Verfahren zur Herstellung von Monofluorphosphorsäure und deren Monoestern
Die Herstellung von Monofluorphosphorsäure und ihren Estern war bisher nur auf schwierigen und umständlichen Wegen möglich. So ist versucht worden, Monofluorphosphorsäuremonoester durch Spaltung von Polyphosphorsäureestern mit Fluorwasserstoff darzustellen. Die Reaktion muss bei -400 C durchgeführt werden und liefert nach einer Molekulardestillation der erhaltenen Produkte sehr schlechte Ausbeuten. Nach einem weiteren bekannten Verfahren sind Monofluorphosphorsäuremonoester aus den gemischten fluorhaltigen Phosphorylchloriden hergestellt worden. Das Verfahren hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass sowohl die Herstellung der Phosphorhalogenide als auch die Trennung der FluorIlalogen-Phosphorsäureester erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
Ein neueres Verfahren, das die Umsetzung von Phosphorsäure und Phosphorsäuremonoestern mit 2,4-Dinitrofluorbenzol in Gegenwart tertiärer Basen betrifft, liefert gute Ausbeuten, erfordert aber eine schwierigere Aufarbeitung der Reaktionsprodukte und einen relativ kostspieligen Fluorüberträger.
Es wurde nun gefunden, dass überraschenderweise eine direkte Fluorierung von Phosphorsäure oder Phosphorsäuremonoestern oder deren Salzen mit Fluorwasserstoff dann möglich ist, wenn man die Reaktionskomponenten in Gegenwart von Trichloracetonitril und/ oder Dicyclohexylcarbodiimid und eines säurebindenden Mittels aufeinander einwirken lässt. Die Umsetzung erfolgt in glatter Reaktion und praktisch quantitativ.
Sofern erforderlich, werden die erhaltenen Produkte anschliessend noch einer Hydrolyse unterworfen. Die Isolierung aus dem Reaktionsgemisch erfolgt in an sich üblicher Weise.
Es ist erstaunlich, dass Fluorwasserstoffsäure unter dem Einfluss von Trichloracetonitril oder Dicyclohexylcarbodiimid dazu befähigt ist, direkt ein Fluoratom an das Phosphoratom der Phosphorsäure oder ihrer Ester anzulagern. Ein solcher Reaktionsverlauf war nicht vorauszusehen. Damit ist zur Herstellung der Monofluorphosphorsäure und ihrer Derivate ein sehr wirtschaft liches Verfahren mit leicht zugänglichen Ausgangsstof fen erschlossen.
Die Reaktionstemperaturen für das Verfahren nach der Erfindung liegen zwischen etwa -10 und + 1500 C; vorzugsweise arbeitet man bei etwa 35-800 C. Bei niedrigeren Reaktionstemperaturen verläuft die Reaktion entsprechend langsamer. In der Regel hält man das Reaktionsgemisch einige Stunden bei etwas erhöhten Temperaturen, etwa zwischen 35 und 800 C. Gegebe nenfalls wird anschliessend noch einige Zeit bei Raumtemperatur stehengelassen oder gerührt.
Der Zusatz eines weiteren Lösungsmittels ist im allgemeinen nicht erforderlich. Es ist jedoch möglich, inerte Lösungsmittel wie Acetonitril, Pyridin oder Dimethylformamid zuzusetzen.
Als säurebindende Mittel kommen vor allem tertiäre Amine wie Pyridin, Kollidin, Lutidin oder Trimethyl- und Triäthylamin oder auch Tributylamin in Frage. Selbstverständlich können auch Gemische dieser Amine verwendet werden.
Sowohl Trichloracetonitril und Dicyclohexylcarbodiimid als auch die säurebindenden Mittel werden im allgemeinen im Überschuss (bezogen auf Phosphorsäure bzw. ihre Monoester) zugesetzt. Es ist jedoch auch möglich, die Reaktion mit äquimolekularen Mengen durchzuführen.
Erstaunlicherweise ist es nicht erforderlich, wasserfreien Fluorwasserstoff zu verwenden. Die Reaktion kann auch mit wässriger, z. B. 50 %iger, Fluorwasserstoffsäure durchgeführt werden. Bei sehr niedrigen Konzentrationen an HF verläuft die Reaktion allerdings sehr langsam, so dass es sich im allgemeinen empfiehlt, keine geringeren Konzentrationen an Fluorwasserstoffsäure als etwa 5-10% zu verwenden.
Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches erfolgt in an sich üblicher Weise. Da die freien Säuren relativ instabil sind, werden sie zweckmässig als Alkali-, Ammonium- oder Cyclohexylammoniumsalze aus dem Reaktionsgemisch isoliert. Das säurebindende Mittel wird durch Waschen oder Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel entfernt. Häufig ist es angebracht, eine Reinigung über Ionenaustauscher, vorzugsweise über stark saure Ionenaustauscher, einzuschalten. Die in den Eluaten enthaltenen Substanzen werden in Alkalisalze, vorzugsweise in Natriumsalze, überführt und in üblicher Weise abgetrennt.
Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich beliebige Monoester der Phosphorsäure in die entsprechenden Monofluor-Derivate bzw. deren Salze überführen. Die Estergruppen, die an der eigentlichen Reaktion nicht unmittelbar beteiligt sind, können beliebige Alkyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen sein, die jeweils durch die verschiedensten Substituenten variiert sein können. Im allgemeinen besitzen diese Estergruppen nicht mehr als 25 C-Atome.
Als Phosphorsäuremonoester können auch Nucleotide in die Reaktion eingesetzt werden. Bei der Umsetzung von Ribo-nucleotiden mit Fluorwasserstoffsäure und Trichloracetonitril tritt jedoch neben der Bildung der entsprechenden Monofluorphosphate eine Nebenreaktion auf. Das Trichloracetonitril reagiert unter den angegebenen Reaktionsbedingungen mit den freien Hydroxylgruppen der Ribose zu dem entsprechenden 2',3'-O-( 1 Trichlor-2-amino)-äthylidennucleotid. Diese Äthylidenverbindungen, die in neutralem Milieu stabile Substanzen darstellen, spalten jedoch den ithyliden- rest in Gegenwart von verdünnter Säure schon bei Raumtemperatur leicht ab, wobei in quantitativer Ausbeute die entsprechenden Nucleosid-5'-monofluorphosphate entstehen.
Die Hydrolyse kann mit verdünnten Mineralsäuren wie Salz- oder Schwefelsäure oder auch mit Hilfe eines sauren Ionenaustauschers durchgeführt werden. Im alkalischen Bereich verläuft die Spaltung im allgemeinen langsamer. So erfolgt z. B. mit 7n Ammoniak bei Wasserbadremperatur in etwa 3-5 Stunden glatte Spaltung zu Nucleosid-5'-monofluor- phosphaten ohne Nebenprodukte. Durch die Einwirkung starker Basen bilden sich bei längerer Einwirkung weitere Hydrolyseprodukte wie Nucleoside und Nucleo basen, so dass also auch die Fluor-Phosphor-Bindung zerstört wird. Es ist nicht erforderlich, die Äthylidenverbindungen vor der Hydrolyse zu isolieren.
Bei der Verwendung von Dicyclohexylcarbodiimid tritt diese Nebenreaktion nicht auf.
Die Reaktion der freien Orthophosphorsäure mit Fluor vasserstoffsäure in Gegenwart von Trichlor acetonitril undloder Dicyclohexylcarbodiimid bleibt nicht auf der Stufe der Monofluorphosphorsäure stehen, sondern ergibt je nach dem Überschuss an Fluorwasser stoffsäure und Kondensationsmittel wechselnde Mengen an mehrfach fluorierten Phosphorsäuren, insbesondere an der relativ instabilen Difluorphosphorsäure. Alle diese Fluorphosphorsäuren lassen sich jedoch durch
Hydrolyse, vorzugsweise im schwach alkalischen Bereich (etwa pH-Wert 8-9), in das entsprechende Salz der Monofluorphosphorsäure umwandeln. Die Hydro lyse findet zweckmässig unter Erwärmen, vorzugsweise auf etwa Wasserbadtemperatur, statt. Geeignete Alka lien sind z. B. Lösungen von Natrium-, Kalium- oder
Ammoniumhydroxyd. Das dabei entstehende Alkali fluorid kann z.
B. durch Extraktion mit Methanol ent fernt werden, in dem das Alkali-mono-fluorphosphat nur schwer löslich ist.
Monofluorphosphorsäure und ihre Monoester kön nen in der Zahnheilkunde oder als Zwischenprodukte für Arzneimittel oder Pflanzenschutzmittel verwendet werden.
Beispiel 1
0,2 Mol Phosphorsäuremethylester, 0,4 Mol Tri äthylamin, 0,4 Mol 50%ige Fluorwasserstoffsäure und 0,6 Mol Pyridin werden gemischt. Das Reaktionsgemisch wird auf etwa 600 C erwärmt und unter Rühren langsam mit 0,6-0,8 Mol Trichloracetonitril versetzt.
Man hält das Reaktionsgemisch für etwa 4 bis 6 Stunden auf 600 C und lässt dann bei Raumtemperatur über Nacht stehen. Das Pyridin wird unter vermindertem Druck abgezogen, und der Rückstand wird in 0,2 Mol wässriger NaOH gelöst und mit Ather ausgeschüttelt.
Die ätherphase wird mit Wasser nachgewaschen. Die wässrigen Phasen werden vereinigt und über einen stark sauren Ionenaustauscher gegeben. Das Eluat wird nach Neutralisation mit Natriumhydroxyd zur Trockne eingedampft. Der Rückstand wird in Methanol gelöst und vom Ungelösten abfiltriert. Das erhaltene Filtrat wird mit Äther versetzt, wobei das Natriumsalz des Monofluorphosphorsäuremethylesters ausfällt. Fp. etwa 880 (Zers. bei etwa 1300). Ausbeute 88 %.
Beispiel 2
8,1 g (50 mMol) Monophenylphosphorsäure und 4 g (100 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure werden in 40 ml Pyridin gelöst. Unter gutem Rühren bei 600 C werden langsam 28,6 g (200 mMol) Trichloracetonitril zugetropft. Nach etwa 15 Stunden wird unter vermindertem Druck eingeengt und nach Zugabe von 50 ml in NaOH mehrmals mit Äther ausgeschüttelt. Die Wasserphase wird mit einem sauren Ionenaustauscher neutralisiert, filtriert und unter vermindertem Druck zur Trockne eingeengt. Der Rückstand wird mit Methanol aufgenommen, filtriert und mit AcetonlÄther fraktioniert gefällt. Eine geringe Vorfällung von sym. Diphenylpyrophosphat wird abgetrennt. Das Filtrat wird anschliessend mit Ather gefällt und getrocknet. Fp. 195 bis 2030 C. Ausbeute 9,2 g = 93 % der Theorie Monofluorphosphorsäure-phenylester Natriumsalz.
Fp. des entsprechenden Kaliumsalzes (Neutralisation mit KsCO3) 214-2160 C. Fp. des entsprechenden Cyclohexylammoniumsalzes (Neutralisation mit Cyclohexylamin) 148 bis 1490 C.
Beispiel 3
8,7 g (50 mMol) Monophenylphosphorsäure, 4 g (100 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure und 10,1 g (100 mMol) Triäthylamin werden in 10 ml Pyridin gelöst. Zu dieser Lösung wird bei 60-700 C langsam eine Lösung von 20,6 g (100 mMol) N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid in 10 ml Pyridin zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird 6 Stunden bei 600 C und anschliessend 12 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Dann wird nach Zugabe von 20 ml Wasser eine weitere Stunde gerührt. Der ausgefallene Harnstoff wird abgesaugt und mit Wasser ausgewaschen. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck zur Trockne eingeengt. Der Rückstand wird mit 30 ml Wasser aufgenommen und mit niedrig siedendem Petroläther (40-600 C) mehrmals gewaschen. Die wässrige Lösung wird über einen sauren Ionenaustauscher gegeben und das Eluat mit NaOH neutralisiert. Nach dem Einengen und Aufnehmen des Rückstandes mit Methanol wird mit Aceton/ Äther gefällt. Man erhält das Monofluorphosphorsäurephenylester-Natriumsalz. Ausbeute 9,5 g = 94% der
Theorie.
Beispiel 4
3,64 g (10 mMol) Adenosin-5'-monophosphorsäure monohydrat, 1,2 g (30 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoff säure und 3 g (30 mMol) Triäthylamin werden in 3 ml
Pyridin gelöst. Bei 600 C wird unter gutem Rühren eine Lösung von 6 g (30 mMol) N,N'-Dicyclohexyl carbodiimid in 3 ml Pyridin langsam zugetropft. Es wird 15 Stunden bei 600 C weitergerührt und dann das
Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgezogen.
der Rückstand wird mit 30 ml Wasser aufgenommen, und der ausgefallene Harnstoff wird abgesaugt. Das
Filtrat wird mit 25 ml 1n NaOH versetzt, mehrmals mit Äther gewaschen und unter vermindertem Druck zur Trockne eingeengt. Der Rückstand wird in Methanol gelöst und mit Aceton wieder gefällt. Der abgeschleuderte Niederschlag ergibt zusammen mit dem aus dem
Acetonfiltrat gewonnenen Material eine Ausbeute von
3 g = 81 % der Theorie an Monofluorphosphorsäure5'-adenosylester Natriumsalz. Statt Natriumhydroxyd kann auch nach Behandeln mit saurem Ionenaustauscher mit Ammoniumhydroxyd neutralisiert werden.
Man erhält dann das entsprechende Ammoniumsalz, F. 168-1700 C. Durch Neutralisation mit Cyclohexylamin erhält man das Cyclohexylammoniumsalz, F.
1400 C.
Beispiel 5
1 g (10 mMol) kristallisierte Orthophosphorsäure und 1,6 g (40 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure werden in 20 ml Pyridin gelöst und bei etwa 600 C mit 14,4 g (100 mMol) Trichloracetonitril tropfenweise versetzt. Nach 1 2stündigem Rühren bei 600 C wird filtriert und unter vermindertem Druck eingeengt. Der Rückstand wird mit Wasser aufgenommen und von 4,5 g Trichloracetamid abfiltriert. Das Filtrat wird mit LiOH auf pH 8-9 gebracht und mit Äther ausgeschüttelt. Die Wasserphase wird etwa 5-6 Stunden auf dem Wasserbad unter Einhaltung eines pH-Wertes von etwa 8 erwärmt, von wenig Lithiumphosphat abfiltriert und unter vermindertem Druck zur Trockne eingedampft.
Der Rückstand wurde mit Methanol ausgezogen und getrocknet. Ausbeute 1,1 g = 95 % der Theorie des Lithiumsalzes der Monofluorphosphorsäure.
Beispiel 6 a) 18,5 g (50 mMol) Adenosin-5'-monophosphorsäure-Monohydrat, 74 g (400 mMol) Tri-n-butylamin und 15 g (370 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure werden in 25 ml Pyridin gelöst. Zu dieser Lösung werden bei 600 C unter gutem Rühren 50 ml (500 mMol) Trichloracetonitril zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird 16 Stunden auf 600 C gehalten. Dann wird das Pyridin unter vermindertem Druck abgezogen, der Rückstand mit 400 ml 1n NaOH und 200 ml Wasser aufgenommen und mehrmals mit Ather gewaschen. Die Lösung wird durch Zugabe von 1n NaOH auf pH 7 eingestellt und unter vermindertem Druck zur Trockne eingedampft. Der Rückstand wird mit 100 ml Wasser aufgenommen, filtriert und mit etwa 500 ml Isobutanol (wassergesättigt) extrahiert.
Nach dem Eindampfen der Lösung wird der Rückstand in Methanol gelöst, die Lösung filtriert und mit Äther gefällt. Ausbeute 23 g 86,% der Theorie Monofluorphosphorsäure-5'-[2',3'-O- ( l-trichlor-2-amino)-äthyliden]-adenosylester Natriumsalz Monohydrat, i=aX 258 m (pH 7).
b) 5,3 g (10 mMol) Monofluorphosphorsäure-5' [2',3'-O-(l-trichlor-2-amino)-äthyliden]-adenosylester Natriumsalz Monohydrat werden in 150 ml Wasser gelöst und mit 20 g eines sauren Kationenaustauschers versetzt. Nach 3stündigem Rühren bei Raumtemperatur wird der Austauscher abfiltriert, mit Wasser nachgewaschen und das Filtrat mittels Natriumhydroxyd neutralisiert. Nach Einengen unter vermindertem Druck wird mit Methanol aufgenommen, filtriert und mit Äther gefällt. Nach dem Tocknen erhält man 3,4 g = 92 % der Theorie Monofluorphosphorsäure-5'-adenosylester, Natriumsalz.
Beispiel 7 a) 0,37 g (1 mMol) Uridin-5'-monophosphorsäure Dinatriumsalz, 1,48 g (8 mMol) Tri-n-butylamin und 0,3 g (7,5 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure werden in 1 ml Pyridin gelöst. Bei 600 C wird im Verlaufe einer Stunde 1 ml (10 mMol) Trichloracetonitril unter Rühren zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird 14 Stunden bei 600 C gerührt, dann das Pyridin unter vermindertem Druck abgezogen, der Rückstand mit 20 ml Wasser aufgenommen und die Lösung mit Äther ausgeschüttelt. Durch Zugabe von 10 ml 1n NaOH und Ausäthern wird das Tri-n-butylamin entfernt. Die wässrige Lösung wird auf etwa 5 ml eingeengt und mit wassergesättigtem Isobutanol ausgeschüttelt. Nach Abzug des Isobutanols unter vermindertem Druck wird der Rückstand mit Methanol aufgenommen, die Lösung filtriert und mit Ather gefällt.
Man erhält 0,445 g = 97 % der Theorie Monofluorphosphorsäure-5'-[2',3'-O (l-trichlor-2-amino)-äthyliden]-uridylester Natriumsalz als Monohydrat, man 260,5 mu (pH 7).
b) 0,255 g (0,5 mMol) Monofluorphosphorsäure-5' 2' 3'-O-( 1-trichlor-2-amino)-äthyliden]-uridylester Natriumsalz Monohydrat werden in 10 ml 7n Anunoniak etwa 4 Stunden auf 50-600 C erwärmt. Das Reaktionsgemisch wird unter vermindertem Druck zur Trockne eingeengt. Der Rückstand wird mit 10 ml Wasser aufgenommen. Mit Äther werden 0,358 g = 98 % der Theorie Monofluorphosphorsäure-5'-uridylester Natriumsalz Monohydrat gefällt.
Beispiel 8 a) 1 g (2,2 mMol) Guanosin-5'-monophosphorsäure Dinatriumsalz Trihydrat, 3,94 g (21,3 mMol) Tri-nbutylamin und 0,796 g (20 mMol) 50 %ige Fluorwasserstoffsäure werden in 3 ml Pyridin gelöst, und in die Lösung werden unter Rühren bei 600 C 2,6 ml (26 mMol) Trichloracetonitril eingetropft. Es wird analog Beispiel 7 aufgearbeitet. Ausbeute 0,89 g = 84,5 % der Theorie Monofluorphorphorsäure-5'-[2',3'-O-( 1 -tri- chlor-2-amino)-äthyliden]-guanosylester Ammoniumsalz, Ämax 254 mu (pH 7).
b) 0,526 g (1 mMol) des Ammoniumsalzes des Monofluorphosphorsäure - 5' - [2',3' - 0 - (1 - trichlor-2- amino)-äthyliden]-guanosylesters werden in 10 ml 7n Ammoniak etwa 4 Stunden auf 50-600C erwärmt.
Nach dem Eindampfen unter vermindertem Druck wird der Rückstand mit Methanol aufgenommen. Aus der filtrierten Lösung werden mit Ather 0,37 g = 97 % der Theorie des Ammoniumsalzes des Monofluorphosphorsäure-5'-guanosylesters gefällt.