바이오매스로부터 테트라히드로퓨란 고수율 합성법의 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-01

~ 이산화탄소 배출삭감에 공헌 ~ 도호쿠대학 대학원 공학연구과 연구팀은 주식회사 다이셀과의 공동연구에 의해 당의 발효와 탄수에 의해 얻어진 1,4-anhydroerythritol로부터 용매 등으로 폭넓게 이용되는 테트라히드로퓨란(THF)을 고효율로 합성하는 촉매반응계의 개발에 성공하였다. 이 기술은 종래 석유 유래의 C4화학품 제조를 대체하고, 이산화탄소 배출삭감에 공헌한다. 또한 최근 셰일가스 혁명에 따른 석유 유래의 C4제품 공급의 감소를 보충할 수 있을 것으로 기대된다. 석유의 고갈과 이산화탄소 배출 삭감의 관점에서 현재 석유로부터 제조되고 있는 화성품을 바이오매스 등 재생가능 자원으로부터 제조하는 방법의 개발이 주목을 받고 있다. 또한 최근 셰일가스 혁명에 의해 석유 유래의 나프타를 원료로 하는 석유화학은 경쟁력이 저하되고 있으며, 특히 부타디엔, 1,4-부타디올, 테트라히드로퓨란 등 C4 화합물은 석유원료로부터의 대체가 급선무이다. 한편 에리스리톨(erythritol)은 현재 당의 발효에 의해 제조되며, 주로 감미료로서 이용되고 있는 C4의 당 알코올이다. 또한 장래 발효의 원료 및 방법 개발에 의해 대규모화 및 저비용화도 예상된다. 에리스리톨은 산촉매를 이용하여 탈수함으로써 높은 효율로 1,4-anhydroerythritol로 변환할 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나 에리스리톨 및 1,4-anhydroerythritol은 그 이상의 선택적인 화학변환이 어려워 화학공업 원료로서는 거의 고려되지 않았다. 이번에 개발한 반응계에서는 주요 활성금속인 레늄(rhenium)에 조촉매인 팔라듐을 첨가하여 산화세륨에 담지시킨 촉매를 이용한다. 1,4-anhydroerythritol의 1,4-다이옥세인 용액에 촉매를 가하고, 수십 기압의 수소로 가압하여 140~180도로 가온상태로 반응을 수행함으로써 99% 이상의 수율로 테트라히드로퓨란을 얻었다. 종래 알려진 균일계 레늄 촉매로는 수소 이외의 고가의 환원제를 이용하며, 반응속도 및 촉매회전수가 최대 본 반응계와 비교하여 충분하지 않았다. 본 반응계에서 이용하는 촉매는 활성이 우수하며, 고체이기 때문에 여과하여 간단하게 회수할 수 있다. 또한 미량의 부착 유기물을 소성 제거하여 활성을 저하시키지 않고 재사용이 가능하기 때문에 촉매 금속 사용량을 최소한으로 억제할 수 있다. 생성되는 테트라히드로퓨란은 촉매 및 폴리에테르수지의 원료로서 이용되고 있는 유용한 화성품으로 현재 석유를 원료로 세계에서 연간 수만 톤 제조되고 있다. 본 반응은 인접하는 2개의 OH기를 동시에 수소화 분해하여 제거하는 것으로 다른 바이오매스 유래 당질의 변환에도 적용할 수 있다. 예를 들면 탄소수가 홀수인 당 알코올(C3 글리세린, C5 자일리톨)로부터는 OH기 1개의 알코올류를 얻을 수 있다(수율 87% 이상). 탄소수가 짝수 개인 당 알코올(C4 에리트리톨, C6 소르비톨)로부터는 반응시간을 적절하게 선택하여 OH기가 2개 남은 디올류를 수율 85% 이상으로 얻을 수 있다. 본 연구에 의해 바이오매스 유래 화합물 변환은 석유 대체 프로세스로서 그 사용량 삭감과 이산화탄소 배출삭감에 기여할 것으로 생각된다. 그림. 테트라히드로퓨란 합성 과정 fig.PNG http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2014/12/press20141222-02.html