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문제 정의
- 본 연구에서는 포스겐을 사용하지 않고 이소시아네이트 제조의 중간체인 카바메이트를 메탄올과 일산화탄소를 산소에 의해 산화하여 친환경적으로 제조하는 연속반응시스템에 대한 연구를 수행하였다.
- 여러 반응단계 중에 본 반응에 가장 큰 영향을 주는 반응속도결정단계를 알기 위하여 회분식 고압반응기에서 반응온도에 대한 영향을 검토하였다.
- 그러나 회분식반응기 시스템은 촉매의 재사용 문제와 분리 및 회수가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 균일촉매를 불균일화하여 불균일화촉매를 개발하였으며 헤테로화된 촉매를 이용하여 충전층 연속흐름반응시스템에서 카바메이트의 제조를 시도하였다.
제안 방법
- MPC 연속합성시스템은 반응기, 액체 펌프, 정확한 압력제어를 위한 MFC 제어기와 압력제어를 위한 BPR로 구성하였다. 반응기는 스테인레스스틸튜브(길이 = 300 mm, 직경 = 3/8 인치)로 제조되었다.
- 95%)를 반응기에 주입하고, 반응기를 가열하였다. MPC 합성 반응을 5시간 동안 일정한 속도로 교반하며 진행하였다. 반응이 종료된 후 생성물을 막 필터로 여과한 후 HP-1 컬럼이 부착된 가스크로마토그라피(DS 6200, FID detector)로 분석하여 아닐린의 전환율, MPC의 수율과 선택도를 계산하였다.
- Pd/HY-zeolite 촉매를 사용하여 반응온도 433 K, 반응압력 4.0 Mpa의 조건에서 장기 안정성 테스트를 수행하였다. 연속반응시스템을 이용한 140시간의 연속운전에서 Fig.
- 그러나 90 oC 이상의 반응온도에서 DPU로 부터 MPC가 생성됨을 보여주었다. 반응단계를 두 단계로 나누어 첫 번째 단계인 아닐린으로부터 DPU 제조 단계, 그리고 두 번째 단계를 DPU로부터 MPC 제조 단계로 나누어 반응속도론적 연구를 수행하였다. 아닐린과 메탄올로부터 DPU와 MPC를 제조하는 산화 카르보닐화 반응에서 속도결정단계인 DPU에서 MPC반응에서 사용되는 메탄올과 산소는 반응 중에 과잉으로 존재함으로 식은 (8)과 같이 1차반응식으로 단순화 하여 나타낼 수 있다.
- MPC 합성 반응을 5시간 동안 일정한 속도로 교반하며 진행하였다. 반응이 종료된 후 생성물을 막 필터로 여과한 후 HP-1 컬럼이 부착된 가스크로마토그라피(DS 6200, FID detector)로 분석하여 아닐린의 전환율, MPC의 수율과 선택도를 계산하였다.
- 본 연구로부터 개발된 팔라듐이 담지된 불균일화 제올라이트 촉매를 이용하여 메탄올과 일산화탄소로부터 산화카르보닐화를 통하여 MPC를 합성하였다. 산성과 염기성이 다른 담지체 중에서 HY제올라이트가 가장 좋은 활성을 보였다.
- 본 연구에서는 식 (2)와 같이 아민과 메탄올의 산화 카르보닐화 반응에서 Palladium 촉매를 사용하여, 담지체와 조촉매의 영향을 검토하였으며, 반응온도, 반응압력 등을 조절하여 반응을 최적화하였다. 또한 반응속도론적 연구로부터 반응기 설계자료를 위한 기초자료를 확립하였다.
- 불균일화 HY 제올라이트에 담지된 파라듐 촉매가 충진된 반응기를 사용하여 연속반응운전을 수행하였다. 최적 조건인 4.
- MPC 합성 반응을 5시간 동안 일정한 속도로 교반하며 진행하였다. 반응이 종료된 후 생성물을 막 필터로 여과한 후 HP-1 컬럼이 부착된 가스크로마토그라피(DS 6200, FID detector)로 분석하여 아닐린의 전환율, MPC의 수율과 선택도를 계산하였다.
- 앞절에서 얻어진 최적의 촉매인 제오라이트 HY에 담지된 팔라듐 촉매를 이용하여 회분식 고압반응기에서 최적반응조건 및 반응속도론적 연구를 수행하였다. 아닐린과 메탄올의 산화 카르보닐화에 의해 카바메이트를 제조하는 것은 아래의 식과 같이 진행되는 것으로 알려져 있다.
- 여러 종류의 산, 염기의 물성을 갖는 담체로부터 제조된 촉매의 활성을 회분식 고압반응기에서 비교하였다.
- 2과 같은 충전층 연속흐름반응기시스템에 의해 검토되었다. 연속반응기내의 촉매층에 촉매를 고정하고 반응물을 정량펌프를 이용해 연속반응을 수행하였으며, 일산화탄소와 산소의 유량을 MFC(Mass Flow Controller)로 제어하고, BPR (Back Pressure Regulator)을 통해 압력을 조절하였다. 이후 온도를 증가시켜 반응을 진행하였다.
- 연속반응기내의 촉매층에 촉매를 고정하고 반응물을 정량펌프를 이용해 연속반응을 수행하였으며, 일산화탄소와 산소의 유량을 MFC(Mass Flow Controller)로 제어하고, BPR (Back Pressure Regulator)을 통해 압력을 조절하였다. 이후 온도를 증가시켜 반응을 진행하였다.
- 산화 카르보닐화를 이용하여 카바메이트를 합성하는 연구에서는 조촉매의 영향을 크게 받았으며 알칼리 할라이드가 우수한 활성을 나타내는 것으로 보고되어있다[12,13]. 조촉매로 우수한 활성을 보이는 sodium iodide를 사용하여 촉매인 팔라듐에 대한 조촉매의 영향을 검토하였다.
- 촉매는 PdCl2 (Aldrich, 99.9%)를 증류수에 소량의 염산을 사용하여 용해시킨 뒤 담체로 HY-zeolite, SiO2, Al2O3를 사용하여 80~100 oC의 수용액상에서 교반시켜 함침법으로 제조하였다. 이 후 100 oC에서 24시간동안 항온조에서 건조시킨 뒤 550 oC에서 2시간동안 소성하였다.
- 최적화된 반응압력 4.0 Mpa의 조건에서 반응물의 공간시간에 따른 영향을 검토하였다. Fig.
- 카바메이트제조에서 여러 종류의 금속촉매 중가장 우수한 활성을 보이는 PdCl2를 담지체를 사용하여 불균일화를 시도하였다. 여러 종류의 산, 염기의 물성을 갖는 담체로부터 제조된 촉매의 활성을 회분식 고압반응기에서 비교하였다.
- 회분식반응시스템에서 얻어진 불균일화 촉매인 Pd/zeoliteHY와 조촉매로 NaI를 사용하여 연속운전부터 최적조건을 확립하였다. 적절한 반응압력을 결정하기위해 일산화탄소 압력을 검토한 결과 Fig.
대상 데이터
- 1 g의 촉매를 반응기 내부에 채워 넣고, 상단과 하단에 세라믹울을 넣어 촉매를 고정하였다. 3.73 wt% 아닐린(C6H5NH2, Junsei Chemicals, 99%) 및 0.012 wt% 요오드화 나트륨(Sodium iodide Aldrich, 99.9%)를 무수 메탄올(CH3OH, SK Chemicals, 99.95%)에 용해한 반응물을 3 mL/h 의 유량으로 주입하였다. 일산화탄소(99.
- 95%)에 용해한 반응물을 3 mL/h 의 유량으로 주입하였다. 일산화탄소(99.95%) 및 산소(99.99%)는 각각 20 mL/min 및 5 mL/min 로 MFC를 통하여 제어하였고, 전체압력을 유지하기 위해 BPR을 사용하였다. 반응기의 온도는 PID 제어기로 제어하였으며, 온도는 433 K로 유지시켰다.
- 1과 같은 회분식 고압반응시스템에서 비교되었다. 제조된 촉매, 무수 메탄올(CH3OH, SK Chemicals, 99.95%), 아닐린(C6H5NH2, Junsei Chemicals, 99%), 요오드화 나트륨(Sodium iodide Aldrich, 99.9%)을 고압반응기(sus, 100cm3)에 주입한 후 산소(99.99%)를 2~3회 주입하여 산소분위기로 전환한 후 산소(99.99%) 와 CO(99.95%)를 반응기에 주입하고, 반응기를 가열하였다. MPC 합성 반응을 5시간 동안 일정한 속도로 교반하며 진행하였다.
성능/효과
- 아닐린과 메탄올의 산화카르보닐화에 의한 카바메이트 생성은 Table 1에 나타낸 바와 같이 담지체의 성질에 크게 의존하였다. HY-Zeolite는 다른 촉매들 보다 20~30%의 높은 수율을 보였으며 사용된 촉매들은 99%이상의 전환율을 나타내었다.
- 이 결과는 DPU가 MPC로 전환되면서 아닐린으로 분해되면서 나타나는 것으로 사료되며 반응중에 DPU에 의한 반응기 내부 blockage 는 DPU의 분자화로 인한 문제는 발생하지 않았다. 또한 CO에 의한 촉매 피독작용도 나타나지 않는 것을 본 연구의 장기 활성 실험으로 확인 할 수 있었다.
- 산성과 염기성이 다른 담지체 중에서 HY제올라이트가 가장 좋은 활성을 보였다. 또한 반응속도론적 연구를 통하여 반응속도결정단계가 디페닐우레아로부터 MPC의 합성과정임을 확인하였으며 팔라듐 촉매에 대한 조촉매인 sodium iodine의 비율은 산화카르보닐화 반응에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구로부터 개발된 팔라듐이 담지된 불균일화 제올라이트 촉매를 이용하여 메탄올과 일산화탄소로부터 산화카르보닐화를 통하여 MPC를 합성하였다. 산성과 염기성이 다른 담지체 중에서 HY제올라이트가 가장 좋은 활성을 보였다. 또한 반응속도론적 연구를 통하여 반응속도결정단계가 디페닐우레아로부터 MPC의 합성과정임을 확인하였으며 팔라듐 촉매에 대한 조촉매인 sodium iodine의 비율은 산화카르보닐화 반응에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
- 0 Mpa의 조건에서 장기 안정성 테스트를 수행하였다. 연속반응시스템을 이용한 140시간의 연속운전에서 Fig. 13과 같이 시간이 점차 증가할수록 아닐린의 전환율이 감소하고 MPC의 선택성이 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 이 결과는 DPU가 MPC로 전환되면서 아닐린으로 분해되면서 나타나는 것으로 사료되며 반응중에 DPU에 의한 반응기 내부 blockage 는 DPU의 분자화로 인한 문제는 발생하지 않았다.
- 9에서 보는 바와 같이 NaI의 양은 촉매의 활성에 큰 영향을 주었으며, NaI가 없는 경우 산화 카르보닐화는 진행되지 않았다. 이 결과로부터 I- 이온은 Pd의 활성을 촉진시켜 CO 흡착에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
- 회분식반응시스템에서 얻어진 불균일화 촉매인 Pd/zeoliteHY와 조촉매로 NaI를 사용하여 연속운전부터 최적조건을 확립하였다. 적절한 반응압력을 결정하기위해 일산화탄소 압력을 검토한 결과 Fig. 10과 같이 아닐린의 전환율은 압력이 증가함에 따라 점차적으로 감소하였는데 이는 고압으로 갈수록 중간체 DPU와 메탄올의 반응으로 MPC의 선택성이 더 높아지면서 MPC가 한분자가 생성될 때 아닐린 또한 한분자가 생성되면서 나타나는 결과로 사료된다.
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