KR100286408B1 - 피롤리돈 및 n-알킬피롤리돈의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디카복실산 또는 이의 무수물을 적합한 반응기속에서 제1촉매 상 위에서 수소 또는 암모니아와 반응시키고 계속해서 분리되지 않은 중간체 생성물을 제2의 하부스트림 촉매상 위에서 1급 아민 또는 암모니아와 직접 반응시킴을 포함하여, 포화 또는 불포화 1,4-디카복실산 및 이의 무수물 ; 수소;및 1급아민 또는 암모니아로부터 피롤리돈 및 N-알킬 피롤리돈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 포화 또는 불포화 1,4-디카복실산 및 이들의 무수물, 수소 및 1급 아민 또는 암모니아로부터 피롤리돈 및 N-알킬 피롤리돈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
N-알킬 피롤리돈, 특히 N-메틸피롤리돈은 석유공업화학 분야에서 기술적으로 매우 중요한 용매이며 각종 합성에서 출발물질로서도 사용된다.
N-메틸피롤리돈은 일반적으로 레페 공정(Reppe process)[참조 : Chem. Ing. Technik(22) 17, 1950, pp. 361 ff.]을 이용하여 공업적으로 제조되는데, 여기서 모노메틸아민 및 감마-부티로락톤은 탈수 촉매를 사용하여 250℃를 초과하는 온도에서 특정한 시간 동안 적합한 희석제와 함께 유지시킨다. 그러나, 반응의 결과로서 N-메틸피톨리돈의 자발적인 이량체화로 인하여, 수율은 단지 85 내지 90%가 된다.
미합중국 특허 제4,885,371호에는 모노메틸아민 및 감마-부티로락톤을 보로하이드라이드 촉매를 사용하여 서로 반응시켜 N-메틸피롤리돈을 제조하는 방법이 기재되어 있다.
다수의 기타 공보[예 : JP 제01190667호, JP 제01186864호 및 JP 제01186863호]에는 또한 N-알킬 피롤리돈을, 감마-부티로락톤을 출발물질로 하여, 1급, 2급 또는 3급 아민과 합성시키는 방법이 기재되어 있다. 평균 반응 시간은 250℃에서 3시간이다.
러시아연방 특허원(Soviet application) 제1558903호에 따라, N-메틸피롤리돈은 감마-부티로락톤과 과량의 모노메틸아민을 촉매로서 Y 제올라이트를 사용하여 250℃에서 반응시켜 제조한다. 하타다(Hatada)등의 문헌[참조 : Bull. Chem. Soc. Japan 50(10), 1977, pp. 2517-2521]에 따라, 구리 교환된 Y 제올라이트를 동일한 반응용 촉매로서 사용한다.
JP 제49020585호의 방법에서, N-메틸피롤리돈은 250℃에서 2시간 동안 다량의 물로 희석시킨 모노메틸아민과 감마-부티로락톤을 반응시킴으로써 수득한다.
JP 제51042107호의 방법은 감마-부티로락톤, 메틸아민 및 물을 1:1.4:4의 비로 사용하여 250℃의 온도 및 45내지 50㎏/㎠의 압력에 목적 생성물로서 N-메틸피롤리돈을 수득한다. 과량의 물은 반응하지 않은 메틸아민을 재사용하기 위한 캐리어(carrier)로서 작용한다.
JP 제49000259호에 따라, N-메틸피롤리돈은 감마-부티로락톤, 알칼아민 및 수소의 혼합물을 270℃에서 3시간 동안 가열시켜 수득한다. 구리와 금속성 산화물의 혼합물[예 : Cu + SiO2, Al2O3, SiO2-Al2O3, TiO2 ,ZrO2또는 Cr2O3]을 촉매로서 사용한다. 반응은 기상(gaseous phase)에서 일어나고 수율은 약 60%에 지나지 않는다.
JP 제47021420호에 따라, N-메틸피롤리돈은 모노메틸아민과 감마-부티로락톤을 수성 상에서 충분한 시간 동안 서로 반응시키는 경우 99% 수율로 수득된다.
JP 제49020582호에는 모노메틸아민을 먼저 감마-부티로락톤과 반응시킨 다음, 예를 들면, 산화알루미늄 촉매를 사용하여 폐환 반응시키는 방법이 기재되어 있다.
마지막으로, DE 제2200600호에는, 팔라듐-탄소 촉매를 사용하여 말레산 무수물, 수소 및 아민 화합물로부터 N-메틸피롤리돈을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 275℃의 반응 돈도 및 199atm의 압력에서는 수율이 78.4% 정도로만 수득된다. 반응은 과량의 물에서 일어난다.
더구나, 매우 긴 반응 시간이 규정되며 반응은 매우 높은 압력에서 일어나기 때문에 고가의 공정에 관련된 수단이 필요한다.
위에서 언급한 모든 방법은 수율이 낮거나 생성물이 만족스럽지 않은 단점을 지니고 공정 후에 고가의 정체를 수행해야 한다.
DE 제2200600호에 기술된 방법과 유사한 방법으로, 미국 특허 제3,109,005호, 제3,448,118호 및 제3,198,808호에는 소위 1용기 방법을 사용하여 피롤리돈 또는 피롤리돈들을 제조하는 방법들도 기재되어 있다. 이들 방법은 앞서 언급된 단점이 있다. 그러나, 합성은 대개 1,4-부탄디올, 말레산 무수물 또는 기타의 추출물로부터 미리 제조하여 분리시켜야 하는 감마-부티로락톤으로부터 출발한다.
따라서, 본 발명의 목적은 중간체 생성물을 기타의 일반적인 방법으로 분리 시키지 않고 상응하는 디카복실산 또는 이의 무수물로부터 N-알킬 피롤리돈 또는 피롤리돈 자체를 직접 제조할 수 있으며 생성물에 부여된 고순도 요구 조건을 충족 시키는 동시에 높은 생성물 수율을 성취하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 디카복실산 또는 이의 무수물을 제1촉매 층(first catalyst bed)을 사용하여 적합한 반응기 속에서 수소와 반응시킨 다음 분리되지 않은 중간체 생성물을 제1촉매 층으로부터의 제2촉매 층 하부스트림(downstream)을 사용하여 1급 아민 또는 암모니아와 반응시킴으로써 본 발명에 따라 성취된다.
본 발명에 따르는 방법에서, 상응하는 중간체 생성물은 제1촉매 층으로부터 또는 제1촉매 층 위로부터 먼저 수득된, 수율과 순도가 98%이상인 하부스트림이며, 이는 이후에 제2하부스트림 촉매 상 위에서 1급 아민 또는 암모니아와 기상상태로 반응시켜 N-알킬피롤리돈 또는 피롤리돈을 형성한다. 이러한 제2단계에서도, 순도와 수율은 각각 평균 98%이상이다.
제1촉매 층에 구리를 포함하는 촉매를 사용하는 경우에 공정상 이점이 있는 것으로 입증되었다.
유사하게, 제2하부스트림 촉매 층에 규소를 포함하는 촉매 또는 알루니늄-인산염 촉매를 사용하는 경우에 공정상 이점이 있는 것으로 입증되었다.
특히, 제올라이트성 구조를 지닌 촉매가 바람직하다. 그러나. 제1촉매 층에 아크롬산구리 촉매를 사용하고 제2촉매 층에 X 또는 Y형의 양이온 교환된 제올라이트를 사용하는 경우에 최상의 결과가 수득된다. 이를 병용하면, 반응물 98%이상을 전환시킬 수 있다.
반응은 기상에서 수행하여 반응물의 최적 전환을 성취하는 것이 바람직하다.
반응물의 조절을 양호하게 하고 반응물의 투입(dosing)을 충분히 정확하게 하기 위하여, 희석제[ 예 : 기체, 물 또는 비양자성 용매]가 존재할 수 있다. 제1단계의 반응물, 특히 수소는 질소로 희석시킨 후에 반응 시스템에 도입시키는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 유사하게, 1급 아민은 희석된 수용액 속에 투입하는 것이 더 쉽다. 전체적으로, 위에서 언급한 희석제를 사용함으로써 연속적으로 진행되는 반응이 성취된다.
반응기 내부의 온도는 제1촉매 층 위에서 225 내지 350℃이고 제2촉매 층 위에서는 225 내지 400℃이기 때문에, 제1촉매 층에서는 250 내지 300℃인 것이 바람직하고 제2촉매 층에서는 260 내지 340℃인 것이 바람직하다. 이 경우에 최대 공간-시간 수율(space-time yield)이 수득된다.
1,4-디카복실산 또는 이의 무수물:수소의 몰 비는 1:20 내지 1:250인 반면, 수소:1급 아민 또는 암모니아의 몰 비는 15:1 내지 250:1이다.
반응은 또한 각각의 조합된 촉매 층 위에서의 적용가능한 반응 혼합물의 짧은 보유 시간 내지 매우 짧은 보유 시간이 특징이다. 이러한 시간은 각각의 경우에 0.01 내지 15초이며 적합한 유동 속도와 반응몰 비를 사용함으로써 3초 내로 단축시킬 수 있다.
반응은 또한 반응 압력이 단지 0.1 내지 10bar의 범위인 경우와, 대부분의 경우, 일반적인 주변 압력이 초과되지 않는 경우에 유리하게 수행할 수 있기 때문에 반응은 약간 과압에 적합한 간단한 장치 또는 반응기를 사용하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따르는 생성물은 98% 이상의 수율과 순도로 수득할 수 있으며 부산물로서 일부의 감마-부타로락톤 및 가능하게는 프로피온산만을 포함하며, 이들 둘 다를 쉽게 제거할 수 있다. 특히, 말레산, 메틸아민 및 물로부터 N-메틸피롤리돈을 제조하는 경우, 전환되지 않은 감마-부티로락톤은, 증류 동안에 가능하게는 기타의 부산물과 함께 증류 잔사 중에 잔류하는 감마-하이드록시 N-메틸 부틸아미드로 전환되기 때문에 쉽게 분리된다.
본 발명은 하기 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
통상적인 유리 반응기에서 제1촉매 층과 제2촉매 층 사이의 적합한 위치에 공급구를 장착시킨다.
제1촉매 층에 대한 촉매는 아크롬산구리 촉매[제조원 : 알파(Alfa) 21.95g 을 함유하고 제2촉매 층에 대한 촉매는 NaX 제올라이트 15.9g을 함유한다. 1.584mol/h 수소 및 0.016mol/h 말레산 무수물을 제1촉매 층 위에 공급하고 추가로 0.017mol/h 모노메틸아민 및 0.096mol/h 물을 반응기 공급구를 통해 가한다. 온도는 제1촉매 상 위에서는 275℃이고 제2촉매 상 위에서도 275℃이다. 총 반응 시간이 4시간 경과한 후에, N-메틸피롤리돈 6.09g을 수득한다. 수율은 96%이다.
Claims (15)
- 포화 또는 불포화 1,4-디카복실산 또는 이들의 무수물, 수소 및 1급 아민 또는 암모니아로부터 피롤리돈 및 N-알킬 피롤리돈을 제조하는 방법에 있어서, 제1 촉매 층(first catalyst bed)과 제2 촉매 층(second catalyst bed)사이에 공급구를 장착시킨 반응기 속 제1촉매 층상에서 디카복실산 또는 이의 무수물을 수소화 반응시킴으로써 수득되는 분리되지 않은 중간체 생성물으로, 제2 하부스트림(downstream)촉매 상에서 1급 아민 또는 암모니아와 직접 반응시킴을 특징으로 하는 개선된 방법.
- 제1항에 있어서, 제1촉매 층에 대하여 구리를 함유하는 촉매가 사용되는 방법.
- 제1항에 있어서, 제3촉매 층에 대하여 규소 또는 알루미늄-인산염 촉매를 함유하는 촉매가 사용되는 방법.
- 제3항에 있어서, 촉매가 제올라이트 구조인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 제1촉매 층에 대하여 아크롬산구리 촉매가 사용되고, 제2촉매층에 대하여 X형 또는 Y형의 양이온교환된 제올라이트가 사용되는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 반응이 기상(gaseous phase)에 서 수행되는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 희석제의 존재하에 수행되는 방법.
- 제7항에 있어서. 희석제가 기체, 물 또는 비양자성 용매(aprotic solvent)를 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 제1촉매 층 위의 반응기의 내부 온도가 225 내지 350℃인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 제2촉매 층 위의 반응기의 내부 온도가 225 내지 400℃인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도가 제1촉매 층 위에서 250내지 300℃이고 제2촉매 층 위에서 260 내지 340℃인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 1,4-디카복실산 또는 이의 무수물 : 수소의 몰 비가 1:20 내지 1:250인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 수소: 1급 아민 또는 암모니아의 몰 비가 15:1 내지 250:1인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 촉매 층 위의 반응몰의 보유 시간이 0.01 내지 15초인 방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 반응기의 내부 압력이 0.1 내지 10bar(0.01내지 1.0MPa)인 방법.
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