이온성액체-산촉매 혼합시스템을 통한 글루카르산의
2,5-퓨란다이카르복실산으로의 전환

김종화*, 이재익, 정찬덕, 최준호, 김호용

(한국화학연구원 바이오화학연구센터)

Conversion of glucaric acid to 2,5-furandicarboxylic acid via ionic liquid-acid catalyst combined system

Jonghwa Kim*, Jaeik Lee, Chan-Duck Jung, June-Ho Choi, Hoyong Kim

(Center for Bio-based Chemistry, Korea Research Institute of Chemical Technology)

요약: 본 연구에서는 이온성 액체-산촉매 혼합 시스템(ILCA system)을 제조한 뒤 이를 기반으로 글루카르산의 고리화 반응을 통해 2,5-퓨란다이카르복실산(FDCA)로의 전환 연구를 수행하였다. 우선, 1-메틸이미다졸(NMI)에 과량의 산촉매를 혼합한 뒤 안정화시킴으로써 NMI 기반 이온성 액체와 산촉매가 혼합된 시스템을 제조하였다. 브롬화수소산 유래 ILCA의 FT-IR 분석 결과 이미다졸의 양이온화를 관찰함으로써 이온성 액체의 형성을 확인하였고 열중량 분석(TGA)를 통해 ILCA system이 단일 산촉매에 비해 열 안정성이 증가함을 보였다. 또한 브롬화수소산 ILCA의 반응 조건에 따른 FDCA 수율을 분석한 결과 160도 60분, 5 wt% 글루카르산 농도에서 최대 69%의 FDCA 수율을 보였으며 다양한 산촉매와 비교한 결과 브롬화수소산에서 가장 높은 FDCA 수율을 보였다. ILCA의 재사용 실험 결과 4번째 사용부터 ILCA 성능이 감소되었으나 ILCA 재생 공정을 통해 다시 성능을 회복할 수 있었다.

Abstract: In this study, cyclization of glucaric acid to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) was performed via ionic liquid combined acid catalyst system (ILCA system). ILCA system was prepared by mixing 1-methylimidazole (NMI) with excess acid catalyst followed by stabilization. The FT-IR analysis showed that protonation of NMI was observed in hydrobromic acid (HBr) based ILCA system, indicating that NMI based ionic liquid was successfully formed. In addition, thermogravimetric analysis (TGA) showed that thermal stability of ILCA increased compared to single homogeneous acid. The optimization of reaction condition in HBr based ILCA revealed that maximum 69% of FDCA was produced at 160 ℃ of reaction temperature, 60 min of reaction time, and 5 wt% of glucaric acid concentration. The catalytic performance of ILCA was remained for 3rd times, then decreased. This deficiency of catalytic performance of ILCA was recovered by regeneration process.

사사: 본 연구는 산림청의 ‘산림과학기술 연구개발사업(RS-2024-00403384)’ 및 한국화학연구원의 ‘정밀·바이오 화학 실용화 사업(SS2042-10)’의 지원을 받아 수행되었다.