CN102448971A - 亚磷酸二烷基酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种制备亚磷酸二烷基酯的方法，其中在分子中包含1-6个P-O-P键的P-O组分与醇和羧酸酯反应，该羧酸酯在烷基中具有1-6个碳原子并在酯的酯化烷基中具有5-20个碳原子。在通过蒸馏形成的羧酸的同时除去下形成亚磷酸二烷基酯。
Description
技术领域
本发明涉及一种从在分子中含1-6个P-O-P键的P-O组分开始制备亚磷酸二烷基酯的方法，包含下列步骤：以特别限定的酯化醇R'OH和P-O组分的摩尔比，使P-O组分与醇R'OH和C1-6的羧酸的酯反应，以使酯化烷基包含5-20个碳原子。使该混合物反应，由此同时蒸馏出形成的羧酸。该方法实际上将P-O反应物很好的转化为亚磷酸二烷基酯，其具有极低水平的不需要的副产物和高选择性。在优选的实施方式中，P-O反应物可由液态P4O6表示。
背景技术
亚磷酸二烷基酯已经为人所知很长时间，并且相应地已证实其中它们作为用于合成所需化合物的中间体的重要性。已经研究了用于合成亚磷酸二烷基酯的大批方法。CN 101250199涉及从PCl3和异丙醇制备亚磷酸二异丙酯的方法。DE 4121696描述了用于制备亚磷酸二烷基酯的方法。对苯中的含乙酸酐和甲醇的亚磷酸甲酯和亚磷酸二甲酯的混合物处理产生含高水平亚磷酸二甲酯的产物。一些出版物HU 207334、HU 199149和HU 196817公开了从PCl3开始制备亚磷酸二烷基酯的方法。
DD 108755描述了P4O6蒸汽和甲醇蒸汽反应来产生液态单酯和气态二酯的混合物。
US 4,342,709描述了通过使过量的亚磷酸三乙酯与亚磷酸反应制备亚磷酸二乙酯的方法。通常以超过化学计量需求的7-10 %的过量添加三乙基反应物。该方法从严格地无水的亚磷酸开始。为了避免与吸水作用相关的负面影响，在惰性气体吹扫下添加亚磷酸。DD 128755描述了在惰性溶剂存在下从三氯化磷和脂肪醇开始制备亚磷酸二烷基酯的连续方法。DOS 1 668 031涉及从具有至少5个碳原子的伯或仲线性或支化醇与至少45 %过量的亚磷酸开始制备高产率和高纯度的亚磷酸二烷基酯。
DD 116457涉及制备亚磷酸单烷基酯和亚磷酸二烷基酯的连续方法：通过使醇和亚磷酸烷基酯的混合物或亚磷酸单烷基酯和亚磷酸二烷基酯的混合物反应，向混合物添加含元素磷的工业级P(III)-氧化物，同时吹扫工业氮气，然后蒸馏分离形成的亚磷酸单烷基酯和亚磷酸二烷基酯。DD 108755公开了通过使P4O6与气相醇反应高产率地连续制备亚磷酸单烷基酯和亚磷酸二烷基酯混合物的方法。DD 222596涉及从亚磷酸单烷基酯和二酯亚磷酸酯的混合物开始制备纯的亚磷酸的烷基或芳基二酯的方法。将该混合物溶于惰性有机溶剂并将氨气引导通过混合物使单酯类沉淀。
US 5,344,951描述了制备亚磷酸二酯的方法，其中亚磷酸溶液与过量的一元醇反应，由此产生亚磷酸二烃基酯。WO 2004/024742涉及共同制备亚磷酸二乙酯和乙基氯的方法，其中在选自亚磷酸三乙酯、亚磷酸二乙酯和/或乙基氯的添加剂存在下使乙醇和三氯化磷反应。一般而言，由于在该方法中存在醇和HCl，类似的亚磷酸二烷基酯的制备产生包括烷基氯、烯烃和醚的副产物。
现有技术明确地表明亚磷酸二烷基酯制备技术，虽然得到大量的技术和经济上的进步，实质上已经停滞了很长时间，至少没有提供任何有意义的改进的可行的解决方案。现有技术常常是繁重的、费时的、不经济的以及不适应实际和可预见的商业需求。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种制备亚磷酸二烷基酯的显著改进的方法。本发明的另一个目的是提供从除亚磷酸单烷基酯和亚磷酸二烷基酯的混合物以外的广泛地反应物例如纯的亚磷酸单烷基酯制备亚磷酸二烷基酯的方法。本发明的又一个目的是提供从液态P4O6开始到亚磷酸二烷基酯的一步制备。在此的又一个目的预期与普遍的需求匹配的改进的纯度和选择性的亚磷酸二烷基酯的制备方法。在此的又一个目的在于以经济上有利的条件提供亚磷酸二烷基酯。在此发明的又一个目的是制备实质上纯的/无氯的亚磷酸二烷基酯。
除非另有限定，贯穿该申请使用的术语“百分比”或“%“表示“重量百分比”或“wt %”。术语“ppm”表示“百万分之一”。术语“P2O3”和“P4O6”可互换地使用。术语“液态P4O6”包含液态的纯净的P4O6，固态P4O6和气态P4O6，优选液态P4O6。关于温度和压力的术语“环境”表示通常在海平面的主要的陆地条件，例如温度为约18℃-25℃，并且压力为990-1050 mmHg。
现在上述和其他目的可通过一种制备方法得到满足，其中包含P-O-P键的化合物转化为相应的亚磷酸二烷基酯。更详细地，本发明涉及从分子中包含1-6个P-O-P键的P-O组分开始制备亚磷酸二烷基酯的方法，包含以下步骤：
a）使摩尔比为至少1：1-6：1的P-O组分和R'OH的混合物与分子式为R-C(O)OR'的酸酯反应，其中对于R'OH，R'选自支化或线性构型的具有5-20个碳原子的烷基基团；其中对于R-C(O)OR'，R'具有上述的含义，其中R表示具有1-6个碳原子的烷基链，由此该方法（和1摩尔所述P-O组分至亚磷酸二烷基酯的化学计量的转化）所需要的R-C(O)OR'的最小摩尔数（在P-O分子中的每个P原子）“z”由z = 2n - m确定，其中m是P-O分子中的P-O-P键数，n是分子中的P原子数；将P-O与酸酯同时或分别添加到R'OH，同时通过蒸馏出去形成的羧酸，温度为40℃-180℃、优选70℃-150℃、特别是90℃-130℃，反应时间为10分钟-10小时、优选15分钟-6小时。
具体实施方式
在本发明的优选的实施方式中，通过将P4O6与酸酯同时或分别地添加到含R'OH的反应介质来制备亚磷酸二烷基酯组分。反应介质通常是醇本身，尽管可任选地使用相对于P-O、R'OH和酸酯是惰性的合适的溶剂。合适的溶剂优选如下：苯甲醚；氟代苯；氯化烃类如氯苯，四氯乙烷，四氯乙烯；极性溶剂如环丁砜，二甘醇二甲醚，甘醇二甲醚，二苯醚，具有封闭OH基团如OR的聚亚烷基二醇衍生物，其中R是低烷基；脂族烃如己烷，庚烷，环己烷；非环醚如二丁醚，二异丙醚，和二戊基醚；环醚如四氢呋喃和二恶烷；芳香烃如甲苯，二甲苯；有机腈如乙腈；硅流体如聚甲基苯基硅氧烷；或其混合物。最优选的是与要从系统除去的羧酸作为共沸物蒸馏的溶剂，例如用于除去乙酸的甲苯。
P4O6可通过包含至少85 %、优选大于90 %；更优选至少95 %和在一个特定实施方式中至少97 %的P4O6的基本纯的化合物表示。尽管在本发明上下文内适合使用的六氧化四磷可通过任何已知的技术制备，在优选的实施中，可根据WO 2009/068636和/或PCT/EP2009/064988的名称为“Process for the manufacture of P4O6 with improved yield”的方法制备六氧化物。具体地，在1600-2000K范围的温度，在反应单元中以必要的化学计量的量使氧气或氧气和惰性气体的混合物与气态或液态磷反应，除去磷和氧气的放热反应产生的热量，同时保持0.5-60秒的优选的停留时间，然后在低于700K的温度把反应产物淬火，并且通过蒸馏精炼粗反应产物。如此制备的六氧化物是包含通常至少97 %的氧化物的纯产品。如此制备的P4O6通常为高纯度的液态材料，特别包含低水平的元素磷P4，以P4O6 100%来计算，P4优选低于1000 ppm。优选的停留时间为5-30秒、更优选8-30秒。在一个优选的实施方式中，可把反应产物淬火到低于350K的温度。
如清楚地说明的，术语“液态P4O6”包含任何形态的P4O6。虽然理论上讲固体类也可用于反应介质的制备，本文假定在40℃-180℃的温度参与反应的P4O6必然是液态或气态的，。
P-O组分可由P4O6或其部分水合类表示，在分子中包含1-6个P-O-P键。P-O组分的合适的种类的实例包括：焦亚磷酸，H4P2O5，包含一个P-O-P键；包含六个P-O-P键的P4O6；和分别包含2,3,4和5个P-O-P键的部分水合类。部分水合的P4O6可产生包含2,3,4或5个P-O-P键的水解产物。为了便利性和操作专长，P-O组分优选由包含极低水平杂质的高纯度P4O6表示，以P4O6100%计，元素磷P4的水平低于1000 ppm，通常低于500 ppm和优选不超过200 ppm。P-O组分可由具有例如相同数量的P-O-P键的相同成分表示，或由可在P4O6的部分水合产物中出现的具有P-O-P键分布的混合物表示。显然，在该情况下，P-O-P数表示P-O-P键的平均数。合适的P-O组分也可从PCl3开始通过部分水解或通过使PCl3和亚磷酸反应或通过P4O6和亚磷酸反应或通过P4O6的部分水解制备。P-O组分可通过以分子中存在至少一个P-O-P键为条件的例如PCl3、亚磷酸和水的不同试剂的混合物/组合物表示。要使用的水的水平限制为(以摩尔计) 4 H2O/P4O6。如果P-O由具有低于6个P-O-P键的组分表示，那么水的水平相应地减少，以使至少一个P-O-P键存在于用于这里的方法的P-O组分里。如果使用包含氯的起始材料，例如PCl3和它们的结合物，以P-O材料为100%计，氯的水平应低于1000 ppm，通常低于500 ppm，优选低于200 ppm。
结构式为R-C(O)OR'的酸酯是众所周知的种类的材料，相当数量的种类是可商购的或可根据需求常规地获得。羧酸基团R包含线性或支化构型的1-6个碳原子，优选1-4个碳原子。在醇R'OH和酸酯R-C(O)OR'中的基团R'由支化或线性构型的具有5-20个碳原子、优选5-12碳原子、特别是5-8个碳原子的烷基表示。尽管在醇和酸酯中的R'可独立地选择，在优选实施方案中，醇和酸酯两者都使用相同的R'。
1摩尔P-O组分完全转化成亚磷酸二烷基酯所需要的和因此本发明的方法所需要的R-C(O)OR'的最小摩尔数（对应P-O分子中的每个P原子）z由z = 2n - m确定，其中m是P-O分子中的P-O-P键的数量，n是分子中的P原子数。
R'OH由线性或支化结构的具有C5-C20的烷基、优选具有5-12个碳原子的烷基、特别是5-8个碳原子的烷基的醇表示。R'OH与P-O组分的摩尔比为至少1：1-6：1。R'OH：P-O为1：1-6：1的比率与P-O组分中的P-O-P键的数量有关。术语“至少”表示可将R'OH的水平增加到例如8：1，而不会不利地影响该系统。可将任何过量的R'OH常规地回收到系统并因此不会影响本发明的方法的经济性。
根据本发明，该反应以在本技术领域常规的已知的方式进行。如在实验说明中所示，该方法可通过结合必要的反应物并将反应混合物加热到通常45℃-180℃、更优选70℃-150℃、特别是90℃-130℃范围内的温度进行。上限温度目的在于防止任何反应物或在这些反应中形成的中间体的实质上的不适当分解。应当理解而且公知的是，反应物的分解温度可根据物理参数如压力和反应混合物中成分的定性和定量参数而变化。
本发明的反应可在环境压力或减压下进行，并取决于反应温度，在蒸馏下进行，由此除去潜在的过量醇和形成的羧酸，其有可能作为溶剂的共沸物。反应的持续时间可在几乎瞬时（例如10分钟）到延长的时间段（例如10小时）之间变化。在设立的一个方法中，将P-O，醇和酯添加到反应器，然后将该混合物逐渐地加热到70℃-150℃的温度。可在蒸馏的环境压力下或减压下伴随蒸馏进行该反应。
在又一个操作布置中，在混合蒸馏和压力的装置中进行该反应。具体地，将包含反应混合物的反应容器在选择的反应温度保持在环境压力或减压下。然后混合物可通过在自发的(高压釜原理)压力增加下运行的反应器连续地循环，由此根据需求逐渐地添加另外的反应物。该反应基本上在压力下完成，然后反应混合物离开密闭容器，回收至反应器，其中可蒸馏过量醇和形成的羧酸。
因此在70℃-150℃、在自发的、可能减压的压力下，通过加热初始反应物以分批法进行该反应。
在又一个布置中，该方法可以是半连续布置的，由此连续地进行反应，而例如P-O和醇之间的初步反应可分批进行。
如果需要的话，可通过包括特别是真空蒸馏的常规方法从反应产物回收亚磷酸二烷基酯反应产物。
亚磷酸二烷基酯可以用作中间体，例如为了有利地合成已知的难以制备的化合物。举例来说，2-膦酰基丁基-1,2,4-三羧酸可由亚磷酸二烷基酯经过如下步骤制备：
1：使亚磷酸二甲酯与马来酸甲酯反应；然后
2：在甲醇钠的存在下使由1产生的系统与丙烯酸甲酯反应；然后
3：在盐酸的存在下将2形成的酯基与水进行水解。
因此，在本发明的一方面，提供了一种制备2-膦酰基丁基-1,2,4-三羧酸的方法，如上所述，通过根据本发明的方法制备亚磷酸二甲酯，并进一步转化成2-膦酰基丁基-1,2,4-三羧酸。
此外可通过以下实施例非限制性地说明本发明。
实施例：
实施例1
将在40℃加热的22 g (0.1 mol)P4O6经过25分钟在搅拌下滴加到106 g (1.2 mol)的1-戊醇。将反应混合物维持在40℃，同时添加52.56g (0.4 mol) 1-戊基乙酸酯。将60 ml干燥的甲苯添加到反应混合物并在搅拌下实施加热，升温到122-135℃来蒸馏富甲苯液体。将该蒸馏步骤保持2小时50分钟，另外添加二次60mL干燥的甲苯。
粗反应混合物的31P NMR分析表明存在0.5 % w/w(1.2 mol%) H3PO3，19.6 % w/w(26.1 mol%)单1-戊基亚磷酸酯和79.8 % w/w(72.6 mol%)二1-戊基亚磷酸酯。
实施例2
将在40℃加热的22 g (0.1 mol)P4O6经过25分钟在搅拌下滴加到106 g(1.2 mol)的1-戊醇。在反应混合物维持在40-50℃，同时添加52.56g (0.4 mol) 1-戊基乙酸酯和10 mL 1-戊醇。然后将一部分60 mL干燥的甲苯添加到反应混合物并在搅拌下实施加热，升温到120-135℃来蒸馏富甲苯液体。在蒸馏45分钟后，将60 mL干燥的甲苯和60 mL 1-戊基乙酸酯添加到反应混合物并进一步继续加热/蒸馏步骤。然后将该蒸馏步骤保持4小时30分钟，另外添加4次60mL部分的干燥甲苯。
在CDCl3中的粗反应的31P NMR分析表明存在0.6 % w/w(1.5 mol%)H3PO3，19.6 % w/w(26.0 mol%)单1-戊基亚磷酸酯和79.6 % w/w(72.4 mol%)二1-戊基亚磷酸酯。
Claims (14)
1.一种由在分子中包含1-6个P-O-P键的P-O组分开始制备亚磷酸二烷基酯的方法，其包含下列步骤：
a）使摩尔比为至少1：1-6：1的R'OH和P-O组分的混合物与结构式为R-C(O)OR'的酸酯反应，其中对于R'OH，R'选自支化或线性构型的具有5-20个碳原子的烷基基团；其中对于R-C(O)OR'，R'具有上述的含义，R表示具有1-6个碳原子的烷基链，由此该方法所需要的在P-O分子中的每摩尔P原子对应的R-C(O)OR'的最小摩尔数z由z = 2n - m确定，其中m是P-O分子中的P-O-P键数，n是分子中的P原子数；将P-O组分与酸酯同时或分别添加到R'OH，温度为40℃-180℃，反应时间为10分到1小时，同时蒸馏形成的羧酸。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在羧酸中的R具有1-4个碳原子。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，P-O组分为P4O6。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，P4O6是液态。
5.根据权利要求1-4任一项的方法，其特征在于，将P-O组分添加到包含R'OH和酸酯的反应介质中。
6.根据权利要求1-5任一项的方法，其特征在于，以P-O组分100%计算，P-O包含至多1000 ppm的元素磷P4。
7.根据权利要求1-6任一项的方法，其特征在于，在醇、R'OH和酸酯中的烷基是相同的。
8.根据权利要求1-7任一项的方法，其特征在于，R'OH和P-O组分的摩尔比在1：1-8：1的范围内。
9.根据权利要求1-8任一项的方法，其特征在于，将P-O组分添加到含水的反应介质中，每摩尔P-O组分对应至多4摩尔的水。
10.根据权利要求1-9任一项的方法，其特征在于，在醇和酸酯中的烷基R'选自包含5-12个碳原子的基团。
11.根据权利要求1-10任一项的方法，其特征在于，在醇中的烷基R'具有5-8个碳原子。
12.根据权利要求1-11任一项的方法，其特征在于，反应在70℃-150℃的温度进行15分钟-6小时。
13.根据权利要求1-12任一项的方法，其特征在于，P-O组分是从PCl3开始制备的，并且，以P-O组分100%计，其包含低于400 ppm的氯。
14.根据权利要求1-13任一项的方法，其特征在于，R'是CH3，且其进一步包含下列步骤：
b）使步骤a）中获得的亚磷酸二甲酯与马来酸甲酯反应；然后
c）在甲醇钠存在下使步骤b）得到的系统与丙烯酸甲酯反应；然后
d）在盐酸存在下使步骤c）形成的酯基与水进行水解，
由此来获得2-膦酰基丁基- 1,2,4-三羧酸。
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