본 발명은 이미다졸륨 할로겐화합물 촉매하에서 하기 화학식 1로 표시되는 알킬렌카보네이트와 이황화탄소(CS2)를 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 알킬렌트리티오카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, C1-C4의 알킬기 또는 페닐기이다.
본 명세서에서, C1-C4의 알킬기는 탄소수 1 내지 4개로 구성된 직쇄형 또는 분지형 탄화수소를 의미하며, 예를 들어, 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부 틸, i-부틸, t-부틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 페닐기는 비치환되거나 알킬, 알콕시, 히드록시, 할로, 니트로, 아미노, 시아노 등에 의해 하나 또는 그 이상 치환될 수 있다.
본 발명의 알킬렌트리티오카보네이트의 제조방법을 하기 반응식 1에 나타내었다.
[반응식 1]
상기 식에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, C1-C4의 알킬기 또는 페닐기이다.
알킬렌카보네이트는 이산화탄소의 압력이 존재하지 않는 경우 130 ℃ 이상의 온도에서 알킬렌옥사이드와 이산화탄소로 서서히 분해하는 성질이 있는 바, 본 발명은 알킬렌카보네이트의 이런 독특한 물성을 이용하여 반응 중에 이미다졸륨 할로겐화합물 촉매에 의하여 알킬렌옥사이드를 알킬렌카보네이트로 전환하여 반응물 중에 함유된 알킬렌옥사이드의 농도를 최소화시킴으로써 알킬렌옥사이드의 중합을 방지하고 알킬렌트리티오카보네이트의 선택성을 향상시킨다.
본 발명에서 촉매로 사용되는 이미다졸륨 할로겐화합물은 하기 화학식 3의 구조를 갖는 화합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 염화 이미다졸륨류가 사용 될 수 있다.
[화학식 3]
상기 식에서, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소, C1-C8의 알킬기 또는 페닐기이며,
X 는 Cl, Br 또는 I 이다.
본 명세서에서, C1-C8의 알킬기는 탄소수 1 내지 8개로 구성된 직쇄형 또는 분지형 탄화수소를 의미하며, 예를 들어, 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매는 알킬렌카보네이트 1 몰에 대하여 0.005 ~ 0.1 몰비, 바람직하게는 0.01 ~ 0.1 몰비로 사용할 수 있다. 상기 사용량이 0.005 몰비 미만이면 반응속도가 지나치게 느려지고, 0.1 몰비를 초과하는 경우에는 더 이상 반응속도 및 선택성이 향상되지 않기 때문에 경제적 이득이 없다.
본 발명에서 반응원료로 사용되는 이황화탄소와 알킬렌카보네이트의 순도는 반응에 큰 영향을 주지 않기 때문에 공업적으로 생산되는 제품을 추가 정제과정 없이 사용할 수 있다. 상기 이황화탄소는 알킬렌카보네이트 1 몰에 대해 0.5 ~ 5 몰 비, 바람직하게는 1 ~ 3 몰비로 사용할 수 있다. 사용량이 0.5 몰비 미만이면 반응속도가 느려지고 수율이 떨어지며, 5 몰비를 초과하는 경우에는 더 이상 반응속도 및 수율이 향상되지 않기 때문에 경제성이 떨어진다.
본 발명에서 반응은 80 ~ 180 ℃ 온도범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 반응온도가 80 ℃ 미만이면 반응속도가 느려지고, 180 ℃를 초과하는 경우에는 생성물인 알킬렌트리티오카보네이트가 분해하여 부산물 생성을 촉진함으로써 반응 선택성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 반응압력은 반응속도 및 수율에 크게 영향을 끼치지는 않으나 반응물들이 가능한 액상으로 존재할 수 있도록 하는 범위, 바람직하게는 10 ~ 100 atm 압력범위에서 반응을 수행한다. 상기 반응압력이 10 atm 미만이면 반응속도가 약간 느려지는 경향을 보이며, 100 atm을 초과하는 경우에는 반응속도의 증진효과가 없다.
상기 반응은 용매가 없는 상태에서도 진행될 수 있으나 무용매 반응의 경우에는 이미다졸륨 할로겐화합물의 친핵성이 떨어져 반응속도가 느려지는 경향이 있으므로 바람직하게는 반응용매를 사용한다. 상기 반응용매는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 유기용매라면 특별히 한정되지 않으나, 본 발명에서 촉매로 사용되는 이미다졸륨 할로겐화합물의 친핵성을 증가시킬 수 있는 비프로톤 극성용매(Aprotic solvent)를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide, DMAC), 메틸피롤리디논(N-methylpyrrolidinone, NMP), 디메틸설폭사이 드(Dimethylsulfoxide, DMSO) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 반응용매는 알킬렌카보네이트에 대하여 50 ~ 500 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 사용량이 50 중량% 미만이면 발열량의 제어가 충분하지 못해 부산물 생성이 늘어나고, 500 중량%를 초과하는 경우에는 반응속도의 증가는 거의 없는 반면 과다한 용매를 사용하게 되어 경제적 실익이 없다.
상기 반응은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 합성공정, 예를 들어 교반기가 설치된 반응기를 이용한 회분식 공정과 버블 칼럼(bubble column)을 이용한 연속 공정 등이 모두 이용될 수 있다. 상기 반응이 끝난 후 고체 생성물을 증류하여 그 무게를 측정하고, 가스-액체 크로마토그래피를 이용하여 수율을 계산한다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
실시예 1 : 에틸렌트리티오카보네이트의 제조
100 mL 고압반응기에 반응물로 에틸렌카보네이트(8.8 g, 100 mmol)와 이황화탄소(10.1 g, 150 mmol), 용매로 DMF(15 g) 및 촉매로 [BMIm]Cl (1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드)(0.1747 g, 1 mmol)을 충진하고 30 기압의 질소를 가한 후 온도를 150 ℃로 올려 4시간 반응시켰다. 상기 반응이 끝난 후 반응기는 실온에서 냉각하였으며 질소를 이용 휘발성분을 제거하고 남아 있는 고체생성물을 증류, 분 리하여 가스-액체 크로마토그래피로 분석하였다. 이때, 얻어진 에틸렌트리티오카보네이트의 수율 및 선택도는 각각 81.3 % 및 96.8 %였으며, 상기 수율과 선택도는 하기 수학식으로 산출하였다.
실시예 2-14 : 촉매 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 촉매인 이미다졸륨할로겐 화합물의 종류를 변화시키면서 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
실시예 |
촉매 |
수율 (%) |
선택도 (%) |
2 |
1-H-이미다졸륨 클로라이드 |
21.3 |
89.1 |
3 |
1-H-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 |
23.4 |
88.2 |
4 |
1,2-디메틸-3-H-이미다졸륨 클로라이드 |
43.2 |
86.4 |
5 |
1,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드 |
76.2 |
95.6 |
6 |
1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 |
79.4 |
94.6 |
7 |
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드 |
67.1 |
98.4 |
8 |
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드 |
53.1 |
98.2 |
9 |
1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 |
79.3 |
95.1 |
10 |
1,3-디에틸이미다졸륨 클로라이드 |
80.1 |
95.9 |
11 |
1-부틸-3-에틸이미다졸륨 클로라이드 |
80.3 |
95.7 |
12 |
1,2,3-트리메틸이미다졸륨 클로라이드 |
82.1 |
97.7 |
13 |
1,2-디메틸-3-에틸이미다졸륨 클로라이드 |
83.3 |
98.2 |
14 |
1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드 |
83.5 |
97.9 |
실시예 15-19 : 반응온도 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 에틸렌카보네이트/[BMIm]Cl 촉매를 100 몰비로 고정시키고 반응온도를 변화시키면서 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
실시예 |
반응 온도 (℃) |
수율 (%) |
선택도 (%) |
15 |
80 |
31.4 |
94.9 |
16 |
100 |
50.1 |
95.1 |
17 |
120 |
63.8 |
95.5 |
18 |
140 |
75.6 |
96.1 |
19 |
180 |
85.3 |
89.4 |
실시예 20-24 : 이황화탄소/에틸렌카보네이트의 사용량 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 이황화탄소/에틸렌카보네이트의 몰비를 변화시키면서 4 시간 동안 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
실시예 |
이황화탄소/에틸렌카보네이트 (몰비) |
수율 (%) |
선택도 (%) |
20 |
1 |
52.6 |
94.2 |
21 |
2 |
89.1 |
97.3 |
22 |
3 |
90.2 |
99.1 |
23 |
4 |
95.5 |
99.4 |
24 |
5 |
96.8 |
99.5 |
실시예 25-29 : 촉매/에틸렌카보네이트의 사용량 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, [BMIm]Cl 촉매/에틸렌카보네이트의 몰비를 변화시키면서 4 시간 동안 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
실시예 |
촉매/에틸렌카보네이트 (몰비) |
수율 (%) |
선택도 (%) |
25 |
0.005 |
53.6 |
91.4 |
26 |
0.01 |
81.3 |
96.8 |
27 |
0.02 |
88.2 |
97.9 |
28 |
0.05 |
92.5 |
98.4 |
29 |
0.1 |
93.1 |
98.9 |
실시예 30-33 : 압력 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 에틸렌카보네이트/촉매의 몰비를 100으로 고정시키고 질소 압력을 변화시키면서 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[표 5]
실시예 |
질소 압력 (atm) |
수율 (%) |
선택도 (%) |
30 |
100 |
85.1 |
98.1 |
31 |
70 |
84.6 |
97.8 |
32 |
50 |
82.6 |
97.1 |
33 |
10 |
76.4 |
93.1 |
실시예 34-36 : 알킬렌카보네이트 종류 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 알킬렌카보네이트/촉매의 몰비를 100으로 고정시키고 상기 알킬렌카보네이트의 종류를 변화시키면서 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[표 6]
실시예 |
알킬렌카보네이트 |
수율 (%) |
선택도 (%) |
34 |
프로필렌카보네이트 |
78.5 |
93.5 |
35 |
부틸렌카보네이트 |
69.2 |
91.5 |
36 |
스티렌카보네이트 |
61.1 |
87.5 |
실시예 37-39 : 용매의 종류 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 용매의 양을 원료 에틸렌카보네이트에 대하여 200 중량%로 고정시키고 상기 용매의 종류를 변화시키면서 4시간 동안 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
[표 7]
실시예 |
용매 |
수율 (%) |
선택도 (%) |
37 |
디메틸아세트아마이드(DMAC) |
80.8 |
94.8 |
38 |
디메틸설폭사이드(DMSO) |
78.1 |
90.9 |
39 |
N-메틸 피롤리돈(NMP) |
71.8 |
86.7 |
실시예 40-43 : 용매의 사용량 변화
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 에틸렌카보네이트에 대한 용매의 사용량을 변화시키면서 4 시간 동안 반응을 수행하고, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
[표 8]
실시예 |
용매의 사용량 (중량%) |
수율 (%) |
선택도 (%) |
40 |
50 |
71.3 |
87.1 |
41 |
100 |
77.1 |
90.5 |
42 |
300 |
82.7 |
96.9 |
43 |
500 |
88.4 |
98.1 |