KR20130038359A - 질화 혼합 산화물 촉매 시스템, 및 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법 - Google Patents

질화 혼합 산화물 촉매 시스템, 및 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 촉매의 존재 하에, 그리고 선택적으로 알코올의 존재 하에, 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원을 카르복시산 또는 에스테르와 접촉시키는 단계를 포함한다. 상기 촉매는 2가지 유형 이상의 금속 양이온 M1 및 M2를 가진 질화 금속 산화물을 포함하고, 이때 M1은 주기율표의 2족, 3족, 4족, 13족(IIIA족으로도 불림) 또는 14족(IVA족으로로 불림)의 금속 중에서 선택되며, M2는 주기율표의 5족 또는 15족(VA족으로도 불림)의 금속 중에서 선택된다. 또한 본 발명은 촉매 시스템에 관한 것이다.

Description

질화 혼합 산화물 촉매 시스템, 및 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법{A nitrided mixed oxide catalyst system and a process for the production of ethylenically unsaturated carboxylic acids or esters}
본 발명은 질화 혼합 산화물 촉매; 및 질화 혼합 산화물 촉매의 존재 하에, 카르복시산 또는 에스테르와 메틸렌 또는 에틸렌 공급원(이를테면, 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원)의 축합반응에 의한, 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 구체적으로는 α, β 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 더 구체적으로는 (알크)아크릴산 또는 알킬 (알크)아크릴레이트(예를 들면, (메트)아크릴산 또는 알킬 (메트)아크릴레이트)의 제조 방법에 관한 것이다. 특히 비제한적으로 본 발명은 상기 질화 혼합 산화물 촉매의 존재 하에 프로피온산 또는 그의 알킬 에스테르와 포름알데하이드 또는 그 공급원의 축합반응에 의한, (메트)아크릴산 또는 그의 알킬 에스테르(예를 들면, 메틸 메타크릴레이트)의 제조 방법에 관한 것이다.
그러한 산 또는 에스테르는, 화학식 R3-CH2-COOR4 (식에서, R3 및 R4 각각은, 독립적으로, 아크릴 화합물 분야에 공지되어 있는 적합한 치환기로, 이를테면 수소 또는 알킬기, 특히 탄소수 1 내지 4의 저급 알킬기임)의 알칸산(또는 에스테르)을 적합한 메틸렌 공급원(예를 들면, 포름알데하이드 공급원)과 반응시켜 공식에 따라 제조되는 것으로 생각될 수 있다. 따라서, 예를 들어 메타크릴산 또는 그의 알킬 에스테르, 특히 메틸 메타크릴레이트는, 하기의 반응순서 1에 따라 프로피온산 또는 해당 알킬 에스테르(예컨대, 메틸 프로피오네이트)를 메틸렌 공급원으로서의 포름알데하이드과 반응시켜 제조할 수 있다:
반응순서 1
R3-CH2-COOR4 + HCHO ------ > R3-CH(CH2OH)-COOR4
및
R3-CH(CH2OH)-COOR4 ------ > R3-C(:CH2)-COOR4 + H2O.
반응순서 1의 일 예로 하기의 반응순서 2가 있다.
반응순서 2
CH3-CH2-COOR4 + HCHO ------- > CH3-CH(CH2OH)-COOR4
CH3-CH(CH2OH)-COOR4 ------ > CH3-C(:CH2)-COOR4 + H2O.
보통 상기 반응순서 1 또는 2는 대개 250 내지 400℃ 범위의 고온에서 산/염기 촉매를 사용하여 수행된다. 원하는 생성물이 에스테르인 경우에는 관련 알코올의 존재 하에 반응을 수행함으로써, 에스테르의 가수분해를 통한 해당 산의 형성을 최소화시키는 것이 바람직하다. 또한 편의상, 포름알데하이드를 포르말린 형태로 투입하는 것이 종종 바람직하다. 따라서 메틸 메타크릴레이트의 제조를 위해 촉매에 공급되는 반응 혼합물은 일반적으로 메틸 프로피오네이트, 메탄올, 포름알데하이드 및 물로 구성된다.
통상적으로 메틸 메타크릴레이트는 이른바 아세톤-시아노하이드린 경로를 거쳐 산업적으로 생산되어 왔다. 그 과정은 자본 집약적이며, 상대적으로 높은 비용을 들여 메틸 메타크릴레이트를 생산한다.
미국특허 제4560790호는 일반화학식 M1/M2/P/O(식에서, M1은 IIIb족 금속으로 바람직하게는 알루미늄이고, M2는 IVb족 금속으로 바람직하게는 규소임)의 촉매를 사용하여, 메틸알을 카르복시산 또는 에스테르와 축합반응시켜 α, β 불포화 카르복시산 및 에스테르를 제조하는 것에 대해 기재하고 있다.
일본 공개특허 제2005-213182 A호에서, Sumitomo는 포름알데하이드를 사용하여 α, β- 불포화 생성물을 제조하는데 있어서, 암모니아를 이용한 열처리를 통해 단일 금속 산화물(이를테면, Ta2O5)을 질화시키는 금속 산화질화물(oxynitride) 촉매를 개시하였다. 이렇게 생성되는 상기 산화질화물은, 메타크릴산을 제조하기 위한 포름알데하이드(트리옥산 공급원)와 프로피온산의 기체상 축합반응에 촉매 작용을 한다. Sumitomo는 또한 이들 단일 금속 산화물을 실리카 또는 알루미나와 같은 지지체상에 담지하는 가능성을 개시하였다.
유럽특허 제1 243 574호는 α-n-아밀신남알데하이드(α-n-amylcinnamaldehyde)를 제조하기 위한 알킬알데하이드와 벤즈알데하이드의 알돌 축합반응에 촉매 작용을 하는 알루미늄 포스페이트, 실리코알루미노포스페이트 및 메조다공성 비정질 알루미나-실리카, 및 이들의 질화 또는 산화질화 등가물의 용도를 개시한다. 질화 촉매에 대한 어떠한 주목할 만한 개선사항이 발견되거나 교시되지 않았다. 지지체를 사용하는 것에 대한 개시가 전혀 없다. 사실, 질화 촉매의 경우 부산물의 수율 증가가 주목되었다.
위에 언급한 바와 같이, 공지되어 있는 MMA 제조 방법은 포름알데하이드를 사용하여 메틸 프로피오네이트(MEP)를 MMA로 촉매 전환시키는 것이다. 이에 적합한 촉매는 가령 실리카와 같은 지지체에 담지된 세슘 촉매이다.
본 발명자들은 실리카 지지체의 질화 효과를 비교 분석하였다. 개질되지 않은 실리카는, MMA를 제조하기 위한 포름알데하이드 및 프로피온산 사이의 축합 반응에서 효과적으로 비활성이다. 실리카를 질화처리하면 활성이 매우 낮아져, MMA 및 메타크롤레인이 낮은 수율로 생성된다. 질화 실리카의 촉매적 성능은, 실리카와 유사한 수화된 표면을 가진 질화규소(Si3N4)의 촉매적 성능과 매우 비슷하다. 따라서, Cs-함침 실리카와 비교하여, 질화 실리카는 MMA를 제조하기 위한 포름알데하이드와 카르복시산 또는 에스테르 사이의 축합 반응에 사용하기에 적합하지 않다.
그러나, 질화된 혼합 금속 산화물계 화합물의 금속 산화 상태들을 특정 조합하면, 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 특히 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르를 제조하기 위한 메틸렌 또는 에틸렌 공급원(이를테면, 포름알데하이드) 또는 그의 적합한 공급원과 카르복시산 또는 에스테르의 반응에, 놀라울 정도로 높은 선택도를 제공할 수 있다는 것이 최근 밝혀졌다.
본 발명의 제1 측면에 따라, 촉매의 존재 하에, 그리고 선택적으로 알코올의 존재 하에, 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원을 카르복시산 또는 에스테르와 접촉시키는 단계를 포함하는 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법을 제공하며, 상기 촉매는 2가지 유형 이상의 금속 양이온 M1 및 M2를 가진 질화 금속 산화물을 포함하고, 이때 M1은 주기율표의 2족, 3족, 4족, 13족(IIIA족으로도 불림) 또는 14족(IVA족으로로 불림)의 금속 중에서 선택되며, M2는 주기율표의 5족 또는 15족(VA족으로도 불림)의 금속 중에서 선택된다.
당해 분야의 숙련자라면 본 발명이, 다른 금속 산화물의 지지체에 형성되는 질화 단일 금속 산화물 촉매의 부수적인 분자 단층(incidental molecular monolayer)의 존재와는 별개라는 것을 이해할 것이다. 그러나, 의구심을 없애기 위해, 일반적으로 촉매 양이온 M1 및 M2와, 산화물 음이온과, 질화물 음이온들은 다수의 분자층으로 연장되는 질화 금속 산화물 촉매 전체에 걸쳐서 균일하게, 더 일반적으로는 2nm 이상, 가장 일반적으로는 5nm 이상, 특별하게는 10nm 이상의 평균 두께로 분포되어 있다. 이는, 지지체의 금속이 지지체상에서 촉매 전체가 아닌 촉매 분자단층 수준(일반적으로, 두께 1nm 미만)에서만 상호작용하는, 지지체상의 단일 질화 금속 산화물층의 경우에는 해당되지 않는다. 더욱이, 본 발명에서, 금속 양이온 M1 및 M2과, 촉매의 산화물 및 질화물은 오로지 촉매로부터 비롯된 것이며 촉매용 지지체로부터 비롯된 것이 아니다. 따라서, 일반적으로, 본 발명의 촉매는, 촉매 지지체상의 분자단층이 아니라, 그 물질 전체에 걸쳐 본 발명에서 정의된 특성을 가진 다층 촉매이다.
그러므로, 일반적으로, 지지체와는 별개로, 촉매가 그 물질 전체에 걸쳐서 본 발명에 따른 것이 아닌 한, 질화 금속 산화물 촉매를 형성하는 양이온 또는 음이온이 동시에 촉매 지지체의 금속 양이온 또는 음이온인 것은 아니다.
전형적으로, 본 발명의 질화 금속 산화물은 모든 촉매 지지체와는 별개로 존재하며 사용된다. 그러나, 지지체상에서 사용될 때, 상기 지지체에 의해 형성되거나 기여되는 모든 금속 양이온 및 산소 음이온 또는 질소 음이온과는 별도로 질화 혼합 금속 산화물은 M1 유형 및 M2 유형 양이온과 산소 음이온을 갖는 질화 금속 산화물 촉매 표면을 제공한다.
본 발명의 제2 측면에 따라, 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르를 제조하기 위한, 선택적으로 알코올의 존재 하에서의, 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원과 카르복시산 또는 에스테르의 반응용 촉매 시스템을 제공하며, 상기 촉매는 2가지 유형 이상의 금속 양이온 M1 및 M2를 가진 질화 금속 산화물을 포함하고, 이때 M1은 주기율표의 2족, 3족, 4족, 13족(IIIA족으로도 불림) 또는 14족(IVA족으로로 불림)의 2종 이상의 금속 중에서 선택되며, M2는 주기율표의 4주기 내지 6주기에 속한 5족의 1종 이상의 금속 중에서 또는 15족(VA족으로도 불림)의 1종 이상의 금속 중에서 선택된다.
본 발명의 촉매에 의해 성취되는 높은 선택도에 더하여, 본 발명의 촉매를 사용함으로써, 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르를 제조하기 위한 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원과 카르복시산 또는 에스테르의 반응에서, 원하지 않는 부산물이 현저하게 낮은 수준으로 생성된다는 것이 밝혀졌다. 특히, 알루미늄 포스페이트와 같은 기존의 촉매를 사용하는 경우에 비해 현저하게 낮은 수준의 메틸 이소부티레이트(MIB), 톨루엔 및 디에틸 케톤이 생성된다. 또한, 상기 촉매는 우수한 활성을 제공한다.
이와 같이 유리하게 본 발명은 강한 산성 촉매의 선택도를 향상시키는 성공적인 방법을 제공한다. 질화 촉매로 얻어지는 높은 선택도(최대 95%)는 산 유형의 촉매가 실행가능한 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르 선택도를 제공할 수 있다는 것을 가리킨다.
바람직하게, 상기 질화 혼합 산화물은 혼합 산화물을 질화시킴으로써 제조된다. 일반적으로, 3시간 내지 15시간의 짧은 질화처리가 촉매표면을 질화시키는데 효과적이라는 것이 밝혀졌다. 그러나, 질화 조건 및 기질(substrate)에 따라, 질화처리를 더 짧거나 더 길게 수행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 질화 혼합 산화물은 2개 내지 4개의 금속 양이온, 산소 음이온 및 질소 음이온으로 이루어진다.
따라서 혼합 산화물을 위한 바람직한 화학식은 M1 xM2 yOn이며, 식에서 M1은 1개 이상의 2+, 3+ 또는 4+ 양이온이고, M2는 5+ 양이온이고, x는 M1 원자의 개수이고, y는 M2 원자의 개수이고, n은 산소 원자의 개수이다. 따라서, 질화 금속 산화물은 화학식 M1 xM2 yOnNz에 의해 제공될 수 있으며, 이때 식에서, z는 질소 원자의 평균 개수이고, x, y, n 및 z 각각은 소수점 수 또는 양의 정수일 수 있다. 일반적으로, x, y, n 및 z는 독립적으로 0.1 내지 20, 더 바람직하게는 0.1 내지 10, 가장 바람직하게는 0.1 내지 5일 수 있다. 특히 바람직한 화학식에서, x와 y는 둘 다 1이고, n과 z는 M1 및 M2의 양전하에 음전하 균형을 제공하는 숫자이다.
전형적으로, M1 유형의 금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, La, Ac, Si, Ge, Sn, Pb, Ti, Zr, Hf 및 Rf로 이루어진 리스트에, 더 바람직하게는 Al, Ga 및 La로 이루어진 리스트에 속한 1종 이상의 금속 중에서 선택될 수 있고; 가장 바람직하게는 Al이다.
전형적으로, 본 발명의 방법에서 M2 유형의 금속은 P(5+), Nb(5+), As (5+), Sb(5+), 및 Ta(5+)로 이루어진 리스트에, 더 바람직하게는 P(5+), Nb(5+) 및 Sb(5+)로 이루어진 리스트에 속한 1종 이상의 금속 중에서 선택될 수 있고; 가장 바람직하게는 P(5+)이다. 전형적으로, 본 발명의 제2 측면에 의한 촉매 발명에서 M2 유형의 금속은 Nb(5+), As(5+), Sb(5+) 및 Ta(5+)로 이루어진 리스트에 속한 1종 이상의 금속 중에서 선택될 수 있고; 더 바람직하게는 Nb(5+) 또는 Sb(5+)이며; 가장 바람직하게는 Nb(5+)이다.
유리하게는, M1 유형 금속들의 혼합물의 사용은 촉매의 산-염기 균형을 개질하는데 있어서 더 많은 유연성을 제공한다. 특히, 추가 M1 금속을 도입함으로써 적절한 대로 산성을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 이 목적에 바람직한 M1 개질제 금속은 바륨과 란탄이다.
바람직하게는, M1(들)은 바람직하게는 3+의 산화 상태를 가진 양이온(들)이다. 바람직하게는, M2는 +5의 산화 상태를 가진 양이온이다.
질소가 금속이 아니라는 가정 하에, M1 및 M2 유형의 상기 금속 양이온은, 각 유형의 하나 이상이 존재하든 지를 막론하고, 본 발명의 금속 산화물 내에 존재하는 전체 금속의 90 내지 100 몰%, 더 바람직하게는 95 내지 100 몰%, 가장 바람직하게는 존재하는 97 내지 100 몰%, 특히 실질적으로는 100 몰%를 형성할 수 있다. 하기에 제시되는 M3 유형 및/또는 또 다른 유형의 다른 금속이 존재하는 경우, M1 및 M2 유형의 금속은 존재하는 전체 금속의 최대 99.99 또는 99.89 또는 99.90 몰%, 더 전형적으로는 위에 이미 제시한 동일한 하한치를 가진다는 조건 하에 금속 산화물 내에 존재하는 전체 금속의 최대 99.90 또는 99.80 몰%를 형성할 수 있다.
바람직하게는, 산소 및 질소는 본 발명의 금속 산화물 내에 존재하는 전체 비금속의 50 내지 100 몰%, 더 바람직하게는 금속 산화물 내에 존재하는 전체 비금속의 70 내지 100 몰%, 가장 바람직하게는 존재하는 전체 비금속의 80 내지 100 몰%, 특별하게는 금속 산화물 내에 존재하는 전체 비금속의 90 내지 100 몰%, 더 특별하게는 99 내지 100 몰%, 가장 특별하게는 실질적으로 100 몰%를 형성할 수 있다.
의구심을 없애기 위해, 본원에서 비금속은 "준금속(metalloid)" 원소들인 붕소, 규소, 게르마늄, 비소, 안티몬, 텔루륨 및 폴로늄을 포함하지는 않지만, 주기율표의 각 주기에서 상기 지칭된 원소(들)보다 원자번호가 높은 모든 원소들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 질화 금속 산화물은 촉매의 50 내지 100 중량%, 더 바람직하게는 80 내지 100 중량%, 가장 바람직하게는 90 내지 100 중량%, 특별하게는 촉매의 95 내지 100 중량%, 더 특별하게는 97 내지 100 중량%, 가장 특별하게는 99 내지 100 중량%를 형성한다. 촉매의 나머지는 불순물, 결합제 또는 비활성 물질들로 구성된다. 일반적으로, 상기 질화 금속 산화물은 촉매의 약 100 중량%를 형성한다.
그러나, 결합제가 본 발명에서 사용된 경우, 금속 산화물은 촉매의 최대 50 중량%를 형성할 수 있다. 대안적으로는, 결합제와 촉매 지지체를 병용함으로써 촉매를 지지체에 결합시킬 수 있다. 후자의 경우에, 결합제는 그 자체로 촉매의 일부를 형성하지 않는다.
당해 기술분야의 숙련자는 본 발명의 촉매에 적합한 결합제를 인지하고 있을 것이다. 적합한 결합제의 비제한적 예로, (콜로이드 실리카를 포함한) 실리카, 실리카-알루미나, 이를테면 기존의 실리카-알루미나, 실리카로 코팅된 알루미나 및 알루미나로 코팅된 실리카, 및 알루미나, 이를테면 (유사) 베마이트(boehmite), 깁사이트(gibbsite), 티타니아, 티타니아로 코팅된 알루미나, 지르코니아, 양이온성 점토 또는 음이온성 점토, 이를테면, 사포나이트, 벤토나이트, 카올린, 세피올라이트 또는 하이드로탈사이트, 또는 이들의 혼합물이 있다. 바람직한 결합제는 실리카, 알루미나 및 지르코니아 또는 이들의 혼합물이다.
질화 금속 산화물 입자를 결합제에 매립시키거나, 그 반대의 경우도 가능할 수 있다. 일반적으로, 결합제를 촉매의 일부로서 사용하는 경우, 결합제는 입자들을 함께 유지시키는 접착제로서 기능한다. 바람직하게는, 입자들이 결합제 속에 균질하게 분포되거나, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 결합제가 함유되면 대개 최종 촉매의 기계적 강도가 증가된다.
금속 산화물 촉매의 전형적인 평균 표면적은 마이크로메리틱스사(Micromeritics)의 TriStar 3000 표면적 및 다공도 분석기를 사용하여 B.E.T. 다점법으로 측정하였을 때 2 내지 1000m2g-1 , 더 바람직하게는, 5 내지 400 m2g-1 , 가장 바람직하게는, 10 내지 300 m2g-1 범위이다. 상기 기구의 성능을 점검하는데 사용되는 기준 물질로는, 마이크로메리틱스사에 의해 공급된 표면적 30.6 m2/g (+/- 0.75 m2/g), 부품번호 004-16833-00의 카본블랙 분말이다.
촉매 입자의 전형적인 평균 입자크기는 동적 광산란법 및 NIST 표준을 이용하여 Malvern Zetasizer Nano S로 측정하였을 때, 2nm 내지 10000nm(10μ), 더 바람직하게는, 5nm 내지 4000nm(4μ), 가장 바람직하게는, 10nm 내지 3000nm(3μ) 범위이다.
상기 물질이 다공성이라면, 평균 기공 크기가 2 내지 50nm인 메조다공성인 것이 바람직하다. 기공 크기는 NIST 표준을 이용하여 수은 침투 다공도측정법(mercury intrusion porosimetry)으로 측정될 수 있다.
질소흡착법으로 측정하였을 때, 촉매 입자의 평균 기공부피는 0.01 cm3/g 미만일 수 있지만, 일반적으로는 0.01 내지 2 cm3/g 범위이다. 그러나, 촉매를 통과하는 반응물의 이동을 방해할 수 있으므로 메조다공성 촉매는 가장 바람직한 것은 아니며, ISO 15901-2:2006에 따라 질소흡착법을 이용한 BET 다점 방법으로 측정하였을 때 더 바람직한 평균 기공부피는 0.3 내지 1.2 cm3/g이다. 마이크로메리틱스사의 TriStar 표면적 및 다공도 분석기를 사용하여 표면적 측정의 경우에서와 같이 기공부피를 측정하며, 이를 위해 동일한 표준을 이용한다.
비담지된 촉매의 경우, 질화 금속 산화물을 자유 유동 상태의 촉매 입자 형태로 직접 사용하거나, 원하는 형상 및/또는 크기의 고형물을 생성하도록 적합한 결합제와 함께 촉매 입자를 직접 사용할 수 있다. 이들 입자는 임의의 적합한 크기를 가질 수 있으며, 이에 따라, 결합제 유무와 상관 없이, 분말, 그래뉼 또는 비드 형태로 있을 수 있다. 전형적으로, 촉매는 고정층 형태로 사용되며, 이 목적을 위해 단독으로 사용되거나 지지체상에서 사용가능하며, 후자의 경우에 촉매는 지지체에 결합되는데 적합한 촉매 결합제를 포함할 수 있다.
그러나, 촉매를 지지체상에서 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 상기 질화 금속 산화물 촉매는 적절한 표면 코팅을 촉매에 적합한 지지체상에 형성할 수 있다.
본 발명의 목적상, 지지체는 촉매의 일부를 형성하지 않는다.
본 발명에 사용하기에 바람직한 질화 금속 산화물의 조합은 AlPON; ZrPON; SnPON; ZrNbON; GaSbON; 및 GaAlPON로 이루어진 리스트에서 선택할 수 있다. 이들 산화물은 담지되지 않거나, 적합한 지지체(가령, 알루미나, 실리카, 질화규소, 콜로이드 실리카, 티타니아 또는 알루미늄 포스페이트)상에 담지된다.
당해 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 촉매를 임의의 적합한 수단에 의해 지지체상에 첨가시킬 수 있다는 것을 알 것이다. 적합한 용매 내에서 적절한 염을 사용하여 화합물을 지지체상에 침착(deposition)시키고 나서 표면이 코팅된 지지체를 건조시킨 후, 바람직하게는 하소(calcination)법에 의해, 촉매를 적합한 지지체상에 고정시킬 수 있다. 대안적으로는, 촉매 전구체 또는 적합한 촉매염 전구체를 지지체와 공침시킬 수 있거나 또는 적합한 용매로부터의 실리카 졸과 같은 적합한 지지체 전구체와 공침시킬 수 있다. 바람직하게는 산화물 지지체를 사용하며, 더 바람직하게는 본원에 언급된 산화물 지지체를 사용한다.
본 발명의 촉매를 본 발명에 따른 다른 촉매와의 혼합물 또는 혼합된 상태, 또는 적합한 결합제가 함유되거나 함유되지 않은 혼합물 또는 혼합된 상태로 사용하는 것도 가능하다. 질화 혼합 산화물, 양이온과 음이온, 및 결합제의 전체 수준은 본원에 제시된 것과 같을 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 금속 화합물과; 1종 이상의 성분, 금속 M1/M2 및/또는 산소 및/또는 질소가 표면 화합물에 의해 제공되고 다른 성분, M2/M1 및/또는 산소 및/또는 질소는 지지체에 의해 제공되는, 금속 산화물 지지체상 또는 질소-함유 지지체상의 금속 화합물의 단층(monolayer) 사이는 구분되어야 한다. 이러한 단층 배치물은 본 발명에 따른 촉매가 아니라, 담지된 다른 촉매이다. 이 배치물에서, 원소들 M1, M2, N 및 O는 촉매 물질 전체에 걸쳐 본 발명에 따른 촉매를 형성하지 않는다. 표면 코팅은 다층으로 구성될 것이며, 상기 단층이 아닌 층들은 본 발명과 부합되지 않을 것이다.
위에서 언급한 바와 같이, M1 유형의 금속 1종 이상과 M2 유형 금속 1종이 촉매 내에 존재하지만, M3 유형의 추가 금속이나 금속 양이온도 혼합 금속 산화물 내에 존재할 수 있다. 전형적으로, 존재한다면, 1종 이상의 금속 M3은 양이온 또는 다른 형태로든, 금속 산화물 내에 존재하는 전체 금속의 0.01 내지 10 몰%, 더 바람직하게는 존재하는 전체 금속의 0.01 내지 5 몰%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 3 몰%를 형성할 수 있다. 적합한 M3 금속으로는 주기율표의 I족에 속하는 금속, 더 바람직하게는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및/또는 세슘이 있다.
바람직하게는, 본 발명의 금속 산화물 촉매 화합물은 모두 본원에 정의된 바와 같은 M1, M2 및 선택적으로 M3 이외에 기타 다른 금속 유형을 전체 기타 금속 수준 0.1 몰%보다 높은 수준으로 함유하지 않으며, 더 전형적으로 본원의 금속 산화물 촉매 화합물은 모두 본원에 정의된 바와 같은 M1, M2 및 선택적으로 M3 이외에 기타 다른 금속 유형을 미량 수준 이하로 함유한다.
전형적으로, 본 발명의 범주 내에는 M1 및/또는 M2 유형의 금속을 2종 이상; 더 일반적으로는 M1 및/또는 M2 각 유형의 금속을 최대 3종까지; 가장 일반적으로는 M1 및/또는 M2 각 유형의 금속을 최대 2종까지; 특별히는 한 유형의 금속을 최대 2종까지, 다른 유형의 금속을 1종만; 더 특별하게는 M1 및/또는 M2 각 유형의 금속을 1종씩만 포함할 수 있으며, 이들 모두는 M3 유형의 임의의 1종 이상 금속을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 1종 이상의 M1 및 M2 금속을 비롯하여, 금속 산화물 화합물은 전체 최대 4개 또는 그 이상, 바람직하게는 최대 3개까지의 금속 양이온을 가질 수 있지만, 가장 바람직하게는 금속 산화물 내에는 2개의 금속 양이온만 있다. 따라서, 금속 산화물 화합물이 각각의 1개 또는 2개로 이루어지는 것이 특별히 바람직하고, 산소 음이온들과 함께 금속 양이온 M1 및 M2 각각 1개로 이루어지는 것이 더 특별하게 바람직하다.
금속 산화물의 또 다른 바람직한 화학식은 따라서 M1 nM2 mM3 qOpNs이며, 식에서 M1은 양이온으로 바람직하게는 3+ 양이온이며, M2는 양이온으로 바람직하게는 5+ 양이온이고, n, m, p 및 s는 양의 정수이거나 소수점 수 일 수 있고, q는 양의 정수, 소수점 수 또는 영일 수 있다. 일반적으로, n 및 m은 독립적으로 0.1 내지 20, 더 바람직하게는 0.1 내지 10, 가장 바람직하게는 0.1 내지 5일 수 있는 한편, s는 요구되는 질화(nitridation) 분자 수준이고, p는 n과 m에 의해 제공되는 양전하로서 s에 의하여 상쇄되지 않은 잔류 양전하에 균형을 제공하는 수이다. 일반적으로, q는 0 내지 20, 더 바람직하게는 0.1 내지 10, 가장 바람직하게는 0.1 내지 5일 수 있다. 특히 바람직한 화학식에서, n 및 m은 모두 1이다. 의구심을 없애기 위해, 각 유형의 양이온이 하나 보다 많이 존재한다면, n, m, 및 q에 대해 위에 정의된 값들은 또한 M1, M2 및 M3 유형의 금속들의 전체 상대수(relative number)이다.
일반적으로, 본 발명의 질화 금속 산화물은 중성 분자이며, 이에 따라 음전하를 띠는 산소 음이온 및 질소 음이온, 그리고 선택적으로, 기타 다른 비금속은 존재하는 양전하를 띤 금속을 상쇄한다.
바람직하게는, 질화 혼합 금속 산화물 내의 산소 대 질소의 몰비는 1:1 내지 400:1, 더 바람직하게는 2:1 내지 100:1, 가장 바람직하게는 3:1 내지 40:1 범위이다.
바람직하게는, 질화 혼합 금속 혼합물 내의 질소 수준은 0.1 내지 50 중량%, 더 바람직하게는 0.5 내지 20 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 15 중량% 범위이다. 그러나, 질화 혼합 금속 산화물 내 질소와 산소의 중량%는 선택된 금속의 분자량에 좌우된다는 것이 이해될 것이다.
바람직하게는, 질화 혼합 산화물은 금속 양이온 M1 및 M2, 산소 음이온, 및 질소 음이온으로 이루어진다. 의구심을 없애기 위해, 일반적으로, 각 유형의 금속 하나만 존재한다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서 M1 및/또는 M2 유형의 2종 이상의 금속을 포함하는 것도 가능하다.
본원에 언급한 바와 같이, 질화 금속 산화물이란 용어는 일반적인 화학적 의미로 일반화학식 (M1) n(M2)m(M3)qOpNs (식에서, n 및 m은 0보다 커야 하고, 소수점 값을 가질 수 있으며, q는 독립적으로 0 이상이며, 소수점 값을 가질 수도 있음)을 갖는 이온성 또는 공유성 화합물로서 이해해야 한다. 일반적으로, 주로 이온성인 화합물은 본 발명의 질화 금속 산화물에 의해 형성된다. 본 발명의 금속 산화물 화합물 자체를, 어떠한 비통상적 의미로, 본원에 정의된 바와 같은 새로운 질화 산화물 화합물을 형성하지 않는, 금속 및/또는 질화물, 산화물의 혼합물과 관련된 것으로서 이해하면 안된다.
M1 대 M2 유형의 몰비는 일반적으로 10:1 내지 1:10, 더 바람직하게는 5:1 내지 1:5, 가장 바람직하게는 3:1 내지 1:3, 특별하게는 2:1 내지 1:2 범위이고, 더 특별하게는 대략 1:1이다. 산소와 질소는 일반적으로 전체 양전하를 상쇄하는 수준으로 존재한다는 것이 이해될 것이다.
혼합 금속 산화물 화합물은 실리카, 질화규소, 콜로이드 실리카, 알루미나, 티타니아 또는 알루미늄 포스페이트와 같은 적합한 지지체상에 담지될 수 있다. 지지체는 알칼리 금속으로 도핑된 지지체이거나 아닐 수 있다. 지지체를 알칼리 금속으로 도핑하는 경우, 알칼리 금속 도핑제는 세슘, 칼륨, 나트륨 또는 리튬 중 1종 이상 중에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 세슘 또는 칼륨이고, 더 바람직하게는 세슘이다. 대안적으로, 혼합 산화물 자체는 위에 언급한 도핑 금속들 중 임의의 1종 이상으로 도핑될 수 있으며, 여기서 도핑 금속들은 M3, 특히 위의 제I군에 속하는 금속들이다.
바람직하게는, 제1 측면 또는 제2 측면의 촉매를 위해 개별적 지지체를 사용하는 경우, 촉매:지지체의 중량비는 10:1 내지 1:50, 더 바람직하게는 1:1 내지 1:20, 가장 바람직하게는 2:3 내지 1:10 범위이다.
유리하게, 불포화 에스테르 선택도는 전하 대 반경 비가 낮은 양이온을 도핑함으로써 증가하며, 이에 따라 세슘이 리튬보다 더 선택적이라는 것이 밝혀졌다. 따라서, 바람직하게는, 사용된다면, 도핑 금속 양이온은 세슘, 루비듐 및/또는 칼륨, 더 바람직하게는 루비듐 및/또는 세슘, 가장 바람직하게는 세슘이다.
바람직하게는, 본 발명의 카르복시산 또는 에스테르 반응물은 화학식 R3-CH2-COOR4을 가지며, 식에서 R4는 수소 또는 알킬기이고, R3은 수소, 알킬기 또는 아릴기이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 화학식 R3-CH2-COOR4(식에서, R3 및 R4는 각각은 독립적으로 수소 또는 알킬기이고, R3은 아릴기일 수도 있음)의 알칸산 또는 에스테르를 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원과 접촉시키되, 선택적으로 알코올의 존재 하에, 그리고 상기 반응에 촉매 작용을 하기에 효과적인 촉매의 존재 하에 접촉시키는 단계를 포함하는 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 그의 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법을 제공하며, 이때 상기 촉매는 본 발명의 제1 측면에 따른다.
포름알데하이드의 적절한 공급원은 화학식 I의 화합물일 수 있다:
Figure pct00001
(I)
식에서 R5 및 R6은 독립적으로 C1-C12 탄화수소 또는 H 중에서 선택되고, X는 O이고, n은 1 내지 100의 정수이고, m은 1이다.
바람직하게는, R5 및 R6은 독립적으로 본원에 정의된 바와 같은 C1-C12 알킬, 알케닐 또는 아릴, 또는 H 중에서, 더 바람직하게는 C1-C10 알킬, 또는 H 중에서, 가장 바람직하게는 C1-C6 알킬, 또는 H 중에서, 특별하게는 메틸 또는 H 중에서 선택된다. 바람직하게는 n은 1 내지 10, 더 바람직하게는 1 내지 5, 특별하게는 1 내지 3의 정수이다.
그러나, 트리옥산을 비롯하여, 포름알데하이드의 기타 공급원도 사용할 수 있다.
따라서, 포름알데하이드의 적절한 공급원은 포름알데하이드의 공급원을 제공할 수 있는 모든 평형 조성물을 포함한다. 그 예로는, 메틸알(1,1-디메톡시메탄), 트리옥산, 폴리옥시메틸렌 R1-O-(CH2-O)i-R2 (식에서, R1 및/또는 R2는 알킬기 또는 수소이고, i는 1 내지 100임), 파라포름알데하이드, 포르말린(포름알데하이드, 메탄올, 물), 포름알데하이드와 메탄올과 메틸 프로피오네이트의 혼합물과 같은 기타 다른 평형 조성물이 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
전형적으로, 폴리옥시메틸렌은 포름알데하이드와 메탄올의 고급 포르말(higher formal) 또는 헤미포르말(hemiformal) CH3-O-(CH2-O)i-CH3 ("포르말-i") 또는 CH3-O-(CH2-O)i-H ("헤미포르말-i") (식에서, i는 1 내지 100, 바람직하게는 1 내지 5, 특별하게는 1 내지 3임), 또는 하나 이상의 비메틸 말단기를 가진 기타 다른 폴리옥시메틸렌이다. 따라서, 포름알데하이드의 공급원은 화학식 R31-O-(CH2-O-)iR32 (식에서, R31 및 R32는 동일하거나 상이한 기일 수 있고, 적어도 하나는 C2-C10 알킬기 중에서 선택되며, 예를 들면 R31 = 이소부틸, R32 = 메틸)의 폴리옥시메틸렌일 수도 있다.
바람직하게는, 포름알데하이드의 적절한 공급원은 메틸알, 포름알데하이드와 메탄올의 고급 헤미포르말 CH3-O-(CH2-O)i-H (식에서, i=2), 포르말린, 또는 포름알데하이드와 메탄올과 메틸 프로피오네이트를 포함하는 혼합물 중에서 선택된다.
바람직하게는, 포르말린이란 용어는 포름알데하이드:메탄올:물이 중량을 기준으로 25 내지 65%: 0.01 내지 25%: 25 내지 70%의 비율로 이루어진 혼합물을 의미한다. 더 바람직하게는, 포르말린이라는 용어는 포름알데하이드:메탄올:물이 중량을 기준으로 30 내지 60%: 0.03 내지 20%: 35 내지 60%의 비율로 이루어진 혼합물을 의미한다. 가장 바람직하게는, 포르말린이라는 용어는 포름알데하이드:메탄올:물이 중량을 기준으로 35 내지 55%: 0.05 내지 18%: 42 내지 53%의 비율로 이루어진 혼합물을 의미한다.
바람직하게는, 포름알데하이드와 메탄올과 메틸 프로피오네이트를 포함하는 혼합물에는 물이 5 중량% 미만으로 함유된다. 더 바람직하게는, 포름알데하이드와 메탄올과 메틸 프로피오네이트를 포함하는 혼합물에는 물이 1 중량% 미만으로 함유된다. 가장 바람직하게는, 포름알데하이드와 메탄올과 메틸 프로피오네이트를 포함하는 혼합물에는 물이 0.1 내지 0.5 중량%로 함유된다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 에틸렌성 불포화 산 또는 에스테르는 메타크릴산, 아크릴산, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 또는 부틸 아크릴레이트 중에서 선택되며; 더 바람직하게는 에틸렌성 불포화 에스테르이고, 가장 바람직하게는 메틸 메타크릴레이트이다.
본 발명의 방법은 특히 아크릴산, 알크아크릴산, 2-부텐산, 사이클로헥센산, 말레인산, 이타콘산 및 푸마르산, 및 이들의 알킬 에스테르를 제조하는데 특히 적합한다. (C0 - 8알크)아크릴산 또는 알킬 (C0 - 8알크)아크릴레이트가 적합한 알크아크릴산 및 그 에스테르이며, 이들은 전형적으로 촉매의 존재 하에서 해당 알칸산 또는 그 에스테르와, 메틸렌 공급원(이를테면, 포름알데하이드)의 반응으로부터 생성되며; 바람직하게는 메타크릴산 또는 특별하게 메틸 메타크릴레이트(MMA)는 각각 프로판산 또는 메틸 프로피오네이트로부터 제조된다.
본 발명의 반응은 회분식 또는 연속식 반응일 수 있다.
본원에서 사용되는 경우 "알킬"이란 용어는, 달리 명시되지 않은 한, C1 내지 C12 알킬을 의미하며, 그 예로는 메틸, 에틸, 에테닐, 프로필, 프로페닐, 부틸, 부테닐, 펜틸, 펜테닐, 헥실, 헥세닐 및 헵틸 기가 있으며, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 및 헥실이 있다. 달리 명시되지 않은 한, 알킬기는 충분한 수의 탄소 원자가 있을 경우, 선형 또는 분지형이거나; 고리, 비(非)고리, 부분적 고리/비고리 형태이거나; 할로, 시아노, 니트로, -OR19, -OC(O)R20, -C(O)R21, -C(O)OR22, -NR23R24, -C(O)NR25R26, -SR29, -C(O)SR30, -C(S)NR27R28, 비치환 또는 치환 아릴, 혹은 비치환 또는 치환 Het 중에서 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 비치환 또는 치환되거나, 상기 치환기와 같은 말단을 가진다. 식 중, R19 내지 R30은 여기서, 그리고 본원에서 일반적으로, 각각 독립적으로 수소, 할로, 비치환 또는 치환 아릴, 혹은 비치환 또는 치환 알킬을 나타내거나; 또는 R21의 경우에는 할로, 니트로, 시아노 또는 아미노를 나타내고 및/또는, 하나 이상(바람직하게는 4개 미만)의 산소 원자, 황 원자 또는 규소 원자, 혹은 실라노기 또는 디알킬규소기, 혹은 이들의 혼합물에 의해 중단될 수 있다. 바람직하게는 알킬기는 비치환 형태이고, 바람직하게는 선형, 바람직하게는 포화 상태이다.
"알케닐"이란 용어는 위의 "알킬"로서 이해해야 하지만, 단 알케닐 내의 적어도 하나의 탄소-탄소 결합이 불포화이며, 그에 따라 상기 용어는 C2 내지 C12 알케닐기에 관련된다.
"알크(alk)" 또는 그 유사 용어는, 상충되는 정보의 기재가 없는 한, 전술한 "알킬"의 정의에 따라 이해하면 되며, 단 "C0 알크"는 알킬로 치환되지 않았음을 의미한다.
본원에 사용되는 경우 "아릴"이란 용어는 5 내지 10원, 바람직하게는 5 내지 8원의 탄소고리 방향족 또는 준 방향족기(pseudo aromatic group), 예를 들면 페닐, 사이클로펜타디에닐, 인데닐 음이온 및 나프틸을 포함하며, 이들 기는 비치환 또는 치환 아릴, 알킬(알킬기 자체는 본원에 정의한 바와 같이 비치환 또는 치환되거나 말단기를 가질 수 있음), Het(Het기 자체는 본원에 정의한 바와 같이 비치환 또는 치환되거나 말단기를 가질 수 있음), 할로, 시아노, 니트로, OR19, OC(O)R20, C(O)R21, C(O)OR22, NR23R24, C(O)NR25R26, SR29, C(O)SR30 또는 C(S)NR27R28 중에서 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 비치환 또는 치환될 수 있으며, 이때 식에서 R19 내지 R30은 각각 독립적으로 수소, 비치환 또는 치환 아릴, 또는 비치환 또는 치환 알킬(알킬기 자체는 본원에 정의한 바와 같이 비치환 또는 치환되거나 말단기를 가질 수 있음)을 나타내거나; 또는 R21의 경우에는 할로, 니트로, 시아노 또는 아미노를 나타낸다.
본원에 사용되는 경우 "할로"라는 용어는 클로로, 브로모, 아이오도 또는 플루오로 기, 바람직하게는 클로로 또는 플루오로 기를 의미한다.
본 발명의 범주를 침해하지 않고, 이론에 구속되지 않으면서, 본 발명자들은 이 놀라운 발견을 하자마자, 변색을 일으킨 디엔 불순물의 존재 가능성 여부를 시험하였다. 그러나 친 디엔체(dienophile)와의 반응은 확인된 디엔 불순물에 영향을 미치지 않는 것으로 보였으며, 이는 불순물이 디엔이 아닐 수 있다는 것을 가리킨다.
본원에서 사용되는 경우 "Het"라는 용어는 4원 내지 12원, 바람직하게는 4원 내지 10원 고리계를 포함하며; 이들 고리는 질소, 산소, 황 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 헤테로원자를 1개 이상 함유하고, 이중 결합을 0개, 1개 또는 더 많이 함유하거나, 비방향족, 부분 방향족, 또는 전방향족일 수 있다. 이러한 고리계는 단일 고리, 이중 고리 또는 접합될(fused) 수 있다. 본원에서 정의된 각 "Het"기는 할로, 시아노, 니트로, 옥소, 알킬(알킬기 자체는 본원에 정의한 바와 같이 비치환 또는 치환되거나 말단기를 가질 수 있음), -OR19, -OC(O)R20, -C(O)R21, -C(O)OR22, -N(R23)R24, -C(O)N(R25)R26, -SR29, -C(O)SR30 또는 -C(S)N(R27)R28 중에서 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 비치환 또는 치환될 수 있으며, 이때 식에서 R19 내지 R30은 각각 독립적으로 수소, 비치환 또는 치환 아릴, 또는 비치환 또는 치환 알킬(알킬기 자체는 본원에 정의한 바와 같이 비치환 또는 치환되거나 말단기를 가질 수 있음)을 나타내거나; 또는 R21의 경우에는 할로, 니트로, 아미노 또는 시아노를 나타낸다. 따라서 "Het"라는 용어에는 선택적으로 치환된 아제티디닐(azetidinyl), 피롤리디닐, 이미다졸릴, 인돌릴, 퓨라닐, 옥사졸릴, 이속사졸릴, 옥사디아졸릴, 티아졸릴, 티아디아졸릴(thiadiazolyl), 트리아졸릴, 옥사트리아졸릴, 티아트리아졸릴, 피리다지닐, 모르폴리닐(morpholinyl), 피리미디닐, 피라지닐, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 피페리디닐, 피라졸릴 및 피페라지닐과 같은 기가 포함된다. Het에서의 치환은 이 Het 고리의 탄소 원자 또는 적절한 경우 상기 헤테로원자들 중 하나 이상에서 일어날 수 있다.
"Het"기는 또한 N-산화물 형태일 수 있다.
본 발명의 촉매 반응에 사용하기에 적합한 선택적 알코올은, 본원에 정의한 바와 같이 알킬, 아릴, Het, 할로, 시아노, 니트로, OR19, OC(O)R20, C(O)R21, C(O)OR22, NR23R24, C(O)NR25R26, C(S)NR27R28, SR29 또는 C(O)SR30 중에서 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 선택적으로 치환될 수 있는, 아릴 알코올을 비롯한, C1-C30 알칸올 중에서 선택될 수 있다. 매우 바람직한 알칸올은 C1-C8 알칸올, 이를테면 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소-프로판올, 이소-부탄올, t-부틸 알코올, 페놀, n-부탄올 및 클로로카프릴 알코올이다. 가장 바람직한 것은 모노알칸올이지만; 바람직하게는 디-옥타 올, 이를테면, 디올, 트리올, 테트라올 및 당류(sugars) 중에서 선택된 폴리알칸올을 활용할 수도 있다. 전형적으로, 이러한 폴리알칸올은 1, 2-에탄디올, 1,3-프로판디올, 글리세롤, 1,2,4 부탄트리올, 2-(하이드록시메틸)-1,3-프로판디올, 1,2,6 트리하이드록시헥산, 펜타에리트리톨, 1,1,1 트리(하이드록시메틸)에탄, 난노스(nannose), 소르바스(sorbase), 갈락토오스 및 기타 당류 중에서 선택된다. 바람직한 당류로는 수크로오스, 프룩토오스 및 글루코오스가 있다. 특별히 바람직한 알칸올은 메탄올과 에탄올이다. 가장 바람직한 알칸올은 메탄올이다. 알코올의 양은 중요하지 않다. 일반적으로, 에스테르화되는 기질(substrate)의 양을 초과하는 양으로 사용한다. 따라서, 원한다면 별도의 용매 또는 추가 용매를 사용하여도 되지만, 알코올이 반응 용매로도 역할을 할 수도 있다.
본 반응의 최종 생성물이 적어도 부분적으로는 사용된 알칸올의 공급원에 의해 정해진다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 메탄올을 사용하면 이에 따른 메틸 에스테르가 생성된다.
본 발명의 방법에서 전형적인 온도 및 압력 조건은 100℃ 내지 400℃, 더 바람직하게는 200℃ 내지 375℃, 가장 바람직하게는 300℃ 내지 360℃이고; 0.001 MPa 내지 1 MPa, 더 바람직하게는 0.03 MPa 내지 0.5 MPa, 가장 바람직하게는 0.03 MPa 내지 0.3 MPa이다.
촉매의 존재 하에서 반응물들을 위한 접촉 시간은 온도, 압력, 임의 지지체의 성질, 및 임의 지지체에 대한 촉매의 농도에 좌우되지만, 전형적으로 0.05초 내지 300초, 더 바람직하게는 0.1초 내지 240초, 가장 바람직하게는 0.5초 내지 120초, 특별하게는 1초 내지 40초이다.
본 발명의 방법에 사용되는 촉매의 양이 반드시 중요한 것은 아니며, 이용되는 방법의 실현 가능성에 따라 결정될 수 있다. 그러나, 촉매의 양은 일반적으로 최적의 선택도과 수율에 효과적이도록 선택된다. 그럼에도, 당해 기술분야의 숙련자라면 최소량의 촉매가, 접촉 시간 동안 반응물들이 효과적으로 촉매 표면과 접촉을 이루는데 충분하리라는 것을 이해할 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련자라면 반응물들에 대한 촉매의 양에 있어서 사실 상한치는 없지만, 실제로 촉매의 양은 거듭 말하지만 요구되는 접촉 시간에 따라 좌우될 수 있다.
본 발명의 방법에서 반응물들의 상대량은 폭넓은 허용치 내에서 다양할 수 있지만, 일반적으로 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원 대 카르복시산 또는 에스테르의 몰비는 20:1 내지 1:20, 더 바람직하게는 5:1 내지 1:15 범위이다. 가장 바람직한 비율은 포름알데하이드의 형태, 및 포름알데하이드 종으로부터 포름알데하이드를 유리화시키는 촉매의 능력에 따라 결정된다. 따라서, 고반응성 포름알데하이드 물질 R31O-(CH2-O-)iR32(식에서, R31 및 R32 중 하나 또는 둘 다는 H임)에서는 상대적으로 낮은 비가 요구되며, 전형적으로, 이 경우에서 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원 대 카르복시산 또는 에스테르의 몰비는 1:1 내지 1:9 범위이다. CH3O-CH2-OCH3에서와 같이 R31 및 R32 모두 H가 아닌 경우 또는 트리옥산에서는, 높은 비(전형적으로, 3:1 내지 1:3)가 가장 바람직하다.
위에 언급한 바와 같이, 포름알데하이드의 공급원 때문에, 반응 혼합물에는 물도 존재할 수 있다. 포름알데하이드의 공급원에 따라, 촉매 작용 이전에, 반응 혼합물로부터 물의 일부 또는 전부를 제거시킬 필요가 있을 수 있다. 물의 수준을 포름알데하이드의 공급원 내의 물의 수준보다 낮게 유지하는 것은 촉매 효율 및/또는 후속의 생성물 정제 단계에서 유리할 수 있다. 반응기 내에 함유되는 물은 바람직하게는 10 몰% 미만, 더 바람직하게는 5 몰% 미만, 가장 바람직하게는 2 몰% 미만이다.
알코올 대 산 또는 에스테르의 몰비는 전형적으로 20:1 내지 1:20, 바람직하게는 10:1 내지 1:10, 가장 바람직하게는 5:1 내지 1:5, 이를테면 1:1이다. 그러나 가장 바람직한 비율은 반응물들 내 촉매에 공급되는 물의 양과 반응에 의해 생성되는 물의 양에 따라 결정될 것이며, 상기 반응에서 알코올 대 전체 물의 바람직한 몰비는 적어도 1:1, 더 바람직하게는 적어도 3:1일 것이다.
반응기에 반응물들을 별개로 공급하거나, 예비혼합 후에 공급할 수 있으며, 반응 공정은 연속식 또는 회분식일 수 있다. 그러나, 바람직하게는 연속식 공정을 이용한다.
전형적으로, 반응은 가스상에서 일어난다. 따라서, 반응이 일어난 후 생성물 스트림을 응축시키기 위해 적당한 응축 장비가 일반적으로 요구된다. 유사하게, 반응물들을 촉매층 전의 온도까지 끌어 올리도록 증발기를 사용할 수 있다.
단지 예시적 목적으로 하기의 비제한적 실시예들을 참조하여 본 발명의 구현예를 이제 설명하기로 한다.
실험
촉매 접촉시간
[s]		 MMA+MAA 수율 [%] MAA
선택도 [%]		 MMA + MAA 선택도 [%] MMA + MAA 수율/s
비교예 1 AlPO 5.20 4.9 10.4 59.3 0.9
비교예 1 AlPO 1.47 4.8 12.9 78.0 3.3
실시예 1 AlPON 03750 1.47 3.1 13.4 95.2 2.1
실시예 1 AlPON 03750 5.20
실시예 2 AlPON 06750 5.20 7.6 16.5 92.4 1.5
실시예 3 AlPON 15750 5.20 8.1 17.3 93.5 1.6
비교예 1 AlPO
개질용 베이스 기재(substrate)를 제공한 산 촉매는, 성분 염들을 함유하는 용액을 공겔화(co-gelation)시키는 졸-겔법에 의해 제조된 비정질 알루미늄 포스페이트(AlPO)였다.
공- 겔화 방법
알루미늄 및 인 원소들을 함유하는 염의 용액을 공-겔화시켜 고 표면적 비정질 알루미늄 포스페이트를 제조하였다.
질산 HNO3에 의해 산성화된 160ml의 탈염수에 37.5g의 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트 Al(NO3)3ㆍ9H2O 및 13.2g의 인산수소이암모늄 (NH4)2HPO4를 함께 용해시켰다. pH 7에 이를 때까지 수산화암모늄 용액을 첨가시켰다. 형성된 하이드로겔을 추가로 1시간 동안 혼합한 후, 여과시키고, 물로 세정하였다. 세정된 하이드로겔을 80℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 600℃에서 1시간 동안 하소하였다. 하소된 생성물을 체질하여 촉매 시험용 그래뉼(직경 0.5 내지 1.4mm)을 마련하였다.
촉매 시험: 증발기에 연결된 스테인레스강 관형 반응기에 3g의 촉매를 넣었다. 반응기를 350℃까지 가열하고, 증발기를 300℃까지 가열하였다. 56.2 몰%의 메틸 프로피오네이트와, 33.7 몰%의 메탄올과, 9.6 몰%의 포름알데하이드와 0.5 몰%의 물로 이루어진 혼합물을 통과시켰다. 응축된 반응 혼합물을 CP-Sil 1701 컬럼이 구비된 가스 크로마토그래피로 분석하였다.
실시예 1 AlPON 03750
비교예 1로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로(tube furnace)의 중앙에 있는 알루미나 보트(alumina boat)에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 600℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 750℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 3시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 (150 ml/min의) 건조 질소로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 2 AlPON 06750
암모니아 처리를 3시간 대신 6시간 동안 적용한 점을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 촉매를 제조하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 3 ALPON 15750
암모니아 처리를 3시간 대신 15시간 동안 적용한 점을 제외하고는, 실시예 1에서와 같이 촉매를 제조하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
촉매 접촉시간
[s]		 MMA+MAA
수율 [%]		 MAA
선택도 [%]		 MMA + MAA 선택도 [%] MMA + MAA 수율/s
비교예 2 ZrPO 0.41 4.04 7.5 64.6 9.8
실시예 4 ZrPON 03750 0.41 4.55 7.4 71.6 11.1
비교예 3 SnPO 2.00 2.1 11.0 64.3 1.0
실시예 5 SnPON 06400 3.05 2.1 0.3 86.4 0.7
비교예 2 ZrPO
질산 HNO3에 의해 산성화된 200ml의 탈염수에 용해시킨 19.3g의 옥시염화지르코늄 ZrOCl2ㆍ8H2O에, 50ml의 탈염수에 용해시킨 7.9g의 인산수소이암모늄 (NH4)2HPO4를 적가하고, 2시간 동안 교반하였다. 이를 여과시키고, 물로 세정한 후, 110℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 550℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 4 ZrPON 03750
비교예 2로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 600℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 750℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 3시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 3 SnPO
200ml의 탈염수에 용해시킨 13.0g의 염화주석 SnCl4 13.0g을 50℃까지 가열하고, 자석바로 교반하는 동시에, 여기에 300ml의 탈염수에 용해시킨 7.1g의 인산수소이암모늄 (NH4)2HPO4를 적가하였다. 2시간 동안 계속 혼합하였다. 그런 후에는, 생성물을 여과시키고, 물로 세정하였다. 세정된 생성물을 110℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 400℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 5 SnPON 06400
비교예 3으로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 250℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 400℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 6시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
촉매 접촉시간
[s]		 MMA+MAA
수율 [%]		 MAA
선택도 [%]		 MMA + MAA 선택도 [%] MMA + MAA 수율/s
비교예 4 ZrNbO 0.6 5.5 3.8 80.6 9.2
실시예 5 GaSbO 1.12 6.5 1.9 77.8 5.8
비교예 4 ZrNbO
질산 HNO3에 의해 산성화된 25ml의 탈염수 중의 10.1g의 염화니오븀 NbCl5를, 질산 HNO3에 의해 산성화된 25ml의 탈염수 중의 12.1g의 옥시염화지르코늄 ZrOCl2ㆍ8H2O에 첨가시키면서 교반하였다. 이어서, pH 7에 이를 때까지 수산화암모늄 용액을 첨가시켰다. 이를 1시간 동안 숙성시킨 후, 여과시키고, 풍부한 양의 물로 세정하였다. 세정된 반응 혼합물을 80℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 600℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 6 ZrNbON 06400
비교예 4로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 250℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 400℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 6시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험한 결과, 선택도가 향상되었음이 밝혀졌다.
비교예 5 GaSbO
5ml의 탈염수 중의 8.6g의 염화안티몬 SbCl5에, 질산 HNO3에 의해 산성화된 25ml의 탈염수 중의 5g의 염화갈륨 GaCl3을 적가하면서 교반하였다. 이어서, pH 7에 이를 때까지 수산화암모늄 용액을 첨가시켰다. 반응 혼합물을 1시간 동안 숙성시킨 후, 여과시키고, 풍부한 양의 물로 세정하였다. 세정된 반응 혼합물을 80℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 600℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 7 GaSbON 06400
비교예 5로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 250℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 400℃까지 계속 가열하되 이 온도를 6시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험한 결과, 선택도가 향상되었음이 밝혀졌다.
촉매 접촉시간
[s]		 MMA+MAA 수율 [%] MAA
선택도 [%]		 MMA + MAA 선택도 [%] MMA + MAA 수율/s
비교예 6 Ga0 .1Al0 .9PO 2.40 4.3 10.4 64.1 1.8
실시예 8 Ga0 .1Al0 .9PON 03750 2.36 6.4 11.7 75.2 2.7
실시예 9 Ga0 .1Al0 .9PON 15750 2.32 5.5 4.9 80.9 2.4
비교예 6 Ga0.1Al0.9PO
122ml의 탈염수 중의 19.4g의 인산 H3PO4에, 5g의 염화갈륨과 34g의 염화알루미늄 AlCl3을 혼합하였다. 이 혼합물을 드라이아이스 알코올 배쓰에서 0℃까지 냉각시켰다. 이어서, 과량의 산화프로필렌을 고속의 교반 하에 서서히 첨가시켰다. 몇 시간이 지나자 용액이 반투명한 겔로 변했다. 이 생성물을 이소프로판올로 세정하였다. 이를 110℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 650℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 8 Ga0.1Al0.9PON 03750
비교예 6으로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 600℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 750℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 3시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
실시예 9 Ga0.1Al0.9PON 15750
암모니아 처리를 3시간 대신 15시간 동안 적용한 점을 제외하고는, 실시예 8에서와 같이 촉매를 제조하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
촉매 접촉시간
[s]		 MMA+MAA 수율 [%] MAA
선택도 [%]		 MMA + MAA 선택도 [%] MMA + MAA 수율/s
비교예 7 ZrO2 0.89 5.8 1.5 50.9 6.5
비교예 8 ZrON 15500 4.58 5.7 0.5 50.0 1.2
비교예 9 SiO2 10.03 0.15 - - 0.015
비교예 10 SiON (Grace) 15400 14.57 0.6 - - 0.04
비교예 11 SiON (Grace) 15750 8.53 0.6 - - 0.07
비교예 12 Al2O3 4.0 5.6 6.3 64.0 10.2
비교예 13 AlON 03750 5.6 5.6 7.6 60.0 10.4
비교예 7 ZrO2
300ml의 탈염수에 14.5g의 지르코늄 옥시클로라이드 옥타하이드레이트 ZrOCl2ㆍ8H2O를 용해시키고 계속 교반하는 한편, 110ml의 물 중의 10ml의 30% 암모니아를 첨가하였다. 이렇게 얻은 현탁액을 실온에서 3시간 동안 교반한 후, 여과하고, 물로 세정함으로써, 염화물의 모든 잔류물을 제거하였다. 생성물을 80℃에서 밤새 건조시키고 나서, 공기 중에 500℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 8 ZrON 15500
비교예 7로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 350℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 500℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 15시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 9 SiO2
Grace사로부터 순수 SiO2 비드를 구입하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 10 SiON (Grace사) 15400
비교예 9로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 250℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 400℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 15시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 11 SiON (Grace사) 15750
비교예 9로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 600℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 750℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 15시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 12 Al2O3
용해를 돕기 위해 질산 몇 방울에 의해 산성화된 탈염수에, 75.0g의 질산알루미늄을 용해시켰다. 수성 암모니아를 첨가시키자 겔이 침전되었다. 겔을 여과시키고 물로 세정하였다. 110℃에서 밤새 건조시킨 후, 공기 중에 500℃에서 1시간 동안 하소하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
비교예 13 AlON 03750
비교예 12로부터의 그래뉼 생성물 약 7g을 관상로의 중앙에 있는 알루미나 보트에 놓고, 150 ml/분 유량의 건조 질소 흐름 하에 5℃/분의 승온속도로 가열하였다. 600℃에서 가스 공급을 150 ml/분 유량의 건조 암모니아로 바꾸는 한편, 750℃까지 계속 가열하고, 이 온도를 3시간 동안 유지한 후, 공급 가스를 다시 건조 질소(150 ml/min)로 바꾸었다. 관상로가 100℃ 아래로 냉각되도록 한 후, 건조 대기로부터 시료를 회수하였다.
비교예 1에 기술한 바와 같이 촉매를 시험하였다.
응축된 반응 혼합물 중의 부산물 생성에 대해 몇 가지 실시예들을 시험하였다. 원하는 최종 생성물들 중의 하나인 메틸 메타크릴레이트의 비점에 가깝기 때문에 공업 공정에서의 분리 단계시 문제가 될 수 있는 세 가지 부산물을 시험하였다. 이들은 톨루엔, 디에틸 케톤 및 메틸 이소부티레이트이다. 그 결과를 표 6에 나타내었으며, 이에 따르면 비질화 혼합 산화물 및 질화 단일 금속 산화물 모두와 비교하여 질화 혼합 산화물의 경우 불순물이 현저하게 감소되었다.
촉매 접촉시간
[s]		 MIB
[몰%]		 DEK
[몰%]		 톨루엔
[몰%]
비교예 1 AlPO 1.83 0.0240 0.0547 0.0054
실시예 1 AlPON 03750 1.47 0.0013 0.0031 0.0003
실시예 2 AlPON 06750 5.20 0.0126 0.0038 0.0008
비교예 2 ZrPO 0.42 0.0228 0.0569 0.0042
실시예 4 ZrPON 03750 0.41 0.0150 0.0370 0.0028
비교예 7 ZrO2 1.01 0.1819 0.7004 0.0001
비교예 8 ZrON 15500 4.70 0.2591 0.8241 0.0001
본원과 관련하여 본 명세서와 동시에 또는 그 이전에 출원되었고, 본 명세서와 함께 공중이 열람할 수 있는 모든 논문과 문헌에 주목하며, 이러한 모든 논문과 문헌의 내용을 본원에 참조로써 통합한다.
본 명세서(모든 첨부된 청구항, 발명의 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 모든 특징 및/또는 본 명세서에 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계들은 어떠한 형태로든 조합될 수 있으나, 단 그러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 서로 배타적인 관계인 조합들은 제외한다.
달리 명백하게 명시하지 않은 한, 본 명세서(모든 첨부된 청구항, 발명의 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 각각의 특징은 동일하거나 균등하거나 유사한 목적을 수행하는 대안적 특징으로 대체될 수 있다. 따라서 달리 명백하게 명시하지 않은 한, 개시된 각 특징은 균등하거나 유사한 특징의 일반 계열(generic series)의 한 예일 뿐이다.
본 발명은 전술한 구현예(들)의 상세사항으로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(모든 첨부된 청구항, 발명의 요약 및 도면을 포함함)에 개시된 특징들 중 임의의 신규한 특징 하나, 또는 특징들의 임의의 신규한 조합까지 확장되며, 본 명세서에 개시된 방법이나 공정의 단계들 중 임의의 신규한 단계 하나, 또는 임의의 신규한 조합까지 확장된다.

Claims (16)

  1. 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르의 제조 방법으로서,
    촉매의 존재 하에, 그리고 선택적으로 알코올의 존재 하에, 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원을 카르복시산 또는 에스테르와 접촉시키는 단계를 포함하는 제조 방법:
    여기서 상기 촉매는 2가지 유형 이상의 금속 양이온 M1 및 M2를 가진 질화 금속 산화물(nitrided metal oxide)을 포함하고, 이때 M1은 주기율표의 2족, 3족, 4족, 13족(IIIA족으로도 불림) 또는 14족(IVA족으로로 불림)의 금속 중에서 선택되며, M2는 주기율표의 5족 또는 15족(VA족으로도 불림)의 금속 중에서 선택된다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물은 2 내지 4개의 금속 양이온, 산소 음이온, 및 질소 음이온으로 이루어지는 제조 방법.
  3. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 M1 유형의 금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, La, Ac, Si, Ge, Sn, Pb, Ti, Zr, Hf 및 Rf로 이루어진 리스트로부터 선택된 1종 이상의 금속인 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 M2 유형의 금속은 P(5+), Nb(5+), As(5+), Sb(5+) 및 Ta(5+)로 이루어진 리스트로부터 선택된 1종 이상인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물은 AlPON; ZrPON; SnPON; ZrNbON; GaSbON; 및 GaAlPON으로 이루어진 리스트에서 선택되며, 상기 질화 금속 산화물은 담지되지 않거나, 적합한 지지체, 예를 들면, 알루미나, 실리카, 질화규소, 콜로이드 실리카, 티타니아 또는 알루미늄 포스페이트 상에 담지된 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 혼합 금속 산화물에는 M3 유형의 추가 금속 또는 금속 양이온이 또한 존재하며, 이때 상기 M3 금속은 주기율표의 I족에 속하는 금속을 포함하는 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물의 화학식은 M1 nM2 mM3 qOpNs인 제조 방법:
    상기 화학식에서 M1은 양이온으로 바람직하게는 3+ 양이온이며, M2는 양이온으로 바람직하게는 5+ 양이온이고, n, m, p 및 s는 양의 정수이거나 소수점 수(decimal number)일 수 있으며, q는 양의 정수, 소수점 수 또는 영일 수 있다.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카르복시산 또는 에스테르 반응물은 화학식 R3-CH2-COOR4을 갖는 제조 방법:
    상기 화학식에서 R4는 수소 또는 알킬기이고, R3은 수소, 알킬기 또는 아릴기이다.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 본 발명의 방법에 의해 생성되는 상기 에틸렌성 불포화 산 또는 에스테르는 메타크릴산, 아크릴산, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 또는 부틸 아크릴레이트 중에서 선택되는 제조 방법.
  10. 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르, 바람직하게는 α,β 에틸렌성 불포화 카르복시산 또는 에스테르를 제조하기 위하여, 선택적으로는 알코올의 존재 하에서 포름알데하이드 또는 그의 적절한 공급원과 카르복시산 또는 에스테르의 반응용 촉매 시스템으로서,
    상기 촉매는 2가지 유형 이상의 금속 양이온 M1 및 M2를 가진 질화 금속 산화물을 포함하고, 이때 M1은 주기율표의 2족, 3족, 4족, 13족(IIIA족으로도 불림) 또는 14족(IVA족으로로 불림)의 2종 이상의 금속 중에서 선택되며, M2는 주기율표의 4주기 내지 6주기에 속한 5족의 1종 이상의 금속 중에서 또는 15족(VA족으로도 불림)의 1종 이상의 금속 중에서 선택되는 촉매 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물은 2 내지 4개의 금속 양이온, 산소 음이온, 및 질소 음이온으로 이루어지는 촉매 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물 화학식은 화학식 M1 xM2 yOnNz을 가지는 촉매 시스템:
    상기 화학식에서 z는 질소 원자의 평균 개수이고, x, y, n 및 z 각각은 양의 소수점 수 또는 정수일 수 있다.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 M1 유형의 금속은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, B, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, La, Ac, Si, Ge, Sn, Pb, Ti, Zr, Hf 및 Rf로 이루어진 리스트로부터 선택된 1종 이상의 금속인 촉매 시스템.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 M2 유형의 금속은 Nb(5+), As(5+), Sb(5+) 및 Ta(5+)로 이루어진 리스트로부터 선택된 1종 이상의 금속인 촉매 시스템.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 금속 산화물은 AlPON; ZrPON; SnPON; ZrNbON; GaSbON; 및 GaAlPON으로 이루어진 리스트에서 선택되며, 상기 질화 금속 산화물은 담지되지 않거나, 적합한 지지체, 예를 들면, 알루미나, 실리카, 질화규소, 콜로이드 실리카, 티타니아 또는 알루미늄 포스페이트 상에 담지된 촉매 시스템.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 혼합 금속 산화물에는 M3 유형의 추가 금속 또는 금속 양이온이 또한 존재하며, 이때 상기 M3 금속은 주기율표의 I족에 속하는 금속을 포함하는 촉매 시스템.
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