CN1021227C - 由n-膦酰甲基-2-唑烷酮制取甘氨膦之方法 - Google Patents

Abstract

将N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮水解，并分离出联产物二氧化碳，然后将水解产物氧化成为甘氨膦，此方法与先有技术所述方法相比较，效率可显著提高。

Description

本发明涉及制备N-膦酰甲基甘氨酸的方法，特别是涉及以N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮为起始物质制备N-膦酰甲基甘氨酸之方法。

美国专利4，547，324号披露了一种制备N-膦酰甲基甘氨酸的方法，该法是使N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮在氧化镉催化剂存在下与碱金属氢氧化物水溶液进行反应，然后将反应产物酸化，生成该种酸。

按美国专利4，547，324号中的唯一实例重做实验，得到的甘氨膦[或草甘膦（glyphosate），即N-膦酰甲基甘氨酸]收率很低，（40.2%）。因此，上述专利中所述的方法是不能令人满意的。另外，这个方法只可以用氧化镉作为催化剂。

现已发现了比美国专利4，567，324号的方法有显著改进的新方法，这个新方法可以提高收率并减少反应物需用量，并可在较广范围内选用催化剂。

本发明的方法包括将N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮水溶液加热，使其中的噁唑烷酮基发生水解，生成气态二氧化碳;将此反应一直继续下去，直至其中噁唑烷酮基本上完全转化为N-膦酰甲基乙醇胺或它的环内酯为止，并且除掉联产物二氧化碳;然后加入碱水溶液，加入量为把该膦酰甲基中的酸基中和之后仍有至少1摩尔过量，并加入选自镉、锌、铜、钯和铂以及它们的相应氧化物、氢氧化物和盐的催化剂，对该水解产物进行氧气;并加热至200-300℃温度;然后将反应混合物酸化，从而制成N-膦酰甲基甘氨酸。

可以看到，上述方法与美国专利4，547，324号的不同之处不仅于上述方法可达到更高收率，还在于该噁唑烷酮化合物的水解反应是在氧化反应之前进行。这是一项最关紧要的区别，因为业已发现，在中性或酸性条件下，噁唑烷酮的水解反应是伴随着释放出二氧化碳。按上述专利所述，若水解反应和氧化反应是在同一反应容器中同时进行，则二氧化碳就与碱反应而生成碳酸盐，已发现这些碳酸盐对该反应的速率与收率都是起不利作用的。此外，这个反应要消耗掉碱，因此完全氧化反应就需要更多量的碱。借助于在加入碱和氧化催化剂之前就将该噁唑烷酮水解并释放出气态二氧化碳，就可以避免生成会使催化剂效能下降的抑制剂。此外，避免了浪费两个当量的碱（这些碱本来是用于与二氧化碳反应并生成碱金属碳酸盐），并且在其后的酸化步骤中又节省了两个当量的酸。再者，在中和步骤中，生成盐的当量数也较少。由于盐生成量少，使这种方法的废料体积大大减少。

在具催化有效量的一种酸，例如硫酸存在下进行此反应是可行的，但是这样当然不能作到充分发挥出节省反应中所需碱量的潜在优越性，因为这些催化有效量的酸需要在进行下一个氧化步骤之前中和掉。

能达到本发明目的的优选方法是在水中将该噁唑烷酮水解，并且在停止逸出二氧化碳气并将之除 掉之后，方才加入碱和催化剂以进行氧化反应。在美国专利4，547，324号中描述了该噁唑烷酮衍生物的制备，包括使2-噁唑烷酮与多聚甲醛反应，随后是在一种羧酸溶剂中，于加热条件下例如用三氯化磷与之反应。

水解反应可以在压热釜中于100-300℃温度进行。但已发现优选温度是175-250℃。当然，所生成的二氧化碳必须在为了进行氧化反应而加入碱和催化剂之前就从反应器中脱除。可以有许多种方法脱除二氧化碳，其中有反应器放空和/或用惰性气体排空，这种本技术领域的技术人员来讲都是显而易见的方法。

已发现，通过水解反应生成N-膦酰甲基乙醇胺以及其按下式的环内酯：

在该氧化步骤的条件下，此环内酯转化成为所需要的N-膦酰甲基甘氨酸以及它的非环状前体。

在加热温度并于水和一种适当催化剂存在下，由该N-膦酰甲基乙醇胺（或其环内酯）与碱反应，就发生氧化作用而得到N-膦酰甲基甘氨酸。其反应温度可以在约150-300℃。但已发现，温度较高使副反应加剧，所以优选的氧化反应温度为约200-350℃。在压热釜中在自生压力条件下进行反应是很方便的，可以使用进行水解反应的同一反应釜。

催化剂最好是选自镉、锌、铜、铂和钯的氧化物，但其中氧化镉是最适宜的催化剂。应当指出，这些金属的相应金属细粉末或它们的盐也可以用作此反应的催化剂。在某些情况下，使用载于惰性载体上的催化剂可能是有利的，这些载体例如可用活性碳或其他市售载体。此氧化反应中可用的催化剂的总范围是本发明的方法区别于美国专利4，547，324号的另一个特征，因后者只许可用氧化镉作为催化剂。在原地生成的碱性金属碳酸盐的不利效应似乎是成为其催化剂选择局限性的原因。

所用的碱可以是任一种碱金属的氢氧化物，但由于若干理由，优选的反应物是氢氧化钾，尤其是氢氧化钠。

在酸基团中和反应发生之后，碱的存在量是过量于按1∶1摩尔的计算量，其目的是保证所加入的碱量超过为了中和水解产物中的所有酸官能团所需的量，并生成该产物的钠盐。在酸基中和之后，碱对乙醇胺衍生物的摩尔比率较好为1.5∶1至6∶1，最好为1.5∶1至4∶1。反应混合物中碱的浓度（在中和反应发生之后）较适宜是10-50%，最适宜是15-30%。

在氧化反应完毕后，反应产物呈N-膦酰甲基甘氨酸碱金属盐的形式。当然，可以用本技术领域中显而易见的许多方法将之制成游离酸，其中一例是在或接近等电点条件进行酸化/结晶。

由下述实例对本发明进一步说明，这些实例只是用于阐明本发明的实施方案并指出本发明比美国专利4，547，324号的优越之处。

实例1

A部分    在一个反应器中加入按美国专利4，547，324所述方法用0.025摩尔2-噁唑烷酮所制得的N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮。该产物为粘稠油状物。将此产物与10毫升水加热至200℃，并于200转/分搅拌条件下反应4小时。

用液相色谱法将该产物分离，证实N-膦酰甲基乙醇胺收率为77.4%，其环内酯收率为9.6%，N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮收率为5%。以上的收率均为以起始物质2-噁唑烷酮为准。

将色谱分离各组分合并，脱除溶剂得到油状物，然后与5克（0.125摩尔）氢氧化钠，5毫升水及0.1克氧化镉混合加热。这时的氢氧化钠对起始物质2-噁唑烷酮的当量比率为5∶1。加热至225℃，历时80分钟，用盐酸酸化反应混合物，生成其游离酸，然后用Dowex    50×8-400离子交换柱与水分离。得到3.6克甘氨膦，按2-噁唑烷酮计收率为85.7%。

B部分    此部分是阐明本发明的方法优于美国专利4，547，324号之处。重复该专利的实例3所述下列条件。

在100毫升蒙乃尔压热釜中加入从0.025摩尔2-噁唑烷酮经膦酰甲基化所得反应产物（脱除溶剂后），还有5克（0.125摩尔）氢氧化钠，25毫升水以及0.325克氧化镉。这样，该反应混合物中碱对噁唑烷酮衍生物的摩尔比率为5∶1。将压热釜加温至260℃，历时1小时。在升温过程中（1/2小时）压力上升至700磅/平方英寸，并在反应期间保持恒定。将反应产物用HCl酸化，并用Dowex    50×8-400离子交换柱与水分离。用核 磁共振法分析，发现N-膦酰甲基甘氨酸收率为40.2%，氨基甲基膦酸收率为29.2%（按起始物质2-噁唑烷酮计）。

C部分    本实例是阐明按美国专利4，547，324号的方法，但采用该专利中未提到的更有利的温度条件，同时减少氧化镉催化剂用量，增大碱对    唑烷酮摩尔比率，从而得到改进。这些反应条件载于与本申请案同日申请的美国专利共同未决申请823，177号中。

在B部分所用的同一反应器中，加入6.07克和A、B部分所用相同的，从0.0265摩尔2-噁唑烷酮进行膦酰甲基化所得脱溶剂后的油状反应产物;7.44克（0.186摩尔）氢氧化钠（碱对2-噁唑烷酮摩尔比率＝7∶1）;4.26毫升水以及0.1克氧化镉。

将反应物加热至225℃，历时2小时10分钟，并按与A、B部分相同的方式将反应产物分离并分析。所得N-膦酰甲基甘氨酸收率为81.9%，氨基甲基膦酸收率为4.6%，均以2-噁唑烷酮为基准。

因此，经调整后的条件使副产物生成量明显减少，但对于N-膦酰甲基甘氨酸的生成仍有显著的缺陷。此外，在C部分的氢氧化钠需用量为7摩尔（比率值），而A部分所用为5摩尔（比率值）。

于是就很容易了解到，本发明的方法所得结果与先有技术美国专利4，547，324中所述者相比，具有显著的优越性。

实例2

此实验阐明在含有硫酸的溶液中进行水解反应。

将按实例1由0.025摩尔2-噁唑烷酮起始所得的经脱除溶剂的同一油状产物，0.123克[5%（摩尔）]硫酸和10毫升水加入反应器中。将此反应混合物加热至175℃，历时4小时。

应用液相色谱法采用Dowex    50×8-400离子交换树脂柱产物与水分离。所得第一个组分证实为未反应起始物质（收率10%），第二组份为N-膦酰甲基乙醇胺的环内酯（收率6.4%），第三组分为N-膦酰甲基乙醇胺（收率76.3%）。

这是在具有非亲核阴离子的酸存在下进行水解，所得转化为乙醇胺衍生物的百分率很高，然后可以用上述的方法进行氧化反应。

实例3

本实例是阐示有碳酸钠存在时，其对于将N-膦酰甲基乙醇胺氧化为甘氨膦的催化剂效能之影响。

A部分    将4.0克（0.026摩尔）N-膦酰甲基乙醇胺再装入反应器中，同时加入4.13克（0.103摩尔）氢氧化钠（碱对噁唑烷酮的摩尔比为4∶1）、4.13克水和0.1克氧化镉。将反应器封闭并加热至225℃，历时1小时。

用液相色谱法将产物离析，并用核磁共振光谱法进行分析。结果为反应产物中含94.5%的N-膦酰甲基甘氨酸，3.5%的氨基甲基膦酸。

B部分    在反应器中装入4.0克（0.026摩尔）N-膦酰甲基乙醇胺，4.13克（0.103摩尔）氢氧化钠，2.73克（0.026摩尔）碳酸钠，4.13克水以及0.1克氧化镉。将反应混合物加热至225℃，历时1小时。按A部分的方法用稀盐酸酸化之后，将反应混合物各组分分离并进行分析，表明甘氨膦的收率为75.2%，氨基甲基膦酸收率为6.3%，未反应N-膦酰甲基乙醇胺为14.0%。

因此，与不存在碳酸钠的情况相比较，在氢氧化钠存在下进行水解的反应时生成的碳酸钠的效应是使生成目的产物的转化率显著下降。

实例4

本实例是阐明在氧化反应阶段，在不存在碳酸钠的条件下，使用氧化镉之外的其它催化剂的效果。此时实例的令人惊异之处是得到与美国专利4，547，324号迥然不同的结果，后者是只能使用氧化镉催化剂。

在每次试验中，均使用4.0克（0.026摩尔）N-膦酰甲基乙醇胺，4.13克（0.103摩尔）氢氧化钠，4.13克水以及下表所示量的催化剂。每次试验的温度均为250℃，并按实例3进行产物分离和分析。（表见下面）

本反应的目的产物N-膦酰甲基甘氨酸是一种非常重要的除草剂，它具有很重要并且广泛的用途。本发明对于生产这种有重要工业生产意义的产品提供了一个有利的合成路线中的关键性步骤。

催化剂    转化率

种类    用量    反应时间    甘氨膦    AMPA＊＊

5%PdO/碳    0.15克    0.75小时    73.9%    13.1%

金属Cu    0.1克    2.0小时    62.4%    16.4%

金属锌    0.1克    1.0小时    75.7%    14.1%

ZnO    0.1克    1.25小时    71.1%    14.9%

CuO    0.1克    2.0小时    67.2%    16.2%

1%PtO/碳    0.3克    1.0小时    76.7%    15.7%

＊＊氨基甲基膦酸

Claims (8)

1、一种制备N-膦酰甲基甘氨酸的方法，包括：使N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮的水溶液进行水解反应，使其中的唑烷酮基团发生水解并生成二氧化碳；使此反应持续进行至该噁唑烷酮转化成为N-膦酰甲基乙醇胺或其环内酯为止，并将联产物二氧化碳除去；然后加入碱水溶液，加入量为把膦酰甲基中的酸基团中和之后，该碱仍有至少1摩尔过量，并加入选自镉、铜、锌、钯和铂以及其相应盐、氧化物和氢氧化物的一种催化剂，将该水解产物氧化；并加热至200-300℃；然后将反应混合物酸化，得到N-膦酰甲基甘氨酸。

2、按权利要求1的方法，其中的N-膦酰甲基-2-噁唑烷酮是在100-270℃，在压热釜中在自生压力条件下进行水解。

3、按权利要求1的方法，其中的催化剂是氧化镉或氢氧化镉。

4、按权利要求1的方法，其中的氧化反应是在200-250℃温度进行。

5、按权利要求1的方法，其中的氧化反应中的氢氧化钠用量，对于膦酰甲基中的酸基已中和后的水解产物的摩尔比率为1.5∶1至6∶1。

6、按权利要求1的方法，其中噁唑烷酮基的水解反应是在具催化剂作用有效量的一种酸存在下进行的。

7、按权利要求6的方法，其中的酸催化剂是硫酸。

8、按权利要求7的方法，其中的水解反应是在100-300℃温度下进行。