KR101135088B1 - 1,3-프로펜설톤의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 i) 알릴설포닐 할라이드를 1,3-디할로-히단토인 화합물 및 물과 반응시켜, 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 단계;

ii) 상기 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 고리화시켜, 2-할로-1,3-프로판설톤을 형성하는 단계; 및

iii) 상기 2-할로-1,3-프로판설톤을 탈할로겐화시키는 단계;

를 포함하는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법에 관한 것이다.

Description

1,3-프로펜설톤의 제조방법 {Process for preparing 1,3-propenesultone}

본 발명은 1,3-프로펜설톤(1,3-propenesultone)의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 i) 알릴설포닐 할라이드를 1,3-디할로-히단토인 화합물 및 물과 반응시켜, 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 단계; ii) 상기 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 고리화시켜, 2-할로-1,3-프로판설톤을 형성하는 단계; 및 iii) 상기 2-할로-1,3-프로판설톤을 탈할로겐화시키는 단계;를 포함하는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법에 관한 것이다.

1,3-프로펜설톤은 일반적으로 하기 화학식 1로 표시는 화합물로서, 의약품의 중간체, 리튬이온 이차전지의 전해액용 첨가제 등으로 사용되는 공지된 화합물이다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, R¹, R², 및 R³는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 C₁~C₁₂의 알킬기, 또는 할로겐이 치환된 C₁~C₁₂의 알킬기이다.

Chem. Commun. 1997, 611 및 Tetrahedron, 1999, 2245 (W. H. Lee 등)에는 1,3-프로펜설톤을 allyl bromide 화합물로부터 설폰화 반응, 브롬화 반응, 그리고 고리화 반응을 통해 2-bromo-1,3-propanesultone을 합성하고, 이로부터 1,3-프로펜설톤을 합성하는 방법이 제시되어 있다.

상기 방법에 의하면, 1,3-프로펜설톤을 합성하기 위해서는 중간 물질 2,3-dibromosulfonic acid를 합성하고 이를 고리화 반응시켜 2-bromo-1,3-propanesultone을 생성해야 한다. 이 반응 단계에서는 2 mmHg 이하의 감압에서 130℃ 이상의 온도가 필요하나, 이 조건에서 2,3-dibromosulfonic acid 및 생성물인 2-bromo-1,3-propanesultone은 분해 반응이 함께 나타나서 수율의 저하가 심하게 된다. 특히, 반응물의 양이 증가함에 따라 장시간 가열 조건이 심화되어 sulfonester 형태로 연결된 올리고머 및 고분자 물질이 함께 생성되는 것으로 보이며, 이로부터 원하는 생성물인 2-bromo-1,3-propanesultone의 감압 증류 분리는 더욱 어려워지는 경향을 보인다. 따라서 이 방법을 공업적으로 이용하기에 어려운 문제점이 있다.

또한, Synlett, 2002, 2019 (Peter Metz 등)에는 vinyl 중간체로부터 ring closing metathesis를 이용하는 합성법이 제시되어 있으나, vinyl 중간체의 합성 자체가 매우 용이하지 않을 뿐만 아니라, 사용되는 촉매도 고가여서 공업적으로 이용하기 어렵다.

따라서, 온화한(mild) 반응 조건과 간단한 공정을 통해 1,3-프로펜설톤을 공업적으로 용이하게 제조할 수 있는 새로운 방법이 요구된다.

본 발명은 온화한(mild) 반응 조건과 간단한 합성 공정을 통해 1,3-프로펜설톤을 공업적으로 이용 가능한 수율로 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 i) 알릴설포닐 할라이드를 1,3-디할로-히단토인 화합물 및 물과 반응시켜, 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 단계;

ii) 상기 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 고리화시켜, 2-할로-1,3-프로판설톤을 형성하는 단계; 및

iii) 상기 2-할로-1,3-프로판설톤을 탈할로겐화시키는 단계;

를 포함하는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 1,3-프로펜설톤의 제조방법은 온화한(mild) 반응 조건과 간단한 합성 공정을 통해, 1,3-프로펜설톤을 공업적으로 이용 가능한 수율로 용이하게 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 1,3-프로펜설톤의 제조방법은 하기 반응식 1로 표현될 수 있다.

[반응식 1]

상기 i)단계는 알릴설포닐 할라이드(하기 화학식 2)를 1,3-디할로-히단토인 화합물(하기 화학식 3) 및 물과 반응시켜, 2-할로-3히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 단계이다.

[화학식 2]

[화학식 3]

상기 화학식 2 및 3에서, X¹ 및 X²는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 및 I로 이 루어진 군에서 선택된 원소이며, R⁴ 및 R⁵는 각각 독립적으로 수소, 또는 C₁~C₆의 알킬기이다.

상기 i)단계는 하기 반응식 2과 같이, 알릴설포닐 할라이드를 할로겐화시켜 1,3-디할로-히단토인 화합물에 의해 2-할로-3-히단토이닐프로판설포닐 할라이드를 형성하는 반응; 및 상기 2-할로-3-히단토이닐프로판설포닐 할라이드와 물의 친핵 치환을 통해 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 반응으로 이루어지는 것으로 추정되며, 이때 반응 부산물로 1-할로-히단토인이 생성된다.

[반응식 2]

상기 i)단계에 사용되는 알릴설포닐 할라이드는 특별히 제한되지 않으며, 알릴설포네이트 염을 할로겐화시켜 제조될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 저가의 알릴설포네이트 염을 고비점 용매하에서 POCl₃ 로 할로겐화시켜 상기 i)단계의 알릴설포닐 할라이드를 준비함으로써, 경제성을 높이는 것이 바람직하다.

J. Am. Chem. Soc. 1963. 3231에 개시된 알릴설포닐 할라이드 제조 방법에 따르면, 1:2의 당량비의 소듐 알릴설포네이트와 POCl₃을 120℃에서 4시간 동안 반응 시켜 알릴설포닐 할라이드를 제조하는데, 이 경우 용매를 사용하지 않아, 교반이 어렵고, 반응 종결 후 잔존하는 POCl₃ 양이 많아 제거(quenching) 시 안전성에 문제가 있어 상업 생산에 적합하지 않았다. 본 발명에서는 저가의 알릴설포네이트 염과 할로겐화제를 고비점 용매하에서 반응시킴으로써, 반응 속도를 높일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 할로겐화제(POCl₃)를 알릴설포네이트 염(소듐 알릴설포네이트) 대비 1.0 당량 ~ 1.2 당량만 사용하고도, 90 ℃온도에서 2 시간만에 반응이 완결되었을 뿐 아니라, 반응 수율도 종래 60 %에서 75 %로 증가된 결과를 보였다. 또한 반응 종결 후 잔존하는 POCl₃ 양이 적어 POCl₃ 제거(quenching) 시 안전성 문제도 해결할 수 있었다.

본 발명에 따라 알릴설포닐 할라이드 제조시, 사용되는 고비점 용매는 비점이 80℃ 내지 120 ℃의 용매인 것이 바람직하다. 비점이 80 ℃ 이하인 용매를 사용하는 경우 반응 속도가 느려지고, 비점이 120℃ 이상인 용매를 사용하는 경우 반응 중 POCl₃가 증발해 공기중의 수분과 반응하여 폭발할 위험이 있다. 상기 용매의 비제한적인 예로 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 아세토니트릴(acetonitile), N,N-디메틸 포름아미드(N,N-dimethyl formamide), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane) 등이 있으며, 이들 용매는 단독 또는 2 종이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 용매는 알릴설포네이트 염 대비 2 당량 내지 5 당량 정도 사용하는 것이 바람직하다. 2 당량 이하로 사용시 교반이 용이하지 않게 되고, 5 당량 이상 사용시 반응속도가 느려지며 반응 종결 후 용매를 제거하기 어렵다.

한편, 상기 i)단계에서, 1,3-디할로-히단토인 화합물은 알릴설포닐 할라이드 1 당량 대비 1 ~ 1.1의 당량비로 사용되는 것이 바람직하고, 물은 용매로 사용될 수도 있다.

상기 i)단계는 당업계의 통상적인 용매 하에서 수행될 수 있으며, 이러한 용매의 비제한적인 예로는 물, 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran, THF), 디에틸 에테르(diethyl ether), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene) 아세토니트릴(acetonitile), N,N-디메틸 포름아미드(N,N-dimethyl formamide), 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane), 디이소프로필 에테르(diisopropyl ether)가 있다. 이들은 단독 또는 2종이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이의 일례로 물: 디에틸 에테르 = 1:1의 혼합 용매가 사용될 수 있다.

한편, ii)단계는 상기 i)단계의 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 고리화시켜, 2-할로-1,3-프로판설톤을 형성하는 단계로서, 반응 부산물로 할로겐화 수소가 생성된다.

상기 i)단계와 ii)단계는 연속적으로 진행될 수 있다. 특히, 본 발명의 i)단계와 ii)단계에서 반응 부산물로 형성된 1-할로-히다토인과 할로겐화 수소는 함께 염을 형성하여, ii)단계의 고리화 반응을 촉진시킬 수 있다 (하기 반응식 3 참조).

[반응식 3]

상기 i)단계 및 ii)단계의 반응 진행 여부는 가스 크로마토그래피(GC)로 확인할 수 있으나, 더 간편하게 육안으로 색 변화를 관찰함으로써 확인할 수도 있다. 일례로, 반응 용매로 디에틸 에테르(diethyl ether)와 물(H₂O)을 사용할 경우, i)단계의 반응 물질 1,3-할로-히단토인 화합물은 용매에 녹지 않는다. 그러나, 반응 개시 후, 반응 중간체인 2-할로-3-히단토이닐프로판설포닐 할라이드가 디에틸 에테르에 용해되면서, 디에틸 에테르 층은 짙은 적갈색을 띠게 된다. 또한, 반응이 진행되면서, 디에틸 에테르 층의 적갈색은 점점 옅어지게 되고, 반응 종결 기점에는 이러한 색이 완전히 사라져 무색을 띠게 된다. 본 발명의 실험에 따르면, 상기 i)단계 및 ii)단계 연속 반응의 종결 시점은 상온(25℃)에서 반응 개시 후 4 ~ 5시간 정도이다.

한편, 상기 iii)단계는 상기 ii)단계의 2-할로-1,3-프로판설톤을 탈할로겐화시켜 최종 목적물인 1,3-프로펜설톤을 형성하는 단계로서, 염기(base)를 이용한 할로겐화 수소 제거 (dehydrohalogenation) 반응이 적용될 수 있다.

상기에서 사용 가능한 염기(base)는 특별히 제한되지 않으며, 이의 비제한적 인 예로는 NaOH 수용액, NaHCO₃ 수용액, Na₂CO₃ 수용액, KOH 수용액, KHCO₃ 수용액 등이 있다. 이때, 상기 염기성 수용액은 농도가 0.1N 내지 2.0N인 것이 바람직하다. 0.1N 이하의 염기성 수용액 사용시, 할로겐화 수소 제거 반응이 완전히 진행되지 않을 수 있고, 2.0N 이상의 염기성 수용액 사용시, 1,3-프로펜설톤의 고리 열림 반응(ring opening reaction)이 진행되면서 분해될 수 있다. .

또한, 상기 염기로는 NR⁶R⁷R⁸ (이때, R⁶ 내지 R⁸는 각각 독립적으로 탄소수 1~12의 지방족 탄화수소, 또는 H)과 같은 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민 및 피리딘(pyridine) 등의 유기 염기도 사용될 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 2차 아민의 일예로는 디이소프로필아민(diisopropylamine)이 있고, 3차 아민의 일예로는 트리에틸아민(triethylamine)이 있다.

상기 iii)단계는 20℃ ~ 30℃에서 진행될 수 있으나, 반응물의 양이 증가될 경우에는 적절한 냉각 장치를 사용하여 상온(25℃) 이하를 유지하는 것이 바람직하다. 상온 이상의 온도에서는 부반응으로서 염기와 sulfonyl기와의 반응에 의한 고리 열림 반응이 진행될 수 있다.

상기 iii)단계의 용매로는 방향족 화합물, 에테르, 에스테르 등이 사용될 수 있다. 방향족 화합물의 비제한적인 예로는 벤젠, 톨루엔 등이 있고, 에테르의 예로는 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란(THF) 등이 있고, 에스테르의 예로는 에틸 아세테이트, 디메틸 카보네이트 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하 여 사용할 수 있다.

상기 iii)단계는 용매에 용해된 2-할로-1,3-프로판설톤에 염기를 적가하는 것에 의해 수행될 수 있으며, 이는 2-할로-1,3-프로판설톤의 세척 단계를 대체하여 수행될 수도 있다.

상기 iii)단계의 반응 진행 여부는 가스 크로마토그래피(GC)로 확인할 수 있는데, 본 발명의 실험에 따르면, 2-할로-1,3-프로판설톤에 염기를 적가하는 즉시 반응이 수행되며, 반응 종결 시점은 상온(25℃)에서 반응 개시 후 1시간 정도이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

실시예 1-1: 알릴설포닐 클로라이드의 제조

교반기 및 콘덴서가 장치된 3L 반응기에 소듐 알릴설포네이트 400 g(2.78 mol), 톨루엔 760 g(8.26 mol), 및 POCl₃ 460 g(3.0 mol)을 넣고 상온에서 교반하면서, 90 ℃까지 온도를 서서히 올리고 90 ℃ 에서 2 시간 동안 교반하였다. 상온으로 식힌 후, 차가운 물(iced water) 0.5L 를 반응기에 가하여 잔존하는 POCl₃ 를 제 거(quench)하였다. 클로로포름(CHCl₃)으로 유기층을 추출하고 무수 MgSO₄로 수분을 제거한 후, 여과하고 여과액을 감압, 농축하였다. 얻어진 crude 화합물을 3 mmHg, 70 ℃조건에서 증류하여 무색 액체 화합물 292 g을 얻었다(75% 수율).

NMR 및 Mass Spectroscopy를 통해, 상기 무색 액체 화합물이 알릴설포닐 클로라이드임을 확인하였다.

¹H NMR (400MHz, CDCl₃): δ 5.99 (m, 1H), 5.68 (t, J = 13.5 Hz, 2H), 4.33 (d, J = 9.0 Hz, 2H).

¹³C NMR (100MHz, CDCl₃): δ 125.3, 117.2, 71.7.

MS (EI, 70eV) m/z (140, 105, 89, 73, 41, 27).

실시예 2: 1,3-프로펜설톤의 제조

교반기 및 콘덴서가 장치된 2L 반응기에, 상기 실시예 1-1에서 제조된 알릴설포닐 클로라이드 100 g(0.71 mol), 1,3-디브로모-5,5-디메틸히단토인 203 g(0.71 mol), 디에틸 에테르 0.5L, 및 물 0.5L를 각각 넣고 상온(25 ℃)에서 교반하였다. 5시간 교반 후 에틸 아세테이트 0.5L를 가한 후 유기층을 분리하였다. 분리한 유기층을 1.0N NaOH 0.5L로 세척하고, 무수 MgSO₄로 수분을 제거한 후, 여과하고 여과액 을 감압, 농축하여 흰색 고체 화합물 99.9 g을 얻었다(70% 수율). 가스 크로라토그래피로 순도를 확인한 결과 97% 순도를 보였다. 흰색 고체 화합물을 클로로포름에 녹인 후, 4 ℃ 조건에서 재결정을 하여 얻은 흰색 결정의 순도는 99.8% 였다.

NMR 및 Mass Spectroscopy를 통해, 상기 흰색 고체 화합물이 1,3-프로펜설톤임을 확인하였다.

¹H NMR (400MHz, DMSO-d₆): δ 7.45~7.43 (m, 1H), 7.40~7.38 (m, 1H), 5.25~5.24 (t, 2H).

¹³C NMR (100MHz, DMSO-d₆): δ 139.6, 123.2, 73.5.

MS (EI, 70eV) m/z (120, 101, 91, 86, 66, 58, 48, 39, 29, 27).

Claims (11)

1. i) 알릴설포닐 할라이드를 1,3-디할로-히단토인 화합물 및 물과 반응시켜, 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 형성하는 단계;

   ii) 상기 2-할로-3-히드록시프로판설포닐 할라이드를 고리화시켜, 2-할로-1,3-프로판설톤을 형성하는 단계; 및

   iii) 상기 2-할로-1,3-프로판설톤을 탈할로겐화시키는 단계;

   를 포함하는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 i)단계 및 ii)단계는 연속적으로 진행되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 알릴설포닐 할라이드: 1,3-디브로모-히단토인 화합물은 1:1 ~ 1: 1.1의 당량비로 사용되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 알릴설포닐 할라이드는 알릴설포네이트 염을 할로겐화시켜 제조되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 알릴설포닐 할라이드는 알릴설포네이트 염: 할로겐화제를 1:1 ~1:1.2 당량비로 반응시켜 제조되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조 방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 알릴설포닐 할라이드는 비점이 80℃ ~120℃인 용매 하에서 알릴설포네이트 염을 할로겐화시켜 제조되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 용매는 톨루엔, 벤젠, 클로로벤젠, 아세토니트릴, N,N-디메틸 포름아미드 및 1,2-디클로로에탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 iii)단계는 염기를 사용하여 진행되는 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 염기는 NaOH 수용액, NaHCO₃ 수용액, Na₂CO₃ 수용액, KOH 수용액, 및 KHCO₃ 수용액으로 이루어진 군에서 선택된 염기성 수용액인 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 염기성 수용액은 농도가 0.1N 내지 2.0N 인 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서, 상기 염기는 NR⁶R⁷R⁸ (R⁶ 내지 R⁸는 각각 독립적으로 탄소수 1~12의 지방족 탄화수소 또는 H) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 군에서 선택된 것이 특징인 1,3-프로펜설톤의 제조방법.