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WO2022080621A1 - 아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법 - Google Patents

아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법 Download PDF

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Publication number
WO2022080621A1
WO2022080621A1 PCT/KR2021/007222 KR2021007222W WO2022080621A1 WO 2022080621 A1 WO2022080621 A1 WO 2022080621A1 KR 2021007222 W KR2021007222 W KR 2021007222W WO 2022080621 A1 WO2022080621 A1 WO 2022080621A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solvent
acrylonitrile
preparing
phosphorus
dimer
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/007222
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
안유진
김원석
정현철
박세흠
오완규
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to EP21851944.5A priority Critical patent/EP4006009A4/en
Priority to JP2022508882A priority patent/JP7352725B2/ja
Priority to CN202180005319.1A priority patent/CN114787124B/zh
Priority to US17/634,881 priority patent/US20220356149A1/en
Publication of WO2022080621A1 publication Critical patent/WO2022080621A1/ko

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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C253/00—Preparation of carboxylic acid nitriles
    • C07C253/30—Preparation of carboxylic acid nitriles by reactions not involving the formation of cyano groups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/20—Carbon compounds
    • B01J27/22—Carbides
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    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of acrylonitrile dimers.
  • Acrylonitrile dimers such as 2-methyleneglutaronitrile (MGN), 1,4-dicyanobutene (DCB) and/or adiponitrile (AND) is a precursor material used in the manufacture of a major monomer of nylon 66, a rust inhibitor, and a curing accelerator for rubber materials, and is usefully used in various other fields.
  • MGN 2-methyleneglutaronitrile
  • DCB 1,4-dicyanobutene
  • AND adiponitrile
  • As a method of obtaining a dimer of acrylonitrile a method of dimerizing acrylonitrile in the presence of a phosphorus-based catalyst is common.
  • the phosphorus-based catalyst used for the reaction has excellent reactivity and selectivity, it is difficult to separate the catalyst because the reaction proceeds under a homogeneous catalyst system.
  • distillation is used as a general catalyst recovery method, there is a possibility that the catalyst may be decomposed due to high temperature and pressure during distillation, or a side reaction of the product, a dimer, may be caused.
  • liquid-liquid extraction can be used to effectively extract a catalyst from a homogeneous catalyst system without catalyst decomposition and side reactions.
  • U.S. Patent No. 4639539 provides a method of extracting a product with formamide and a catalyst with toluene through phase separation of formamide and toluene as a reaction solvent using formamide as an extraction solvent.
  • the phase equilibrium system of formamide and toluene has a partition coefficient that is not bad for catalyst separation, but the product is uniformly dissolved in both solvents, so a separation process in each solvent is additionally required to recover the product.
  • Patent Document 1 US Patent Registration No. 4639539
  • the present invention uses liquid-liquid extraction (LLE) to block the possibility of decomposition of the catalyst and side reaction of the product, and an acrylonitrile dimer using a solvent effective for extraction of only the catalyst It provides a manufacturing method of
  • the present invention provides a process for preparing the following acrylonitrile dimers:
  • step 1 preparing an acrylonitrile dimer by reacting acrylonitrile in the presence of a reaction solvent, a proton donor solvent, and a phosphorus-based catalyst (step 1); and
  • step 2 Including; adding an amine-based solvent to the reaction mixture containing the acrylonitrile dimer prepared in step 1 and extracting to separate the acrylonitrile dimer and the phosphorus-based catalyst (step 2);
  • the possibility that the catalyst is decomposed or a side reaction proceeds in the process of recovering the catalyst is significantly reduced, and the catalyst of a single catalyst system can be effectively separated to prepare an acrylonitrile dimer.
  • the present invention provides the following preparation method in order to efficiently extract the phosphorus-based catalyst used in the dimer preparation process of acrylonitrile:
  • step 1 preparing an acrylonitrile dimer by reacting acrylonitrile in the presence of a reaction solvent, a proton donor solvent, and a phosphorus-based catalyst (step 1); and
  • step 2 A step of separating the acrylonitrile dimer and the phosphorus catalyst by adding and extracting an amine-based solvent to the reaction mixture containing the acrylonitrile dimer prepared in step 1 (step 2);
  • Step 1 of the present invention is a step of preparing a dimer of acrylonitrile, and is a step of reacting acrylonitrile in the presence of a reaction solvent, a proton donor solvent, and a phosphorus-based catalyst.
  • Step 1 is not particularly limited as long as it is a conventional method for preparing an acrylonitrile dimer in solution in the presence of a phosphorus-based catalyst.
  • the acrylonitrile dimer is 2-methyleneglutaronitrile (MGN), 1,4-dicyanobutene (1,4-dicyanobutene, DCB) and / or adiponitrile (Adiponitrile, AND) etc.
  • the reaction solvent is preferably an inert reaction organic solvent.
  • the organic solvent inert to the reaction include ether solvents such as 1,4-dioxane and diethylene glycol dimethyl ether; amide solvents such as N,N-dimethylacetamide; aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, chlorobenzene, and benzonitrile; aliphatic hydrocarbon solvents such as octane, decane, cyclohexane and 1,2-dichloroethane, and toluene, cyclohexane, 1,2-dichloroethane, 1,4-dioxane, chlorobenzene, or xyl Ren is preferred, but not limited thereto.
  • the organic solvents inactive to such a reaction may be used individually, respectively, or 2 or more types may be mixed and used for them. More preferably, the solvent may be toluene.
  • the proton donor solvent is a material that serves as a proton donatin in the dimer production reaction of acrylonitrile, and is not particularly limited as long as it is a proton donor solvent commonly used in the dimerization reaction of acrylonitrile in the art.
  • water as an example; alcohols such as ethylene glycol, glycerol, methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, propanol, propanediol, butanol, cyclohexanol, or benzyl alcohol; or a mixture thereof, but is not limited thereto.
  • the proton donor solvent may be at least one selected from the group consisting of isopropyl alcohol (IPA), butanol, benzyl alcohol, and cyclohexanol, and more preferably isopropanol (IPA).
  • IPA isopropyl alcohol
  • butanol butanol
  • benzyl alcohol benzyl alcohol
  • cyclohexanol and more preferably isopropanol (IPA).
  • the phosphorus-based catalyst may be an alkyl diphenylphosphinite having 1 to 10 carbon atoms, more preferably, isopropyl diphenylphosphinite, or ethyl diphenylphosphinite (Ethyl diphenylphosphinite) can be
  • the alkyl group may be straight-chain or branched, and may have 1 to 10 carbon atoms.
  • Specific examples include methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, 1-methyl-butyl, 1-ethyl-butyl, pentyl, n-pentyl , isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, hexyl, n-hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 4-methyl-2-pentyl, 3,3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, heptyl, n -Heptyl, 1-methylhexyl, cyclopentylmethyl, cyclohexylmethyl, octyl, n-octyl, tert-octyl, 1-methylheptyl, 2-ethylhexyl, 2-prop
  • Step 2 Separation of the acrylonitrile dimer and the phosphorus-based catalyst
  • Step 2 of the present invention is a step of separating the acrylonitrile dimer prepared in step 1 and the phosphorus-based catalyst remaining after preparation by liquid-liquid extraction (LLE), in particular, the acrylonitrile dimer as a reaction product
  • LLE liquid-liquid extraction
  • an amine-based solvent is used as an extraction solvent.
  • the "reaction mixture” is a mixture that has undergone the preparation of the acrylonitrile dimer of step 1, and a reaction solvent, a proton donor solvent, a phosphorus-based catalyst, an acrylonitrile dimer as a reaction product, and acrylonitrile as an unreacted material may include
  • the extraction solvent is a solvent used to extract a target material in liquid-liquid extraction (LLE).
  • the liquid-liquid extraction method is a method of extracting a target material mixed in a liquid sample by a difference in distribution using a solvent (extraction solvent) having a higher affinity with the target material than the solvent of the sample.
  • the liquid sample containing the target material and the extraction solvent should not be mixed with each other, and the extraction solvent is preferably a highly volatile solvent that is easy to remove after extraction. Accordingly, in step 2, an amine-based solvent is used as an extraction solvent.
  • the amine-based solvent includes 2-methyleneglutaronitrile (MGN), 1,4-dicyanobutene (DCB) and/or adiponitrile, the product of step 1 , AND) are not mixed well, so it is preferable as an extraction solvent.
  • MGN 2-methyleneglutaronitrile
  • DCB 1,4-dicyanobutene
  • adiponitrile the product of step 1 , AND
  • the partition coefficient for the product of step 1 is high, so that the extraction efficiency is improved, thereby increasing the recovery rate of the phosphorus-based catalyst.
  • the amine-based solvent-adiponitrile partition coefficient (K AM / ADN ) of the phosphorus-based catalyst represented by Equation 1 below may be 2.5 or more, 2.6 or more, 2.7 or more, or 2.8 or more.
  • the upper limit of the partition coefficient is not particularly limited, but may be, for example, 6.0 or less, 5.0 or less, or 4.0 or less.
  • K AM/ADN C AM /C ADN
  • C AM is the mass fraction of the phosphorus-based catalyst in the amine-based solvent
  • C ADN is the mass fraction of phosphorus-based catalyst in adiponitrile.
  • the amine-based solvent should have low miscibility with the acrylonitrile dimer so that only the phosphorus-based catalyst can be selectively extracted.
  • the amine-based solvent may preferably have a density of 0.950 g/cm 3 or less, or 0.930 g/cm 3 or less. Since the dimer produced by the dimerization reaction of acrylonitrile is mostly 1,4-dicyanobutene having a density of 1.0 g/cm 3 , when the C 4-10 unsaturated hydrocarbon satisfies the density range, the extraction step In the acrylonitrile dimer and phase separation can occur smoothly.
  • the amine-based solvent is not particularly limited, but a tertiary amine is preferred.
  • the amine-based solvent may be any one or more selected from the group consisting of triethylamine and trioctylamine, , more preferably triethylamine (trimethylamine), or trioctylamine (trioctylamine) etc. may be used.
  • the amine-based solvent may be triethylamine.
  • the amount of the amine-based solvent may be adjusted according to the amount of the reaction mixture to be extracted. For example, based on 100 parts by weight of the reaction mixture obtained in step 1, the amine-based solvent may be used in an amount of 80 to 150 parts by weight, or 90 to 130 parts by weight, or 100 to 120 parts by weight.
  • the phosphorus catalyst may not be sufficiently extracted and the catalyst component may remain on the acrylonitrile dimer. Conversely, if the amine solvent is excessively used, the acrylonitrile dimer may be extracted together, Since it may be difficult to phase separation from the acrylonitrile dimer, it is preferable to satisfy the above range.
  • step 2 may be performed at 30 °C or higher and 80 °C or lower.
  • the temperature of step 2 is less than 30 °C, there is a problem in that the extraction efficiency of the target material is lowered, and when it exceeds 80 °C, there is a problem in that the extraction solvent is volatilized.
  • step 2 may be performed in 30 minutes or less. If extraction is carried out for more than 30 minutes, there is a possibility that the process efficiency will decrease. In addition, step 2 may be performed for 1 minute or more, 2 minutes or more, or 3 minutes or more. If the running time of step 2 is less than 1 minute, the phosphorus-based catalyst may not be sufficiently extracted with the catalyst solvent.
  • reaction amine-based solvent is sufficiently mixed within the above temperature and time range, the mixture is left still to phase-separate, and the supernatant and the lower layer are separated to complete the extraction.
  • the upper layer solution includes an amine-based solvent and a phosphorus-based catalyst
  • the lower layer solution includes an acrylonitrile dimer
  • the separated supernatant from the lower layer may be further subjected to a reduced pressure distillation process in order to remove the amine-based solvent and recover the pure phosphorus-based catalyst.
  • the lower layer solution ie, the acrylonitrile dimer phase
  • DCB 1,4-dicyanobutene
  • MGN methylene glutaronitrile
  • reaction solvent, proton donor solvent and unreacted acrylonitrile distilled in step 1, and the phosphorus-based catalyst separated in step 2 may be recovered and reused in the reaction vessel. By recycling the solvent and raw materials of the reaction in this way, it is possible to reduce manufacturing cost and increase process efficiency.
  • step 2 may further include removing the low boiling point material from the reaction mixture including the acrylonitrile dimer (step 2A) before the addition of the amine-based solvent.
  • the low boiling point material removed in step 2A may include, for example, a reaction solvent, a proton donor solvent, and/or unreacted acrylonitrile.
  • the reaction mixture is composed of an acrylonitrile dimer and a phosphorus-based catalyst, so that the extraction efficiency of the phosphorus-based catalyst proceeding thereafter may be further increased.
  • liquid-liquid extraction was performed with an arbitrary reaction mixture containing only the catalyst and the product.
  • a 25 wt% solution of isopropyl diphenylphosphinite was prepared by mixing the catalyst isopropyl diphenylphosphinite (0.634 g) and the product adiponitrile (1.902 g). 2 ml of triethylamine as an extraction solvent was added to the prepared solution, heated to 50 °C, stirred for about 3 to 5 minutes, and then waited until layer separation occurred. When the layers were separated, 0.25 ml each was extracted from the supernatant (Extractd), which is the extraction solvent layer, and the layer (Raffinate), which is the adiponitrile layer, and component analysis was performed by GC (GC 2030, Shimadzu Corporation). At this time, the detector was FID and it was set to 350 °C, and the column was HP-5MS and was set to 40 - 280 °C. The temperature of the injection port was 260 °C, and N 2 was used as the mobile phase.
  • K AM/ADN C AM /C ADN
  • C AM is the mass fraction of the phosphorus-based catalyst in the amine-based solvent
  • C ADN is the mass fraction of phosphorus-based catalyst in adiponitrile.
  • the catalyst partition coefficient of Example 1 using triethylamine is about 1.5 times greater than that of Comparative Example 1 using hexane as an extraction solvent. That is, it can be confirmed that the extraction efficiency of the phosphorus catalyst is greater when triethylamine is used as the extraction solvent because the phosphorus catalyst is more dissolved in triethylamine than in hexane.
  • reaction mixture was distilled at a temperature of 80° C. and a pressure of 50 torr to remove toluene, isopropanol, and unreacted acrylonitrile from the reaction mixture.
  • the lower layer solution contains 79.76 wt% of 1,4-dicyanobutene (DCB), 3.74 wt% of methylene glutaronitrile (MGN), 8.186 wt% of ethyl diphenylphosphinite, and 8.30 wt% of triethylamine. It was confirmed, and the supernatant was 73.17% by weight of triethylamine, 24.38% by weight of ethyl diphenylphosphinite, 2.331% by weight of 1,4-dicyanobutene (DCB), and 0.109% by weight of methylene glutaronitrile (MGN) confirmed to be
  • reaction mixture was distilled at a temperature of 80° C. and a pressure of 50 torr to remove toluene, isopropanol, and unreacted acrylonitrile from the reaction mixture.
  • the lower layer solution contains 83.9 wt% of 1,4-dicyanobutene (DCB), 3.8 wt% of methylene glutaronitrile (MGN), 9.73 wt% of ethyl diphenylphosphinite, and 2.48 wt% of n-hexane It was confirmed that the supernatant was 78.71 wt% of n-hexane, 20.39 wt% of ethyl diphenylphosphinite, 0.8528 wt% of 1,4-dicyanobutene (DCB), and 0.039 wt% of methylene glutaronitrile (MGN) was confirmed to be included.
  • DCB 1,4-dicyanobutene
  • MGN methylene glutaronitrile
  • the catalyst partition coefficient of Example 1 was about 2.98
  • the catalyst partition coefficient of Comparative Example 1 was about 2.09

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Abstract

본 발명은 반응 용매, 양성자 주개 용매 및 인계 촉매의 존재 하에서 아크릴로니트릴을 반응시켜 아크릴로니트릴 이량체를 제조한 후 상기 반응 혼합물에 아민계 용매를 첨가하여 인계 촉매와 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 방법에 관한 것이다.

Description

아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 10월 12일자 한국 특허 출원 제10-2020-0131026호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법에 관한 것이다.
2-메틸렌글루타로니트릴(2-methyleneglutaronitrile, MGN), 1,4-다이시아노부틴(1,4-dicyanobutene, DCB) 및/또는 아디포나이트릴(Adiponitrile, AND) 등의 아크릴로니트릴 이량체는 나일론 66의 주요 단량체, 녹 억제제 및 고무 재료용 경화 촉진제 등의 제조에 사용되는 전구체 물질로 이 외에도 다양한 방면에 유용하게 사용된다. 아크릴로니트릴의 이량체를 얻는 방법으로는 인계 촉매의 존재 하에 아크릴로니트릴을 이량화하는 방법이 일반적이다.
다만 상기 반응에 사용되는 인계 촉매는 반응성과 선택도가 우수한 반면, 균일계 촉매 시스템 하에서 반응이 진행되어 촉매 분리가 어려운 실정이다. 일반적인 촉매 회수 방법으로는 증류를 사용하지만, 증류 시 높은 온도와 압력으로 인해 촉매가 분해되거나, 생성물인 이량체의 부반응을 야기할 가능성이 있다.
이에 균일계 촉매 시스템으로부터 촉매 분해 및 부반응 없이 효과적으로촉매를 추출하기 위하여 액체-액체 추출(Liquid-liquid Extraction, LLE)을 이용할 수 있다. 일례로, 미국특허 등록번호 제4639539호에서는 추출 용매로 포름아마이드를 사용하여 포름아마이드와 반응 용매인 톨루엔의 상분리를 통해 생성물은 포름아마이드로, 촉매는 톨루엔으로 추출하는 방법을 제공하였다. 포름아마이드와 톨루엔의 상평형 시스템은 촉매 분리에는 나쁘지 않은 분배 계수를 갖지만 생성물이 두 용매 모두에 고르게 용해되어 생성물 회수를 위해서는 각 용매에서의 분리 공정이 추가적으로 필요한 단점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 미국특허 등록번호 제4639539호
상기 과제를 해결하고자, 본 발명은 액체-액체 추출(Liquid-liquid Extraction, LLE)을 이용하여 촉매의 분해 및 생성물의 부반응 가능성을 차단하고 촉매만의 추출에 효과적인 용매를 사용하는 아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 하기 아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법을 제공한다:
반응 용매, 양성자 주개 용매 및 인계 촉매의 존재 하에서 아크릴로니트릴을 반응시켜 아크릴로니트릴 이량체를 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 아크릴로니트릴 이량체를 포함하는 반응 혼합물에 아민계 용매를 첨가하고 추출하여 아크릴로니트릴 이량체와 인계 촉매를 분리하는 단계(단계 2);를 포함하는,
아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 촉매의 회수 과정에서 촉매가 분해되거나 부반응이 진행될 가능성이 현저히 감소하고, 단일계 촉매 시스템의 촉매를 효과적으로 분리하여 아크릴로니트릴 이량체를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 아크릴로니트릴의 이량체 제조 과정에서 사용된 인계 촉매를 효율적으로 추출하기 위하여 아래의 제조 방법을 제공한다:
반응 용매, 양성자 주개 용매 및 인계 촉매의 존재 하에서 아크릴로니트릴을 반응시켜 아크릴로니트릴 이량체를 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 아크릴로니트릴 이량체를 포함하는 반응 혼합물에 아민계 용매를 첨가하고 추출하여 아크릴로니트릴 이량체와 인계 촉매를 분리하는 단계(단계 2);를 포함하는,
아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
이하, 본 발명을 각 단계별로 자세히 설명한다.
(단계 1: 아크릴로니트릴 이량체의 제조 단계)
본 발명의 단계 1은 아크릴로니트릴의 이량체를 제조하는 단계로써, 반응 용매, 양성자 주개 용매 및 인계 촉매의 존재 하에 아크릴로니트릴을 반응시키는 단계이다. 상기 단계 1은 인계 촉매의 존재 하에 용액 내에서 아크릴로니트릴 이량체를 제조하는 통상적인 방법이라면 그 특별한 제한이 없다. 여기서 아크릴로니트릴 이량체는 2-메틸렌글루타로니트릴(2-methyleneglutaronitrile, MGN), 1,4-다이시아노부틴(1,4-dicyanobutene, DCB) 및/또는 아디포나이트릴(Adiponitrile, AND) 등을 포함한다.
일례로, 상기 반응 용매는 불활성 반응 유기 용매인 것이 바람직하다. 반응에 불활성인 유기 용매로는 1,4-다이옥세인, 디에틸렌글리콜디메틸에테르 등의 에테르 용매; N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드 용매; 톨루엔, 자일렌, 클로로벤젠, 벤조니트릴 등의 방향족 탄화수소 용매; 옥탄, 데칸, 사이클로헥세인, 1,2-디클로로에테인 등의 지방족 탄화수소 용매 등을 들 수 있으며, 톨루엔, 사이클로헥세인, 1,2-디클로로에테인, 1,4-다이옥세인, 클로로벤젠, 또는 자일렌이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 반응에 불활성인 유기 용매는 각각 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 보다 바람직하게는 상기 용매는 톨루엔일 수 있다.
상기 양성자 주개 용매는 아크릴로니트릴의 이량체 제조 반응에서 양성자 주개 역할(proton donatin)을 하는 물질로, 당업계에서 아크릴로니트릴의 이량체화 반응에 통상적으로 사용되는 양성자 주개 용매라면 특별히 제한되지 않는다. 일례로 물; 에틸렌글리콜, 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 이소부탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올, 사이클로헥사놀, 또는 벤질알코올 등의 알코올; 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되지 않는다. 바람직하게는 상기 양성자 주개 용매는 이소프로필알코올(IPA), 부탄올, 벤질알코올, 및 사이클로헥사놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 이소프로판올(IPA)일 수 있다.
상기 인계 촉매는 바람직하게는, 탄소수 1 내지 10의 알킬 디페닐포스피니트일 수 있고, 보다 바람직하게는, 이소프로필 디페닐포스피니트(isopropyl diphenylphosphinite), 또는 에틸 디페닐포스피니트 (Ethyl diphenylphosphinite)일 수 있다. 여기서 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 1 내지 10이다. 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 사이클로펜틸메틸, 사이클로헥실메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸펜틸, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
(단계 2: 아크릴로니트릴 이량체와 인계 촉매를 분리하는 단계)
본 발명의 단계 2는 단계 1에서 제조된 아크릴로니트릴 이량체와 제조 후 잔류하는 인계 촉매를 액체-액체 추출(Liquid-liquid Extraction, LLE)로 분리하는 단계로, 특히 반응 생성물인 아크릴로니트릴 이량체와 인계 촉매가 혼합된 반응 혼합물에서 인계 촉매만을 효율적으로 추출시키기 위해 아민계 용매를 추출 용매로 사용한다. 상기 "반응 혼합물"은 단계 1의 아크릴로니트릴 이량체의 제조 단계를 수행한 혼합물로, 반응 용매, 양성자 주개 용매, 인계 촉매, 반응 생성물인 아크릴로니트릴 이량체 및 미반응 물질인 아크릴로니트릴을 포함할 수 있다.
상기 추출 용매는 액체-액체 추출(Liquid-liquid Extraction, LLE)에서 타겟 물질을 추출하기 위해 사용되는 용매이다. 액체-액체 추출법은 액체 시료에 혼합된 타겟 물질을 시료의 용매보다 타겟 물질과 더욱 친화력이 높은 용매(추출 용매)를 이용하여 분배 차이로 추출하는 방법이다. 이 때, 타겟 물질을 포함하는 액체 시료와 추출 용매는 서로 혼합되어서는 안되고, 추출 용매는 추출 후 제거가 용이한 휘발성이 높은 용매가 바람직하다. 이에, 상기 단계 2에서는 추출 용매로 아민계 용매를 사용한다.
상기 아민계 용매에는 단계 1의 생성물인 2-메틸렌글루타로니트릴(2-methyleneglutaronitrile, MGN), 1,4-다이시아노부틴(1,4-dicyanobutene, DCB) 및/또는 아디포나이트릴(Adiponitrile, AND) 등이 잘 혼합되지 않아 추출 용매로 바람직하다. 또한, 일반적인 아크릴로니트릴 이량체의 제조 공정에서 인계 촉매의 추출 시 사용하는 알케인계 용매에 비해 단계 1의 생성물에 대한 분배 계수가 높아 추출 효율이 향상되어 인계 촉매의 회수율을 증가시킨다.
일례로, 50 ℃, 760 torr에서, 하기 수학식 1로 표시되는 인계 촉매의 아민계 용매-아디포니트릴 분배계수(KAM/ADN)는 2.5 이상, 2.6 이상, 2.7 이상, 또는 2.8 이상일 수 있다. 상기 분배 계수의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 일례로 6.0 이하, 5.0 이하, 또는 4.0 이하일 수 있다.
[수학식 1]
KAM/ADN = CAM/CADN
상기 수학식 1에서,
CAM는 아민계 용매 중의 인계 촉매의 질량 분율이고,
CADN는 아디포니트릴 중의 인계 촉매의 질량 분율이다.
또한, 상기 아민계 용매는 인계 촉매만을 선택적으로 추출할 수 있도록, 아크릴로니트릴 이량체와 혼화성(miscibility)이 낮아야 한다.
상기 아민계 용매는 밀도가 0.950 g/cm3 이하, 또는 0.930 g/cm3 이하인 것이 바람직할 수 있다. 아크릴로니트릴의 이량화 반응으로 생성되는 이량체는 대부분 밀도가 1.0 g/cm3 수준인 1,4-디시아노부텐이므로, 상기 C4-10의 불포화탄화수소가 상기 밀도 범위를 만족할 때, 추출 단계에서 아크릴로니트릴 이량체와 상 분리가 원활히 일어날 수 있다.
상기 아민계 용매로는 특별한 제한은 없으나, 3차 아민이 바람직하며, 일례로, 상기 아민계 용매는 트리에틸아민(triethylamine) 및 트리옥틸아민(trioctylamine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 트리에틸아민 (trimethylamine), 또는 트리옥틸아민(trioctylamine) 등이 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는, 상기 아민계 용매는 트리에틸아민일 수 있다.
단계 2에서, 상기 아민계 용매의 사용량은 추출 대상인 반응 혼합물의 양에 따라 조절될 수 있다. 일례로, 단계 1에서 얻어진 반응 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 아민계 용매는 80 내지 150 중량부, 또는 90 내지 130 중량부, 또는 100 내지 120 중량부의 범위로 사용될 수 있다.
만일 아민계 용매의 사용량이 지나치게 적으면 인계 촉매가 충분히 추출되지 못하여 아크릴로니트릴 이량체 상에 촉매 성분이 잔류할 수 있고, 반대로 아민계 용매를 과도하게 사용할 경우 아크릴로니트릴 이량체가 함께 추출되거나, 아크릴로니트릴 이량체와 상 분리가 어려울 수 있으므로 상기 범위를 만족함이 바람직하다.
한편, 바람직하게는 상기 단계 2는 30 ℃ 이상 80 ℃ 이하에서 진행될 수 있다. 단계 2의 수행 온도가 30 ℃에 못 미치는 경우 타겟 물질의 추출 효율이 낮아지는 문제가 있고, 80 ℃를 초과하는 경우 추출 용매가 휘발되는 문제가 있다.
바람직하게는 상기 단계 2는 30 분 이하로 진행될 수 있다. 30 분 이상 추출이 진행될 경우 공정 효율이 감소할 가능성이 존재한다. 또한 상기 단계 2는 1 분 이상, 2분 이상, 또는 3분 이상으로 진행될 수 있다. 단계 2의 진행 시간이 1분 미만인 경우, 인계 촉매가 촉매 용매로 충분히 추출되지 않을 수 있다.
이에, 상기 온도 및 시간 범위 내에서 반응 아민계 용매를 충분히 혼합한 다음, 혼합물을 정치하여 상 분리시키고, 상층액과 하층액을 분리하여 추출을 완료한다.
이때, 상층액은 아민계 용매 및 인계 촉매를 포함하며, 하층액은 아크릴로니트릴 이량체를 포함한다.
하층액과 분리된 상층액은 아민계 용매를 제거하고 순수한 인계 촉매를 회수하기 위하여, 감압 증류 과정을 더 거칠 수 있다.
하층액, 즉, 아크릴로니트릴 이량체 상은 대부분 1,4-디시아노부텐(DCB)으로 이루어져 있으며, 메틸렌 글루타로니트릴(MGN)을 소량 포함할 수 있다. 이에, 상기 MGN을 제거하기 위하여 아크릴로니트릴 이량체 상을 추가적으로 정제하고 부분 수첨 반응을 거쳐, 헥사메틸렌디아민의 전구체인 아디포니트릴을 제조할 수 있다.
한편, 상기 단계 1에서 증류된 반응 용매, 양성자 주개 용매 및 미반응 아크릴로니트릴과, 단계 2에서 분리된 인계 촉매는 반응 용기로 회수되어 재사용될 수 있다. 이와 같이 반응의 용매 및 원료 물질을 재순환시킴으로써 제조 비용을 절감하고 공정 효율성을 높일 수 있다.
한편, 상기 단계 2는 아민계 용매의 첨가 전, 상기 아크릴로니트릴 이량체를 포함하는 반응 혼합물에서 저비점 물질을 제거하는 단계(단계 2A)를 더 포함할 수 있다. 상기 단계 2A에서 제거되는 저비점 물질은, 일례로, 반응 용매, 양성자 주개 용매 및/또는 미반응 아크릴로니트릴을 포함할 수 있다. 상기 단계 2A가 추가적으로 포함되는 경우, 반응 혼합물은 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매로 구성되어, 이후 진행되는 인계 촉매의 추출 효율이 보다 증가할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 보다 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예 및 비교예에서는 본 발명의 일 실시예인 추출 용매의 추출 효율을 확인하기 위하여, 촉매와 생성물만을 포함하는 임의의 반응 혼합물로 액체-액체 추출을 수행하였다.
실험예 1: 촉매의 분배계수 평가
추출 용매 및 아크릴로니트릴 이량체에 대한 인계 촉매의 분배 계수를 알아보기 위하여, 제1 정제 과정을 통해 반응 혼합물 중 탄화수소계 용매, 알코올 및 미반응 아크릴로니트릴은 제거된 상황을 가정하여 하기 실험을 수행하였다.
촉매인 이소프로필 디페닐포스피니트(isopropyl diphenylphosphinite, 0.634 g)와 생성물 아디포나이트릴(adiponitrile, 1.902 g)을 혼합하여 이소프로필 디페닐포스피니트 25 wt% 용액을 제조하였다. 제조된 용액에 추출 용매로 트리에틸아민(triethylamine) 2 ml를 투입하고 50 ℃로 가열 후 약 3 내지 5 분 간 교반한 뒤 층 분리가 일어날 때까지 기다렸다. 층이 분리되면 추출 용매 층인 상층액(Extractd)과 아디포나이트릴 층인 하층액(Raffinate)에서 각각 0.25 ml를 추출하여 GC(GC 2030, Shimadzu사)로 성분 분석을 하였다. 이때, 디텍터는 FID이며 350 ℃로 설정하였고, 컬럼은 HP-5MS를 사용하였으며 40 - 280 ℃로 설정하였다. Injection port의 온도는 260 ℃이고 이동상은 N2를 사용하였다.
비교 실험예 1
추출 용매로 헥세인(Hexane)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 층 분리를 진행하였다.
상기 실험예 1 및 비교 실험예 1에서 추출한 상층액과 하층액 각각을 Gas Chromatography(GC)로 성분 분석을 하여 각 층에 포함된 촉매의 분율을 50 ℃, 760 torr에서 확인하였다. 이 후, 하기 수학식 1에 따라 분배 계수를 계산하여 표 1에 나타내었다.
[수학식 1]
KAM/ADN = CAM/CADN
상기 수학식 1에서,
CAM는 아민계 용매 중의 인계 촉매의 질량 분율이고,
CADN는 아디포니트릴 중의 인계 촉매의 질량 분율이다.
추출 용매 상층액(Extracted)
촉매 질량 분율 (CAM)		 하층액(Raffinate)
촉매 질량 분율(CADN)		 분배 계수
실험예 1 트리에틸아민 0.2341 0.0804 2.9117
비교 실험예 1 헥세인 0.2033 0.0972 2.0916
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 통상적으로 사용되는 헥세인을 추출 용매로 사용한 비교예 1에 비하여, 트리에틸아민을 사용한 실시예 1의 촉매 분배 계수가 약 1.5 배 크다. 즉, 헥세인에 비하여 트리에틸아민에 인계 촉매가 더 잘 용해되어 트리에틸아민을 추출 용매로 사용하는 경우 인계 촉매의 추출 효율이 더 큰 것을 확인할 수 있다.
실시예 1
1 L의 반응기에 톨루엔 220 ml, 아크릴로니트릴 66 ml, 및 이소프로필알코올 22 ml을 투입하고, 에틸 디페닐포스피나이트(Ph2POEt)를 상기 아크릴로니트릴에 대하여 3 몰%로 투입하였다. 상기 혼합물을 60 ℃에서 3 시간동안 교반하며 반응시켰다.
반응이 종료된 후, 반응 혼합물을 온도 80 ℃, 압력 50 torr 하에서 증류하여, 톨루엔, 이소프로판올, 및 미반응 아크릴로니트릴을 반응 혼합물로부터 제거하였다.
그 다음, 반응 혼합물에 트리에틸아민을 27 ml 투입하고, 50 ℃에서 5 분간 교반하였다. 교반을 멈추고 상 분리가 일어나도록 정치한 다음, 상층액과 하층액을 분리하고 가스크로마토그래피(GC/FID, Shimadzu, FID: 350 ℃, Column: HP-5MS, 40-280 ℃, Injection port temperature: 260 ℃, 이동상: N2)를 이용하여 상층액과 하층액의 성분을 분석하였다.
분석 결과 하층액은 1,4-디시아노부텐(DCB) 79.76 중량%, 메틸렌 글루타로니트릴(MGN) 3.74 중량%, 에틸 디페닐포스피나이트 8.186 중량% 및 트리에틸아민 8.30 중량%를 포함하는 것으로 확인되었으며, 상층액은 트리에틸아민 73.17 중량%, 에틸 디페닐포스피나이트 24.38 중량%, 1,4-디시아노부텐(DCB) 2.331 중량%, 메틸렌 글루타로니트릴(MGN) 0.109 중량%를 포함하는 것으로 확인되었다.
비교예 1
1 L의 반응기에 톨루엔 220 ml, 아크릴로니트릴 66 ml, 및 이소프로필알코올 22 ml을 투입하고, 에틸 디페닐포스피나이트(Ph2POEt)를 상기 아크릴로니트릴에 대하여 3 몰%로 투입하였다. 상기 혼합물을 60 ℃에서 3 시간동안 교반하며 반응시켰다.
반응이 종료된 후, 반응 혼합물을 온도 80 ℃, 압력 50 torr 하에서 증류하여, 톨루엔, 이소프로판올, 및 미반응 아크릴로니트릴을 반응 혼합물로부터 제거하였다.
그 다음, 반응 혼합물에 n-헥세인을 27 ml 투입하고, 50 ℃에서 5 분간 교반하였다. 교반을 멈추고 상 분리가 일어나도록 정치한 다음, 상층액과 하층액을 분리하고 가스크로마토그래피(GC/FID, Shimadzu, FID: 350 ℃, Column: HP-5MS, 40-280 ℃, Injection port temperature: 260 ℃, 이동상: N2)를 이용하여 상층액과 하층액의 성분을 분석하였다.
분석 결과 하층액은 1,4-디시아노부텐(DCB) 83.9 중량%, 메틸렌 글루타로니트릴(MGN) 3.8 중량%, 에틸 디페닐포스피나이트 9.73 중량% 및 n-헥세인 2.48 중량%를 포함하는 것으로 확인되었으며, 상층액은 n-헥세인 78.71 중량%, 에틸 디페닐포스피나이트 20.39 중량%, 1,4-디시아노부텐(DCB) 0.8528 중량%, 메틸렌 글루타로니트릴(MGN) 0.039 중량%를 포함하는 것으로 확인되었다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따르면, 실시예 1의 촉매 분배 계수는 약 2.98이고, 비교예 1의 촉매 분배 계수는 약 2.09로, 아민계 용매를 추출 용매로 사용할 때 촉매가 상층액에 더 잘 분리되는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 반응 용매, 양성자 주개 용매 및 인계 촉매의 존재 하에서 아크릴로니트릴을 반응시켜 아크릴로니트릴 이량체를 제조하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1에서 제조된 아크릴로니트릴 이량체를 포함하는 반응 혼합물에 아민계 용매를 첨가하고 추출하여 아크릴로니트릴 이량체와 인계 촉매를 분리하는 단계(단계 2);를 포함하는,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 용매는 톨루엔, 사이클로헥세인, 1,2-디클로로에테인, 1,4-다이옥세인, 클로로벤젠 및 자일렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 용매는 톨루엔인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양성자 주개 용매는 이소프로필알코올(IPA), 부탄올, 벤질알코올 및 사이클로헥사놀로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양성자 주개 용매는 이소프로필알코올(IPA)인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인계 촉매는 탄소수 1 내지 10의 알킬 디페닐포스피니트인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인계 촉매는 이소프로필 디페닐포스피니트(isopropyl diphenylphosphinite), 또는 에틸 디페닐포스피니트(ethyl diphenylphosphinite)인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    50 ℃, 760 torr에서, 하기 수학식 1로 표시되는 인계 촉매의 아민계 용매-아디포니트릴 분배계수(KAM/ADN)는 2.5 이상인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법:
    [수학식 1]
    KAM/ADN = CAM/CADN
    상기 수학식 1에서,
    CAM는 아민계 용매 중의 인계 촉매의 질량 분율이고,
    CADN는 아디포니트릴 중의 인계 촉매의 질량 분율이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 아민계 용매는 트리에틸아민(triethylamine) 및 트리옥틸아민(trioctylamine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 아민계 용매는 트리에틸아민(triethylamine), 또는 트리옥틸아민(trioctylamine)인,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2는 30 ℃ 이상 80 ℃ 이하에서 진행되는,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2는 1 분 이상 30 분 이하로 진행되는,
    아크릴로니트릴 이량체의 제조 방법.
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