WO2023182772A1 - 알킬렌 카보네이트의 합성 방법 - Google Patents
알킬렌 카보네이트의 합성 방법 Download PDFInfo
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
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- C07D317/08—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having two oxygen atoms as the only ring hetero atoms having the hetero atoms in positions 1 and 3
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- C07D317/34—Oxygen atoms
- C07D317/36—Alkylene carbonates; Substituted alkylene carbonates
Definitions
- the present invention relates to a method for synthesizing alkylene carbonate, and more specifically, to the synthesis of ethylene carbonate, propylene carbonate, etc. with high yield and concentration without the addition of additional solvents, catalysts, and carbon dioxide, under conditions that do not use ethylene oxide, propylene oxide, etc. It relates to a synthetic method for converting to alkylene carbonate.
- Ethylene carbonate and propylene carbonate are not only used as raw materials for polycarbonate, pharmaceutical intermediates, oxyalkylation agents in the dye synthesis process, process equipment protectors, and solvents in the textile production process, but have recently been used as solvents for polymer electrolytes in secondary batteries. The scope of use is further expanding.
- Japanese Patent Laid-Open No. 9-67365 discloses a method of using Kl (potassium iodide) as a catalyst
- Japanese Patent Laid-Open No. 59-13776 discloses a method using tetraalkyl phosphonium such as tributylmethyl phosphonium iodide.
- halide tetraalkyl phosphnium halide
- the conventional technology for commercially producing ethylene carbonate and propylene carbonate has difficult reaction conditions, such as reacting gas and liquid carbon dioxide at high temperature and pressure, and the moisture content of the raw material must be very low.
- the generation of carbon dioxide in the process of producing ethylene oxide cannot be avoided.
- One aspect of the present invention is to provide a method for the synthesis of alkylene carbonates that does not require the use of ethylene oxide and propylene oxide, carbon dioxide, solvents and catalysts, etc.
- a method for synthesizing alkylene carbonate which includes mixing a liquid compound of Formula 1 represented by the following Formula 1 and hydrogen carbonate (MHCO 3 ).
- the method for synthesizing alkylene carbonate according to the present invention does not require the use or additional input of ethylene oxide, propylene oxide, or carbon dioxide, and can obtain alkylene carbonate in high yield even under relatively low temperature and low pressure conditions. Since its use can be eliminated, the subsequent purification process is simple and is desirable in terms of process economy.
- Figure 1 is a graph showing the change in product depending on temperature when synthesizing ethylene carbonate according to the present invention.
- Figure 2 shows the results of NMR observation of changes in reactants and products over time when ethylene carbonate is synthesized according to the present invention.
- Figure 3 graphically shows the yield of ethylene carbonate according to halogen type.
- Figure 4 shows NMR data of the product in the reaction solution after reaction in an example of the present invention.
- Figure 5 is a graph showing product changes according to temperature and time when synthesizing ethylene carbonate according to the present invention.
- Figure 6 graphically shows the results of confirming the carbonate production yield under conditions without using a solvent.
- the method for synthesizing alkylene carbonate including ethylene carbonate, propylene carbonate, etc. according to the present invention does not require the use of ethylene oxide, propylene oxide, carbon dioxide, etc., and alkylene carbonate is obtained in high yield even under relatively low temperature and pressure conditions. Since the use of solvents can be eliminated, the subsequent purification process is simple and is desirable in terms of process economy.
- the alkylene carbonate synthesis method of the present invention includes the step of mixing a liquid compound of Formula 1 represented by the following Formula 1 and hydrogen carbonate (MHCO 3 ).
- R 1 and R 2 are each independently a hydrogen or methyl group
- the compound of Formula 1 may be halogenated ethanol of Formula 1-1 below, or halogenated propanol of Formula 1-2 or Formula 1-3 below.
- the hydrogen carbonate (MHCO 3 ) may be in a liquid or solid state.
- the alkylene carbonate synthesis method of the present invention employs a liquid compound of Formula 1, for example, a liquid halogenated alcohol and a solution or solid hydrogen carbonate (MIHCO 3 ) as reactants, but ethylene oxide and propylene oxide are used as reactants. , no additional carbon dioxide or solvents are required.
- the hydrogen carbonate (MHCO 3 ) is preferably in the form of solid powder.
- liquid alkylene carbonate can be obtained according to Scheme 1 below.
- a solvent is not essential, the subsequent separation process of the solvent from the product is simple and is performed in a single step. Highly concentrated propylene carbonate or ethylene carbonate can be obtained as a product.
- bicarbonate (HCO 3 - ) derived from hydrogen carbonate in the solid or solution phase reacts with the compound of Formula 1 in the liquid phase, for example, a halogenated alcohol, and MX among the reaction products is in the solid phase. obtained, and therefore can be easily separated by solid-liquid separation.
- the metal (M + ) may be an alkali metal cation, for example, may be selected from the group consisting of Li, Na, K, and Cs. It can also be cations based on organic nitrogen compounds, for example ammonium (NH 4 + ), primary ammonium (NH 3 + CH 2 CH 2 OH, NH 3 + CH 2 CH 3, NH 3 + CH 2 CH 2 CH 3 etc.), secondary ammonium (NH 2 + (CH 2 CH 2 OH) 2 ), NH 2 + (CH 2 CH 3 ) 2, NH 2 + (CH 2 CH 2 CH 3 ) 2 , etc.), tertiary ammonium ( NH + (CH 2 CH 2 OH) 3 ), NH + (CH 2 CH 3 ) 3, NH + (CH 2 CH 2 CH 3 ) 3 , etc.) and It may be selected from the group consisting of quaternary ammonium (N + (CH 2 CH 2 OH) 4 ), N + (CH 2 CH 3 ) 4, N + (CH 2 CH 2 CH 2
- the mixing step may be performed at a temperature of 40°C or more and less than 150°C, for example, 45°C to 90°C, preferably 60°C to 90°C, more preferably 65°C. It may be performed at a temperature of from 85°C, and propylene carbonate and ethylene carbonate can be produced with a yield of 70% or more, and even 80% or more, without applying additional pressure in the mixing step.
- the reaction may be somewhat slow, and if it exceeds the range of the present invention, ethylene glycol and There is a problem in that the yield of alkylene carbonate is lowered as the amount of propylene glycol produced increases.
- the time for performing the mixing step of the present invention may be 15 minutes to 24 hours, for example, 30 minutes to 6 hours. If the reaction time is less than 15 minutes, the yield of the product may be insufficient, and if the reaction time exceeds 24 hours, the increase in product yield due to the increase in reaction time is not significant, which is undesirable in terms of process economics.
- the present invention does not exclude the use of additional solvents in the mixing step, and if necessary, water; Various types of polar organic solvents such as alcohol, dimethylformamide, acetone, ether, and ester; And a mixture of at least two of these components may be used. Preferably, water may be mixed as a solvent.
- the method for synthesizing propylene carbonate and ethylene carbonate of the present invention preferably uses a closed reactor.
- the external pressure of the reaction vessel is maintained at atmospheric pressure, and the internal pressure of the closed vessel may change as the reaction progresses. Additionally, since the container is not sealed, the reaction can proceed even if both internal and external pressures are maintained at atmospheric pressure.
- the mixing step may be mixing a compound of Formula 1, for example, a halogenated alcohol and hydrogen carbonate (MHCO 3 ) at a molar ratio of 1:0.5 to 2, preferably at the same molar ratio of 1:1. will be.
- a compound of Formula 1 for example, a halogenated alcohol and hydrogen carbonate (MHCO 3 ) at a molar ratio of 1:0.5 to 2, preferably at the same molar ratio of 1:1.
- liquid compounds of Formula 1 which are the reactants of the present invention, such as halogenated alcohols and solution or solid hydrogen carbonate (MHCO 3 ), can be obtained by synthesis or commercially obtained, respectively, and their acquisition route and synthesis process This is not particularly limited.
- the compound represented by Formula 1 may be obtained by mixing a halogen-substituted nitrogen compound and alkylene in a solvent, using Scheme 2 below.
- the nitrogen compound (Y) is preferably a nitrogen compound whose conjugate acid (HY) has a pKa of 7 to 14, preferably a pKa of 7 to 11, for example, a compound having an imide functional group and ammonium It is preferable that it is at least one compound selected from the group, and more specifically, a compound having an imide functional group, such as succinimide, hydantoin, cyanurate, etc.; And ammonium, monoethanol ammonium, diethanol ammonium, etc. can be used as ammonium compounds.
- HY conjugate acid
- alkylene carbonate can be obtained in liquid form in high yield and concentration, so subsequent purification process is not necessary.
- a purification step may be performed to improve purity, for example, a drying step may be additionally performed.
- the use of high temperature, high pressure, catalyst, solvent, ethylene oxide, propylene oxide, and carbon dioxide is not necessarily required, and can be carried out in a single step at mild temperature and pressure, and as a result, high The alkylene carbonate can be obtained in good yield and no further subsequent purification is necessary.
- Liquid bromoethanol and NaHCO 3 powder (1 mmol each) were mixed with 10 ml of water in a vial with a capacity of 20 ml, and the mixture was reacted at 50°C for 8 hours under normal pressure conditions, and then the product present in the reaction solution was observed. .
- the reaction was performed under the same conditions as Preparation Example 2, except that liquid iodoethanol was used instead of liquid bromoethanol, and then the product present in the reaction solution was observed.
- Figure 1 shows these results graphically.
- alkylene carbonate can be obtained with a yield of more than 75% at a mild temperature of 45 to 90 ° C. at normal pressure, and a yield of about 85% or more at a temperature of 60 to 85 ° C. It was confirmed that alkylene carbonate could be obtained.
- Figure 2 shows these results, and it was confirmed that ethylene carbonate, which did not exist at the start of the reaction (0 h), was produced and the product increased with time. Additionally, according to the same results, it was confirmed that bromoethanol can be converted to ethylene carbonate even when the container is not sealed and both inside and outside the container are maintained at atmospheric pressure.
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Abstract
본 발명은 알킬렌 카보네이트, 예를 들어 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등을 포함하는 알킬렌 카보네이트 합성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상의 화학식 1 화합물과 탄산수소염(MHCO3)을 혼합하는 단계를 포함하는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법에 관한 것으로, 본 발명의 합성방법에 의하면 이산화탄소, 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 등의 사용이 불필요하며, 비교적 낮은 온도의 대기압 하에서도 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있다.
Description
본 발명은 알킬렌 카보네이트의 합성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드 등을 사용하지 않는 조건에서, 추가적인 용매, 촉매 및 이산화탄소의 투입 없이 수율 및 농도가 높은 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 알킬렌 카보네이트로 전환하는 합성 방법에 관한 것이다.
에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트는 폴리카보네이트의 원료, 의약의 중간체, 염료 합성 공정의 옥시알킬화 시약(oxyalkylation agent), 공정설비 보호제, 섬유 생산공정의 용매 등으로 사용될 뿐만 아니라 최근에는 이차전지의 고분자 전해질의 용매 등 그 사용 범위가 더욱 확대되고 있다.
종래 알려진 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트 합성은 촉매의 존재 하에서 이산화탄소와 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드를 반응시켜 제조되었으나, 이때 수반되는 반응이 산업적으로 유용한 반응속도를 얻기 위해서는 고온 및 고압의 이산화탄소 기체나 액체가 요구된다. 또한, 에틸렌 옥사이드의 경우 에틸렌으로부터 이를 합성하는 과정에 있어, 다량의 이산화탄소가 방출되는 문제가 존재한다. 고온 및 고압 조건 하에서는 에틸렌 옥사이드나 프로필렌 옥사이드가 분해 또는 중합되는 경향이 있으므로 반응 조건을 완화하기 위해 다양한 촉매가 개발되었다.
예를 들어 일본공개특허 특개평9-67365에는 Kl(요오드화 칼륨)을 촉매로 사용하는 방법이 개시되어 있고, 일본공개특허 소59-13776에는 트리부틸메틸 포스포늄 이오다이드와 같은 테트라알킬 포스포늄 할라이드(tetraalkyl phosphnium halide)를 촉매로 사용하는 방법이 각각 개시되어 있다. 이들 특허에는 100 내지 170℃의 온도에서 1 내지 5시간 반응시켰을 때 50 내지 95%의 수율이 얻어진다고 기재되어 있으나, 높은 수율을 획득하기 위해서는 고온에서 오랫동안 반응시켜야 하고, 원료인 이산화탄소와 알킬렌옥사이드의 수분 함량을 수백 ppm 이하로 조절해야 하는 문제가 있다. 이에 이온교환수지를 사용하는 방법이 제안되었으나, 이와 같은 방법은 80 내지 100℃에서의 수율이 낮은 문제가 있다.
종합하면, 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트를 상업적으로 제조하기 위한 종래 기술은 고온에서 고압의 기체 및 액체 이산화탄소를 반응을 시켜야 하고, 원료의 수분 함량이 매우 낮아야 하는 등 반응 조건이 까다롭다. 또한, 여러 촉매들의 개발에도, 에틸렌 옥사이드를 만드는 과정에서의 이산화탄소 발생은 피할 수 없다.
이에, 고압의 이산화탄소, 용매 및 촉매 등의 사용이 수반될 필요가 없는 한편 에틸렌 옥사이드나 프로필렌 옥사이드의 사용이 불필요하며, 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트를 높은 농도로 획득할 수 있는 기술이 개발되는 경우 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 한 측면은 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드, 이산화탄소, 용매 및 촉매 등의 사용이 수반될 필요가 없는 알킬렌 카보네이트의 합성 방법을 제공하는 것이다.
이에 본 발명의 일 견지에 의하면, 하기 화학식 1로 표현되는 액상의 화학식 1 화합물과 탄산수소염(MHCO3)을 혼합하는 단계를 포함하는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법이 제공된다.
(상기 화학식 1에 있어서, X는 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 할로겐이며, R1 및 R2는 수소 및 (C1-C3)알킬기로 이루어지는 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.)
본 발명에 의한 알킬렌 카보네이트의 합성 방법은 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 이산화탄소의 사용 또는 추가 투입이 불필요하며, 비교적 낮은 온도 및 낮은 압력 조건하에서도 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있으며, 용매의 사용이 배제될 수 있어 후속적인 정제 과정이 간단하며 공정 경제 상 바람직하다.
도 1은 본 발명에 의해 에틸렌 카보네이트를 합성하는 경우 온도에 따른 생성물의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의해 에틸렌 카보네이트를 합성하는 경우 시간에 따른 반응물 및생성물의 변화를 NMR로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 할로겐 종류에 따른 에틸렌 카보네이트의 수율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 있어서 반응 후 반응 용액 내 생성물의 NMR 데이터를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의해 에틸렌 카보네이트를 합성하는 경우 온도 및 시간에 따른 생성물 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 용매를 사용하지 않는 조건에서의 카보네이트 생산 수율을 확인한 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등을 포함하는 알킬렌카보네이트의 합성 방법은 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 이산화탄소 등의 사용이 불필요하며, 비교적 낮은 온도 및 압력 조건하에서도 높은 수율로 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있으며, 용매의 사용이 배제될 수 있어 후속적인 정제 과정이 간단하며 공정 경제 상 바람직하다.
보다 상세하게 본 발명의 알킬렌 카보네이트 합성 방법은 하기 화학식 1로 표현되는 액상의 화학식 1 화합물과 탄산수소염(MHCO3)을 혼합하는 단계를 포함하는 것이다.
이때, 상기 화학식 1에 있어서, X는 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 할로겐이며, R1 및 R2는 각각 수소 및 (C1-C3)알킬기로 이루어지는 그룹으로부터 독립적으로 선택된다. 바람직하게, 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며,
화학식 1의 화합물에 있어서 X와 -OH기의 위치는 서로 바뀔 수 있고, R1과 R2의 위치도 서로 바뀔 수 있다.
보다 상세하게, 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1-1의 할로겐화 에탄올이거나, 또는 하기 화학식 1-2 또는 화학식 1-3의 할로겐화 프로판올일 수 있다.
한편, 상기 탄산수소염(MHCO3)은 액상 또는 고상인 것일 수 있다. 보다 상세하게 본 발명의 알킬렌 카보네이트트 합성방법은 반응물로 액상의 화학식 1 화합물, 예를 들어 액상의 할로겐화 알코올과 용액상 또는 고상의 탄산수소염(MIHCO3)을 채용하며, 다만 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드, 추가적인 이산화탄소와 용매 등이 요구되지 않는다. 상기 탄산수소염(MHCO3)은 바람직하게는 고체 분말 형태인 것이다.
상기 혼합하는 단계의 수행에 의해 하기 반응식 1에 의해 액상의 알킬렌 카보네이트가 획득될 수 있는 것으로, 본 발명에 의하면 용매가 필수적이지 않으므로 생성물로부터의 후속적인 용매의 분리 과정이 간단하여 단일의 단계로써 고농도 프로필렌 카보네이트 혹은 에틸렌 카보네이트를 생성물로써 획득할 수 있다.
2M+ + 2HCO3
- + 2(화학식 1 화합물) = 2알킬렌 카보네이트 + 2MX + 2H2O [반응식 1]
상기 반응식 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 고상 또는 용액 상의 탄산수소염으로부터 유래된 바이카보네이트(HCO3
-)와 액상의 화학식 1 화합물, 예를 들어 할로겐화 알코올이 반응하게 되며, 상기 반응 결과물 중 MX는 고체상으로 획득되며, 따라서 고액분리에 의해 용이하게 분리될 수 있다.
상기 반응식 1에 있어서 금속(M+)은 알칼리 금속 양이온 일 수 있으며, 예를 들어 Li, Na, K 및 Cs로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있다. 또한 유기 질소 화합물 기반 양이온 일 수 있으며, 예를 들어 암모늄 (NH4
+), 1차 암모늄 (NH3
+CH2CH2OH, NH3
+CH2CH3, NH3
+CH2CH2CH3 등), 2차 암모늄 (NH2
+(CH2CH2OH)2), NH2
+(CH2CH3)2, NH2
+(CH2CH2CH3)2 등), 3차 암모늄 (NH+(CH2CH2OH)3), NH+(CH2CH3)3, NH+(CH2CH2CH3)3 등) 및 4차 암모늄 (N+(CH2CH2OH)4), N+(CH2CH3)4, N+(CH2CH2CH3)4 등)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 혼합하는 단계는 40℃ 이상 150℃ 미만, 예를 들어 45℃ 내지 90℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 60℃ 내지 90℃의 온도, 보다 바람직하게는 65℃ 내지 85℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있고, 상기 혼합하는 단계에 있어서 추가의 압력을 가하지 않고서도 70% 이상, 나아가 80% 이상의 수율로 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트를 제조할 수 있다.
한편, 에틸렌 카보네이트를 제조하는 단계에 있어서 온도가 상기 본 발명의 범위 미만인 경우에는 반응이 다소 느릴 수 있고, 본 발명의 범위를 초과하는 경우에는 하기 반응식 3과 같은 부반응 증가에 의해 에틸렌 글라이콜 및 프로필렌 글라이콜 생성량이 증가하여 알킬렌 카보네이트의 수율이 낮아지는 문제가 있다.
HCO3
- + 화학식 1 화합물 = 글라이콜 + CO2 + X- [반응식 3]
본 발명의 상기 혼합하는 단계가 수행되는 시간은 15 분 내지 24 시간일 수 있으며, 예를 들어 30분 내지 6시간일 수 있다. 반응 시간이 15분 미만인 경우 생성물의 수율이 불충분할 수 있으며, 반응 시간이 24시간을 초과하는 경우에는 반응 시간 증가에 따른 생성물의 수율 증가가 크기 않아 공정경제 상 바람직하지 않은 측면이 있다.
다만, 본 발명은 상기 혼합하는 단계에 있어서 추가의 용매를 사용하는 것을 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라 물; 알코올, 디메틸포름아미드, 아세톤, 에터 그리고 에스터 등 다양한 형태의 극성 유기용매; 및 이들 성분 중 적어도 2 이상의 혼합이 이용될 수 있다. 바람직하게는 물을 용매로 혼합할 수 있다.
본 발명의 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트의 합성 방법은 바람직하게는 밀폐된 반응기를 사용하는 것이며, 이때 반응 용기의 외부 압력은 대기압으로 유지되며, 반응 진행에 따라 밀폐된 용기 내부 압력은 변화할 수 있다. 또한 용기가 밀폐되지 않아 내부 및 외부 기압이 모두 대기압 조건으로 유지되어도 반응 진행이 가능하다.
한편, 상기 혼합하는 단계는 화학식 1 화합물, 예를 들어 할로겐화 알코올과 탄산수소염(MHCO3)을 1: 0.5 내지 2의 몰비로 혼합하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 1:1의 동일한 몰비로 혼합하는 것이다.
본 발명의 반응물인 액상의 화학식 1 화합물, 예를 들어 할로겐화 알코올과 용액상 또는 고상의 탄산수소염(MHCO3)은 각각 합성에 의해 획득하거나 또는 상업적으로 입수할 수 있으며, 이들의 입수 경로 및 합성 과정이 특히 제한되는 것은 아니다.
예를 들어 상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 할로겐 치환된 질소 화합물과 알킬렌을 용매 하에서 혼합하여, 하기 반응식 2에 의해 획득되는 것일 수 있다.
[반응식 2] 2알킬렌 + 2XY + 2H2O = 2화학식 1 화합물 + 2HY
상기 반응식 2에서 X는 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 할로겐이고, Y는 질소 화합물이며 알킬렌은 에틸렌 및 프로필렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
이때, 상기 질소 화합물(Y)은 질소 화합물의 짝산(HY)의 pKa 가 7 내지 14, 바람직하게는 pKa 가 7 내지 11인 질소 화합물인 것이 바람직하며, 예를 들어 이미드 작용기를 가진 화합물 및 암모늄 화합물로부터 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 이미드 작용기를 가진 화합물로 숙신이미드, 하이단토인, 시아누레이트, 등; 그리고 암모늄 화합물로는 암모늄, 모노에탄올암모늄, 디에탄올암모늄 등이 사용 가능하다.
본 발명의 알킬렌 카보네이트의 합성방법에 의하면, 알킬렌 카보네이트가 액상으로 높은 수율 및 농도로 획득될 수 있으므로, 후속적인 정제 과정이 불필요하다. 다만, 경우에 따라 순도 향상을 위해 정제 단계를 수행할 수 있으며, 예를 들어 건조 단계를 추가로 수행할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 고온, 고압, 촉매, 용매, 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 및 이산화탄소의 사용이 모두 필수적으로 요구되지 않으며, 온화한 온도및 압력에서 단일의 단계로 수행될 수 있고, 또한 그 결과 높은 수율로써 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있으며, 추가의 후속적인 정제가 필수적이지 않다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 알킬렌 카보네이트의 합성
제조예 1
용량 11ml의 수열합성 반응 용기에 액상의 브로모에탄올과 NaHCO3 분말을 각각 5mmol씩 10ml 물과 혼합하여 담은 후 이를 상압 조건에서 밀폐 후 45분 동안 25 내지 105℃의 범위에서 가열하였다. 그 후 25, 45, 50, 65, 85, 105℃에서 반응 용액 내 존재하는 생성물을 관찰하였다.
제조예 2
용량 20ml의 바이알에 액상의 브로모에탄올과 NaHCO3 분말을 각각 1 mmol씩 10ml 물과 혼합하여 담은 후 이를 상압 조건에서 50℃에서 8시간 동안 반응을 수행한 후 반응 용액 내 존재하는 생성물을 관찰하였다.
제조예 3
용량 11ml의 수열합성 반응 용기에 액상의 브로모에탄올과 NaHCO3 분말을 각각 9.57g, 6.43g씩 혼합하여 담은 후 이를 상압 조건에서 밀폐 후 12시간 동안 45℃, 65℃, 85℃ 조건에서 가열 후, 반응 용액 내 존재하는 생성물을 관찰하였다.
제조예 4
액상의 브로모에탄올 대신 액상의 아이오도에탄올을 사용한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 조건으로 반응을 수행한 후 반응 용액 내 존재하는 생성물을 관찰하였다.
2. 생성물 확인
(1) 온도에 따른 생성물 변화
제조예 1과 같은 공정에 의해 알킬렌 카보네이트 합성 시 25, 45, 65, 85, 105℃에서 반응 용액 내 존재하는 생성물을 NMR 분석을 통해 관찰하였다.
도 1은 이와 같은 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 방법에 의하면 상압의 45 내지 90℃의 온화한 온도에서 75% 이상의 수율로 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있으며, 60 내지 85℃의 온도에서는 약 85% 이상의 수율로 알킬렌 카보네이트를 획득할 수 있음을 확인할 수 있었다.
(2) 시간에 따른 생성물 변화
제조예 2과 같은 공정에 의해 알킬렌 카보네이트 합성 시 50℃에서 가열하면서 0h, 2h, 4h, 6h의 반응 시간동안 HCO3
-가 에틸렌카보네이트로 변화하는 모습을 NMR로 관찰하였다.
도 2는 이와 같은 결과를 나타낸 것으로, 반응 시작(0h) 시에 존재하지 않았던 에틸렌카보네이트가 생성되고, 시간에 따라 생성물이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 동일 결과에 따라 용기가 밀폐되지 않아, 용기 내 외부 모두 대기압으로 유지되는 경우에도 브로모 에탄올이 에틸렌 카보네이트로 전환될 수 있음을 확인하였다.
(3) 할로겐 종류에 따른 생성물 변화
제조예 2 및 제조예 4와 같은 공정에 의해 알킬렌 카보네이트 합성 시 반응 용액 내 존재하는 생성물을 NMR을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과 도 3과 같이 브로모 에탄올을 사용한 제조예 2 및 아이오도 에탄올을 사용한 제조예 5 모두에서 에틸렌 카보네이트가 획득되는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 온도 및 시간에 따른 생성물 변화
제조예 1과 같은 공정에 의해 알킬렌 카보네이트 합성 시 45, 55, 65, 75 및 85℃에서 반응 시간에 따라 반응 용액 내 존재하는 생성물을 NMR을 이용하여 관찰하였다.
그 중 45℃에서 95분간 가열한 후의 반응 용액의 NMR을 측정하여 도 4와 같은 결과를 확인하였으며, 또한 도 5와 같이 다양한 온도 및 시간 조건에서도 80% 이상의 높은 수율을 획득할 수 있는 것을 확인하였다.
(4) 용매를 사용하지 않는 조건에서의 카보네이트 생산 관찰
제조예 3과 같은 공정에 의해 알킬렌 카보네이트 합성 시 12시간 동안 45, 65, 85℃에서 가열 후 반응 온도에 따라 반응 용액 내 존재하는 생성물을 NMR을 이용하여 관찰하였다.
그 중 65℃에서 12 시간 가열한 후 카보네이트 수율은 도 6와 같이 97%에 이르는 수율을 나타내었으며, 이와 같이 용매를 사용하지 않는 조건에서도 반응물만을 이용하여 높은 수율의 에틸렌 카보네이트가 생성됨을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (14)
- 하기 화학식 1로 표현되는 액상의 화학식 1 화합물과 탄산수소염(MHCO3)을 혼합하는 단계를 포함하는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.[화학식 1]
(상기 화학식 1에 있어서, X는 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 할로겐이며, R1 및 R2는 수소 및 (C1-C3)알킬기로 이루어지는 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.) - 제1항에 있어서, 상기 탄산수소염(MHCO3)은 액상 또는 고상인, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 하기 반응식 1에 의해 액상의 알킬렌 카보네이트가 획득되는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.2M+ + 2HCO3 - + 2(화학식 1 화합물) = 2알킬렌 카보네이트 + 2MX + 2H2O[반응식 1]
- 제2항에 있어서, 상기 반응식 1에 있어서 금속(M+)은 알칼리 금속 양이온, 암모늄 (NH4 +), 1차 암모늄, 2차 암모늄, 3차 암모늄 및 4차 암모늄으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 알킬렌 카보네이트의.
- 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 할로겐화 에탄올인, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 40℃ 이상 150℃ 미만의 온도에서 수행되는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 화학식 1 화합물 및 탄산수소염(MHCO3)을 1: 0.5 내지 2의 몰비로 혼합하는, 알킬렌 카보네이트의 합성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 대기압 조건에서 수행되는, 알킬렌 카보네이트 합성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표현되는 화합물은 할로겐 치환된 질소 화합물과 알킬렌을 용매 하에서 혼합하여, 하기 반응식 2에 의해 획득되는, 알킬렌 카보네이트 합성방법.[반응식 2] 2알킬렌 + 2XY + 2H2O = 2(화학식 1 화합물) + 2HY(상기 반응식 2에서 X는 불소, 염소, 브롬, 및 요오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 할로겐이고, Y는 질소 화합물이며, 알킬렌은 에틸렌 및 프로필렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.)
- 제9항에 있어서, 상기 질소 화합물은 질소 화합물의 짝산(HY)의 pKa 가 7 내지 14인, 알킬렌 카보네이트 합성방법.
- 제9항에 있어서, 상기 질소 화합물은 이미드 작용기를 가진 화합물 및 암모늄 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 알킬렌 카보네이트 합성 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 질소 화합물은 숙신이미드, 하이단토인, 시아누레이트, 및 암모늄 화합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 알킬렌 카보네이트 합성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 용매 없이 수행되거나; 또는물; 알코올, 디메틸포름아미드, 아세톤, 에터 및 에스터로 이루어진 그룹으로 선택된 적어도 하나의 극성 유기용매; 또는 이들의 혼합물 하에서 수행되는, 알킬렌 카보네이트 합성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 탄산수소 이온(HCO3 -)은 무기 염기, 2차 아민, 3차 아민, 및 4차 암모늄 수산화염으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 이산화탄소와 물 존재 하에서 반응시켜 획득되는, 알킬렌 카보네이트 합성 반응.
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Also Published As
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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