방향족 화합물의 니트로화 반응에 있어서 현재 산업적으로 쓰이는 진한 질산-진한 황산의 혼산 공정은 막대한 양의 폐산 발생으로 인한 폐수 문제와 강산 조건으로 인해 작업 과정에 문제가 많다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 혼산을 사용하지 않고 톨루엔을 니트로화 시키는 연구를 실시하였다. 이산화질소와 오존을 함께 사용하였으며, 산촉매로 진한 질산을 첨가할 경우 반응성이 증대될 뿐만 아니라, 이산화질소의 양으로 니트로화 정도를 조절할 수 있었다. 얼음 중탕에서 6당량의 이산화질소를 톨루엔과 함께 넣고 2당량/시의 유속으로 오존을 불어넣을 경우 2시간 내에 92 mole% 이상까지 디니트로화 반응을 진행시킬 수 있었다. 모노니트로화 반응의 경우 3당량의 진한 질산과 3당량의 이산화질소를 넣고, 1.5당량/시의 유속으로 오존을 불어넣을 경우 30분만에 반응이 완결되었다. 이 방법은 방향족 화합물의 니트로화 반응에서 심각한 환경문제를 야기하는 기존의 혼산 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
니트로클로로벤젠 유도체는 염료, 의약품, 향료 등의 중간체로 쓰인다. 가장 널리 쓰이는 니트로화 반응공정은 질산과 황산의 혼합산을 사용한다. 혼산공정에서는 반응중 생성된 물 때문에 묽은 황산이 주성분인 폐산을 처리해야 한다. 이산화질소와 오존을 함께 사용하여 니트로화 반응을 진행시킬 수 있다. 6당량의 이산화질소, 1.0당량/hr의 오존유속, 반응온도 $0^{\circ}C$에서 클로로벤젠의 모노니트로화 반응은 3시간만에 완결되나, 디니트로화 반응은 12시간 소요된다. 일부 방향족 화합물의 니트로화 공정에서 이 방법은 질산-황산을 사용하지 않으므로 환경문제를 야기한 기존방법을 대체할 수 있을 것이다.
기존의 혼산 공정으로 방향족 니트로 화합물을 얻는 방법은 묽은 황산이 주성분인 폐산을 처리해야 한다. 폐황산이 발생하지 않는 질산, 이산화질소와 오존을 사용하는 새로운 니트로화 공정을 3 mol 규모로 시험하였다. 디클로로에탄, p-니트로톨루엔 3 mol과 질산 6 mol의 혼합용액에 이산화질소 14.3 mol을 3번에 나누어 투입하고 오존을 0.871 mol/h의 유속으로 주입시키면 5.5시간만에 97% 이상의 전환율을 보였다. 이 방법은 일부 방향족 화합물의 니트로화 반응에서 기존의 혼산 공정을 대체할 수 있을 것이다.
전자끌게 치환기를 함유하고 있는 몇 가지 대표적인 biphenyl 유도체의 니트로화 반응 생성물의 이성질체 비율을 조사하였다. 이성질체를 분리하여 각각의 $^1H$ NMR을 얻고 이를 근거로 반응 후 생성되는 혼합물의 $^1H$ NMR을 정량적으로 분석함으로서 이성질체의 생성비율을 결정하는 효율적인 방법을 확립하였다. 분리가 어려운 니트로 화합물의 경우 니트로를 아민으로 환원하고, 카르복실기는 에틸 에스테르로 전환하여 분리할 수 있었다. 이성질체의 생성비율을 향상시키기 위하여 몇 가지 대표적인 반응조건에서 니트로화 반응을 수행하였으며 확립된 방법을 이용하여 각 이성질체의 비율을 정확히 결정할 수 있었다. 반응 조건에 따라 또는 치환기의 위치 및 종류에 따라 위치 선택성이 상당히 다른 결과를 보였다.
부타디엔의 고분자반응 또는 운반 및 보관과정에서 이량화되어 생성되는 4-비닐시클로헥센(VCH)을 이용하여 방향족 니트로화합물을 Pd/C 촉매하에서 촉매 전달 수소화반응시켜 높은 수율의 아닐린유도체로 합성하였다. 니트로벤젠고리에 치환기가 치환된 오르토-니트로톨루엔, 오르토-니트로페놀, 오르토-니트로아니졸의 경우는 파라-니트로톨루엔, 파라-니트로페놀, 파라-니트로아니졸의 반응보다 반응 소요시간이 길었다. 4-비닐시클로헥센-에탄올-Pd/C계에서 오르토, 메타, 파라-클로로니트로벤젠, 파라-니트로벤즈알데히드, 파라-니트로벤질알코올, 파라-니트로벤질 아세테이트 등의 화합물에서는 환원반응뿐만 아니라 가수소 분해반응도 진행되어 파라-톨루이딘이 생성되었다.
니트로 알코올은 브로모 알코올의 치환반응으로 얻었다. 두번째 니트로 원자단은 사슬 길이에 따라 다른 방법으로 도입했다. 3,3-dinitro-1-propanol은 분자내 염기성 니트로화 반응으로 형성되면 5,5-dinitro-1-pentanol은 산화촉매 니트로화 반응으로 얻었다. 3,3-dinitro-1,6-hexanediol과 4,4-dinitro-1,8-octanediol은 3,3-dinitro-1-propanol과 5,5-dinitro-1-pentanol에 acrolein을 가해 Michael 반응으로 알데히드를 얻고 환원하여 합성했다. 치환반응시 알코올 보호기는 아세틸기가 좋으며 산화촉매 니트로 반응에서는 THP 원자단이 좋은 보호기이다.
니트릴, 니트로 및 할로겐과 같은 작용기 하나를 가지는 유기화합물과 이들의 작용기 하나와 더불어 카르보닐기를 가지는 10개 유기화합물의 에테르용액을 실온에서 알칼리성 수소화붕소나트륨용액에 작용시키는 2액상환원의 대략적인 반응속도와 화학량적 관계를 알아보았다. 니트릴, 니트로 및 할로겐은 2액상환원 조건하에서는 모두 반응하지 않았다. 따라서 이들 작용기 하나와 카르보닐기를 함께 가지고 있는 화합물들의 선택환원을 알아보았다. m-니트로벤즈알데히드, m-니트로아세트페논, p-시아노벤즈알데히드는 해당 알코올로 잘 환원되었으며 95∼100% 수득률을 얻었다.
본 논문은 DNAM(Dinitroammeline)합성공정 개발을 위한 Lab scale 합성 과정을 소개하고 분석결과를 기록한 것으로 주요 내용은 다음과 같다 Melamine을 출발물질로 하여 니트로화와 산화 반응을 통해 DNAM을 합성하였다. 수율과 순도의 최적 조건을 찾기 위해 투입순서, 반응시간, 반응물 당량 등을 변경하여 실험을 수행하였다. DNAM 합성의 최적화된 조건은 3시간에서 3시간 30분 정도 반응시간이고, 니트로화 혼합물의 무게비는 1:1.4(아세트산 무수물:농질산)이며, 최종 수율은 60% 이상이다.
니트로벤젠 및 1,2,4-트리클로로벤젠에서의 n-브롬화프로필의 溶解度를 19, 25, 40^{\circ}C$에서 브롬화갈륨이 있을 때와 없을 때에 각각 측정하여 보았다. 브롬화갈륨이 존재하지 않을때에 니트로벤젠에서의 n-브롬화프로필의 溶解度가 1,2,4-트리클로로벤젠에서보다 더 큰 점은 n-브롬화프로필과 니트로벤젠과의 상호작용이 1,2,4-트리클로로벤젠보다 더 강하다는 것을 나타낸다. 브롬화갈륨이 존재할 때에는 溶液內에서 n-브롬화프로필과 브롬화갈륨의 1:1 complex, $n-C_3H_7Br\cdotGaBr_3$가 형성된다. 이 complex의 instability constant K를 계산하였다. $$n-C_3H_7Br\cdotGaBr_3 \rightleftarrows n-C_3H_7Br + \frac{1}{2Ga_2Br_6 }$$또한 이 complex의 解離에 대한 엔탈피, 자유에너지 및 엔트로피도 산출하였다. 브롬화갈륨과 브롬화알킨간의 complex의 안정도는 이들 알킬이온의 안정도와 상대적인 관계가 있다고 본다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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