KR20010040860A - 1-(2-설포에틸)피리디늄 베타인의 합성 - Google Patents

Abstract

본발명은 피리딘을 카르빌 설페이트, 에티온산 및 이의 염, 비닐설폰산 및 비닐설포네이트로 구성된 그룹에서 선택한 설포에틸화제와 반응시키므로써 1-(2-설포에틸)피리디늄 베타민을 제조하는 방법에 관한 것이다. 여기서 반응은 수용액중에서 일어나거나 또는 피리딘중에서 진행된다.

Description

1-(2-설포에틸)피리디늄 베타인의 합성{SYNTHESIS OF 1-(2-SULPHOETHYL)PYRIDINIUM BETAINE}

WO 91/16474 는 산성 니켈욕에서 니켈을 석출시키는데 있어서 2차 광택제로서 PES를 사용하는 것을 개시하고 있다. 2차 광택제는 니켈 전해질로부터 니켈을 석출 시켜 얻기 때문에, 석출물을 취화함이 없이 거친 표면을 고르게 하는 데 사용된다. 니켈 코팅의 질을 향상시키기 위해서, 이들 코팅은 1종 이상의 기초 물질인 광택제와 거의 항상 함께 사용된다. 이 광택제는 매트 니켈 석출물보다 광택을 더 밝게 한다.

미국 특허 제3,131,189호는 카르빌 설페이트, 카르빌 설페이트와 3차 아민의 유도체에서 4차 암모늄 베타인을 합성하는 방법에 대해서 개시하고 있다. 여기에 기재된 것은 디클로로에탄 중에서 실온하에 피리딘과 카르빌 설페이트로부터 PES를 합성하는 방법이다.

J. Org.Chem. 29(1964) 2489는 디클로로에탄 중에서 피리딘으로 카르빌 설페이트와 반응시키는 것에 대해서 기재하고 있다. 여기서 PES는 60%의 수율로 얻어진다.

하지만, 상기 두가지 공보에 제시된 공정은 배치 크기가 작아 약 5g의 PES 영역에서 사용된다는데 문제가 있다. 또한, 디클로로에탄 같은 유기 용매를 사용하므로 동물 실험시 발암성을 일으킬 수있는 문제가 있다.

또한, PES의 2 단계 합성에 관한 내용이 J.Org.Chem. 26(1961) 4520에 개시되어 있다. 첫단계에서, 피리딘은 1,2-디브로모에탄과 반응하여 브로모에틸치환 피리디늄 브로마이드를 형성한 후 이것에 나트륨 설파이트를 첨가 반응시켜 PES를 생성한다.

프랑스 특허 B 2 270 241은 설포화 반응제로서 에탄설폰산의 지방족 에스테르를 사용하여 삼차 아민을 설포에틸화 시키는 방법을 기재하고 있다. 생성물은 삼차 아민의 설포에틸 베타인이다. 여기서, PES는 최대 95%까지의 수율로 얻어진다. 단점은 비닐설폰산 보다 값이 비싼 비닐설폰산 에스테르를 사용한다는 것이다. 이 에스테르는 H.Distler, Angew. Chem. 77(1965) 291에 기재된 바와 같이, 알킬 오르토포르메이트, 클로로포르메이트 또는 알킬 클로로설파이트로 상응하는 산을 에스테르화 시켜서 제조하거나 또는 알콕시드류를 β-클로로에탄설포닐 클로라이드와 반응시켜 제조한다. 또하나의 단점은 폐기물로서 에스테르 알콜의 화학량론적 양으로 그 생산이 이루어 진다는 것이다.

Bull. Soc. Chim. Fr. 1973 7-8, 2404 는 에탄 설폰산 및/또는 이의 염 및 3차 아민으로 부터 PES를 비롯한 설포베타인을 형성하는 것에 대해 기재하고 있다. 에탄설폰산을 출발재료로 하여 PES를 합성하는 것은 상당히 어렵다. 150℃이하의 온도에서 용매를 함유하지 않는 염 피리디늄 비닐설포네이트는 미량의 PES를 생성한다. 이보다 약간 더 성공적인 전환반응으로서, 비록 매우 느리게 진행되는 공정이긴 하지만, 비등하는 아세트산 중에서 비닐설포네이트와 피리딘과 반응시켜 행해지는 방안이 있다.

본발명은 1-(2-설포에틸)피리디늄 베타인의 제조에 관한 것이다.

1-(2-설포에틸)피리디늄 베타인(PES)은 설포베타인으로 구성된 화합물 부류에 속한다. 이들은 이것의 염(=쯔비터 화합물)을 포함하는 데, 즉 양전하가 질소원자상에 있고, 음전하는 설포네이트 기상에 있는 구조이다. PES 는 니켈을 전기분해로 석출시키는 데 있어서, 2차 광택제로서 중요한 역할을 한다.

본발명의 목적은 비용면에서 효율적이면서, 산업적으로 관련있는 PES를 합성하는 데 있다. 본발명의 다른 목적은 상술한 단점이 발암성의 염소화된 유기 용매를 사용하므로 인한 것이므로 이의 사용을 피하는 데 있다.

본발명의 목적은 카르빌 설페이트, 에티온산과 이의 염, 비닐설폰산 및 비닐설포네이트로 구성된 그룹에서 얻은 설포에틸화제와 피리딘을 수용액 또는 피리딘중에서 반응시켜 PES를 제조하는 방법으로서 달성된다.

본발명의 제법은 산업적 규모로 실행할 수있는, 비용이 저렴한 합성 방법이다. 발암성의 값비싼 염소화 유기 용매의 사용을 피하면서 중간물의 분리없이 1단계의 "원-스팟"반응으로 시행할 수있다.

본발명의 한 일태양에 있어서, PES는 피리딘을 카르빌 설페이트, 에티온산 및 이의 염, 비닐설폰산 및 비닐설포네이트로 구성된 군에서 선택된 설포에틸화제와 수용액 중에서 반응시켜 제조할 수있다.

본명에서에서 수용액이란 20중량%이상, 바람직하게는 20 내지 80중량%, 더욱 바람직하게는 30 내지 70중량%, 가장 바람직하게는 45 내지 65 중량%의 수분을 함유하는 반응 혼합물을 의미한다.

수용액중에서 반응을 개시할 때, pH는 1.0 내지 11.0, 바람직하게는 4.0 내지 9.0, 특히 바람직하게는 5.0 내지 8.0의 값이 사용되는데, 이러한 pH는 산, 바람직하게는 황산, 또는 수성 알카리 금속 수산화물 용액에 의해 얻을 수있다. 명시된 pH범위에서 상한선 및 하한선에서 ±2 범위내의 pH의 변동 또한 사용가능하다.

설포에틸화제를 피리딘과 혼합해서 사용하는 경우, 그 혼합비는 1:0.1 내지 1:3, 바람직하게는 1:0.5 내지 1:2, 특히 바람직하게는 1:0.6 내지 1:1의 몰비가 사용된다. 혼합물을 교반과 함께 가열하는 데, 가열 온도는 20 내지 250℃, 바람직하게는 80 내지 160℃, 더욱 바람직하게는 130 내지 160℃이다. 압력은 일반적으로 1 atm 내지 200atm, 바람직하게는 1 atm 내지 50atm, 더욱 바람직하게는 2 내지 10atm이다. 특히 바람직하게는 항온 배양기에서 약 3 atm 내지 8 atm의 자가 압력하에서 반응을 시행한다.

선택한 조건에 따라, 반응시간은 3 내지 40 시간, 바람직하게는 4 내지 20 시간이다.

얻은 반응 생성물은 PES 및 알칼리 금속 설페이트를 함유하는 갈색 수용액으로서 물이 선명하게 보인다. 황산 이외의 산을 사용하여 pH를 조정하는 경우, 용액은 알칼리 금속 설페이트보다는 산에 상응하는 염을 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 비반응된 설포에틸화제 및 피리딘이 함유될 수도 있다. 선택된 출발재료 및 반응조건에 따라, 부가의 부가물이 존재할 수있는 데, 그러한 것들의 예로는 설포에틸화제 합성에 의해 발생되는 부산물, 반응 진행시에 형성될 수있는 가수분해 생성물을 들수있다.

반응 조건에 따라 얻은 염은 당업계의 공정 단계를 사용하여 수성 생성물 용액으로 부터 적어도 부분적으로 제거될 수있다. 예를 들면, 냉각 및 이후의 여과방법에 의해 수성 생성물 용액중의 알카리 금속 설페이트의 양을 감소시킬 수있다. 전환 반응이 불완전하게 일어나면 비닐설포네이트가 일반적으로 용액중에 남아서 PES를 2차 광택제로서 이후에 사용가능하게 한다; 스팀 및 증류에 의해 반응하지 않은 피리딘을 제거할 수있으며, 필요하다면, 이를 이후의 배치에서 사용할 수있다. PES 용액을 분무 건조같은 방법에 따라 고체형으로 전환할 수있다. 이와 유사하게, PES를 당업자에 공지된 방법을 사용하여 이들 용액으로 부터 분리할 수있다.

카르빌 설페이트가 수용액중의 설포에틸화제로 사용되는 경우, 상술한 것외에 제1공정 단계는 EP B 0 054 142호에 개시된 반응으로서 10 내지 70℃에서 10 내지 50 중량% 강도의 알칼리 금속 수산화물과 카르빌 설페이트를 반응시키는 것이다. 카르빌 설페이트 첨가시에, 7보다 큰 pH 및 50℃ 이하의 온도를 사용하는 것이 바람직하다.

카르빌 설페이트를 첨가한 후에, 반응 혼합물을 상기와 같이 가열하고, pH를 7.0 이상, 바람직하게는 9.0 이상으로 하는 데, 이때 수성 알칼리 금속 수산화물 용액을 사용한다. 산을 가해서 pH를 1.0 내지 9.0, 바람직하게는 4.0 내지 8.5, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 8.0으로 조정한다. 상한치와 하한치의 범위내에서 pH는 약 ±2의 변동을 나타내는 것이다.

이후의 합성은 상술한 반응 조건하에서 시행한다. 본명세서에서 피리딘이 카르빌 설페이트와 알칼리 금속 수산화물 용액과의 반응초기 또는 반응종료후에 가하는 것은 중요한 것이 아니다.

이러한 반응 조건중에, 반응은 다음의 경로들을 개별적으로 또는 나란히 진행할 수있다:

a) 카르빌 설페이트로부터 PES를 직접 형성하는 경로,

b) 카르빌 설페이트에서 에티온산 및/또는 이의 염을 형성하는 경로, 이는 에티온산 및/또는 이의 염을 형성하는 비닐설포네이트 또는 직접 동일계로 PES와 반응한다.

c) 카르빌 설페이트에서 비닐설포네이트를 형성하는 경로, 이는 동일계로 PES와 반응한다.

본발명의 반응 조건하에서 카르빌 설페이트 및 피리딘의 반응 중간물로서 형성되는 화합물인, 비닐설폰산 또는 비닐설포네이트 및 에티온산 및/또는 이의 염은 상술한 반응조건하에서 PES의 합성시에 설포 에틸화제로서 직접 사용될 수있다. 이 경우, 비닐 설폰산 및/또는 비닐설포네이트 및 에티온산 및/또는 이의 염은 카르빌 설페이트로부터 얻어질 뿐 아니라 또한 다른 출발 재료로부터도 얻어질 수있다. 에탄올 및 삼산화황을 반응시켜 비닐설포네이트를 얻는 것도 가능한데, 이는 J. Am. Chem. Soc. 76(1954) 5361 및 미국 특허 3,637,793호에 공지되어 있다. 이러한 반응에서, 에티온산은 중간물로서 생성된다.

설포에틸화제로서 비닐설포네이트를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 공업적으로 구입할수 있는 비닐설폰산의 나트륨 염을 사용하는 것이 바람직하지만, 10-40 중량% 농도의 수용액이 더욱 바람직하고, 25 내지 30 중량%의 용액이 특히 바람직하다. 비닐설폰산의 나트륨 염의 공업적 허용 용액은 본명세서에서 통상의 부산물을 포함하는 용액을 의미한다.

산, 바람직하게는 이와 등가의 산을 사용하여 pH를 1.0 내지 9.0, 바람직하게는 4.0 내지 9.0, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 8.0으로 조정하고, 반응시에 산을 연속가하거나 적당량으로 가하면서 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 필요한 산의 양을 한번의 량으로 가하는 것도 사용 가능하다. 상한치와 하한치에서 ±2의 pH 변동도 가능하다. 특히 바람직한 것은 pH를 산으로 조정하면서 계측하는 것이다.

사용된 산은 바람직하게는 황산이다. 용매로서 약산, 바람직하게는 수성 아세트산을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 산을 다시 측정하는 것 및 pH 조절이 필요하다. 이후의 반응은 상술된 조건하에서 진행된다.

대안으로서 아세트산의 비등점, 바람직하게는 130 내지 160℃ 보다 높은 온도에서 자가 압력하에 반응을 개시할 때 용매로서 무수 아세트산을 사용하는 것이 가능하다. 산의 부가적인 계측 및 pH 조절은 불필요하다.

비닐설포네이트의 중합을 방지하기 위해서 중합 억제제를 첨가하는 것도 가능하다. 카르빌 설페이트, 에티온산과 이의 염 및 비닐설폰산 및 비닐설포네이트로 구성된 군의 설포에틸화제와 피리딘을 수용액중에서 반응시켜 PES를 제조할 수 있는데, 이 반응은 피리딘 또는 다른 유기 용매중에서 시행가능하다. 이 반응의 경우에 사용된 설포에틸화제는 바람직하게는 카르빌 설페이트이다.

이 경우에 있어서, 피리딘은 설포에틸화제에 대해 50 배 이하의 과량, 바람직하게는 25배의 과량으로 첨가되는 것이 좋다.

교반과 동시에 반응을 20 내지 250℃, 바람직하게는 80 내지 160℃, 특히 바람직하게는 130 내지 160℃의 온도와, 1 내지 200atm의 압력, 바람직하게는 1 내지 50atm, 더욱 바람직하게는 1 내지 10atm의 압력하에 교반하면서 시행한다. 항온배양시 약 2 내지 4atm의 자가 압력하에서 150℃의 온도하에 반응을 시행하는 것이 바람직하다.

증류에 의한 반응후에 과량의 피리딘을 제거할 수있으며, 필요하다면, 이를 이후의 반응에 다시 사용해도 된다.

실시예 1

기술적 등급의 25% 중량 강도의 비닐설포네이트 수용액 520g, 피리딘 79g의 pH를 96% 중량 강도의 황산을 5.9로 조정한 후 교반과 함께 자가 압력하에서 150℃로 가열하였다. 96 중량% 강도의 황산 약 39g을 연속적으로 가하여 pH가 7.5 내지 5.0이 되게 하였다(실온에서 측정시). 10시간 후에, 150g의 PES, 반응하지 않은 비닐설포네이트 26g, 황산 나트륨 56.8g을 함유하는 수용액을 얻었다. 비닐 설포네이트의 공업적 합성에 의해 미량의 부산물이 생겼다. 반응하지 않은 피리딘을 증기 증류로 제거하여 이후의 반응에 사용하였다.

실시예 2

79g의 피리딘, 50 중량% 강도의 NaOH 수용액 200g, 카르빌 설페이트(조각편 또는 용해된 것) 188g 을 210g의 물(NB: 발열반응) 속으로 도입하고, 필요하다면 NaOH 를 사용하여 pH를 9로 조정하였다. 카르빌 설페이트를 첨가하면서, pH를 7.0미만으로 떨어지지 않도록 하였다. 온도 또한 50℃ 를 넘지 않도록 하였다. 배치를 자가 압력하에서 145℃ 내지 150℃ 온도하에 항온 배양기에서 가열하고, 이후에 96 중량% 강도의 황산을 사용하여 pH를 5.0 내지 7.5로 조정하였다. 약 10시간후에, 140g의 PES, 디소듐 에티오네이트, 비닐설포네이트 23.4g, 황산 나트륨 170g을 함유하는 용액을 얻었다.

실시예 3

교반과 함께 자가 압력하에서 25 중량% 강도의 기술적 등급용 비닐설포네이트 수용액 520g, 피리딘 63.2g을 145℃에서 가열하였다. 96중량%의 강도인 황산을 사용하여 혼합물의 pH를 7.5 내지 5.0으로 조정하였다. 약 7시간후에, 주성분으로서 약 54g의 황산 나트륨, 비닐설포네이트 31.2g, PES 142g을 포함하는 용액을 얻었다. 기술적 등급의 비닐설포네이트 용액은 황산 나트륨을 포함하였고, 이후 설페이트의 용량이 증가되는 것으로 나타났다. 증기 증류에 의해 반응하지 않은 피리딘을 제거하여 이후의 반응에 사용하였다. 산출된 용액을 10℃ 미만으로 냉각하고, 여과로 침전된 황산 나트륨을 제거하였다.

실시예 4

비닐설폰산의 나트륨 염 13.0g, 피리딘 7.9g을 빙초산 100ml와 혼합하여 자가 압력하에서 160℃하에 가열하였다. 50시간후에, 비닐설포네이트 93%가 PES 로 전환되었다.

본 발명은 발암성이면서 값이 비싼 염소계 유기용매를 사용하지 않기 때문에 실용적인 산업규모의 PES 제조가 가능하다.

Claims (10)

1. 카르빌 설페이트, 에티온산과 이의 염, 및 비닐설폰산 그리고 비닐설포네이트로 구성된 군에서 선택된 설포에틸화제와 피리딘을 수용액 또는 피리딘중에서 반응시켜 1-(2-설포에틸)피리다늄 베타인(PES)을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 피리딘과 설포에틸화제는 0.1:1 내지 3:1의 몰비로 반응하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, pH는 반응시에 1.0 내지 11.0으로 조정되고, 반응시에 이 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법
4. 제1항 내지 제3항중 어느 하나의 항에 있어서, 반응은 1atm 내지 200atm의 압력하에 20 내지 250℃의 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 카르빌 설페이트는 설포에틸화제로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 에티온산 및/또는 이의 염은 설포에틸화제로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 비닐설폰산 및/또는 비닐설포네이트는 설포에틸화제로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 비닐설포네이트는 10 내지 40 중량%의 농도의 비닐설폰산 나트륨 염을 공업적으로 입수한 용액의 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, pH는 산을 가하여 조정 및 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 사용된 산은 한번의 양으로 첨가되는 황산인 것을 특징으로 하는 방법.