrolactone as the lactone component, ethyl formate as the alkyl formate component, sodium ethoxide as the alkoxide base, and tetrahydrofuran (THF) as the solvent component.
  • the product is ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt ( ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt), which can be confirmed by analyzing the 1 H-NMR peak of FIG.
  • the enolate intermediate prepared in this step is a solid salt, it is important to improve the yield by shortening the filtration time without being greatly influenced by the size of the filter paper by controlling the size of the produced particles.
  • polar solvents such as alcohols such as methanol, ethanol and n-butanol, esters such as tetrahydrofuran (THF) and dioxane, and aromatic compounds such as toluene and xylene can be used.
  • alcohols such as methanol, ethanol and n-butanol
  • esters such as tetrahydrofuran (THF) and dioxane
  • aromatic compounds such as toluene and xylene
  • lactone and the solvent are preferably used in a weight ratio of 1: 5 to 1:10. If the solvent is used less than the above range, the particle size of the enolate intermediate is small, so that the filter paper of a large size cannot be used, and the use of a small filter paper can greatly increase the filtration time.
  • the rate of stirring the reactants in the present invention may vary depending on the capacity of the reactor. In the case of a small reactor of 1 to 100 L, it is preferable to react at a stirring speed of 50 to 150 rpm, more preferably 80 to 120 rpm. In addition, in the case of a large-scale reactor having a capacity of more than 100 L can be reacted at a stirring speed of 30 to 80 rpm, more preferably, it can be stirred at 40 to 60 rpm. If it is out of the above range, an enolate intermediate of the desired size cannot be obtained.
  • reaction temperature is close to room temperature at a temperature of 10 to 40 °C, high temperature and high pressure conditions are not required.
  • the enolate intermediate prepared through the reaction preferably has a volume ratio of 1-10 ⁇ m particles of 5% or less. If it exceeds 5%, dense filter paper should be used, which increases the filtration time.
  • Synthetic yield of the enolate intermediate obtained through the reaction and filtration process is 75% or more.
  • ⁇ -methylene lactone may be prepared by reacting the enolate intermediate and paraformaldehyde prepared above, and it is preferable to use 1 equivalent of the enolate intermediate and 1 to 5 equivalents of paraformaldehyde.
  • ⁇ - methylene lactones are enol rate when using a lactone as ⁇ - butyronitrile as lactone component in the intermediate production step (A), to a lactone can be obtained in ⁇ - methylene - ⁇ - butyronitrile of formula (1), Fig. 1 of H 2 This can be confirmed by analyzing -NMR peaks.
  • the ⁇ -methylene lactone is prepared by reacting the prepared oleate intermediate and paraformaldehyde, and ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone is prepared through the following Scheme 2.
  • paraformaldehyde is preferably used in an amount of 1 to 5 equivalents based on 1 equivalent of the enoleate intermediate.
  • the enoleate intermediate of the ⁇ -methylene lactone manufacturing step (B) and the solvent are preferably used in a weight ratio of 1: 7 to 1:15. If less than the above range is used, there is a difficulty in controlling heat generation and the yield may be lowered.
  • the ⁇ -methylene lactone manufacturing step (B) may be reacted at 10 to 40 °C, more preferably 15 to 20 °C reaction temperature.
  • the reflux condition of the tetrahydrofuran solvent close to room temperature, contamination of the reactor by paraformaldehyde may be minimized, and energy consumption may also be reduced.
  • the ⁇ -methylene lactone obtained through the reaction and filtration process is preferably synthesized in a yield of 75% or more.
  • Sodium ethoxide (395 g, 5.81 mol) and 3.5 L of tetrahydrofuran (THF) as a solvent were added to a 5 L reactor, and the reactor temperature was maintained at 17 ° C. while stirring at 115 rpm, followed by ethyl formate (645 g). , 8.72 mol) was quickly added to the reactor, and ⁇ -butyrolactone (500 g, 5.81 mol) was slowly added dropwise for 1 hour 30 minutes. When the ⁇ -butyrolactone was added dropwise, the internal temperature of the reactor was not exceeded 30 ° C., and stirred while maintaining the internal temperature of the reactor at 17 ° C. for 20 hours after the ⁇ -butyrolactone was added dropwise.
  • THF tetrahydrofuran
  • the precipitated compound was filtered using a 3 ⁇ m paper filter and washed with THF.
  • the filtered compound was dried in a vacuum oven at 60 °C synthesized ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt ( ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt).
  • ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the mixture was stirred at a speed of 115 rpm and a 1 ⁇ m paper filter was used. .
  • ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the mixture was stirred at a speed of 115 rpm and a 10 ⁇ m paper filter was used. .
  • ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt was synthesized in the same manner as in Example 1 except for stirring at a speed of 185 rpm.
  • ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt was synthesized in the same manner as in Example 4 except for stirring at a speed of 100 rpm.
  • Small particle volume ratio means the proportion of the volume of the particles between 1 and 10.81 ⁇ m of the total particle.
  • Comparative Examples 1 and 2 because the small particle volume ratio is large, it can be seen that the filtration time is greatly increased and the yield is reduced.
  • ⁇ -formyl- ⁇ -butyrolactone sodium salt 711.5 g, 5.23 mol
  • 7.1 L of tetrahydrofuran (THF) as a solvent were added thereto, followed by stirring at 185 rpm to maintain the reactor temperature at 17 ° C.
  • paraformaldehyde (627.6 g, 20.9 mol) was slurried in 1 L of tetrahydrofuran solvent and rapidly charged into the reactor.
  • the resultant was filtered and washed using a 10 ⁇ m paper filter, and the filtrate was concentrated and distilled under reduced pressure to synthesize ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone.
  • ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone was synthesized in the same manner as in Example 5 except that the reaction was carried out at a temperature of 80 ° C.
  • ⁇ -methylene- ⁇ -butyrolactone was synthesized in the same manner as in Example 6 except that the reaction was carried out at a temperature of 80 ° C.
  • Examples 5 to 6 and Comparative Examples 3 to 4 are summarized in Table 2 below whether the reactor is contaminated and the yield. The contamination of the reactor was visually determined (pollution: O, nonpollution: X).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
  • Furan Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 (A) 락톤과 알킬포르메이트를 알콕사이드 염기 존재 하에 반응시켜 엔올레이트 중간체를 제조하는 단계, 및 (B) 상기 엔올레이트 중간체와 파라포름알데히드의 반응단계를 포함하는 α-메틸렌락톤을 제조하는 방법으로서, 본 발명의 제조방법은 공정시간을 단축하고 수율을 향상시킬 수 있으며, 반응기의 오염을 최소화할 수 있다.

Description

α-메틸렌락톤의 제조 방법
본 발명은 α-메틸렌 락톤의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 락톤으로부터 엔올레이트 중간체를 제조하고, 엔올레이트 중간체와 ρ-포름알데히드(para-formaldehyde)와 반응시켜 높은 수율로 α-메틸렌 락톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.
α-메틸렌 락톤은 그동안 중요한 합성 연구의 주제가 되어 왔다. α-메틸렌 락톤 중에서도 특히 α-메틸렌-γ-부티로락톤은 엑소메틸렌(exomethylene) 기를 갖는 γ-부티로락톤(γ-butyrolactone) 화합물로서 항종양성, 항세균성, 항진균성 등의 다양한 생리활성을 가지고 있으므로 제약 산업에서 중요한 화합물이다. α-메틸렌-γ-부티로락톤의 공중합체는 내열성과 투명성이 우수하고 굴절율이 높을 뿐만 아니라, 열적 및 광학적 안정성이 뛰어나 아크릴계열이나 스티렌계열 단량체와의 공단량체로서 고려되면서 효율적인 합성법 개발을 위한 연구가 진행되어 왔다.
일본공개특허 제2001-247560호는 γ-부티로락톤과 메탄올을 망간/마그네슘 옥사이드(Mn/MgO) 촉매하에서 반응시켜 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 제조하는 방법을 개시한다. 그러나 이 방법은 포름알데히드의 소스로서 메탄올을 반응기 내에서 전환시켜 사용하는데, 포름알데히드로의 전환율이 낮기 때문에 상업적으로 이용하기 어렵다.
α-메틸렌-γ-부티로락톤의 다른 제조방법으로 호모프로파질 알콜과 일산화탄소를 니켈이나 팔라듐 촉매 하에서 반응시키는 방법이 있다. 그러나, 니켈 촉매를 사용하는 경우에는, 아세틸렌 중합이나 이중결합 이동과 같은 부반응이 진행하며 수율도 낮아 공업적 생산에 적용하기 어렵다. 또한, 팔라듐 촉매를 사용하는 경우에는, 수율이 90% 이상으로 개선될 수 있지만, 균질계 촉매를 사용하기 때문에 촉매의 회수가 어렵다는 단점이 있다(J. Am. Chem. Soc. 1981, 제103권 p7520). 상기 방법에서, 팔라듐 균질계 촉매를 이온성 용액(ionic liquid) 하에서 반응하여 촉매의 재사용이 가능한 공정도 보고되었으나, 호모프로파질 알콜이 고가이므로 경제성이 낮다는 문제점을 갖는다(Tetrahedron Lett. 2002, 제43권, p753).
또한, 아크릴산(acrylic acid)과 에틸렌(ethylene)을 팔라듐 균질계 및 비균질계 촉매를 사용하여 환상의 불포화 화합물을 제조하는 방법이 개시되어 있다(일본특허 제4642116호 및 미국공개특허 제2009-0299009 A1호). 그러나 이들 방법은, 균질계 촉매를 사용할 경우, 수율이 60% 이상이지만 촉매 회수가 불가능한 단점이 있고, 비균질계 촉매를 사용할 경우, 수율이 15% 이하인 단점이 있다.
상기 설명한 종래의 방법들은 원-스텝 공정(one-step process)의 장점을 가지고 있으나 고온 고압의 반응 조건으로 촉매의 수명이 짧고, 귀금속 촉매나 호모프로파질 알코올 등과 같은 고가의 원료들을 사용하는 반응으로 공업적 생산에 적용하기는 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, α-메틸렌-γ-부티로락톤은 원스텝 공정 외에 투스텝 공정(two-step process)에 의하여도 제조될 수 있다. 종래기술로서 투스텝 공정은 γ-부티로락톤과 에틸포르메이트를 NaH 하에서 반응시켜 중간체인 엔올레이트를 제조하는 1단계와 상기 엔올레이트와 파라포름알데히드(paraformaldehyde)를 반응시켜 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 제조하는 2단계로 나뉘어진다. 그러나, 1단계의 엔올레이트 염을 제조하는 공정은 고상의 염이 용매 내에서 석출되기 때문에 여과(filtering)가 무엇보다 중요하다. 그러나, 지금까지 여과 속도와 엔올레이트 염의 입자 크기에 대하여 보고된 바가 없다. 또한, 2단계에서는 과량의 파라포름알데히드를 사용하게 되는데 파라포름알데히드에 의하여 반응기가 오염될 수 있다는 문제점이 존재하므로 양산 공정에는 적합하지 않다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 본 발명자는 다른 촉매를 사용하고 반응조건을 달리함으로써 높은 수율로 α-메틸렌 락톤을 제조할 수 있는 본 발명의 방법을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 공정효율이 우수한 α-메틸렌락톤의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고수율로 α-메틸렌락톤을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응기 오염을 최소화하는 α-메틸렌락톤의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명은 (A) 락톤과 알킬포르메이트를 알콕사이드 염기 존재 하에 반응시켜 엔올레이트 중간체를 제조하는 단계; 및 (B) 상기 엔올레이트 중간체와 파라포름알데히드의 반응단계로 이루어지는 α-메틸렌락톤을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 엔올레이트 중간체는 하기 반응식 1로 표시되는 반응에 의하여 제조될 수 있고, 상기 α-메틸렌-γ-부티로락톤은 하기 반응식 2로 표시되는 반응에 의하여 제조될 수 있다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000001
[반응식 2]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000002
상기 엔올레이트 중간체를 제조하는 단계(A)는 락톤 1당량을 기준으로 알킬포르메이트 1 내지 1.5 당량 및 알콕사이드 염기 0.7 내지 1.5 당량이 바람직하다. 상기 엔올레이트 제조단계(A)에서 락톤과 용매는 1:5 내지 1:10의 중량비로 사용될 수 있다.
상기 엔올레이트 제조단계(A)는 1 내지 100 L 크기의 반응기에서, 10 내지 40 ℃의 온도 및 50 내지 150 rpm의 교반속도로 반응하는 것이 바람직하고, 반응기 크기가 100 L를 초과하는 경우에는, 10 내지 40 ℃의 온도 및 30 내지 80 rpm의 교반속도로 반응하는 것이 바람직하다.
상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)는 엔올레이트 중간체 1당량을 기준으로 파라포름알데히드를 1 내지 4 당량으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)의 엔올레이트 중간체와 용매는 1:7 내지 1:15의 중량비로 사용될 수 있다. 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)의 반응온도는 10 내지 40 ℃인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 중간체인 엔올레이트 중간체에 대한 1H-NMR 피크를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 최종 생성물인 α-메틸렌락톤에 대한 1H-NMR 피크를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 대한 입도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 대한 입도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 대한 입도 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에 대한 입도 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 α-메틸렌 락톤의 제조 방법에 관한 것으로, 락톤으로부터 엔올레이트 중간체를 제조하고, 엔올레이트 중간체와 ρ-포름알데히드(para-formaldehyde)와 반응시켜 높은 수율로 α-메틸렌 락톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 (A) 락톤과 알킬포르메이트를 알콕사이드 염기 존재 하에 반응시켜 엔올레이트 중간체를 제조하는 단계; 및 (B) 상기 엔올레이트 중간체를 파라포름알데히드와 반응시키는 단계로 이루어지는 α-메틸렌락톤을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 상기 α-메틸렌락톤은 일 구체예로서 하기 반응식 3으로 표시되는 반응에 의하여 제조될 수 있다.
[반응식 3]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000003
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
(A) 엔올레이트 중간체 제조단계
본 발명에서 상기 엔올레이트 중간체는 락톤과 알킬포르메이트를 알콕사이드 염기 존재 하에 반응시킴으로써 제조된다. 락톤은 5환 또는 6환 고리를 사용할 수 있으며, γ-부티로락톤를 사용하는 것이 바람직하다. γ-부티로락톤을 사용하여 최종 생성되는 물질은 α-메틸렌-γ-부티로락톤이다.
본 발명에서 상기 락톤의 α-수소를 제거하는 염기로서 알콕사이드 염기를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 소듐에톡사이드(NaOEt)를 사용한다.
또한, 상기 락톤의 α위치에 메틸렌기를 도입하기 위한 전구물질로서 알킬포르메이트를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에틸포르메이트를 사용한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 엔올레이트 중간체는 하기 반응식 1로 표시되는 반응에 의하여 제조된다.
[반응식 1]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000004
상기 반응식 1에 의한 반응은 락톤 성분으로 γ-부티로락톤을, 알킬포르메이트 성분으로 에틸포르메이트를, 알콕사이드 염기로 소듐에톡사이드를, 그리고 용매 성분으로 테트라하이드로퓨란(THF)를 사용한 것이다. 또한, 그 생성물은 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)이며, 도 1의 1H-NMR 피크를 분석하여 확인할 수 있다.
본 단계에서 제조되는 엔올레이트 중간체는 고상의 염(salt)이므로 생성되는 입자의 크기를 조절함으로써 여과지의 크기에 크게 영향을 받지 않고 여과시간을 단축하여 수율을 향상시키는 것이 중요하다.
본 발명에서 락톤 1 당량을 사용시, 알킬포르메이트는 1 내지 2 당량으로, 알콕사이드 염기는 0.7 내지 1.5 당량으로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 당량비의 범위를 벗어나는 경우 본 발명에서 원하는 엔올레이트 중간체의 입자 크기를 얻을 수 없다.
본 발명에서 사용하는 용매로는 메탄올, 에탄올, n-부탄올 등의 알콜류, 테트라하이드로퓨란(THF)이나 디옥산 등의 에스테르류, 톨루엔이나 크실렌 등의 방향족 화합물류 등의 극성 용매를 이용할 수 있다.
상기 엔올레이트 제조단계(A)에서 락톤과 용매는 1:5 내지 1:10의 중량비로 사용하는 것이 바람직하다. 만약 용매를 상기의 범위보다 적게 사용하는 경우 엔올레이트 중간체의 입자 크기가 작아져서 큰 크기의 여과지를 사용할 수 없으며, 작은 크기의 여과지를 사용하면 여과시간이 대폭 증가할 수 있다.
본 발명에서 반응물을 교반하는 속도는 반응기의 용량에 따라 달라질 수 있다. 1 내지 100 L의 소규모 반응기의 경우에는 50 내지 150 rpm의 교반속도로 반응하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 80 내지 120 rpm으로 교반할 수 있다. 또한, 100 L를 초과하는 용량의 대규모 반응기의 경우에는 30 내지 80 rpm의 교반속도로 반응할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 40 내지 60 rpm으로 교반할 수 있다. 만약 상기 범위를 벗어나는 경우 원하는 크기의 엔올레이트 중간체를 얻을 수 없다.
또한, 반응온도는 10 내지 40 ℃의 온도로 상온에 가까우며, 고온 고압 조건이 요구되지 않는다.
상기 반응을 통하여 제조되는 엔올레이트 중간체는 1∼10 ㎛ 입자의 부피비율이 5% 이하인 것이 바람직하다. 5%를 초과하는 경우 조밀한 여과지를 사용해야 하며, 그에 따라 여과시간이 증가하기 때문이다.
상기 반응 및 여과 공정을 통하여 얻어지는 상기 엔올레이트 중간체의 합성수율은 75% 이상이다.
(B) α-메틸렌락톤 제조단계
본 발명에서 α-메틸렌락톤은 상기 제조된 엔올레이트 중간체 및 파라포름알데히드를 반응시킴으로써 제조될 수 있으며, 엔올레이트 중간체 1 당량 및 파라포름알데히드 1 내지 5 당량을 사용하는 것이 바람직하다.
α-메틸렌락톤은 엔올레이트 중간체 제조단계(A)에서 락톤 성분으로 γ-부티로락톤을 사용하는 경우, 하기 화학식 1의 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 얻을 수 있으며, 도 2의 1H-NMR 피크를 분석하여 확인 가능하다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000005
본 발명에서 상기 α-메틸렌락톤은 상기 제조된 엔올레이트 중간체 및 파라포름알데히드를 반응시킴으로써 제조되며, α-메틸렌-γ-부티로락톤은 하기 반응식 2를 통하여 제조된다.
[반응식 2]
Figure PCTKR2012005821-appb-I000006
상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)는 엔올레이트 중간체 1 당량에 대하여 파라포름알데히드를 1 내지 5 당량으로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)의 엔올레이트 중간체와 용매는 1:7 내지 1:15의 중량비로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위보다 적게 사용하는 경우 발열 제어의 어려움이 있고 수율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)는 10∼40 ℃에서 반응할 수 있으며, 15∼20 ℃의 반응온도가 보다 바람직하다. 상기와 같이 테트라하이드로퓨란 용매의 환류 조건을 상온에 가깝게 함으로써 파라포름알데히드에 의한 반응기의 오염을 최소화할 수 있으며, 더불어 에너지 전력 소모도 줄일 수 있다.
상기 반응 및 여과 공정을 통하여 얻어지는 상기 α-메틸렌락톤은 75% 이상의 수율로 합성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2 : 엔올레이트 중간체의 제조
실시예 1
5 L 반응기에 소디움 에톡사이드(395 g, 5.81 mol) 및 용매로서 테트라하이드로퓨란(THF) 3.5 L를 투입한 후 115 rpm으로 교반하면서 반응기 온도를 17 ℃로 유지한 후, 에틸포르메이트(645 g, 8.72 mol)를 반응기에 빠르게 넣고 γ-부티로락톤(500 g, 5.81 mol)을 서서히 1시간 30분동안 적가하여 투입하였다. 상기 γ-부티로락톤을 적가시 반응기 내부온도는 30 ℃를 넘지 않게 하였으며, γ-부티로락톤 적가 후 20시간 동안 반응기 내부온도를 17 ℃로 유지하면서 교반하였다. 반응 완료 후 침전된 화합물을 3 μm 페이퍼 필터를 사용하여 여과하였고, THF으로 세척하였다. 여과된 화합물은 60 ℃ 진공 오븐에서 건조하여 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
실시예 2
115 rpm의 속도로 교반하고, 1 μm 페이퍼 필터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
실시예 3
115 rpm의 속도로 교반하고, 10 μm 페이퍼 필터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
실시예 4
630 L 반응기에 소디움 에톡사이드(16.1 kg, 0.24 kmol) 및 용매로서 테트라하이드로퓨란(THF) 143 L를 투입한 후 50 rpm으로 교반하면서 반응기 온도를 17 ℃로 유지한 후, 에틸 포메이트(26.3 kg, 0.35 kmol)를 반응기에 빠르게 넣고 γ-부티로락톤(20.3 kg, 0.24 kmol)을 서서히 1시간 30분동안 미터링 펌프(metering pump)를 사용하여 적가하였다. 상기 γ-부티로락톤을 적가시 반응기 내부온도는 30 ℃를 넘지 않게 하였으며, γ-부티로락톤 적가 후 20시간동안 반응기 내부온도를 17 ℃로 유지하면서 교반하였다. 반응 완료 후 침전된 화합물을 누체 필터(Nutsche filter)에 10 μm 페이퍼 필터를 사용하여 여과하였고, THF으로 세척하였다. 여과된 화합물은 60 ℃ 진공 오븐에서 건조하여 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
비교예 1
185 rpm의 속도로 교반한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 α-포밀-γ-부티로락톤 소디움 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
비교예 2
100 rpm의 속도로 교반한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 α-포밀-γ-부티로락톤 소디움 염(α-formyl-γ-butyrolactone sodium salt)을 합성하였다.
교반 속도에 따른 소입자 부피비율, 여과지의 크기에 따른 여과 시간 및 수율의 상관관계를 하기 표 1에 정리하였다. 소입자 부피비율은 1∼10.81 μm 사이의 입자가 전체 입자에서 차지하는 부피의 비율을 의미한다.
표 1
Figure PCTKR2012005821-appb-T000001
상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 4의 결과를 보면, 소입자 부피비율이 적고, 여과지의 크기에 상관없이 여과시간이 단축되고 수율이 우수한 것을 알 수 있다.
반면, 비교예 1 및 2는 소입자 부피비율이 크기 때문에, 여과시간이 크게 증대되고 수율이 저하된 것을 알 수 있다.
실시예 5 내지 6 및 비교예 3 내지 4 : α-메틸렌락톤의 제조
실시예 5
10 L 반응기에 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(711.5 g, 5.23 mol) 및 용매로서 테트라하이드로퓨란(THF) 7.1 L를 투입한 후 185 rpm으로 교반하면서 반응기 온도를 17 ℃로 유지한 후, 파라포름알데히드(627.6 g, 20.9 mol)를 테트라하이드로퓨란 용매 1 L에 슬러리(slurry)화하여 반응기에 빠르게 투입하였다. 상기 조건으로 5시간 교반 후 10 μm 페이퍼 필터를 사용하여 여과 및 세척한 후 여액을 농축 및 감압 증류하여 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 합성하였다.
실시예 6
630 L 반응기에 α-포밀-γ-부티로락톤 소듐 염(27.4 kg, 0.2 kmol) 및 용매로서 테트라하이드로퓨란(THF) 200 L를 투입한 후 100 rpm으로 교반하면서 반응기 온도를 17 ℃로 유지한 후, 파라포름알데히드(24.0 kg, 0.8 kmol)를 테트라하이드로퓨란 용매 73.5 L에 슬러리(slurry)화하여 반응기에 빠르게 투입하였다. 상기 조건으로 5시간 교반 후 누체 필터(Nutsche filter)에 10 μm 페이퍼 필터를 사용하여 여과 및 세척한 후 여액을 농축 및 감압 증류하여 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 합성하였다.
비교예 3
80 ℃의 온도에서 반응한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 합성하였다.
비교예 4
80 ℃의 온도에서 반응한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 합성하였다.
상기 실시예 5 내지 6 및 비교예 3 내지 4를 반응기의 오염여부 및 수율을 하기 표 2에 정리하였다. 반응기의 오염여부는 육안으로 판단하였다(오염:O, 비오염:X).
표 2
Figure PCTKR2012005821-appb-T000002
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 실시예 5 내지 6의 결과를 보면, 반응기가 오염되지 않으면서 수율이 우수한 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 3 내지 4는 환류 냉각기에 오염이 발생하고 수율이 저하된 것을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. (A) 락톤과 알킬포르메이트를 알콕사이드 염기 존재 하에 반응시켜 엔올레이트 중간체를 제조하는 단계; 및
    (B) 상기 엔올레이트 중간체와 파라포름알데히드를 반응시키는 단계;
    를 포함하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 락톤으로 γ-부티로락톤을 사용하여 α-메틸렌-γ-부티로락톤을 제조하는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알킬포르메이트는 에틸포르메이트인 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 알콕사이드 염기는 소듐에톡사이드인 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 엔올레이트 중간체는 하기 반응식 1로 표시되는 반응에 의하여 제조되고, 상기 α-메틸렌-γ-부티로락톤은 하기 반응식 2로 표시되는 반응에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법:
    [반응식 1]
    Figure PCTKR2012005821-appb-I000007
    [반응식 2]
    Figure PCTKR2012005821-appb-I000008
    .
  6. 제1항에 있어서, 상기 엔올레이트 제조단계(A)는 락톤 1 당량을 기준으로 알킬포르메이트 1 내지 1.5 당량, 및 알콕사이드 염기 0.7 내지 1.5 당량을 사용하는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 엔올레이트 제조단계(A)는 락톤과 용매(THF)가 1:5 내지 1:10의 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 엔올레이트 제조단계(A)는 반응기 크기가 1 내지 100 L인 경우, 10∼40 ℃의 온도 및 50 내지 150 rpm의 교반속도로 반응하는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 엔올레이트 제조단계(A)는 반응기 크기가 100 L를 초과하는 경우, 10 내지 40 ℃의 온도 및 30 내지 80 rpm의 교반속도로 반응하는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)는 엔올레이트 중간체 1 당량을 기준으로 파라포름알데히드 1 내지 4 당량을 사용하는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  11. 제5에 있어서, 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)는 엔올레이트 중간체와 용매(THF)가 1:7 내지 1:15의 중량비로 사용되는 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 α-메틸렌락톤 제조단계(B)의 반응온도는 10 내지 40 ℃인 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 엔올레이트 중간체는 1 내지 10 μm의 엔올레이트 중간체 입자가 전체 입자에서 차지하는 부피비율이 5% 이하인 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 엔올레이트 중간체의 합성수율은 75% 이상이고, 최종 생성물인 α-메틸렌락톤의 합성수율은 75% 이상인 것을 특징으로 하는 α-메틸렌락톤의 제조방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 α-메틸렌락톤.
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