KR100772815B1 - 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법 및3-히드록시알칸니트릴의 히드록시아미노알칸으로의 전환방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염기의 존재하에서, 알케닐-2-니트릴을, 또는 반응 조건하에 이성질화되어 알케닐-2-니트릴을 생성하는 알케닐니트릴을, 벤질 알콜과 반응시켜 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물을 생성하고, 미량의 HCl 존재하에서 이 부가물을 부분적으로 수소화시켜 3-히드록시알칸니트릴을 생성하거나 또는 완전히 수소화시켜 3-히드록시아미노알칸을 생성하는 단계를 포함하는, 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법을 제공한다.
3-히드록시알칸니트릴, 알케닐니트릴, 벤질 알콜, 수소화, 알칸올아민.

Description

3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법 및 3-히드록시알칸니트릴의 히드록시아미노알칸으로의 전환 방법 {Process for Making 3-Hydroxyalkanelnitriles and Conversion of the 3-Hydroxyalkanelnitrile to an Hydroxyaminoalkane}
본 발명은, 염기의 존재하에서 특정 알케닐니트릴을 벤질 알콜과 반응시켜 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물을 생성하고, 이 부가물을 부분적으로 수소화시켜 3-히드록시알칸니트릴을 생성하는 단계를 포함하는, 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법을 제공한다. 상기 부가물은 또한 완전히 수소화시켜 3-히드록시아미노알칸을 생성할 수도 있다.
에폭시드와 HCN을 반응시켜 히드록시알칸니트릴을 합성하는 것은 알려져 있다. 예를 들면, 프랑스 특허 제1446127호에는 알킬 알루미늄 화합물의 존재하에서 에폭시드를 HCN으로 처리하여 시아노하이드린을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 3-히드록시알칸니트릴은 또한, 코리네박테리움(corynebacterium)의 할로하이드린 에폭시화 효소(halohydrin epoxidase)를 이용하여 1,2-에폭시드로부터 제조되어 왔다(일본 특허 제05317066호).
알칸올아민(본원에서는 히드록시아미노알칸이라고도 함)은 다양한 촉매 존재하에서, 알킬렌 산화물을 암모니아와 반응시켜 제조되어 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제5,633,408호에는 암모늄 탄산염의 존재하에서 알킬렌 산화물을 암모니아와 반응시키는 것이 개시되어 있고; 미국 특허 제5,599,999호에는 희토류 촉매를 사용하여, 액상에서 알킬렌 산화물을 암모니아와 반응시키는 것이 개시되어 있다. 알킬렌 산화물로부터 알칸올아민을 생성하는 다른 방법이 미국 특허 제4,567,303호; 제4,355,181호; 제4,605,769호; 제4,931,596호, 및 일본 특허 제07033718A호에 개시되어 있다.
본 발명의 발명자는 3-히드록시알칸니트릴 합성을 위해 펜텐니트릴을 출발 물질로 이용하는 단순 부가반응을 사용하고자 하였다. 많은 실험을 통해, 아크롤레인 및 아크릴로니트릴과 같은 분자에 물을 첨가하는 방법은, 펜텐니트릴로부터 출발하는 3-히드록시알칸니트릴의 합성 방법에 적합하지 않음을 알게 되었다. 본 발명의 목적은 마이클-형(Michael-type) 부가반응 후 수소화를 이용하여 3-히드록시알칸니트릴 및 알칸올아민의 제조 방법을 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명은 염기의 존재하에서, 알케닐-2-니트릴을, 또는 반응 조건하에 이성질화되어 알케닐-2-니트릴을 생성하는 알케닐니트릴을, 벤질 알콜과 반응시켜 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물을 생성하고, 미량의 HCl 존재하에서 이 부가물을 부분적으로 수소화시켜 3-히드록시알칸니트릴을 생성하는 단계를 포함하는, 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법을 제공한다.
본 방법은 배치식, 세미-배치식 또는 연속적으로 실행될 수 있다.
본 방법에 적합한 염기에는, 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토 금속 수산화 물, 알칼리 금속 탄산염, 알칼리 토 금속 탄산염, 3차 아민, 루이스 염기 및 강염기성 이온 교환 수지로 구성된 군에서 선택되는 염기가 있다.
본 발명의 3-히드록시알칸니트릴 생성물은, 벤질옥시알칸니트릴 부가물이 생성된 후 이 부가물이 완전히 수소화되어 3-히드록시아미노알칸이 생성될 경우, 히드록시아미노알칸으로 전환될 수 있다.
본 발명은, 염기의 존재하에서 특정 알케닐니트릴을 벤질 알콜과 반응시켜 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물을 생성하고, 이 부가물을 부분적으로 수소화시켜 3-히드록시알칸니트릴을 생성하는 단계를 포함하는, 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법을 제공한다. 상기 부가물은 또한 완전히 수소화시켜 3-히드록시아미노알칸을 생성할 수도 있다.
본 발명에 사용되는 알케닐니트릴은 α,β불포화 알케닐니트릴이다. 즉, 시아노기에 대한 2위치에 이중결합이 있다.
본 발명에 있어서 특히 유용한 것은 2-펜텐니트릴이다. 기하 이성질체를 포함하여, 2-펜텐니트릴은 직접 반응하여 부가물을 생성한다. 3- 및 4-펜텐니트릴은, 본 방법의 부가물 생성 반응 조건하에서 2-펜텐니트릴로 이성질화한다. 이러한 펜텐니트릴은 아디포니트릴 제조과정의 부산물이며, 따라서 비용 효율이 높은 출발 물질이다. 본 방법에 있어서, 이러한 펜텐니트릴은 다양한 비율로 각각의 2종 또는 3종 모두의 혼합물로서 반응하거나, 또는 단리된 화합물로서 반응할 수 있다.
벤질 알콜은 일반적으로, 알케닐-2-니트릴과 약 2 대 1의 몰 비율로 반응 혼합물에 존재한다. 염기는 반응 혼합물의 약 1 내지 5 중량％ 범위 내로 존재한다.
많은 염기들이 본 방법에 사용되기에 적합하지만, 암모니아 및 1차 아민의 사용은 반드시 피해야 한다. 적합한 염기로는 알칼리 금속 수산화물; 알칼리 토 금속 수산화물, 알칼리 금속 탄산염, 알칼리 토 금속 탄산염, 3차 아민, 루이스 염기기 및 강염기성 이온 교환 수지로 구성된 군에서 선택되는 염기가 있다. 또한 다양한 물리적 형태의 염기를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 염기는 용액, 수용액, 고체 입자 또는 고체 입자상에 지지될 수 있는 염기로서 사용될 수 있다. 염기의 고체 형태는 예를 들면, 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화칼슘과 같은 분쇄되거나 또는 박편화된 알칼리 수산화물, 또는 탄산칼륨 또는 탄산칼슘과 같은 금속 탄산염의 입자 형태일 수 있다. 또한 점토, 실리카, 알루미나, 티타니아 또는 지르코니아상에 침착된 수산화칼륨과 같이 다른 입자에 지지될 수 있다. 또한 염기는 비활성 유기 용매 또는 물 중의 용액으로(또는 용액 내에서) 사용될 수 있다.
본 방법에서 생성된 히드록시알칸니트릴은 다양한 종류의 중합체, 예를 들면, 제약과 같은 많은 유기합성 제품의 원료물질 및 중간물; 농화학제; 코팅용 단량체 및 중합체 중간물을 제조하기 위한 출발 물질로서 유용하다.
3-히드록시알칸니트릴을 생성하기 위한 부가물의 연질 또는 부분적 수소화는, 일반적으로 백금 또는 팔라듐 촉매상에 지지된 미량의 HCl 존재하에서 수행된다. 미량의 HCl이란 반응 혼합물에서의 HCl 농도가 약 0.05 내지 약 1 중량％인 것을 의미한다.
알칸올아민(또는 히드록시아미노알칸)을 생성하기 위한 3-히드록시알칸니트릴의 수소화는 전형적으로, 라니(RANEY) 니켈, 라니 코발트, 및 크롬, 니켈, 철, 몰리브덴 또는 이들의 임의의 혼합물에 의해 활성화되는 라니 니켈 또는 라니 코발트 촉매와 같은 금속 촉매하에서 수행된다(라니(RANEY)는 W.R. 그레이스 앤드 컴퍼니(W.R. Grace and Company)의 등록상표임). 수소화는 전형적으로 약 75 내지 약 150 ℃의 온도 및 약 200 내지 약 4000 psig의 압력하에서 수행된다.
본 방법은 또한, 반응 혼합물 중에 단독으로 또는 물과 혼합되어 존재하는 용매를 사용하여 수행된다. 이러한 용매는 본 방법의 반응 조건하에서 비활성일 필요가 있다. 즉, 용매는 부가 또는 다른 방법으로 펜텐니트릴 물질과 비-가역적으로 반응하는 물질 또는 혼합물이어서는 안된다. 바람직한 용매로는 디옥산, 테트라히드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올 및 이소프로판올이 있다. 반응 용액내에 물이 존재할 수도 있다. 만약 반응에 물이 존재한다면, 물은 반응 혼합물의 5 중량％ 이하로 존재하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 물의 농도는 약 2％이다. 이러한 완전한 수소화에 사용되는 촉매 혼합물에서, 촉매 혼합물은 100 내지 1000 ppm의 알칼리 금속 또는 알칼리 토 금속 산화물 또는 수산화물을 포함하는 수성 부식제를 5 중량％ 이하로 포함할 수 있다.
본 방법은 배치식, 세미-배치식 또는 연속적으로 실행될 수 있다.
본 방법은 하기 실시예에 설명되어 있다. 이러한 실시예는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예 1: 수산화칼륨에 의해 촉매되는 벤질 알콜과 시스-펜텐니트릴의 시아노부틸화
분쇄된 KOH(19.85 g)을 오일-자켓 1 ℓ-둥근바닥 플라스크 내의 벤질 알콜 300 g에 첨가하고 45 ℃로 가열하였다. 질소가스 순환장치(N2 purge)를 도입하여 온도를 50 ℃로 유지하며, 정제된 시스 2-펜텐니트릴 116.6 g(85％ 순도, 1.42 몰)을 추가 깔때기로 적가하였다. 적가 후, 이 혼합물을 2시간 더 가열하였다. 이 시점에서 홍차색 용액이 관찰되었다.
이 생성물을 50 ℃에서 49 ％ 황산으로 pH 약 7까지 중화시켰다. 상온까지 냉각 시킨 후, 이 혼합물을 진공 여과시키고, 여과액을 메틸-t-부틸에테르 200 ㎖로 추출하였다. 유기층 상부는 30 m Χ0.5 mm DB 1701(J＆W)의 유리 모세관에서 GC를 이용하여 분석하였다. 추출물의 분석에서는, 1:1 벤질 알콜-시스-2-펜텐니트릴 부가물에서, 시스-펜텐니트릴의 전환율 96.5 ％ 및 3-벤질옥시펜탄니트릴에 대한 선택도 92.3 ％(89.9 ％ 수율)를 나타내었다. 또한 이성질체 펜텐 니트릴과 2량체에 대한 7.7 ％의 선택도도 관찰되었다.
실시예 2: 탄산칼륨에 의해 촉매되는 벤질 알콜과 시스 2-펜텐니트릴의 시아노부틸화
탄산칼륨(6.0 g)을 오일-자켓 500 ㎖-둥근바닥 3목 플라스크 내의 벤질 알콜 82 g에 현탁시켰다. 이 혼합물을 자기 혼합 막대를 이용하여 약하게 교반하고 오 일 욕조를 이용하여 85 ℃로 가열하였다. 계속 교반하면서, 정제된 시스 2-펜텐니트릴(32 g, 98.5 ％ 순도)을 추가 깔때기로 적가(분당 약 0.8 내지 1.0 ㎖)하였다. 어떠한 반응물도 증발하지 않도록 추가 깔때기와 반응 플라스크 사이에 응축기가 위치한 것을 주목하여야 한다. 질소가스 순환장치를 도입하여 온도를 85 ℃로 유지하였다. 반응 혼합물에 시스 2-펜텐니트릴을 완전히 적가한 후, 추가로 5시간 동안 더 가열하며 교반하였다. 5시간 경과 후, 맑은 호박색 용액이 관찰되었다.
50 ％(중량/중량％) 황산 600 내지 700 ㎕를 사용하여, 생성물을 반응 온도에서 pH 약 7까지 중화시켰다. 상온까지 냉각시킨 후, 혼합물을 진공 여과시키고 여과액을 GC로 분석하였다. 조 생성물의 분석에서는, 1:1 벤질 알콜-시스-펜텐니트릴 부가물에서, 시스-2-펜텐니트릴의 전환율 75.4 ％ 및 3-벤질옥시펜탄니트릴에 대한 선택도 61.2 ％(46.2 ％ 수율)를 나타내었다.
실시예 3: 알루미나상에 지지된 수산화칼륨에 의해 촉매되는 벤질 알콜과 시스 2-펜텐니트릴의 시아노부틸화
마그나드라이브(Magnadrive) 교반기, 냉각 코일, 열전쌍 및 시료 침지관을 갖춘 300 ㎖-스테인레스강 멸균기에 조 시스-2-펜텐니트릴 45 g(0.389 몰)(70 ％ 시스-2-펜텐니트릴 함량), 벤질 알콜 82.0 g(0.759 몰) 및 KOH/Al2O3 촉매 3.0 g을 넣었다. 용기를 밀봉한 후 25 ℃에서 1분간 교반하고 멈추었다. 반응기는 질소 가스로 100 psig까지 가압하고 95 ℃로 가열하였다. 1000 rpm으로 교반을 시작하고 3시간 동안 반응을 진행시켰다. 냉각 후, 촉매를 여과하고 호박색 생성물 여과 액을 가스 크로마토그래피로 분석하였다. 시스-2-펜텐니트릴의 전환율은 82.4 ％이었고, 3-벤질옥시-펜탄니트릴의 수율은 63.5 ％이었다. 시스-2-펜텐니트릴의 이성질화로 인한 트렌스-2-펜텐니트릴 및 3-펜텐니트릴은 주요 부산물이었다.
실시예 4: 3-벤질옥시펜탄니트릴의 3-히드록시발레로니트릴로의 수소화
3-벤질옥시펜탄니트릴(83.3 g, 92 ％ 순도), 벤질 알콜 4.3 중량％, 메탄올 250 ㎖, 36 ％ 수성 HCl 4 g 및 습윤 5 ％ Pd/C(엥겔하르트 에스켓 (Engelhard Escat) 111, 1.4 g 건량 기준) 2.8 g의 혼합물을 1000 ㎖-하스텔로이(Hastelloy) C 멸균기에서 300 psig 및 50 ℃로 1시간 동안 수소화하였다. NaHCO3로 중화시킨 후 GC를 이용한 생성물의 분석에서는, 2-벤질옥시펜탄니트릴의 3-히드록시발레로니트릴(3-Hydroxyvaleronitrile) 및 톨루엔으로의, 수율 98 ％ 이상의 완전한 전환율을 나타내었다. 메탄올을 제거한 후 생성물(500 g)은 116-118 ℃/1.9 ㎜Hg에서 올더쇼우(Oldershaw) 칼럼으로 일괄 여과되어 3-히드록시발레로니트릴 212 g(99.9 ％ 순도)를 수득하였다.
실시예 5: 3-히드록시발레로니트릴의 1-아미노펜탄-3-올로의 수소화
3-히드록시발레로니트릴 50.9 g, 테트라히드로푸란 40 ㎖ 및 라니(등록상표) Co(라니 2714) 1.1 g의 혼합물을 열전쌍, 마그나드라이브 교반기 및 시료 침지관을 갖춘 300 ㎖-스테인레스강 멸균기에서 800 psig 및 90 ℃로 수소화하였다. 3시간 후, 반응을 종료시키고 냉각시켰다. 촉매를 여과하고 여과액을 30 m Χ0.5 mm ID DB1701 모세관에서 분석하였다. GC 분석결과, 1-아미노펜탄-3-올의 수율이 75 ％ 인 99.9 ％ 이상의 3-히드록시발레로니트릴의 전환율을 나타내었다.

Claims (7)

  1. 염기의 존재하에서 알케닐니트릴과 벤질 알콜을 반응시켜 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물을 생성하고, 미량의 HCl 존재하에서 이 부가물을 부분적으로 수소화시켜 3-히드록시알칸니트릴을 생성하는 단계를 포함하며, 상기 알케닐니트릴은 2-알케닐니트릴이거나, 또는 상기 부가물 생성 반응 조건하에 이성질화되어 2-알케닐니트릴을 생성하는 알케닐니트릴인, 3-히드록시알칸니트릴의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 알케닐니트릴이 2-펜텐니트릴, 3-펜텐니트릴, 4-펜텐니트릴, 및 상기 화합물 각각의 2종 또는 3종 모두의 혼합물로서 구성된 군에서 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연속적인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 배치식 또는 세미-배치식인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 염기가 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토 금속 수산화물, 알칼리 금속 탄산염, 알칼리 토 금속 탄산염, 3차 아민, 루이스 염기 및 강염기성 이온 교환 수지로 구성된 군에서 선택되는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 염기가 용액, 수용액, 고체 입자 또는 고체 입자상에 지지된 염기로 구성된 군에서 선택되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 3-벤질옥시알칸니트릴 부가물 생성 이후, 이 부가물이 완전히 수소화되어 3-히드록시아미노알칸을 생성하는 방법.
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